應(yīng)用物理課件：靜電防護(hù)技術(shù)理論與靜電應(yīng)用技術(shù)

靜電起電理論

5.1金屬之間的接觸起電5.2金屬與電介質(zhì)的接觸起電5.3介質(zhì)與介質(zhì)的接觸起電5.4影響固體接觸起電的因素5.5固體起電的其它方式5.6固體靜電的流散與積累5.7人體起電

5.1金屬之間的接觸起電

使物體產(chǎn)生靜電的過程叫靜電起電。靜電起電包括使正負(fù)電荷發(fā)生分離的一切過程。根據(jù)電荷守恒定律，電荷既不能創(chuàng)生，也不能消失，只能是電荷的載體(電子或離子)從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從物體的某一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。研究起電過程就是從微觀角度出發(fā)，研究這些電荷載體在物體之間或同一物體各部分之間運(yùn)動(dòng)的原因、條件、結(jié)果以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解靜電起電過程的機(jī)制和規(guī)律。這對(duì)于防止靜電危害具有根本的意義。但應(yīng)指出，靜電起電的物理本質(zhì)和數(shù)學(xué)描述人們還沒有認(rèn)識(shí)得很清楚，仍是目前該領(lǐng)域的疑難問題。任何物質(zhì)的靜電帶電量都不是無限的，這是因?yàn)榘殡S著靜電的產(chǎn)生還存在著與之相反的過程——靜電的流散(或衰減)。當(dāng)這兩個(gè)相反的過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，物體上的靜電量就維持某一穩(wěn)定值。

本章將討論各種靜電起電過程，并結(jié)合靜電的產(chǎn)生討論靜電的流散和積累規(guī)律。5.1.1金屬之間的接觸

早在1794年，Volta就發(fā)現(xiàn)，任何兩種不同的金屬A和B發(fā)生緊密接觸時(shí)(指接觸面間的距離小于2.5nm)，其間會(huì)產(chǎn)生數(shù)值為零點(diǎn)幾伏至幾伏的電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)差，用UAB表示。他還將各種不同的金屬排成一序列：鋁(Al)，鋅(Zn)，錫(Sn)，鉛(Pb)，…，金(Au)，鉑(Po)，鈀(Pd)。這個(gè)系列中任何兩種金屬接觸時(shí)，總是排在前面的帶正電，

排在后面的帶負(fù)電，而且兩種金屬在系列中相隔越遠(yuǎn)，其間接觸電勢(shì)差也越大。該系列叫金屬材料的靜電系列，以后人們又發(fā)現(xiàn)了其它固體材料間也存在類似的系列，下面還要述及。1932年，Kullarth將鐵的粉末從一個(gè)對(duì)地絕緣的銅管內(nèi)吹出，如圖5-1所示，結(jié)果在銅管上測(cè)出了26萬伏的靜電壓，從而證實(shí)了兩種金屬緊密再分離會(huì)帶上很強(qiáng)的靜電，但是他并未把如此之高的電位差同兩種金屬接觸時(shí)產(chǎn)生的極微小的接觸電勢(shì)差相聯(lián)系起來。

直到1951年Harpper才用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了兩種金屬緊密接觸后再分離形成很高的電位差正是起因于它們之間極微小的接觸電位差，Harpper實(shí)驗(yàn)本身相當(dāng)繁瑣，現(xiàn)用簡(jiǎn)化模型對(duì)其說明。圖5-1金屬之間的接觸起電如圖5-2所示，當(dāng)金屬A與B發(fā)生緊密接觸時(shí)，由于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，兩種金屬內(nèi)的電子將會(huì)穿過界面而相互交換，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，界面兩側(cè)形成了帶有等量異號(hào)電荷的電荷層，而金屬之間就產(chǎn)生了一定的電位差(圖中暫假定A帶正電，B帶負(fù)電)。這時(shí)界面上形成了非常薄的等量異號(hào)電荷的電荷層，叫偶電層。偶電層最早是Helmhots于1879年提出的一個(gè)概念。接觸電勢(shì)差UAB就是因偶電層的形成而產(chǎn)生的。1917年Frankel又將偶電層的概念引申到電介質(zhì)材料，即介質(zhì)發(fā)生緊密接觸時(shí)，也會(huì)由于電荷的轉(zhuǎn)移形成偶電層，但在那種情況下，通過界面轉(zhuǎn)移電荷的載體(載流子)不再是電子，而是離子。現(xiàn)能測(cè)出，金屬中的偶電層厚度為幾個(gè)納米，而介質(zhì)的偶電層厚度則可達(dá)到微米級(jí)。

圖5-2金屬的接觸起電原理圖設(shè)塊狀金屬A、B之間間隔為d=2.5nm，產(chǎn)生的接觸電勢(shì)差為UAB(大約為零點(diǎn)幾伏到幾伏)，接觸面積為S，則可把兩接觸面視作一平行板電容器，其電容C=ε0εrS/d，由于d非常小，所以這個(gè)等效平行板電容器C非常大，據(jù)此推算出每個(gè)表面帶電量Q=CUAB，也是相當(dāng)可觀的。

現(xiàn)將偶電層的兩個(gè)表面全面分開到距離為d′，我們暫時(shí)假定分開時(shí)兩個(gè)表面所帶電量不變，則因兩面之間的電容減小為C′=ε0εrS/d′，相應(yīng)的兩面之間的電位差增大為(5-1)不妨用數(shù)字估算一下UAB′的大小，取d=2.5nm，d′=1mm，UAB=1V，則有UAB′=

400kV。即兩接觸面只須分開1mm，其間電位差就增大為原接觸電位差的四十萬倍。這就是為什么極小的電位差會(huì)形成很高的電位差的原因。綜上所述，不同金屬材料之間的接觸起電過程可概括為如圖5-3所示的過程。

一般來說，上述起電過程的基本模式也適合任何兩種物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同的固體材料之間的接觸起電，如金屬與介質(zhì)、介質(zhì)與介質(zhì)。同時(shí)，偶電層理論不僅是固體接觸的基本理論，而且也是研究液體起電和氣體起電的基礎(chǔ)。只不過對(duì)于不同的物質(zhì)形態(tài)來說，偶電層形成的機(jī)制也不同。

圖5-3不同金屬材料之間的接觸起電過程5.1.2接觸電位差的產(chǎn)生與計(jì)算

1．功函數(shù)

既然固體(金屬)分離后很高的電位差是起源于它們之間緊密接觸時(shí)產(chǎn)生的微小接觸電勢(shì)差，故有必要了解后者形成的機(jī)制和規(guī)律。先說明金屬功函數(shù)的概念。在常溫下，金屬內(nèi)雖有大量自由電子作熱運(yùn)動(dòng)，但卻不會(huì)從金屬逸出，這主要是因?yàn)殡娮邮艿絻?nèi)部結(jié)晶格子上正電荷的吸引作用。所以，電子要從金屬內(nèi)部逸出，必須要做一定的功克服這個(gè)吸引力。也就是說必須具有一定的能量。人們把一個(gè)電子從金屬內(nèi)部逸出到表面之外所須具有的最小能量，也就是說，把一個(gè)電子從金屬內(nèi)部遷移到表面之外所須做的最小的功，叫該金屬的功函數(shù)(或叫逸出功)，以符號(hào)表示，其單位常用eV表示。近年來又將功函數(shù)的概念擴(kuò)展到電介質(zhì)。圖5-4電子勢(shì)阱圖固體能帶理論指出，電子能量是按能級(jí)分布的，且在常溫下，電子在金屬界面內(nèi)的能量都是負(fù)的，其所占的最高能級(jí)稱為費(fèi)米能級(jí)，用Ef表示；而在界面外部，電子的能量變?yōu)榱?。這種能量分布可以形象地用勢(shì)阱圖表示，如圖5-4所示。顯然，電子由勢(shì)阱逸出時(shí)必須要做功以升高自己的勢(shì)能，才能跳出勢(shì)阱，并且電子逸出勢(shì)阱時(shí)能量的增加至少應(yīng)為ΔE=0-Ef=f，亦即(5-2)

因此，勢(shì)阱圖中E=0與E=Ef間的距離就等于該金屬的功函數(shù)。功函數(shù)可采用熱電子發(fā)射法、光電法和標(biāo)準(zhǔn)金屬法測(cè)量，一般為2～5eV。應(yīng)當(dāng)注意，同一種金屬用不同方法測(cè)量所得數(shù)值略有不同；同一種金屬用同一種方法測(cè)量，當(dāng)表面狀態(tài)不同時(shí)，所得數(shù)值也不同。

典型金屬的功函數(shù)如表5-1所示。表5-1典型金屬的功函數(shù)

2．偶電層的形成及接觸電勢(shì)差的計(jì)算

現(xiàn)在考慮兩種金屬A和B，它們相應(yīng)的功函數(shù)是fA、

fB，且fA＜fB。如圖5-5(a)所示。當(dāng)兩種金屬緊密接觸(d≤2.5×10-9m)時(shí)，由于隧道效應(yīng)而發(fā)生電子的交換，這時(shí)費(fèi)米能級(jí)較高(即功函數(shù)較小)的金屬A中電子將流向費(fèi)米能級(jí)較低(即功函數(shù)較大)的金屬B中，而使金屬A帶正電，B帶負(fù)電。隨著電子的轉(zhuǎn)移，金屬A中的電子將減少，而金屬B中的電子將增加，也使得金屬A、B中的費(fèi)米能級(jí)趨向相同，這時(shí)在金屬界面上形成了穩(wěn)定的空間電荷層，稱之為偶電層。由于偶電層的存在，使得電子的定向移動(dòng)形成了穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，A由于失去了電子而帶正電，B由于得到了電子而帶負(fù)電，其間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì)差。圖5-5接觸電勢(shì)差的形成應(yīng)當(dāng)注意，在電子轉(zhuǎn)移達(dá)到平衡后，金屬A、B的功函數(shù)仍保持接觸前的大小。因?yàn)楣瘮?shù)是金屬的固有性質(zhì)，并不因與其他物質(zhì)接觸而改變，這樣在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，一方面要求金屬A和金屬B的費(fèi)米能級(jí)相同，另一方面又要求A和B的大小不變，這就只能是金屬A的勢(shì)阱降低，而金屬B的勢(shì)阱抬高，如圖5-5(b)所示，二者移動(dòng)之差B-A就等于電子由金屬A流入金屬B時(shí)的電勢(shì)能的改變因A與B之間的電勢(shì)差，這時(shí)電勢(shì)能改變?yōu)?5-3)(5-4)說明:

