Znáte účinnou cestu? Jak zrušit elektrostatický náboj v prostředí výrobních a průmyslových objektů


Statická elektřina není pouze záležitostí elektrotechniky, ale principy a zákonitosti elektrostatického pole jsou využívány nebo naopak potlačovány v celé řadě oborů a činností. Nepříznivé působení se vyskytuje všude tam, kde dochází k tření, oddělování, řezání, přesýpání, rolování materiálů nebo kde elektrický výboj může ohrozit zdraví lidí nebo
způsobit výbuch hořlavých par či plynů.

Do linek pro výrobu textilií, papíru či plastových folií jsou řazeny zvlhčovače, ionizátory a vybíjecí tyče. Kinofilmy a fotografické filmy jsou pokryty antistatickou vrstvou. Lakovací pistole a boxy jsou uzemněny. Na operačních sálech a v zubních ordinacích je položena antistatická podlaha. Avivážní prostředky pro textilie mají antistatické přísady. V dobrém slova smyslu je statická elektřina využívána např. při nanášení barev v elektrostatickém poli, u některých balicích technologií pro dočasné vzájemné spojení materiálů, v počítačových tiskárnách, kopírkách či faxech.

Vznik elektrostatického náboje – opakování fyziky
Teorie struktury materiálu uvádí, že těleso atomu je složeno z pozitivních a negativních nábojů. Pozitivní náboje jsou obsaženy v jádru atomu, zatímco negativní náboje – elektrony volně obíhají kolem pozitivně nabitého jádra.
V atomu, který je neutrální, je součet negativně nabitých obíhajících elektronů rovný součtu pozitivních nábojů v jádru. Každý materiál, složený z neutrálních atomů, je také neutrální. Vlivem určitých podmínek některé atomy nemají dost přitažlivé síly mezi pozitivním jádrem a negativními obíhajícími elektrony pro udržení všech elektronů na oběžné dráze. V tomto případě vnější obíhající elektrony, které nazýváme valenční, mohou být přitaženy k vedlejšímu atomu s větší přitažlivou silou a v atomu zůstává nadbytek pozitivních nábojů. Atom se tak stává pozitivně nabitým. Naopak některé atomy mají tendenci přibrat další elektrony, což způsobí nevyváženost a vznik atomu s negativním nábojem. Každý materiál s nadbytkem negativních atomů se stává negativně nabitý a obráceně, materiál s nadbytkem pozitivních atomů se stává pozitivně nabitý. Velikost a polarita nábojů závisí na tlaku, rychlosti dotyku a oddělování nebo tření, relativní vlhkosti, typu ploch a druhu materiálu. Při zvyšování tlaku nebo rychlosti dotyku a oddělování nebo tření dvou materiálů se napětí elektrostatického náboje zvyšuje.

Statická elektřina
v ofsetovém tisku
Statické náboje způsobují v archovém a rotačním ofsetovém tisku – často z důvodu s nimi spojené přilnavosti – značné obtíže. Patří mezi ně například problémy s oddělováním archů a jejich průchodem v nakladači. Mohou rovněž vznikat obtíže s přesností soutisku, zdvojený tisk nebo také obtahování. Ve vykladači není možné stohovat archy rovně a přesně. V rotačním ofsetovém tisku se výtisky „přilepují“ na dopravní pásy a v rohových nebo křížových stohovačích.
Podstata těchto rušivých elektrostatických jevů spočívá v dělení nábojů dvou látek. Při silném dotyku povrchů mohou putovat elektrony v nejmenších mezních vrstvách volně z jedné látky do druhé. Pokud se pak obě látky nebo plochy opět od sebe oddělí, je zde ve srovnání s předchozí situací rovnováha statických nábojů. Vzniká náboj a s ním spojená přilnavost. Příčinami vzniku elektrostatických nábojů je většinou suché klima v místnosti nebo příliš suchý papír.
Abychom předešli vzniku statické elektřiny, je třeba sledovat klima v místnosti tisku, kde by se relativní vlhkost vzduchu měla pohybovat v rozmezí 50–55 % při teplotě 21 °C. Je také třeba kontrolovat rovnovážnou relativní vlhkost papíru určeného ke zpracování. I ta by měla dosahovat přibližně 50–55 %. Vlhkosti a teplota v místnosti by měly být v rovnováze. Relativní vlhkost vzduchu v místnosti je možné zvyšovat rozprašováním vodní mlhy. Odvádění elektrostatického náboje se provádí zvyšováním vodivosti vzduchu. Mezi další opatření patří postříkání kovových částí nakladače tiskového stroje silikonem nebo antistatickým prostředkem dostupným na trhu. Je také možné používat zařízení na odvod statické elektřiny, která existují v různých provedeních. V případě problémů se statickou elektřinou v kotoučovém ofsetovém tisku je nejlepší je konzultovat s odbornou firmou.

