Antisztatikus anyagok – ESD (elektrosztatikus kisülés) – Meghatározás és előnyök

Az elektrosztatikus kisülés problémát okozhat a gyártási környezetben: a veszélyek a károsodástól az érzékeny alkatrészeken át a tűz- és robbanásveszélyig terjednek. E jelenségek előfordulásának minimalizálására számos lehetőség áll rendelkezésre. Ezek közé tartoznak az antisztatikus vagy ESD anyagok. A következő cikk az elektrosztatikus töltés okait ismerteti, bemutatja az antisztatikus anyagokat (ESD anyagok), és ismerteti az elektrosztatikus kisülés elkerülésére vonatkozó általános irányelveket.

Hogyan alakul ki az elektrosztatikus töltés?

Az elektromos töltés fizikai megmaradási paraméter. Az utóbbi megértéséhez az ügyet atomi szinten kell vizsgálni. Minden egyes atom egy atomhéjból és egy atommagból áll. Míg az atommag fő tömege pozitív töltésű részecskékből (protonokból) és semleges elemi részecskékből (neutronokból) áll, az atomhéjban negatív töltésű részecskék (elektronok) vannak. Az egyenlő töltések taszítják egymást, és az ellentétes töltések pedig vonzzák egymást. Ha protonok és elektronok azonos mennyiségben vannak jelen, akkor az atomon belül jelen lévő egyedi töltések külső hatásai a töltések összegzése során kioltják egymást. Az atom elektromosan semleges. Ha például több proton van jelen, mint elektron, akkor ezt pozitív töltésnek nevezzük.

Az elektrosztatikus töltés szorosan kapcsolódik az elektromos töltéshez. Ha két anyag egymáshoz dörzsölődik, az elektronok az egyik anyagból átkerülnek a másikba. Bár a földelt, vezetőképes anyagok egyidejűleg kompenzálják az elektronátvitelt szabad elektronokkal, ez nem könnyen lehetséges szigetelt vagy szigetelő anyagok esetében. Ezekben az esetekben az elektronokat az atomhéjban kevésbé megtartani képes anyag átadja ezeket az elektronokat az érintkező anyagnak. Az elektronokat leadó érintkező anyag az elektronhiány miatt pozitív töltésösszegzéssel rendelkezik, és az az anyag, amelyre az elektronok átkerülnek, negatív töltésösszegzéssel rendelkezik a felesleges elektronok miatt. A két érintkező anyag között töltéskülönbség áll fenn. Elektrosztatikus kisülésről akkor beszélünk, ha két különböző elektromos töltésű tárgy érintkezik egymással. Érintkezéskor elektronok cserélődnek, és elektromos meghibásodások fordulhatnak elő. A statikus töltésű komponensek kisülnek.

A felhalmozódott elektrosztatikus töltés levezetésekor nagy elektromos áram áramolhat, amely akár gyúlékony anyagok égését vagy robbanását is okozhatja.

Az, hogy az elektrosztatikus töltés hogyan nyilvánul meg, a feszültségtartománytól függ:

• > 3000 V: Az elektrosztatikus kisülés észrevehető, pl. fémpengék megérintésekor.
• > 5000 V: A ruházat levételekor elektrosztatikus kisülés, pl. recsegő hang hallható.
• > 10 000 V: Az elektrosztatikus kisülés látható, pl. szikra vagy villanás formájában.

Villámlás és szikrázás történik például, ha nagy térerősség jön létre olyan tárgyak között, amelyek eltérő töltéssel rendelkeznek. Ha a feszültség elég nagy, hirtelen töltéskiegyenlítés történik, és rövid ideig elektromos áram áramlik (villog).

A szigetelő és a vezetőképes anyagok közötti nagy különbséget az atomhéjba ágyazott elektronok stabilitása vagy erőssége okozza. Míg a szigetelőanyagban lévő összes elektron az atomhoz van kötve, addig a fémekben lévő elektronok szabadon mozoghatnak feszültségmentes állapotban is, és az egyik atomhéjból egy másik atomhéjba ugorhatnak.