(1)求UAB時(shí)，應(yīng)是B在前A在后。若fA＜fB，則UAB＞0。即A帶正電，B帶負(fù)電。亦即兩種金屬發(fā)生緊密接觸時(shí)，總是功函數(shù)小者帶正電，功函數(shù)大者帶負(fù)電。這也同時(shí)解釋了金屬的靜電起電序列。在該序列中，偏“+”端者功函數(shù)小，所以，接觸時(shí)帶正電，偏“－”端者功函數(shù)大，所以，接觸時(shí)帶負(fù)電?？梢姴牧系撵o電起電序列實(shí)質(zhì)上就是按照各種材料的功函數(shù)從小到大的順序排列而成的。

(2)使用上式計(jì)算UAB時(shí)，fA和fB的單位都采用eV(不再轉(zhuǎn)換成焦耳了)，這樣計(jì)算的結(jié)果直接為“V”。(3)接觸面上電荷面密度的計(jì)算。前已述及，兩種金屬接觸時(shí)，所形成的偶電層可視為平行板電容器，因而偶電層間隙內(nèi)的電場(chǎng)可視為均勻的，且大小為

式(5-4)、式(5-5)與式(5-6)合并后得(5-5)(5-6)(5-7)再結(jié)合式和可得

這是兩金屬接觸再分離后的電位差計(jì)算公式。(5-8)

5.2金屬與電介質(zhì)的接觸起電

此處所說電介質(zhì)主要是指高分子固體介質(zhì)，如橡膠、塑料、化纖等。這些材料在制造或使用過程中，經(jīng)常與金屬物體，如金屬輥軸等，因接觸—分離產(chǎn)生靜電。所以，研究聚合物介質(zhì)與金屬的接觸起電具有重要意義。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，厚度為1mm的聚合物薄膜與金屬緊密接觸時(shí)，偶電層上的電荷面密度可達(dá)10-9C/cm2～10-8C/cm2，即1nC/cm2～10nC/cm2。5.2.1電介質(zhì)等效功函數(shù)和離子偶電層

雖然從原則上說，前面介紹的緊密接觸形成偶電層，電荷分離而帶電這一過程適用于任何固體材料的接觸起電，但對(duì)于介質(zhì)來說，偶電層的形成，特別是功函數(shù)的概念都要比金屬?gòu)?fù)雜得多。因?yàn)榻饘僦g的接觸起電是基于金屬內(nèi)有大量自由電子，當(dāng)兩種金屬緊密接觸時(shí)，由于它們功函數(shù)的不同而發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移形成偶電層。但是對(duì)于高分子介質(zhì)來說，內(nèi)部很少有可供單獨(dú)轉(zhuǎn)移的電子，那么其偶電層是如何形成的？為此，人們提出了高分子固體介質(zhì)的理想能級(jí)圖像、缺陷能級(jí)圖像和表面能級(jí)圖像等三種假說，但前兩種假說的計(jì)算結(jié)果與前述的偶電層面電荷密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，而只有表面能級(jí)圖像得出了與實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。表面能級(jí)模型的基本思想認(rèn)為，由于高分子固體介質(zhì)化學(xué)成分的不純、氧化及吸附分子等引起的表面缺陷因素，使固體介質(zhì)表面層的性質(zhì)與其內(nèi)部有很大的不同，而很像一薄的金屬片，并因此具有等效的功函數(shù)。這樣當(dāng)金屬與介質(zhì)或介質(zhì)之間發(fā)生緊密接觸時(shí)，就會(huì)因功函數(shù)的不同而發(fā)生載流子漂移，并在平衡時(shí)，在界面兩側(cè)形成偶電層，所產(chǎn)生的接觸電位差也完全可引用式(5-8)進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)當(dāng)指出的是，高分子固體介質(zhì)接觸起電時(shí)，通過介面轉(zhuǎn)移的載流子不是自由電子，而是帶電離子。聚合物表面離子的主要來源有：介質(zhì)表面吸附水分可離解成H和OH－；某些聚合物表面在吸附水層作用下，也會(huì)離解出離子；大氣中能電離的雜質(zhì)在聚合物表面吸附的水層中電離。上述離子載流子在鏡像力的作用下移動(dòng)，并在由離子濃度差所引起的擴(kuò)散作用下，穿過接觸面遷移，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，就在界面兩側(cè)形成穩(wěn)定的偶電層。已可用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出介質(zhì)的功函數(shù)，一般在4～6eV之間，而偶電層可達(dá)10-6m量級(jí)。典型介質(zhì)的功函數(shù)如表5-2所示。表5-2典型介質(zhì)的功函數(shù)5.2.2接觸起電量的計(jì)算

金屬與高分子固體介質(zhì)接觸，形成偶電層。根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)的不同，其電荷的分布可能是體分布，也可能是體分布與面分布同時(shí)存在。為簡(jiǎn)單起見，暫不考慮介質(zhì)表面可能出現(xiàn)的電荷，而認(rèn)為全部電荷分布在一定深度的表面層內(nèi)，該深度稱為介質(zhì)的電荷穿入深度，以λ表示。既然介質(zhì)表層內(nèi)電荷作體分布，則可用電荷密度ρp表征。另一方面，與介質(zhì)接觸的金屬，其電荷都集中于其表面上，可用電荷面密度σm表征。以下將導(dǎo)出表征接觸起電量的ρp或σm與哪些因素有關(guān)。

如圖5-6所示，設(shè)功函數(shù)為f的金屬A與功函數(shù)為fp的高分子固體介質(zhì)B緊密接觸，并且f＜fp。取界面上一點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，與界面垂直指向介質(zhì)內(nèi)部的方向?yàn)閤軸，建立坐標(biāo)系，現(xiàn)從兩個(gè)不同角度計(jì)算其間的接觸電位差UAB。

按對(duì)稱性分析，介質(zhì)帶電表層內(nèi)各處的場(chǎng)強(qiáng)E均沿x軸方向，且x坐標(biāo)相等的那些點(diǎn)E的大小相等，為此可做一端面為ΔS、在介質(zhì)帶電層內(nèi)長(zhǎng)為λ的柱面，如圖5-6所示。按Gauss定理有圖5-6金屬與電介質(zhì)接觸起電原理圖由此得

這里應(yīng)用了σm=-ρλ。于是由高斯定理求出介質(zhì)層內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布為

E(x)=ρp(x－λ)

(5-9)

金屬表面與介質(zhì)表面之間的距離極小，形成的電位差可忽略不計(jì)，所以金屬與介質(zhì)之間的電位差，即介質(zhì)帶電層內(nèi)長(zhǎng)度為λ的距離上的電位差為(5-10)另一方面，按上節(jié)所述，金屬與介質(zhì)接觸電位差又可按下式計(jì)算

兩式相比較可得介質(zhì)帶電表層內(nèi)電荷的體密度為

也可表示為介質(zhì)帶電表層上每單位面積所帶電量(5-11)(5-12)(5-13)而與介質(zhì)接觸后的金屬表面上的電荷面密度為

根據(jù)式(5-14)，若已知金屬、介質(zhì)的功函數(shù)及介質(zhì)的穿入深度，即可求出金屬和介質(zhì)的面電荷密度。反之也可用式(5-14)求介質(zhì)的功函數(shù)及電荷的穿入深度。

將某種待測(cè)介質(zhì)(設(shè)功函數(shù)為fp，電荷穿入深度為λ)，先與功函數(shù)為f的金屬接觸，測(cè)出金屬的電荷面密度為σm，再使待測(cè)介質(zhì)與另一種功函數(shù)為f′的金屬接觸，測(cè)出這種金屬的電荷面密度為σm′，則式(5-14)可寫為(5-14)(5-15)(5-16)式(5-15)、式(5-16)聯(lián)立可求出待測(cè)介質(zhì)p及λ分別為(5-17)(5-18)用上述方法測(cè)出的若干典型聚合物材料的功函數(shù)和電荷穿入深度如表5-3所示。表5-3典型介質(zhì)的功函數(shù)和穿入深度

例5-1

要防止帶電導(dǎo)體在空氣中發(fā)生靜電放電，就要控制空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度不能超過其擊穿場(chǎng)強(qiáng)3.0×106V/m，為此，應(yīng)使金屬表面的電荷面密度最大值為多少？

解σmax=ε0Eb=8.85×10-12×3×106=26.5(μC/m2)

5.3介質(zhì)與介質(zhì)的接觸起電

5.3.1接觸起電量的計(jì)算

當(dāng)兩種高分子固體介質(zhì)緊密接觸時(shí)，引用以上所述介質(zhì)等效功函數(shù)的概念，兩介質(zhì)的帶電表層可視作兩個(gè)厚度分別為λ1和λ2的帶有等量異號(hào)電荷的無限大平板?？梢宰C明在兩帶電層以外的空間合場(chǎng)強(qiáng)為零。而在兩帶電層內(nèi)各處，合場(chǎng)強(qiáng)的方向均沿x軸方向，如圖5-7所示，且x坐標(biāo)相等的那些點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小都相等。在正電區(qū)做一底面為S1的柱面，則有(λ1≤x≤0)

(5-19)圖5-7介質(zhì)與介質(zhì)接觸起電原理在負(fù)電區(qū)做一底面為S2的柱面，則有

在忽略了兩介質(zhì)間隙之間的電位差后，可得介質(zhì)A和B之間的接觸電位差為(0≤x≤λ2)

(5-20)(5-21)另一方面，介質(zhì)A和B之間接觸電位差又可按功函數(shù)計(jì)算為

將式(5-21)與式(5-22)相比較并利用關(guān)系

σp1=ρp1λ1、σp2=ρp2λ2及σp1=-σp2，得(5-22)(5-23)例5-2在電子產(chǎn)品裝聯(lián)車間，常使用塑料制的包裝管盛放集成電路類的元器件，若包裝管由聚乙烯(PE)制成，將其固定在三聚氰胺貼面作擋板層的元器件箱內(nèi)。若兩者緊密接觸，使用時(shí)將管抽出，求它們單位面積帶電層上的靜電電量。已知聚乙烯的相對(duì)介電常數(shù)εr1=2.3，功函數(shù)fp1=4.25eV，電荷穿入深度λ1=2.4×10-6m，而三聚氰胺-甲醛樹脂(MF)的相對(duì)介電常數(shù)εr2=3.0，功函數(shù)fp2=4.86eV，電荷的穿入深度λ2=4.9×10-6m。

