摩擦和靜電的產(chǎn)生

在薄膜生產(chǎn)和應(yīng)用中，靜電一直是我們比較頭痛的問題之一，摩擦、撞擊甚至張力變化都有可能引起靜電，不但影響印刷和制袋質(zhì)量還可能引起安全問題。筆者在多年生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)中，對下面幾個問題深有感觸，在此與大家交流探討。

●摩擦是怎么產(chǎn)生靜電的。

薄膜在生產(chǎn)中與金屬輥的摩擦很小，那為什么也產(chǎn)生靜電呢？電學(xué)原理告訴我們，嚴(yán)格說摩擦起電只是一種接觸帶電的一種表現(xiàn)形式而已。產(chǎn)生靜電一個主要原因就是因為兩種材料接觸時，部分電子云重疊。在迅速分開時，其中一種材料具有較大的吸附電子（或其他帶電粒子，下同）的能力就有可能使電子轉(zhuǎn)移到該材料，獲得電子而呈現(xiàn)負(fù)電，而另一種材料則呈現(xiàn)正電。另外，自然界中還有對物體施加作用力時產(chǎn)生的壓電（皮埃佐電）和對物體加熱時產(chǎn)生的熱電，摩擦起電是這些作用的綜合結(jié)果。

●摩擦靜電只在不同材料之間發(fā)生嗎？

一個令人震驚的事實是，兩個同樣形狀冰塊相互摩擦也會產(chǎn)生靜電。筆者在北京地區(qū)1月份曾左右摩擦，用A冰棒的C點左右摩擦B冰棒全部區(qū)域3分鐘。用ELD-1靜電壓表測試得知，在A棒的C點出現(xiàn)電壓很高的負(fù)電荷，而在B棒的整個摩擦區(qū)域，則出現(xiàn)了電壓比較低的正電荷。

上述摩擦在物理學(xué)被稱為“非對稱摩擦”。分析靜電產(chǎn)生原因，雖然摩擦?xí)r對兩塊冰做的功一樣，但是對B棒來說，因為摩擦面積大，由摩擦熱引起的溫度上升不明顯，而對于A棒，因為做功相對集中，C點溫度相對升高。溫度的升高帶來分子的活躍和電離――帶正電的氫離子和帶負(fù)電的氫氧根離子，其中氫離子比較活躍，容易從溫度高的A棒C點游離到溫度低的B棒廣大區(qū)域上，從而使B棒顯示正電，相反，A棒C點則顯示負(fù)電。

用兩個聚丙烯棒進(jìn)行以上試驗，同樣產(chǎn)生靜電，只不過電性與冰塊相反。

日本京都大學(xué)研究資料顯示，用兩塊同樣形狀的聚乙烯薄膜相互對稱摩擦后，測試可以發(fā)現(xiàn)，在上面出現(xiàn)了許多很微小的帶正電的點及大片帶負(fù)電的區(qū)域，原因是聚乙烯表面微觀的凹凸不平造成的局部不對稱摩擦，致使各部分摩擦熱和溫度的不同，從而導(dǎo)致活躍的帶電荷基團(tuán)不均勻分布。

所以說，同樣材料的相互摩擦也會導(dǎo)致靜電。

●關(guān)鍵的靜電測試。

靜電測試包括測定靜電基本參數(shù)，如靜電電壓、電量、電容和測定材料性能，如表面電阻率、體積電阻率。對于塑料薄膜生產(chǎn)使用者，除部分電器包裝需要測定表面電阻率、體積電阻率（用兆歐表）外，一般用戶測試薄膜表面的靜電壓即可。

對塑料薄膜這樣的非導(dǎo)體的表面靜電壓測試（包括測試靜電的極性和電位數(shù)據(jù)），因為探頭不能接觸薄膜，稱為非接觸測試。根據(jù)測試原理的不同，可分為靜電感應(yīng)和空氣電離兩種方法。靜電感應(yīng)是將測試探頭靠近薄膜，利用探頭與薄膜間產(chǎn)生的畸變電場測試，實質(zhì)上是對薄膜表面電場的測試?？諝怆婋x是利用放射性同位素電離空氣，在薄膜與儀表輸入端、輸入端與接地端之間分別產(chǎn)生電阻分壓，測試薄膜的對地電壓。