Statická elektřina
v textilním průmyslu
Při tření textilie se indukuje elektrostatický náboj v důsledku nedostatku nebo přebytku elektronů v povrchových vrstvách textilie. Čím méně vodivé vlákno, tím více náboje se indukuje. Vodivost závisí na obsahu vlhkosti v textilním vláknu, ale i na relativní vlhkosti prostředí. S rostoucí relativní vlhkostí vzduchu z 30 % na 60 % a až 90 procent, klesá vodivost až o několik řádů (106–107 W, 108–109 W, 1011–1013 W). Kvalita antistatických parametrů se vyjadřuje povrchovým nebo průchozím odporem.
Elektrostatický náboj je možné v textilním průmyslu účinně snižovat, nebo mu úplně zabránit v zásadě těmito postupy případně jejich vzájemnými kombinacemi.
• Chemickou cestou – aplikací antistatického prostředku (aviváží) na povrch vláken.
• Konstrukční úpravou–uzemněním.
• Doplňkovou technologií – zvlhčováním vzduchu, ionizací vzduchu.

Statická elektřina
v elektrotechnice
 V současnosti je nejvíce používáno rozdělení materiálů podle jejich povrchové rezistance přesto, že tato není vlastností čistě materiálovou, ale je do značné míry ovlivňována relativní vlhkostí vzduchu, drsností a stavem povrchu. Materiály s nejnižší povrchovou rezistancí >=1*102 W a <1*105 W jsou zařazeny jako materiály elektrostaticky vodivé. Sem patří většina kovů, tkaniny s podílem kovového vlákna, silně vodivě dotované plasty apod. Tyto materiály se používají jednak jako ochranné a stínicí, ale i jako zemniče pro odvedení vzniklého náboje.
Materiály, jejichž povrchová rezistance je >=1*105 W a <1*1011 W jsou uváděny jako materiály elektrostaticky ztrátové – dissipativní. Je možné je používat jako stínicí, ochranné, jako plochy pracovišť, ale nelze je využít jako vlastní zemnicí vodiče. Do této kategorie patří většina antistaticky upravených plastů a tkanin.
Materiály s povrchovou rezistancí >=1*1011 W jsou pak považovány za materiály izolační. Nelze je používat ani jako ochranné či stínicí. Naopak jejich výskyt je třeba na pracovištích s elektrostaticky citlivými součástkami omezit na nejnižší přijatelnou míru. Sem se řadí izolanty v klasickém slova smyslu.

Typy závad
Vady vlivem elektrostatického výboje závisí na velikosti náboje a na oblasti nebo cestě na výrobku, kterým náboj prochází. Velikost náboje může být spočítána z rovnice: I =Dq/Dt, kde I = vybíjecí proud, Dq = velikost elektrostatického náboje a Dt = vybíjecí čas. Skutečný výboj je ukončen během
1 nanosekundy. Z rovnice vyplývá, že čím vyšší náboj tím vyšší bude vybíjecí proud.
Poškození nebo zničení elektronické součástky závisí na velikosti tepla vyvinutého vybíjecím proudem Ex(H)»I2. Jestliže výboj/teplo převýší úroveň odolnosti součástky, může způsobit následující reakci:
• tepelný defekt
• dielektrický defekt
• vypaření kovové vrstvy

Latentní vady způsobené ESD
(lokální elektrostatické výboje – ESD- Electrostatic Discharge)
Poškození vlivem statické elektřiny nemusí způsobit bezprostřední nebo katastrofické zničení součástky, ale může poškodit součástku tak, že způsobí latentní vadu.
Tyto latentní vady jsou realitou, zde jsou některá hlediska, která musíme vzít v úvahu:
• Latentní vady vlivem ESD mohou být vyvolány dokonce i tam, kde není žádný kontakt osob s citlivými součástkami během výroby, zkoušek nebo použití.
• Existuje i kumulativní degradace, která je vyvolána nízkými expozicemi elektrostatického náboje vlivem kontaktu osob nebo jinými prostředky.
• Není znám způsob zkoušení možných latentních vad vlivem ESD.
• Konečný uživatel je částečně zranitelný k účinkům ESD vzhledem k složitému výrobnímu cyklu, který zahrnuje dodavatele, výrobu, montáž součástek a prvků.
Latentní vady vlivem ESD jsou velmi citlivé k okolním podmínkám a nejsou pravděpodobně identifikovatelné metodou analýzy vady.