解由式(5-23)得上面結(jié)果可以看出，由于聚乙烯(PE)的功函數(shù)小于三聚氰胺(MF)的功函數(shù)，所以此時(shí)塑料(PE)表面帶正電，三聚氰胺-甲醛樹脂(MF)表面帶負(fù)電。說明(1)根據(jù)原電子工業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ST/T10147－91《防靜電集成電路包裝管》的規(guī)定，盛放集成電路的塑料包裝管(一般用聚乙烯或聚氯乙烯制成)在使用操作過程中，其上所帶電荷量在任何情況下必須滿足Q≤0.05nC，否則就會(huì)對(duì)包裝的元器件產(chǎn)生ESD擊穿損害。集成電路包裝管一般為細(xì)長(zhǎng)條狀(細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方體狀)。設(shè)其長(zhǎng)度為0.5m，截面為矩形，邊長(zhǎng)為0.01m(1cm)，則其表面積為S=4×0.01×0.5=0.02m2，由此可求出包裝管允許單位面積的帶電量σp=2.5×109C/m2=

2.5×10-3μC/m2。由此可見，若聚乙烯包裝管不采取任何防靜電措施，其在使用中所產(chǎn)生的靜電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不致引起ESD擊穿損害的規(guī)定值。當(dāng)然這里沒有考慮二者分開時(shí)電荷的倒流量。但既使假定倒流系數(shù)K=0.01，分開后的帶電量σm′=0.01×4.1×106C/m2=0.041μC/m2仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)聚乙烯塑料包裝管與緊密接觸時(shí)的接觸電位差為

可見接觸電位差極小。

(3)將包裝管表面與MF隔板的距離分開為d′=1mm，則兩者之間的理論上的電位差為

(4)若兩者分離時(shí)的散失系數(shù)K=0.01，則實(shí)際電位差為

此電位差仍足以對(duì)IC造成嚴(yán)重的擊穿損害。5.3.2介質(zhì)材料的靜電起電序列

1．靜電序列

前面介紹了金屬材料的起電系列，該系列實(shí)質(zhì)上是按照各種金屬的功函數(shù)從小到大的順序排列而成的?，F(xiàn)已引入介質(zhì)等效功函數(shù)的概念，故將各種介質(zhì)的功函數(shù)按照從小到大的順序排列起來就是介質(zhì)的靜電起電序列。

從18世紀(jì)末到現(xiàn)在，許多科學(xué)家進(jìn)行過材料靜電系列的研究，并發(fā)表了相應(yīng)的靜電起電序列。近年來，國(guó)外一些標(biāo)準(zhǔn)或資料中所公布的靜電序列如表5-4所示。表5-4近幾年來有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料公布的靜電序列

2．靜電序列的特點(diǎn)與應(yīng)用

在材料的靜電序列中，任何兩種物質(zhì)發(fā)生接觸起電時(shí)，總是位于序列前面的材料帶正電，位于后面的帶負(fù)電；且兩種材料在系列中相距越遠(yuǎn)，其接觸電量越大，由此可見根據(jù)材料的靜電序列，不僅可判斷材料的起電極性，而且還能估計(jì)起電程度的強(qiáng)弱。因此在生產(chǎn)工藝中，為減小靜電，應(yīng)盡量選擇序列中相距較近的材料參與接觸和摩擦，還可以使某種材料在先后與不同材料的接觸摩擦中帶上異號(hào)電荷，基于靜電中和的原理消除或減少靜電產(chǎn)生量。如在紡織工業(yè)中，在紡制尼龍(聚酰胺)條子時(shí)可先使其通過玻璃導(dǎo)紗器(尼龍條子帶負(fù)電)，再通過鋼制導(dǎo)紗管(尼龍條子帶正電)以中和條子上的靜電荷?？傊?，靜電序列在描述起電機(jī)理、指導(dǎo)靜電防護(hù)方面有很大的應(yīng)用價(jià)值。

3．按介電常數(shù)的排序

許多研究還發(fā)現(xiàn)，材料的靜電序列也可按照材料的介電常數(shù)從大到小的順序排列而成，如Ballou于1954年指出，任何兩種材料接觸摩擦?xí)r，總是介電常數(shù)大的帶正電，介電常數(shù)小的帶負(fù)電。至于帶電量可按Corn法則確定，即

Q=K(ε1-ε2)

(5-24)

式中K為比例系數(shù)，其單位是Nm2/C。K與參與摩擦的材料本身性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于同一組材料，按照介電常數(shù)從大到小順序與按功函數(shù)從小到大排序，所得到的序列基本是一致的，但由于材料的介電常數(shù)比功函數(shù)更容易測(cè)量，故按前者排列更方便。

4．靜電序列受各種因素的影響

由于材料的功函數(shù)或介電常數(shù)除與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還在很大程度上與材料表面的狀態(tài)(如吸附、氧化、污染、含雜)，環(huán)境條件(溫度、濕度、外界電磁場(chǎng))等有關(guān)。故即使同一種材料，因?qū)嶒?yàn)條件的差異所得排序結(jié)果往往也會(huì)有所差異，故靜電系列不是絕對(duì)的，但其基本趨勢(shì)是一致的。

5.4影響固體接觸起電的因素

5.4.1摩擦的影響

我們?cè)谏厦娼榻B的固體起電方式中，并未提及我們經(jīng)常遇到的摩擦起電，這是因?yàn)閲?yán)格說來摩擦并不是一種單一的起電方式。摩擦實(shí)際上就是沿兩固體接觸面上不同接觸點(diǎn)之間連續(xù)不斷地接觸—分離過程，由于接觸電位差只發(fā)生在相互緊密接觸的固體間，而看來很平的物體表面實(shí)際上卻是凹凸不平的，它們即使靠得很近，但實(shí)際上在凹處并未達(dá)到緊密接觸，所以單純的接觸起電其效應(yīng)比較弱。但若使兩個(gè)靠近的表面發(fā)生摩擦，則可使2.5nm以下的接觸點(diǎn)(或接觸面積)大大增多。而且摩擦正好相當(dāng)于一系列的接觸—分離過程，所以摩擦可使起電效果變得非常明顯。由此可以看出，摩擦起電的主要機(jī)理仍是接觸起電。但因摩擦?xí)r有機(jī)械力作用于物體而使物體發(fā)生形變，所以會(huì)包含有壓電效應(yīng)起電；又因?yàn)槟Σ吝€可能會(huì)引起界面凸起部分?jǐn)嗔眩赃€包含有斷裂起電。摩擦還會(huì)產(chǎn)生熱量，引起溫度的變化，所以還可能包含有熱電效應(yīng)起電的因素在內(nèi)?？傊Σ疗痣娨话悴皇且环N單一機(jī)理的起電方式，而包含有多種起電機(jī)理，但毫無疑問接觸起電在其中起著主要作用。

1．摩擦速度的影響

摩擦速度是摩擦的距離與摩擦?xí)r間之比。一次摩擦?xí)r間是指兩個(gè)物體從剛開始接觸那一時(shí)刻到分離之間所經(jīng)歷的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)兩物體一直發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩物質(zhì)摩擦?xí)r的起電量Q可按下式計(jì)算：(5-25)式中，f(v)是關(guān)于摩擦速度的函數(shù)，A是摩擦功。從式(5-25)中雖不能直接看出Q與v的關(guān)系，但實(shí)驗(yàn)表明，在一定速度范圍內(nèi)(即v＜10cm/s)，Q隨v的增大而增大，當(dāng)速度達(dá)到某一值時(shí)，物體帶電量達(dá)到理論飽和值。圖5-8所示是鋁塊與丁腈橡膠摩擦?xí)r橡膠帶電量Q隨速度v的變化情況。當(dāng)速度達(dá)到某一值時(shí)，物體帶電量出現(xiàn)飽和值。由圖看出當(dāng)v＜7.5cm/s時(shí)，摩擦帶電量隨速度v的增大而急劇增大；當(dāng)v＞7.5cm/s后，帶電量的增加趨緩；當(dāng)v≈10cm/s時(shí)，帶電量基本不再增加。圖5-8鋁塊與丁腈橡膠摩擦?xí)r橡膠帶電量Q隨速度v和壓力的變化情況

2．摩擦力的影響

式(5-25)還表明，摩擦起電量還與摩擦功有關(guān)，因而也與摩擦力有關(guān)。由圖5-8進(jìn)一步可以看出，摩擦起電量隨壓力的增大而增大。這是因?yàn)閴毫υ龃髸r(shí)，使相互摩擦的物體的實(shí)際接觸面積增大了。同時(shí)壓力還可以引起物體變形，從而使表面電極化，由于壓電效應(yīng)而引起物體帶電量變化。

還應(yīng)注意，當(dāng)金屬和電介質(zhì)摩擦?xí)r，壓力的變化還會(huì)引起介質(zhì)帶電極性符號(hào)的改變，例如5-9圖所示，人造纖維帶電極性由正向負(fù)發(fā)生反轉(zhuǎn)。因而前述的靜電起電序列也是在一定情況下的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。這種極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象只對(duì)于某些介質(zhì)才會(huì)出現(xiàn)，即介質(zhì)表面能級(jí)上有少數(shù)電子時(shí)才會(huì)如此。若表面能級(jí)無電子，則會(huì)使介質(zhì)帶負(fù)電，金屬帶正電，與壓力無關(guān)。

圖5-9人造纖維帶電極性的反轉(zhuǎn)

3．摩擦次數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于多數(shù)材料而言，當(dāng)摩擦次數(shù)達(dá)到幾十次時(shí)，材料起電量即達(dá)到最大值。如繼續(xù)摩擦到上千次，帶電量反而會(huì)逐漸下降，直到摩擦次數(shù)又達(dá)到數(shù)千次時(shí)又穩(wěn)定下來，并在以后增加摩擦次數(shù)的過程中起電量基本保持不變，如圖5-10所示。對(duì)于這一現(xiàn)象的機(jī)理還不夠清楚。圖5-10摩擦次數(shù)與帶電量的關(guān)系