表1 兩種方式靜電電壓表的特點比較

可以看出，在車間使用感應(yīng)式靜電電壓表時，其與薄膜的位置、薄膜面積相對固定才能降低誤差，即所謂相對測試；而空氣電離式電位計應(yīng)該在靜止場合使用，并進(jìn)行數(shù)據(jù)補償。

方便攜帶的ELD-1靜電電壓表                                         

硬毛靜電刷的消電原理

由于硬毛靜電刷消電效果取決于薄膜靜電壓的感應(yīng)電壓，消電效果不*，所以人們做了改進(jìn)，把接地的A處加上與薄膜靜電電荷性能相反的直流高壓電源，如正電荷，使消電效果大大提高，這就是直流消電器的原理。

如果把硬毛換成對薄膜無損傷的軟毛，則可以直接接觸薄膜，因為軟毛的“柔”，產(chǎn)生靜電感應(yīng)后因為電荷的吸引力毛尖部分可以緊緊吸附在薄膜上，負(fù)電荷可以通過軟毛靜電刷直接導(dǎo)入大地，消電效果也大幅度提高。據(jù)測算，TR-01接觸式軟毛靜電刷的臨界電壓比普通硬毛靜電刷低80%左右，電暈電流則大30%以上。

表2 薄膜常用消電器的特點比較

A;TR-01軟毛靜電刷                             B:常用的硬毛靜電刷

典型的軟毛和硬毛靜電刷

●不可忽略的問題，消電器的安裝

以硬毛靜電刷為例，它的安裝和性能一樣重要，安裝不妥，不僅會降低消電效果，有時還會使靜電加劇，甚至造成更大的危害。一般來說，安裝如圖5所示，應(yīng)避開圖中A、B、C、D幾個位置。要在需要消除靜電部位的前面，如盡量靠近印刷和制袋前的部位或靜電電位zui強的部位。安裝角度垂直于薄膜運動方向，毛刷應(yīng)有牢固的支撐并可靠接地。TR-01軟毛靜電刷安裝要在薄膜的正反面都要安裝，否則前面消除后面又感應(yīng)，事倍功半。

靜電消除器的安裝

說明：黑色三角處表示可以安裝，白色三角位置不能安裝，因為：A處有摩擦的靜電產(chǎn)生源，前面消除后面產(chǎn)生，使消除工作事倍功半。B處背面有接地體，C處臨近接地體，D處有其他消電裝置，均可以干擾電場感應(yīng)，使其達(dá)不到應(yīng)有的消除效果。

試驗結(jié)果表明，使用正確的安裝方法，軟毛靜電刷zui多時可以消除95％以上的靜電。

蘭德梅克推薦的TR-01軟毛靜電刷

在薄膜生產(chǎn)和應(yīng)用中，靜電一直是我們比較頭痛的問題之一，摩擦、撞擊甚至張力變化都有可能引起靜電，不但影響印刷和制袋質(zhì)量還可能引起安全問題。筆者在多年生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)中，對下面幾個問題深有感觸，在此與大家交流探討。

●摩擦是怎么產(chǎn)生靜電的。

薄膜在生產(chǎn)中與金屬輥的摩擦很小，那為什么也產(chǎn)生靜電呢？電學(xué)原理告訴我們，嚴(yán)格說摩擦起電只是一種接觸帶電的一種表現(xiàn)形式而已。產(chǎn)生靜電一個主要原因就是因為兩種材料接觸時，部分電子云重疊。在迅速分開時，其中一種材料具有較大的吸附電子（或其他帶電粒子，下同）的能力就有可能使電子轉(zhuǎn)移到該材料，獲得電子而呈現(xiàn)負(fù)電，而另一種材料則呈現(xiàn)正電。另外，自然界中還有對物體施加作用力時產(chǎn)生的壓電（皮埃佐電）和對物體加熱時產(chǎn)生的熱電，摩擦起電是這些作用的綜合結(jié)果。