Védelem az elektrosztatikus töltéssel szemben

Az elektrosztatikus töltéssel szembeni védelem a munkahelyi biztonság fontos szempontja, amint azt a Gépészeti biztonsági szabványok szóló cikkünk is ismerteti. De miért olyan fontos a védelem? A fémtárgyakkal való érintkezés során már biztosan mindenki kapott már „áramütést”. Minél magasabb az elektromos töltés, annál veszélyesebbek ezek a kisülések.

Ipari környezetben akár 10 000 V feszültség is könnyen előfordulhat, ami károsodáshoz vagy tönkremenetelhez vezethet, különösen az elektronikus alkatrészeket érintően. A hagyományos műanyagok esetében fennáll az elektrosztatikus töltés kockázata, mivel nagy felületi ellenállással rendelkeznek. Ha bennük elektronikus alkatrészeket szállításanak, gyorsan problémák léphetnek fel. A folyamatos miniatürizálás, különösen az elektromos és félvezető szektorban, növelte az elektrosztatikus kisüléssel szembeni érzékenységet. Ezért különösen fontos a műanyagok statikus töltése. Az elektrosztatikus kisülésre különösen érzékeny komponenseket az „elektrosztatikusan érzékeny eszköz” ESDS szimbóluma jelöli:

A fóliák, félvezetők vagy papírok gyártása során tűz- és robbanásveszély is fennáll. Ezért a védelem alapvető fontosságú.

Meghatározás: ESD-anyagok és antisztatikus anyagok

Alapvetően az antisztatikus és ESD anyagok az elektrosztatikus töltés kezelésének módjában különböznek. Antisztatikus anyag esetén a hangsúly annak megakadályozásán van, hogy az elektrosztatikus töltés befolyásolja az anyag elektrosztatikus tulajdonságait. ESD-anyagok esetén az elektromos vezetőképesség van az előtérben, hogy az elektrosztatikus töltések különösen gyorsan levezethetők legyenek. Ezt szén hozzáadásával érjük el. Ez azonban nem jelenti azt, hogy az antisztatikus anyagok ne tudnának ugyanakkor elektrosztatikus töltéseket is levezetni; csupán vezetőképességük alacsonyabb, mint az ESD anyagoké.

Mindkét anyagcsoportra különböző szabványok vonatkoznak. Az antisztatikus anyagokat általában a személyi védelemben használják olyan szabványokban, mint az EN 1149 az antisztatikus ruházatra vagy az EN ISO 20345 az antisztatikus biztonsági lábbelikre vonatkozóan. Az elektromos ellenállásnak olyan alacsonynak kell lennie, hogy ne fordulhasson elő töltés, és például a szikrák is megelőzhetők legyenek. Az ESD anyagok esetében az alkatrészek védelmére összpontosítunk. Az EN 61340-4-1 szabvány a felületek és anyagok vezetőképességére vonatkozó követelményeket határozza meg. Vannak azonban olyan ESD-anyagok, amelyeket személyes védelemre használnak, pl. ESD lábbelik. Az ESD lábbelikre szigorúbb előírások vonatkoznak a jóváhagyott elektromos ellenállás tekintetében: Elektromos ellenállásuk 0,1 és 100 megaohm között van, míg az antisztatikus anyagok tartománya 0,1 és 1000 megaohm között van. Az ESD és antisztatikus anyagokat például vezetőképes padlóburkolatokban és csomagolóanyagokban, valamint speciális bevonatokban is használják.

Az érintkezési ellenállástól függően az anyagok különböző kategóriákra oszthatók, ami viszont az antisztatikus és ESD technológiákban is létfontosságú:

Működési elvek

A különböző anyagkategóriák funkcionalitása a következő elvek szerint változik:

• Disszipáció: Az ESD-anyagok ellenőrzött módon vezetik át a létrehozott töltést az anyagon, és eloszlatják azt a veszélyes feszültségkülönbségek elkerülése érdekében.
• Szigetelés: A szigetelőanyagok megakadályozzák a töltések mozgását, ami bizonyos területeken hasznos lehet az érzékeny alkatrészek kontrollálatlan kisüléstől való védelme érdekében.
• Taszítás: Különleges felületi struktúrák és adalékanyagok segítségével az antisztatikus anyagok megakadályozzák a töltések felhalmozódását a felületen.
• Földelés: A vezetőképes anyagok meghatározott földelési pontokkal csatlakoznak a földelési potenciálhoz, hogy a felesleges töltéseket szabályozott módon levezessék.