4．摩擦方式的影響

固體材料的相互摩擦可分為對(duì)稱摩擦和非對(duì)稱摩擦兩種形式，如圖5-11所示。對(duì)稱方式是兩接觸物體從整體上相互受到均勻摩擦的方式，這種方式所造成的電荷轉(zhuǎn)移量小，放電效果相對(duì)不明顯。反之，非對(duì)稱摩擦是指一個(gè)物體的整體與另一個(gè)物體的局部發(fā)生摩擦，這種摩擦轉(zhuǎn)移電量大，起電效果明顯。這主要是因?yàn)樵诜菍?duì)稱摩擦的情況下，其中一個(gè)物體的某個(gè)位置經(jīng)常被摩擦，這里的溫度就會(huì)相對(duì)很高，形成所謂熱點(diǎn)，而該物體的其余部分基本不受摩擦，溫度基本不變。與之相摩擦的另一物體，受摩擦均勻，溫度變化也不大。這樣高溫?zé)狳c(diǎn)與另一物體的溫度差就比較大，有利于載流子從高溫?zé)狳c(diǎn)向溫度較低的另一物體轉(zhuǎn)移，從而使起電量增大。而在對(duì)稱性摩擦中，兩個(gè)物體所受摩擦基本均衡，很難形成高溫?zé)狳c(diǎn)和溫度差，不利于載流子的轉(zhuǎn)移，故起電量小。此時(shí)，溫度升高容易使分子發(fā)生熱分解，也使帶電量有所增加。圖5-11兩種摩擦方式5.4.2周圍環(huán)境的影響

1．濕度的影響

濕度是環(huán)境條件的重要參數(shù)。一般來說，當(dāng)空氣相對(duì)濕度提高時(shí)，固體材料通過吸濕使其含水量增加，還可能在其表面形成一層極薄的水膜。由于水是良導(dǎo)體，導(dǎo)致固體的表面電阻率和體積電阻率下降，使靜電荷容易分散和泄漏，減小了固體的帶電量。

對(duì)于親水性紡織纖維、塑料等高分子材料來說，其體積電阻率隨含水量變化的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，ρV表示體積電阻率，M表示含水量，n是與材料的實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)。

(5-26)例5-3對(duì)于棉花，其n=11.4，而蠶絲則高達(dá)17.6。由于n遠(yuǎn)大于1，所以由式(5-26)可知，當(dāng)棉花和蠶絲的含水量有很小的變化時(shí)，即可引起體積電阻率很大的變化；由負(fù)號(hào)可知，含水量增大，體積電阻率減小。很多實(shí)驗(yàn)也表明，材料的表面電阻率隨含水量的增大而呈現(xiàn)急劇下降的態(tài)勢(shì)。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，當(dāng)空氣的濕度達(dá)到80%以上時(shí)，絕大部分物體所帶靜電電量都很小，反之當(dāng)相對(duì)濕度低至30%時(shí)，則會(huì)帶上很強(qiáng)的靜電。

2．溫度的影響

當(dāng)測(cè)試溫度變化時(shí)也會(huì)引起固體電阻率的變化，從而引起固體泄漏靜電程度的變化，進(jìn)而使固體帶電量受到影響。但溫度對(duì)固體帶電量的影響遠(yuǎn)小于濕度的影響。

對(duì)于高分子固體介質(zhì)，當(dāng)其相對(duì)介電常數(shù)小于3.0(稱弱極性材料)時(shí)，溫度對(duì)起電量的影響很小，可以忽略。而對(duì)于相對(duì)介電常數(shù)大于3.0的聚合物(稱強(qiáng)極性材料)，隨著環(huán)境溫度的上升一般起電量減小，有時(shí)也會(huì)引起帶電極性的反轉(zhuǎn)。對(duì)于某些聚合物材料(主要是極性和強(qiáng)極性纖維、樹脂)，其體積電阻率隨環(huán)境溫度的變化符合如下經(jīng)驗(yàn)公式:

式中，a、b、c、d是與聚合物種類和極化有關(guān)的常數(shù)，M是材料含水量，ρV是體積電阻率，T是環(huán)境溫度。(5-27)

5.5固體起電的其它方式

固體靜電起電的方式除以上介紹的接觸—分離起電以外，還有多種其它方式，現(xiàn)予以簡(jiǎn)單介紹。

1.剝離起電

互相密切結(jié)合的物體剝離時(shí)引起電荷分離而產(chǎn)生靜電的現(xiàn)象，稱為剝離起電，如圖5-12所示。剝離起電實(shí)際上是一種接觸—分離起電。通常條件下，由于被剝離的物體剝離前緊密接觸，剝離起電過程中實(shí)際的接觸面積比發(fā)生摩擦起電時(shí)的接觸面大得多，所以，在一般情況下剝離起電比摩擦起電產(chǎn)生的靜電量要大。因此，剝離起電會(huì)產(chǎn)生很高的靜電電位。剝離起電的起電量與接觸面積、接觸面上的粘著力和剝離速度的大小有關(guān)，如圖5-13所示。圖5-12剝離起電示意圖圖5-13剝離帶電量與剝離速度的關(guān)系

2.斷裂起電

當(dāng)物體遭到破壞而斷裂時(shí)，斷裂后的物體會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)電荷分布不均勻現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的靜電，稱為斷裂起電，如圖5-14所示。斷裂起電除了在斷裂過程中因摩擦而產(chǎn)生之外，有的還是在破裂之前就存在著電荷分布不均勻的情況。斷裂起電電量的大小與裂塊的數(shù)量多少、裂塊的大小、斷裂速度、斷裂前電荷分布的不均勻程度等因素有關(guān)。因斷裂引起的靜電，一般是帶正電荷的粒子與帶負(fù)電荷的粒子雙方同時(shí)發(fā)生。固體的粉碎及液體的分裂所產(chǎn)生的靜電，就是由于這種原因造成的。圖5-14斷裂產(chǎn)生靜電示意圖

3.壓電效應(yīng)起電

壓電效應(yīng)起電是指某些晶體材料在機(jī)械力作用下產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，其本質(zhì)是一種電極化現(xiàn)象。只不過這種極化不是由外電場(chǎng)引起的，而是在機(jī)械力，如壓力或拉伸力作用下，引起內(nèi)部的極性分子——等效電偶極子在其表面作定向排列的結(jié)果。

4.熱電效應(yīng)起電

熱電效應(yīng)起電是指某些晶體材料在受到熱作用時(shí)顯示帶電的現(xiàn)象。如將石英晶體加熱時(shí)，其一端帶正電，另一端帶負(fù)電，而在冷卻時(shí)，兩端帶電極與加熱時(shí)正相反。熱電效應(yīng)本質(zhì)上也是一種電極化現(xiàn)象，它是晶體中的極性分子——等效電偶極子在熱應(yīng)力作用下，沿材料表面作定向排列的結(jié)果。

5.電解起電

當(dāng)固體接觸液體主要是電解質(zhì)溶液時(shí)，固體中的離子會(huì)向液體中移動(dòng)，于是在固、液分界面處形成一個(gè)阻礙固體離子繼續(xù)向液體內(nèi)移動(dòng)的電場(chǎng)，達(dá)到平衡時(shí)就在固、液界面形成穩(wěn)定的偶電層。若在一定條件下，和固體相接觸的液體被移走，固體就留下一定量的某種電荷，這就是固、液接觸情況下的電解起電。當(dāng)兩種固體接觸時(shí)，原來存在于固體表面上極薄的水膜會(huì)使兩種固體分別與水膜發(fā)生電解起電并形成偶電層。若液膜在某種情況下被移走，則在界面兩側(cè)的固體上分別留下一定量的電荷。這就是固體之間的電解起電。

6.感應(yīng)起電

除了眾所周知的導(dǎo)體在外電場(chǎng)作用下會(huì)因感應(yīng)帶電外，介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下也會(huì)感應(yīng)帶電。當(dāng)介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下發(fā)生極化時(shí)，電介質(zhì)將在垂直于電力線方向的兩界面上出現(xiàn)異號(hào)的極化電荷，當(dāng)外場(chǎng)撤去后極化電荷也將消失。但如在外電場(chǎng)撤去前，介質(zhì)中某種符號(hào)的電荷由于某種原因已消失，例如把周圍空間異號(hào)自由電荷吸向自身而中和，這樣當(dāng)外場(chǎng)撤去后，介質(zhì)上另一種符號(hào)的極化電荷將被保留下來，而使介質(zhì)處于帶電狀態(tài)，此即介質(zhì)的感應(yīng)起電。

7.駐極體起電

自然界存在一類電介質(zhì)，它們?cè)跇O化后能將極化電荷“凍結(jié)”起來，即使除去外電場(chǎng)，介質(zhì)仍能在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持處于分離狀態(tài)的正負(fù)電荷。這類介質(zhì)稱為駐極體。如松香、聚四氟乙烯都是典型的駐極體。有些駐極體的電荷弛豫時(shí)間——即電荷減少到初始電量的1/e所用的時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)3～10年。

8.電暈放電起電

當(dāng)原來不帶電的物體處在高壓的帶電體或高壓電源附近時(shí)，由于帶電體(特別是尖端附近)空氣被擊穿，出現(xiàn)大量帶電粒子，結(jié)果使原來不帶電的物體帶上了與帶電體相同符號(hào)的電荷，這種現(xiàn)象叫做電暈放電帶電或噴電起電。

9.吸附起電

多數(shù)物質(zhì)的分子是極性分子，即具有偶極矩，偶極子在界面上是定向排列的。另一方面，空氣中由于空間電場(chǎng)、各種放電現(xiàn)象、宇宙射線等因素的作用，總會(huì)漂浮著一些帶正電荷或負(fù)電荷的粒子。當(dāng)這些浮游的帶電粒子被物體表面的偶極子吸引且附著在物體上時(shí)，整個(gè)物體就會(huì)有某種符號(hào)的過剩電荷而帶電。如果物體表面定向排列的偶極子的負(fù)電荷位于空氣一側(cè)，則物體表面吸附空氣中帶正電荷的粒子，使整個(gè)物體帶正電。反之，如果物體表面定向排列的偶極子的正電荷位于空氣一側(cè)，則物體表面吸附空氣中帶負(fù)電荷的粒子，使整個(gè)物體帶負(fù)電。吸附起電電量的大小與物體分子偶極矩的大小、偶極子的排列狀況、物體表面的整潔度、空氣中懸浮著的帶電粒子的種類等因素有關(guān)。