Elektrostatické napětí
na pracovištích
Následující tabulka uvádí napětí statické elektřiny generované na pracovištích výroby a montáže elektroniky bez antistatického ošetření. Je z ní patrný také velký vliv relativní vlhkosti vzduchu na velikost tohoto napětí.

Statická elektřina
v běžném životě
Při dlouhodobém působení na živý organizmus nastávají některé nepříznivé funkční změny v reaktivitě orgánových systémů člověka. Je třeba si uvědomit, že ve zhoršeném pracovním prostředí na některých pracovištích, zejména administrativního charakteru, je nutno pobývat dlouhé hodiny denně, což se může skutečně projevit zvýšenou únavou a nesoustředěností pracovníků, ale i jejich zvýšenou nemocností.
K elektrostatickým výbojům dochází zejména při současné kumulaci podmínek:
• Pracovníci obsluhující elektronické přístroje mají nevhodné oblečení či obutí z hlediska vzniku vysokého elektrostatického napětí – značným zdrojem statické elektřiny může být pohyb člověka ve vlněném svetru nebo v oděvu ze syntetických tkanin.
• Povrchy stolů, židlí i podlahová krytina jsou z plastů s vysokým izolačním odporem (PVC, syntetické tkaniny koberců, umakart, různé nátěry a laky).
• Nízká relativní vlhkost vzduchu v místnosti zejména v zimě.
Elektrostatický náboj může vyvolat potíže zejména v obytném prostředí (byty, kanceláře apod.), neboť zde jsou uvedené podmínky zpravidla dobře splněny - zejména nízká vlhkost vzduchu a syntetické podlahové krytiny. Zvláště v zimních měsících klesá vlhkost v obytných prostorech pod 40 procent a napětí elektrostatického náboje může narůst až na 15 kV.
 Těmto vysokým hodnotám napětí lze zabránit řízenou vlhkostí vzduchu a použitím antistatických materiálů podlah a čalounění. Druhou možností je snížit náboj uzemněním s elektrostatickým svodem. Rovněž přírodní materiály oděvů (např. bavlna, len) snižují napětí výboje ESD. Nutno ovšem dodat, že při relativní vlhkosti vzduchu 25–30 % se bavlna nabíjí víc než plastické hmoty! Její elektrostatický náboj dosahuje maxima při 35 % a teprve při vyšší vlhkosti se snižuje! Naproti tomu nylon si udržuje náboj i při relativní vlhkosti 60 %, při které se už bavlna vůbec nenabíjí. Třením šatů a bot o izolační povrch vznikají náboje o vysokém elektrickém napětí, které dále narůstá s každým krokem pracovníka na izolačním povrchu (koberci, PVC podlahové krytině). Tento podlahový materiál nemá obvykle dostatečnou vodivost, která by zajistila rozptýlení elektrostatických nábojů
Jak nejsnadněji předcházet
a eliminovat vznik
elektrostatického náboje:
Abychom předešli vzniku statické elektřiny, je potřeba sledovat klima ve výrobní prostorech, kde by se relativní vlhkost vzduchu měla pohybovat v rozmezí 50 až 55 % při teplotě 21 °C. Teplota a vlhkost by měly být v neustálé rovnováze. Jak předejít tomu aby zejména v zimních měsících neklesala relativní vlhkost vzduchu pod optimální hranici? Instalovat zvlhčování, rozprašovat do prostoru vodní mlhovinu.

Odborné zdroje informací:
Doležal Ivan, Přehled chyb v ofsetovém tisku (VII), Svět tisku
Kučera Ivan, Ing., CSc., Dřevo a elek-tromagnetický smog,
Kučera Ivan, Ing., CSc.,Vlivy elektrických zařízení na člověka, Elektrotechnika v praxi (Ostrava)
ČSN 33 2030, Elektrostatika – Směrnice pro vyloučení nebezpečí od statické elektřiny
Říha Zdeněk, Růžička Jaroslav, http://www.antistatika.cz
Ing. Miroslav Harazím, Ph.D.