●摩擦靜電只在不同材料之間發(fā)生嗎？

一個令人震驚的事實是，兩個同樣形狀冰塊相互摩擦也會產(chǎn)生靜電。筆者在北京地區(qū)1月份曾按以下圖示左右摩擦，用A冰棒的C點左右摩擦B冰棒全部區(qū)域3分鐘。用ELD-1靜電壓表測試得知，在A棒的C點出現(xiàn)電壓很高的負(fù)電荷，而在B棒的整個摩擦區(qū)域，則出現(xiàn)了電壓比較低的正電荷。

                             A棒

附圖1、冰棒非對稱摩擦示意圖

上述摩擦在物理學(xué)被稱為“非對稱摩擦”。分析靜電產(chǎn)生原因，雖然摩擦?xí)r對兩塊冰做的功一樣，但是對B棒來說，因為摩擦面積大，由摩擦熱引起的溫度上升不明顯，而對于A棒，因為做功相對集中，C點溫度相對升高。溫度的升高帶來分子的活躍和電離――帶正電的氫離子和帶負(fù)電的氫氧根離子，其中氫離子比較活躍，容易從溫度高的A棒C點游離到溫度低的B棒廣大區(qū)域上，從而使B棒顯示正電，相反，A棒C點則顯示負(fù)電。

用兩個聚丙烯棒進(jìn)行以上試驗，同樣產(chǎn)生靜電，只不過電性與冰塊相反。

日本京都大學(xué)研究資料顯示，用兩塊同樣形狀的聚乙烯薄膜相互對稱摩擦后，測試可以發(fā)現(xiàn)，在上面出現(xiàn)了許多很微小的帶正電的點及大片帶負(fù)電的區(qū)域，原因是聚乙烯表面微觀的凹凸不平造成的局部不對稱摩擦，致使各部分摩擦熱和溫度的不同，從而導(dǎo)致活躍的帶電荷基團(tuán)不均勻分布。

所以說，同樣材料的相互摩擦也會導(dǎo)致靜電。

●關(guān)鍵的靜電測試。

靜電測試包括測定靜電基本參數(shù)，如靜電電壓、電量、電容和測定材料性能，如表面電阻率、體積電阻率。對于塑料薄膜生產(chǎn)使用者，除部分電器包裝需要測定表面電阻率、體積電阻率（用兆歐表）外，一般用戶測試薄膜表面的靜電壓即可。

對塑料薄膜這樣的非導(dǎo)體的表面靜電壓測試（包括測試靜電的極性和電位數(shù)據(jù)），因為探頭不能接觸薄膜，稱為非接觸測試。根據(jù)測試原理的不同，可分為靜電感應(yīng)和空氣電離兩種方法。靜電感應(yīng)是將測試探頭靠近薄膜，利用探頭與薄膜間產(chǎn)生的畸變電場測試，實質(zhì)上是對薄膜表面電場的測試。空氣電離是利用放射性同位素電離空氣，在薄膜與儀表輸入端、輸入端與接地端之間分別產(chǎn)生電阻分壓，測試薄膜的對地電壓。

表1 兩種方式靜電電壓表的特點比較

可以看出，在車間使用感應(yīng)式靜電電壓表時，其與薄膜的位置、薄膜面積相對固定才能降低誤差，即所謂相對測試；而空氣電離式電位計應(yīng)該在靜止場合使用，并進(jìn)行數(shù)據(jù)補償。

附圖2：方便攜帶的ELD-1靜電電壓表

●常用靜電消除器的比較。

靜電消除器分無源式和有源式兩類，后者又分為高壓電源式、離子風(fēng)式、放射源式等幾種，因為都需要另加電源，加大能耗，高壓電或放射源的安全因素，很少在塑料加工中使用。

塑料薄膜生產(chǎn)應(yīng)用廠家，過去一般使用無源式靜電消除器中的硬毛靜電刷（防靜電毛刷），現(xiàn)在，許多要求高的廠家紛紛選擇一些新的靜電消除器，如軟毛靜電刷等。