5.6固體靜電的流散與積累

5.6.1流散和積累的一般概念

1.流散的概念

無論是介質(zhì)還是導(dǎo)體，當(dāng)以某些方式起電后，若起電過程不再繼續(xù)，則經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，物體上的靜電荷總會(huì)自行消散，這種現(xiàn)象叫靜電的流散(衰減)。研究表明，靜電的流散途徑主要是中和和泄漏。

1)中和

(1)自然中和。由于自然界中的宇宙射線、紫外線和地球上放射性元素發(fā)生射線的共同作用，空氣會(huì)發(fā)生自然電離，電離后又會(huì)復(fù)合，達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)致在常溫常壓下，每立方厘米的空氣中約有數(shù)百對(duì)到數(shù)千對(duì)帶電粒子(電子或離子)。由于它們的存在，帶電體在同空氣的接觸中所帶電荷會(huì)逐漸被異號(hào)帶電粒子所中和，這種現(xiàn)象稱為自然中和。由于空氣的自然電離程度太低(即離子濃度太低)，所以這種自然中和作用極為緩慢。

(2)快速中和。若帶電體與大地電位差很高(激發(fā)場(chǎng)強(qiáng)很大)，則可造成氣體局部高度電離而發(fā)生靜電放電，此時(shí)會(huì)形成大量的帶電粒子，從而使帶電體上的電荷被迅速中和。2)泄漏

泄漏即通過帶電體自身與大地相連接的物體的傳導(dǎo)作用，使靜電荷向大地泄漏，與大地中的異號(hào)電荷相中和。

對(duì)于帶電導(dǎo)體而言，當(dāng)導(dǎo)體未被絕緣時(shí)，所帶電荷會(huì)直接、迅速地通過導(dǎo)體支撐物向大地泄漏，實(shí)際上觀察不到導(dǎo)體的帶電現(xiàn)象。而當(dāng)導(dǎo)體被絕緣時(shí)，導(dǎo)體上靜電荷則通過絕緣支撐物緩慢泄漏。

對(duì)于介質(zhì)而言，泄漏又分為表面泄漏和體積泄漏。(1)表面泄漏。在環(huán)境濕度較大且介質(zhì)又具有一定吸濕能力的情況下，介質(zhì)表面會(huì)形成一層薄水膜而使其表面電阻率降低，水分還會(huì)溶解空氣中的二氧化碳或其它雜質(zhì)，析出電解質(zhì)。這也使表面電阻率降低。當(dāng)介質(zhì)表面電阻率較低時(shí)，電荷就容易在其上分散并沿接地體向大地泄漏。同時(shí)，高濕度的空氣也是表面泄漏的通道。

(2)體積泄漏，或叫內(nèi)部泄漏。這種泄漏的程度取決于體積電阻率的大小及是否存在向大地泄漏的接地通道。

2.積累的概念

在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，一切實(shí)際的靜電帶電過程都包含著靜電的產(chǎn)生和靜電的流散兩個(gè)相反的過程。如果起電速率(單位時(shí)間內(nèi)靜電的產(chǎn)生量)小于流散速率(單位時(shí)間內(nèi)靜電的流散量)，則雖然發(fā)生起電過程，但物體上不會(huì)出現(xiàn)靜電荷的積累，亦即觀察不到帶電現(xiàn)象。如果情況正相反，則物體上會(huì)出現(xiàn)靜電荷的積累而使物體帶電量增加，但這種增加并不是無限制的，在經(jīng)過一定時(shí)間后，靜電的產(chǎn)生和流散這兩個(gè)相反的過程會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而使物體處于穩(wěn)定的帶電狀態(tài)。此時(shí)物體帶有確定的電量。

以下分別介紹固體介質(zhì)和導(dǎo)體上靜電荷的流散和積累的規(guī)律，所得結(jié)論從原則上講也適用于粉體和流體。5.6.2介質(zhì)內(nèi)部靜電荷的流散與積累

1.介質(zhì)內(nèi)靜電荷的流散

設(shè)介質(zhì)以某些方式帶電后，電荷產(chǎn)生的過程不再繼續(xù)。在介質(zhì)內(nèi)部任取一封閉曲面，則面內(nèi)包含的電量Q將不斷地流散而逐漸減小。根據(jù)Gauss定理、電流與電荷的關(guān)系及歐姆定律的微分形式等可以導(dǎo)出Q隨時(shí)間的變化規(guī)律為

它反映了介質(zhì)內(nèi)的靜電荷隨時(shí)間按指數(shù)的規(guī)律衰減。對(duì)上式作圖可以更清楚地看到這一點(diǎn)，如圖5-15所示。(5-28)圖5-15靜電流散過程中Q-t曲線

(1)由圖5-15可以看出，當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)(應(yīng)理解為

t>>ε0εrρV)，有Q→0，這表明介質(zhì)帶電后若起電過程不再持續(xù)，則經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間后介質(zhì)上的靜電荷總會(huì)自行消散殆盡，這正是一開始介紹過的靜電流散的概念。

(2)特別當(dāng)t=ε0εrρV時(shí)，有Q=Q0/e，即經(jīng)過ε0εrρV這么長(zhǎng)一段時(shí)間后介質(zhì)上的靜電電荷將衰減到起始值的1/2.718，所用的時(shí)間稱為介質(zhì)的放電時(shí)間常數(shù)，也叫逸散時(shí)間，以τ表示，即

τ=ε0εrρV

(5-29)

顯然τ越小，表明介質(zhì)帶電后，電荷衰減得越快，反之亦然。在科研和生產(chǎn)中，也常用所謂的靜電半衰期t1/2來表示介質(zhì)靜電的流散性能。它是指介質(zhì)靜電荷衰減到起始值一半所用的時(shí)間。該量從本質(zhì)上與τ是一樣的，并且容易證明二者之間的關(guān)系為

t1/2=τln2=0.069τ=0.069ε0εrρV

(5-30)

(3)介質(zhì)的靜電放電時(shí)間常數(shù)(或靜電半衰期)只取決于介質(zhì)本身的電學(xué)性質(zhì)，即介質(zhì)的介電常數(shù)和體積電阻率。在決定靜電時(shí)間常數(shù)的兩個(gè)因素中，體積電阻率要比介電常數(shù)起著更重要的作用。因?yàn)閺臄?shù)值上看，體積電阻率比介電常數(shù)大得多，而從對(duì)溫濕度的敏感程度看，體積電阻率比介電常數(shù)敏感得多，因此，要減小時(shí)間常數(shù)，必須設(shè)法減小體積電阻率。如橡膠、塑料、化纖這些聚合物材料，其體積電阻率高達(dá)1016～1017Ω·m，故它們的放電時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，甚至幾天。

在引入τ后，介質(zhì)內(nèi)靜電荷的誤差規(guī)律又可表示為(5-31)

(4)對(duì)于金屬之類的靜電導(dǎo)體，其體積電阻率很小，介電常數(shù)可近似地認(rèn)為與真空的介電常數(shù)相同，由此算出其放電時(shí)間常數(shù)近似等于零。因此，導(dǎo)體內(nèi)不可能有體電荷分布。2.起電過程中介質(zhì)內(nèi)靜電荷的積累

在同時(shí)考慮靜電的產(chǎn)生和流散這兩個(gè)相反的過程時(shí)，一般情況下開始時(shí)靜電的產(chǎn)生量大于流散量，靜電逐漸積累；到一定程度后，產(chǎn)生與流散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使電荷的積累量保持某一動(dòng)態(tài)穩(wěn)定值，如圖5-16所示。因此，在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡前，微小時(shí)間dt內(nèi)凈增加量dQ可表示為(5-32)式中第一項(xiàng)I0dt是介質(zhì)內(nèi)在dt時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的靜電量，這是為簡(jiǎn)單起見，假定介質(zhì)起電是均勻的，即單位時(shí)間內(nèi)的起電量(又叫起電電流)I0為常數(shù)；第二項(xiàng)是對(duì)式(5-31)進(jìn)行微分的結(jié)果，表示介質(zhì)在dt時(shí)間內(nèi)靜電荷的流散量；兩者之差就表示dt時(shí)間內(nèi)介質(zhì)靜電荷的凈積累量。

解此微分方程，并設(shè)初始條件為Q|t=0=0，得

并可推出起電過程中，介質(zhì)的質(zhì)量電荷密度隨時(shí)間變化為(5-33)(5-34)式中ρ′(t)為介質(zhì)的質(zhì)量電荷密度，i0為單位質(zhì)量的介質(zhì)的起電電流，亦設(shè)為常數(shù)。

(1)由式(5-33)作圖，如圖5-16所示?？梢钥闯?，一開始時(shí)介質(zhì)內(nèi)靜電荷隨時(shí)間迅速增加。當(dāng)t→∞時(shí)，Q趨于某一定值Qs，Qs為介質(zhì)的飽和電量。即使t再增加，帶電量Q不再增加，表明起電和流散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

(2)介質(zhì)的飽和電量為Qs=I0τ=I0ε0εrρV，飽和電量Qs既與起電過程有關(guān)，又與流散過程有關(guān)。人們通常所說的介質(zhì)帶電量實(shí)際上就是指起電與流散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后的飽和電量。因此，為減小介質(zhì)的帶電量，防止靜電危害，就應(yīng)設(shè)法減小Qs。而這可以從起電和流散這兩個(gè)過程來采取措施。圖5-16靜電積累過程中Q-t曲線5.6.3導(dǎo)體上靜電荷的流散與積累

1.導(dǎo)體上靜電荷的流散

設(shè)導(dǎo)體置于絕緣支撐物上，如圖5-17所示，并設(shè)導(dǎo)體對(duì)地放電電阻為R，對(duì)地電容為C。則導(dǎo)體以某種方式帶電后，若起電過程不再持續(xù)，其上靜電荷將不斷地通過支撐物向大地流散(泄漏)，其等效電路如圖5-18所示。