Vizsgálati módszerek

Az anyag elektromos szigetelési viselkedése legjobban a felületi ellenállás és az érintkezési ellenállás meghatározásával definiálható. Az érintkezési ellenállás, más néven elektromos ellenállás az anyagon átfolyó áram ellenállása, amelyet ohmban határoznak meg. Az érintkezési ellenállás információt nyújt arról, hogy az anyag mennyire jól vagy rosszul képes elvezetni a töltést a talaj irányába. A leolvasás úgy történik, hogy egy-egy elektródát csatlakoztatnak a felület tetejére és aljára, és azon mérőáramot vezetnek át. A felületi ellenállás pedig az anyagfelület elektromos ellenállását írja le. Az elektromos ellenállást úgy határozzák meg, hogy két párhuzamos elektródával elektromos feszültséget alkalmaznak a felületen, és a két elektródán áthaladó áramot mérik.

Tervezésalapú megközelítések statikus töltések megelőzésére

A statikus töltés hatékonyan minimalizálható vagy megakadályozható a rendszerek, alkatrészek és kritikus munkaterületek célzott tervezési intézkedéseivel. A vonatkozó kontroll paraméterek a következők:

• Anyag kiválasztása
• Földelés
• Páratartalom-szabályozás
• Ionizálók
• A súrlódás elkerülése

Anyag kiválasztása

Általában az antisztatikus vagy ESD anyagok közötti választás az alkalmazástól függ. ESD-anyagok használata ajánlott, ha elektrosztatikusan érzékeny terméket szállítanak, szerelnek fel vagy dolgoznak fel. Ha a statikus feltöltődést már a kezdetektől meg kell akadályozni, például azért, hogy megvédje a személyzetet a szikráktól, az antisztatikus anyagok jobban használhatók, mivel minimalizálják a feltöltődést. A MISUMI különböző antisztatikus anyagokat kínál. A speciális tulajdonságokkal rendelkező speciális műanyagok is megfelelőek lehetnek. Tudjon meg többet a Speciális műanyagok a gyakorlatban való használatra című cikkünkben.

Elektrosztatikus földelés

Megfelelő földelés esetén a felesleges elektromos töltések közvetlenül a földelési potenciál ellenében vezethetők le. Ez például speciális elektromosan vezető munkaállomás szőnyegekkel, földelőhevederekkel vagy a gépeken speciális földelési pontokkal érhető el. Minden vezetőképes alkatrésznek állandó csatlakozással kell rendelkeznie a földeléshez.

Páratartalom-szabályozás

Minél magasabb a páratartalom, annál nagyobb a levegő vezetőképessége és annál jobban tudnak a felesleges töltések felszabadulni és eloszlani a levegőben lévő vízmolekulákban. Ha a gyártási környezet lehetővé teszi, magasabb páratartalom ezért használható és felügyelhető. 50-60%-os relatív páratartalom ajánlott.

Ionizálók

Ha a földelés önmagában nem megfelelő, ionizálók használhatók az elektrosztatikus kisüléshez. Pozitív és negatív töltésű ionpárokat hoznak létre, amelyek az ionizáló effektív tartományában meglévő statikus töltésekhez kötődnek és kompenzálják azokat. Az ionizálókat gyakran használják szigetelőanyagból készült munkadarabok megmunkálásakor, hogy kiküszöböljék a nem kívánt statikus töltéseket.

A súrlódás elkerülése

A statikus töltés egyik fő oka a szigetelők és a nagy impedanciájú felületek közötti súrlódás. A súrlódást segédeszközök, például antisztatikus kenőanyagok vagy csúszásgátló adalékanyagok használatával lehet elkerülni. Az anyag súrlódási tulajdonságainak alaposabb megértése szintén segíthet a működési folyamatok jobb osztályozásában. További információkért lásd a Az anyagok súrlódásának és súrlódási együtthatójának meghatározása.

Egy másik lehetőség a speciális felületkezelés, amely biztosítja a simább szerkezet kialakítását. Ez elérhető például polírozott felületeken vagy speciális anyagokkal, például antisztatikus szilikonnal vagy PTFE-vel (Teflon) vezetőképes töltőanyagokkal.