以硬毛靜電刷為例，消電機理主要因為導(dǎo)體的靜電感應(yīng)，在靠近薄膜處產(chǎn)生與薄膜負(fù)電極性相反的正電荷，通過空氣電離，形成電暈電流，在電暈區(qū)產(chǎn)生大量的正、負(fù)離子。如圖3所示，在電場的作用下，帶負(fù)電的粒子向放電毛針B方向運動；帶正電的粒子向帶負(fù)電的薄膜C方向運動，中和薄膜帶的負(fù)電荷。由于針尖B附近的電場依賴于薄膜C本身的電位及針尖到薄膜的距離，所以，薄膜C的電壓越高，針尖B到薄膜C的距離越近，針尖B上感應(yīng)出的電荷密度越大，附近形成的電場越強，電離的帶電離子數(shù)目越多，消除靜電效果越好（但太近時易產(chǎn)生電?。？梢韵胂竺恳桓⒚拖裆煜蚩罩械谋芾揍樢粯?，要尖而細(xì)，才能更好的形成感應(yīng)電荷集中，早一步放電達(dá)到消除靜電的目的?？疾爝@種除靜電毛刷性能主要有兩個指標(biāo)：臨界電壓和電暈電流。前者是能夠使放電針產(chǎn)生電暈放電的zui低電壓，當(dāng)然是越低越好；后者越大，表明單位時間內(nèi)被消除的電荷越多。實際應(yīng)用中，用萬用表測試靜電刷的電阻即可，一般質(zhì)量好的靜電刷電阻小于1Ω/米，也可以用ELD-1靜電壓表測試靜電刷安裝前后的電位來判斷。決定除靜電毛刷的性能有多種因素，放電毛針針尖越細(xì)長、材料導(dǎo)電性越好制成的除靜電毛刷性能越好。

附圖3，硬毛靜電刷的消電原理

如上圖可以看出，由于硬毛靜電刷消電效果取決于薄膜靜電壓的感應(yīng)電壓，消電效果不*，所以人們做了改進(jìn)，把接地的A處加上與薄膜靜電電荷性能相反的直流高壓電源，如正電荷，使消電效果大大提高，這就是直流消電器的原理。

如果把上圖中B處硬毛換成對薄膜無損傷的軟毛，則可以直接接觸薄膜C；因為軟毛的“柔”，產(chǎn)生靜電感應(yīng)后因為電荷的吸引力毛尖部分可以緊緊吸附在薄膜上，負(fù)電荷可以通過軟毛靜電刷直接導(dǎo)入大地，消電效果也大幅度提高。據(jù)測算，TR-01接觸式軟毛靜電刷的臨界電壓比普通硬毛靜電刷低80%左右，電暈電流則大30%以上。

表2 薄膜常用消電器的特點比較

A;TR-01軟毛靜電刷                             B:常用的硬毛靜電刷

附圖4 典型的軟毛和硬毛靜電刷

●不可忽略的問題，消電器的安裝

以硬毛靜電刷為例，它的安裝和性能一樣重要，安裝不妥，不僅會降低消電效果，有時還會使靜電加劇，甚至造成更大的危害。一般來說，安裝如圖5所示，應(yīng)避開圖中A、B、C、D幾個位置。要在需要消除靜電部位的前面，如盡量靠近印刷和制袋前的部位或靜電電位zui強的部位。安裝角度垂直于薄膜運動方向，毛刷應(yīng)有牢固的支撐并可靠接地。TR-01軟毛靜電刷安裝要在薄膜的正反面都要安裝，否則前面消除后面又感應(yīng)，事倍功半。

圖5：靜電消除器的安裝

說明：黑色三角處表示可以安裝，白色三角位置不能安裝，因為：A處有摩擦的靜電產(chǎn)生源，前面消除后面產(chǎn)生，使消除工作事倍功半。B處背面有接地體，C處臨近接地體，D處有其他消電裝置，均可以干擾電場感應(yīng)，使其達(dá)不到應(yīng)有的消除效果。

試驗結(jié)果表明，使用正確的安裝方法，軟毛靜電刷zui多時可以消除95％以上的靜電。

附圖6 蘭德梅克推薦的TR-01軟毛靜電刷安裝圖