設(shè)通過R的放電電流為i，則

流放電流可表示(5-35)(5-36)圖5-17導(dǎo)體示意圖圖5-18導(dǎo)體靜電流散等效電路圖式中U是R兩端的電位差，也是電容C兩板間的電位差，故又有

式(5-35)、式(5-36)、式(5-37)聯(lián)立即得導(dǎo)體上任一時(shí)刻t的靜電量Q(t)所滿足的微分方程：

解此方程并設(shè)初始條件為Q|t=0=Q0，則有(5-37)(5-38)(5-39)也可得到導(dǎo)體的靜電電位表示式為

式中U0為t=0時(shí)導(dǎo)體的初始靜電電位。

以上兩式反映了導(dǎo)體上靜電荷(或靜電值)隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律的衰減，這種規(guī)律與介質(zhì)內(nèi)靜電荷的流散規(guī)律是類似的。(1)由式(5-40)看出，當(dāng)t=RC時(shí)有Q=Q0/e。同樣，把導(dǎo)體上靜電衰減為起始電量(或電位的)1/e所用的時(shí)間稱為導(dǎo)體的放電時(shí)間常數(shù)，也用τ表示，即τ=RC，或用靜電半衰期表示為

t1/2=τln2=0.069τ=0.069RC

(5-41)

與介質(zhì)類似，τ也表征了導(dǎo)體帶電后靜電衰減的快慢與難易程度。

(5-40)

(2)由式(5-40)看出，導(dǎo)體的放電時(shí)間常數(shù)取決于其對(duì)地電阻和對(duì)地電容。放電電阻R越小，則放電時(shí)間常數(shù)越小，越容易使靜電流散或泄漏。但也要適當(dāng)控制放電電阻，否則有可能導(dǎo)致火花放電。舉例來說，假如人站在R=1012Ω的橡膠地墊上，人對(duì)地的電容取C=200pF，則按式(5-41)算出人的τ=RC=200s；若改站在R′=108Ω的防靜電地坪上，則τ′=RC=0.02s；若將人直接接地，則放電時(shí)間更小。由于在極短時(shí)間內(nèi)通過較大的電量，有可能導(dǎo)致放電火花。由此可見，對(duì)帶電的導(dǎo)體，可采用接地方法，有效地將其導(dǎo)走，但應(yīng)適當(dāng)控制接地電阻。

2.起電過程中導(dǎo)體上靜電的積累

現(xiàn)在同時(shí)考慮導(dǎo)體上靜電產(chǎn)生和流散兩個(gè)相反的過程。設(shè)導(dǎo)體單位時(shí)間內(nèi)靜電產(chǎn)生量為常數(shù)，即I0為常數(shù)，則在dt時(shí)間內(nèi)電荷的產(chǎn)生量為I0dt，而在相同時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體通過R對(duì)地泄放的電量為式(5-39)所示的微分方程。所以在dt時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體上電荷的凈增量為

解此微分方程，并設(shè)初始條件為Q|t=0=0得(5-42)(5-43)也可以用導(dǎo)體上的靜電電位表示為

此即起電過程中導(dǎo)體上靜電荷的積累規(guī)律，與介質(zhì)上靜電的積累規(guī)律類似。

當(dāng)t→∞即t>>RC時(shí)，導(dǎo)體上的靜電量Q→I0RC=I0τ；導(dǎo)體上的靜電電位U→I0R。稱I0RC=I0τ=Qs為導(dǎo)體的飽和電量，I0R=Us為導(dǎo)體的飽和靜電電位。(5-44)說明:以上導(dǎo)出的公式對(duì)導(dǎo)體靜電荷的流散、積累實(shí)際情況符合得相當(dāng)好，但對(duì)介質(zhì)尚有較大的偏離。雖然以上導(dǎo)出的介質(zhì)靜電荷都按指數(shù)規(guī)律衰減，但這些規(guī)律都只是近似成立，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差。這主要因?yàn)榻⑸鲜鲆?guī)律的理論基礎(chǔ)是包括歐姆定律在內(nèi)的一些經(jīng)典靜電學(xué)的理論。按照歐姆定律，電壓和電流之間具有恒定的比例關(guān)系，即電路中的電阻值應(yīng)是一個(gè)不變的常數(shù)，但在高壓靜電場(chǎng)中，介質(zhì)的電阻值是電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，隨著場(chǎng)強(qiáng)的升高，電阻值變小，介質(zhì)的電阻值不再是常量。因此，歐姆定律對(duì)于介質(zhì)在高場(chǎng)強(qiáng)下是不適用的。

5.7人體起電

人是生產(chǎn)活動(dòng)和科學(xué)實(shí)踐的主體，同時(shí)也非常容易產(chǎn)生、積累靜電，所以研究人體靜電起電的規(guī)律非常重要。但由于人體靜電受衣裝、周圍環(huán)境影響，且人體的活動(dòng)方式具有復(fù)雜性，因而對(duì)人體起電的定量描述目前還很不成熟。

5.7.1人體靜電的定義及起電機(jī)理

1.人體靜電的定義

從實(shí)用觀點(diǎn)看，人體靜電造成危害的可能性及危害大小主要是由人體相對(duì)于大地(或與人絕緣的其它物體)的電位差所決定的。從這個(gè)意義上，可將人體靜電定義如下：若相對(duì)于所選定的零電位參考點(diǎn)(一般選大地)，人體的電位不等于零，則此人體的帶電叫人體靜電；而把人體相對(duì)于大地的電位差叫人體靜電電位。由于人體近似為一導(dǎo)體，存在著對(duì)地電容，所以人體可積聚靜電電量和能量，故也可以從人體的帶電量來定義人體靜電。

必須指出，無論是從電位的角度還是從電量的角度定義人體靜電，都是把人的肉(肌)體、著裝甚至周圍環(huán)境作為一個(gè)整體來考量的。也就是說，所謂人體靜電位應(yīng)是包括著裝及空間一切電場(chǎng)對(duì)人的肌體共同作用的總效果。所以，在測(cè)量人體靜電電位時(shí)應(yīng)測(cè)量人體肌體的靜電位。由于人體肌體基本上(或近似的)為一等位體，所以人體靜電位在某一時(shí)刻一般只呈現(xiàn)某一極性的定值。那種把人體衣裝上某處的靜電位當(dāng)作人體電位的看法是錯(cuò)誤的。

2.人體靜電起電的主要機(jī)理

人體的起電方式很多，但主要仍是接觸起電和摩擦起電。在正常條件下，人體電阻在數(shù)百歐至千歐之間，故人體本身可近似地視做導(dǎo)體。當(dāng)人體被鞋、襪、衣服及帽等包覆，且這些物品多半又是由化纖等高絕緣材料制成時(shí)，人體就成了一個(gè)對(duì)外絕緣的孤立導(dǎo)體。人在進(jìn)行各種操作活動(dòng)時(shí)，由于皮膚與內(nèi)衣、內(nèi)衣與外衣、外衣與所接觸的各種介質(zhì)發(fā)生接觸——分離或摩擦，都會(huì)使人體與衣裝帶電。同時(shí)，人在行走時(shí)，鞋子與地坪的頻繁接觸——分離，也會(huì)使鞋子帶電，并迅速擴(kuò)散到全身，達(dá)到靜電平衡而形成人體靜電。人體起電還有一些其它方式，如感應(yīng)起電、吸附起電及觸摸帶電體時(shí)的起電等，此處不再贅述。

5.7.2人體帶電的靜電規(guī)律

根據(jù)對(duì)人體靜電特性的分析，人體自身電阻約在數(shù)百到數(shù)千歐，對(duì)地電容約為幾百皮法。可把人體近似看做導(dǎo)體，基于這一事實(shí)，可對(duì)人體帶電過程進(jìn)行如下理論分析。

人體帶電是靜電產(chǎn)生和靜電流散這兩個(gè)相反過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，其靜電積累的等效電路圖如圖5-19所示，圖中i(t)表示人體的起電速率，即單位時(shí)間內(nèi)靜電的產(chǎn)生量；C表示人體對(duì)地電容；R是對(duì)地泄漏電阻；S是表示人體起電時(shí)閉合、不起電時(shí)斷開的一個(gè)假想開關(guān)。圖5-19人體電氣模型在某時(shí)刻t以后的微小時(shí)間dt時(shí)間內(nèi)，人體靜電產(chǎn)生量為i(t)dt，而人體靜電流散量為Qdt/RC，則人體積累的電量為

亦即(5-45)(5-46)(5-47)由于起電速率i(t)是時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)，當(dāng)其解析表達(dá)式不能給定時(shí)，就無法從式(5-47)得出人體的帶電結(jié)果。根據(jù)起電的實(shí)際物理過程并作出適當(dāng)?shù)慕?，下面討論兩種具體情況。

1．起電速率i=I0=常量

這相當(dāng)于人體連續(xù)均勻地起電，與我們以前討論導(dǎo)體上靜電荷積累的情況類似，將i=I0代入式(5-47)得

由上式可見，在連續(xù)均勻的起電情況下，人體靜電積累量由兩部分之和組成，式(5-48)中的第一項(xiàng)反映了起電電流對(duì)人體靜電量的影響，當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，其趨于I0RC;第二項(xiàng)則反映了起始電量Q0對(duì)人體靜電量的貢獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，其趨于零。這表明無論人體起始帶電多少及極性如何，人體電量最終將趨于飽和值，

QS=I0RC

(5-49)(5-48)根據(jù)近似計(jì)算和分析可知，人體靜電電位的解析表達(dá)式為

式(5-50)中U0為t=0時(shí)的人體初始靜電位。

2.階躍起電

對(duì)于實(shí)際人體起電過程來說，連續(xù)起電的過程是極少的，多數(shù)情況下是起電過程只持續(xù)一段時(shí)間后就終止。而在這段時(shí)間內(nèi)起電近似均勻，即起電速率可近似表示為如下階躍函數(shù):(5-50)(5-51)將i的表達(dá)式代入式(5-47)，可得

式中Q0為t=0時(shí)的人體初始靜電量。

同理可得階躍起電情況下人體靜電電位為(5-52)(5-53)式中U0為t=0時(shí)的人體初始靜電位。為簡(jiǎn)單起見，設(shè)人體最初不帶電，即t=0時(shí)，U0=0，則有

(1)由式(5-54)可見，在階躍起電中，一開始人體靜電位隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增大，而當(dāng)t=T時(shí)，即階躍電位結(jié)束的瞬間，人體靜電位達(dá)最大值，且此時(shí)的最大值為(5-54)(5-55)在此后的時(shí)間內(nèi)(t＞T)，人體靜電位又按指數(shù)規(guī)律減少。從式(5-55)還可看出，階躍起電持續(xù)的時(shí)間T越長(zhǎng)，人體最大靜電位越接近于連續(xù)起電時(shí)飽和電位I0R，反之亦然。

(2)若人站在絕緣的地坪上或穿絕緣底鞋時(shí)，因其對(duì)地電阻R值甚大(一般R>1013Ω)，而C為幾百pF量級(jí)，這樣RC為103量級(jí)。一般情況下T<RC，即在理想起電情況下，因，只有當(dāng)t經(jīng)過數(shù)個(gè)RC時(shí)人體電位才能達(dá)到最大值I0R。這就使人體在階躍起電時(shí)要比在連續(xù)起電時(shí)更快地達(dá)到最大靜電位，因此也比連續(xù)起電具有更大的危險(xiǎn)性。

應(yīng)當(dāng)指出的是，作以上理論分析時(shí)都認(rèn)為人體靜電特性參數(shù)R和C恒定不變，但在實(shí)際起電過程中，由于人體的動(dòng)作復(fù)雜多變，往往會(huì)導(dǎo)致RC發(fā)生變化，這就使得實(shí)際起電過程變得非常復(fù)雜。5.7.3影響人體帶電的主要因素

1.起電速率的影響

起電速率是由人的活動(dòng)或操作速度決定的。人的活動(dòng)或操作速度越快，起電速率也越大。無論是連續(xù)起電還是階躍起電，人體飽和電量都隨起電速率增大而增大，有關(guān)實(shí)驗(yàn)也支持這一結(jié)果，所以在存在靜電危險(xiǎn)的場(chǎng)所要規(guī)定各種操作速度的安全界限。

2.人體對(duì)地電阻的影響

理論分析結(jié)果表明，在起電速率一定的條件下，人對(duì)地電阻越大，飽和帶電量(或電位)就越高，而人體對(duì)地泄漏電阻主要取決于鞋子和地坪的絕緣程度，所以人所穿的鞋襪及所處地坪材料對(duì)人體靜電電位有著非常實(shí)際的影響。

3.人體電容的影響

人體帶電后，其放電很慢，即人體帶電量近似認(rèn)為不變。由U=Q/C可知，人體對(duì)地電容的減小，將導(dǎo)致靜電電位的增高，即人體的靜電位與人體電容大致保持反比例關(guān)系。如實(shí)驗(yàn)表明，人在行走一段時(shí)間后，單腳直立時(shí)的靜電電位總是明顯高于雙腳直立時(shí)的電位，這是因?yàn)槿嗽趩文_直立時(shí)對(duì)地電容小于雙腳直立時(shí)的電容，因此在操作對(duì)ESD敏感的場(chǎng)所，應(yīng)禁止不必要的動(dòng)作。

4.人體著裝的影響

在人體靜電定義中已指出，所謂人體靜電應(yīng)是包括著裝在內(nèi)的一切空間靜電場(chǎng)對(duì)人的肌體共同作用的總效果。所以人體靜電與所穿服裝有密切的關(guān)系，即服裝帶電直接影響著人體帶電。人所穿著的衣裝材料一般均屬介質(zhì)材料。特別在現(xiàn)代社會(huì)中，各種化纖材料在服裝面料中所占比重日益增大，因其具有很高的絕緣性能，故很容易產(chǎn)生、積累靜電，服裝靜電再作用于人體從而使人體帶電程度升高。紡織靜電的危害及防護(hù)

6.1紡織材料的靜電危害6.2紡織靜電的消除原理6.3消除紡織靜電的物理方法6.4消除紡織靜電的化學(xué)方法6.5導(dǎo)電性填充材料的應(yīng)用6.6防靜電阻燃雙功能服裝面料

靜電對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的危害形式大體上可分為三種類型：靜電障礙、靜電電擊和靜電事故。由于在不同的工業(yè)領(lǐng)域中，生產(chǎn)加工的對(duì)象和生產(chǎn)工藝、設(shè)備不同，所以靜電危害引起各種生產(chǎn)障礙的同時(shí)也存在著由靜電放電引發(fā)靜電事故的可能；而在電子工業(yè)中，靜電放電會(huì)造成電子元器件的擊穿損害和電子設(shè)備的整機(jī)失效；在石油、化工、采礦等行業(yè)可能會(huì)有靜電放電火花作為點(diǎn)火源引起的燃爆火災(zāi)事故。但應(yīng)該指出，在不同行業(yè)中，雖然防害的具體措施有所不同，但消除靜電危害的原理卻是一致的，即盡量減小靜電荷的產(chǎn)生量，加強(qiáng)靜電的泄漏，造成使靜電荷得以中和的條件。本章主要介紹紡織材料靜電危害和一些聚合物材料工業(yè)制品的防護(hù)措施。

6.1紡織材料的靜電危害

6.1.1紡織材料靜電效應(yīng)的分類

進(jìn)入20世紀(jì)以來，合成纖維的生產(chǎn)與應(yīng)用得到飛速發(fā)展。但這種高分子聚合物固有的高絕緣性和憎水性，使之極易產(chǎn)生、積累靜電。因此隨著合成纖維的大量使用，紡織材料的帶電現(xiàn)象及由此而出現(xiàn)的靜電故障和危害也日趨嚴(yán)重，無論從生產(chǎn)和消費(fèi)的角度看，消除靜電危害都已成為亟待研究和解決的問題。如前所述，紡織材料在使用過程中也發(fā)生著兩個(gè)相反的靜電過程，即產(chǎn)生和流散。因此，實(shí)際的靜電電荷水平應(yīng)是這兩個(gè)相反過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。由材料上的實(shí)際靜電荷水平(電荷的靜電積累量)所引起的一系列物理效應(yīng)稱為材料的靜電效應(yīng)。這些物理效應(yīng)主要包括力學(xué)效應(yīng)、放電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)。

1.力學(xué)效應(yīng)

因帶電體周圍的電場(chǎng)具有力的作用，所以表現(xiàn)出帶電體(如纖維和服裝面料)會(huì)吸引或排斥附近輕小物體的或相互之間的吸引或排斥的現(xiàn)象稱為靜電的力學(xué)效應(yīng)。根據(jù)Maxwell應(yīng)力公式，帶電體每單位面積所具有的靜電作用力為

式中f是帶電體每單位面積具有的作用力；σ為面電荷密度；E為帶電體表面附近的場(chǎng)強(qiáng)；ε是周圍介質(zhì)的電容率。由式(6-1)計(jì)算，在通常的帶電密度下靜電力的數(shù)值并不大，一般為每平方厘米數(shù)百毫克，所以靜電的力學(xué)效應(yīng)僅表現(xiàn)為吸附或排斥現(xiàn)象。

在實(shí)際過程中，一般認(rèn)為當(dāng)纖維或機(jī)件上靜電荷的質(zhì)量電荷密度大于10-8C/g時(shí)，或其上靜電壓大于100V時(shí)，纖維或紗線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就會(huì)明顯受到干擾，在紡織生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)亂絲、纏繞、飛花、跳紗等現(xiàn)象。

(6-1)

2．放電效應(yīng)

當(dāng)帶電體(如服裝)所產(chǎn)生的電場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度超過周圍絕緣介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)被高度電離而變成導(dǎo)體，并伴有發(fā)光和聲響，這就是靜電放電現(xiàn)象。放電現(xiàn)象實(shí)際上是靜電場(chǎng)的能量以光、熱和聲的形式釋放出來的現(xiàn)象。常見的放電現(xiàn)象是在空氣中發(fā)生的。根據(jù)理論計(jì)算，靠近空氣的介質(zhì)表面上積累靜電荷時(shí)便產(chǎn)生靜電場(chǎng)，在1個(gè)大氣壓下，在空氣中的介質(zhì)(如服裝面料)表面電荷密度值的數(shù)量級(jí)為

10-8C/m2，就開始發(fā)生靜電放電。

當(dāng)導(dǎo)體發(fā)生靜電放電時(shí)，其儲(chǔ)藏的能量一般可全部釋放，因而可根據(jù)公式估算放電能量；但當(dāng)絕緣體放電時(shí)，只能釋放部分能量，其計(jì)算比較復(fù)雜。

3．靜電感應(yīng)效應(yīng)

靜電感應(yīng)效應(yīng)是指帶電體(如人體)附近存在被絕緣的導(dǎo)體時(shí)，在該導(dǎo)體表面會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷的現(xiàn)象。如圖6-1所示，導(dǎo)體表面感應(yīng)電

式中S為受靜電感應(yīng)的物體表面積，E為該表面處的場(chǎng)強(qiáng)

導(dǎo)體表面上感應(yīng)電荷有正負(fù)兩種，且整個(gè)導(dǎo)體上的正負(fù)電荷處于平衡狀態(tài)，但由于表面處正負(fù)電荷以完全分離的形式存在，所以其和表面帶有靜電的物體是完全等價(jià)的，也會(huì)發(fā)生如上所述的力學(xué)效應(yīng)和放電效應(yīng)而引發(fā)靜電危害。

(6-2)圖6-1靜電感應(yīng)現(xiàn)象6.1.2紡織材料在生產(chǎn)加工中的靜電障礙和危害

紡織材料(纖維及其制品)在生產(chǎn)加工和使用過程中，由于受摩擦、牽伸、壓縮、剝離、電場(chǎng)感應(yīng)及熱風(fēng)干燥等因素的作用而產(chǎn)生靜電。如果這些靜電荷不能通過各種途徑迅速散失，就會(huì)在材料和加工機(jī)械上逐漸積累、增加；基于靜電的力學(xué)效應(yīng)和放電效應(yīng)，靜電荷的積累達(dá)到一定程度時(shí)將會(huì)引發(fā)如表6-1所示的各種障礙和危害。紡織材料在生產(chǎn)和加工過程中受各種因素作用而在材料和加工機(jī)械上產(chǎn)生并積累起靜電，在電場(chǎng)力作用下，纖維或纖維制品(紗線、絲條和織物)在各道工序中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律受到干擾，從而影響了正常生產(chǎn)。此外，靜電還會(huì)引發(fā)對(duì)操作人員的靜電電擊，有可能產(chǎn)生二次事故。實(shí)踐表明，靜電障礙和危害幾乎遍及于紡織材料生產(chǎn)加工的各個(gè)過程，只不過程度有所不同，如表6-2所示。

由表6-2可以看出，紡織加工中較為普遍的靜電障礙和危害可歸納為纖維及其制品易于纏繞、堵塞、污染、起毛，以及帶電的材料或加工機(jī)械對(duì)操作人員的電擊。以下分析幾個(gè)典型實(shí)例。表6-1紡織靜電障礙和危害的諸方面及典型表現(xiàn)

表6-2紡織加工中各生產(chǎn)工序的靜電障礙和危害

實(shí)例6-1細(xì)紗機(jī)皮輥及皮圈的纏繞。

皮輥和皮圈是細(xì)紗機(jī)重要的牽伸元件，一般用橡膠制成，外部涂料多為漆類。未經(jīng)處理的這類材料，其體積電阻率高達(dá)1014～1015Ω·cm，所以在與絕緣性能也較高的紗條或機(jī)架摩擦?xí)r，極易積累靜電而發(fā)生障礙。表6-3是對(duì)細(xì)紗機(jī)皮輥、皮圈帶電情況的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。表6-3細(xì)紗機(jī)皮輥、皮圈的帶電情況

由表中可以看出，在紡T/C、T1/R(其配樣方案均為滌、棉)時(shí)，無論皮輥還是皮圈上的靜電壓值都已達(dá)到或超過100V。這表明，牽伸元件的帶電程度已足以擾亂紗線的正常運(yùn)動(dòng)規(guī)律而發(fā)生生產(chǎn)障礙。常見的是當(dāng)皮輥、皮圈與紗線帶有異號(hào)電荷時(shí)所出現(xiàn)的繞花、纏花現(xiàn)象。纏繞不僅會(huì)降低細(xì)紗條的光潔度，而且會(huì)頻繁引起細(xì)紗斷頭，影響紗支產(chǎn)量、質(zhì)量和增大擋車工勞動(dòng)強(qiáng)度。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，纏繞嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赏＼?，工人不得不用刀片或其它銳器把粘花從皮輥上一點(diǎn)一點(diǎn)地刮掉，這樣不僅浪費(fèi)工時(shí)，而且大大縮短了皮輥使用周期。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，某大型紡織廠的細(xì)紗車間，每月因“刀傷”而報(bào)廢的皮輥竟高達(dá)數(shù)千只之多。順便指出，在并、粗、細(xì)紗諸工序常發(fā)生的纏繞現(xiàn)象，除由靜電吸附作用引起外，還可能與其它多種因素有關(guān)。因此，最好在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)纏繞部位的帶電情況進(jìn)行測(cè)試以便對(duì)纏繞原因作出正確判斷。

實(shí)例6-2坯布和裝布對(duì)操作工的靜電電擊。

對(duì)操作人員的靜電電擊是紡織加工中最常見的靜電危害。根據(jù)日本對(duì)422家大、中型纖維工業(yè)企業(yè)的調(diào)查，由于電擊引起的危害占全部危害事件的32%。在整理車間的驗(yàn)布工序，常使用鐵制膠輪小車盛放由驗(yàn)布機(jī)落下的坯布?？椢镞M(jìn)入小車前，先是受到橡膠—金屬輥的擠壓，而后又經(jīng)過滾筒的導(dǎo)引。如此頻繁的接觸—分離過程就使其帶上較強(qiáng)的靜電，再加上帶電織物進(jìn)入裝布車后的折疊、堆積，當(dāng)小車裝滿坯布后所積累的靜電荷就很可觀了。因此當(dāng)工人接觸織物或推動(dòng)小車時(shí)常會(huì)受到電擊。強(qiáng)烈的電擊往往令操作者感到極度驚恐和不快，還有可能引發(fā)二次事故。開始時(shí)，車間安技人員一度懷疑電擊是由于機(jī)械“漏電”造成的，后經(jīng)電工仔細(xì)檢查，排除了這一可能性。當(dāng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)了裝置的靜電壓后，確認(rèn)電擊是由于靜電放電引起的。測(cè)試情況如表6-4所示。表6-4驗(yàn)布機(jī)下裝布車帶電情況測(cè)量

由表6-4可看出，除第4、6號(hào)車以外，其余各臺(tái)裝布車上靜電壓均已達(dá)到或超過人對(duì)靜電電擊的感知極限3kV。靜電電擊時(shí)人體的反應(yīng)如表6-5所示，故當(dāng)工人接觸坯布或推動(dòng)小車時(shí)就會(huì)在帶電體與人體之間發(fā)生放電，使人受到電擊。表6-5靜電電擊時(shí)人體的反應(yīng)

實(shí)例6-3牽伸機(jī)錠子對(duì)擋車工的靜電電擊。

在紡織加工中，靜電電擊有時(shí)發(fā)生在擋車工需要經(jīng)常接觸或靠近的紡機(jī)部件上。如在制造化纖的牽伸機(jī)上，初生纖維由導(dǎo)絲器進(jìn)入錠子系統(tǒng)加捻、卷繞并在紗管上成型。在此過程中，由于化纖與塑料等高絕緣材料制作的紗管間劇烈的摩擦，使紗管帶上很高的靜電壓，并會(huì)在附近的鋼領(lǐng)板等金屬部件上感應(yīng)出較高的靜電壓，如表6-6所示，從而使擋車工遭到電擊。表6-6牽伸機(jī)錠子各部件的帶電情況

6.1.3纖維制品在使用過程中的靜電障礙和危害

纖維制品在使用(主要是服用，還有其它非服用方式)過程中，經(jīng)常發(fā)生著織物與人體、織物與織物、織物與其它絕緣材料之間的相互摩擦作用，再加上剝離、電場(chǎng)感應(yīng)等因素，極易在纖維制品特別是合成纖維制品上積累靜電。當(dāng)靜電荷大到服用者感到不適及在其它場(chǎng)合足以引起事故或?yàn)?zāi)害時(shí)，就出現(xiàn)了纖維制品在使用中的靜電問題，詳見表6-7所示。表6-7纖維制品在使用過程中的靜電障礙和危害

根據(jù)表6-7，可將纖維制品在使用過程中的靜電障礙和危害歸納為吸塵污染、纏附抱合、擊穿、電擊、引燃引爆等幾個(gè)方面。特別是合纖制品帶電后引起的靜電放電火花，往往成為易燃易爆場(chǎng)所的點(diǎn)火源，使化工、石油、軍火、食品、醫(yī)藥、航空等部門屢屢受危害。

實(shí)例6-4人體衣裝上的靜電及其危害。

人在穿用服裝時(shí)由于衣料與人體以及衣料之間的摩擦而帶電；如果再伴隨著脫衣動(dòng)作，靜電現(xiàn)象更為明顯。表

6-8為不同纖維材料的內(nèi)衣和外衣，在穿上、穿后5分鐘和脫衣時(shí)的實(shí)測(cè)靜電壓值。表6-8衣裝的靜電帶電情況

由表6-8可以看出，當(dāng)人穿用合纖類內(nèi)、外衣時(shí)，穿上5分鐘后衣裝上的靜電壓可達(dá)數(shù)百伏至1000多伏；而在脫衣時(shí)更可高達(dá)數(shù)千伏至上萬伏。如果人體衣裝上的靜電壓為1kV(在人們的生產(chǎn)和日?；顒?dòng)中，這是經(jīng)?？赡苡龅降?，那么這可能帶來什么危害呢？

取人的對(duì)地電容量C＝400pF，則其靜電放電能量W=CU2/2=400×10-12×(103)2/2=0.2mJ。許多可燃性氣體、液體、粉塵等的最小點(diǎn)火能量都低于這一數(shù)值，例如氫氣的最小點(diǎn)火能是0.019mJ，乙醚是0.13mJ，甲醇是0.14mJ；許多炸藥的最小點(diǎn)火能更低達(dá)0.001mJ。因此人體衣裝上的靜電引起的放電火花足以使這些物質(zhì)引燃、引爆，釀成嚴(yán)重的災(zāi)害事故。可見穿用合纖衣裝的人體猶如“活動(dòng)火柴”般危險(xiǎn)。

再比如，PNP型晶體管的發(fā)射極—基極間的最大電壓僅為7.5V，當(dāng)操作人員衣裝上的靜電壓達(dá)到1kV時(shí)，經(jīng)推算完全可能使兩極間發(fā)生靜電擊穿而使晶體管報(bào)廢。

6.2紡織靜電的消除原理

6.2.1紡織材料的靜電產(chǎn)生和流散

紡織材料在生產(chǎn)加工或使用中，發(fā)生著兩個(gè)相反的靜電過程，即產(chǎn)生和流散(靜電荷對(duì)周圍介質(zhì)的散失主要是通過中和與泄漏兩條途徑來實(shí)現(xiàn))。因此，實(shí)際的靜電荷水平應(yīng)是這兩個(gè)相反過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的實(shí)際靜電荷水平(靜電荷的凈積累量)就是該種材料的帶電量。

在同時(shí)考慮材料的起電和流散這兩個(gè)過程時(shí)，其靜電荷的積累服從(6-3)的規(guī)律，其中τ=ε0εrρV稱為材料的放電時(shí)間常數(shù)，它的大小取決于材料的體積電阻率和介電常數(shù)；QS=I0τ是起電與流散達(dá)到平衡后的飽和電量密度，它與起電電流I0和材料的放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)。

由式(6-3)可見，當(dāng)t>>τ時(shí)有Q→QS，亦即靜電荷的產(chǎn)生與流散達(dá)到平衡。因此，QS就代表了材料上的實(shí)際靜電荷水平，并決定著材料對(duì)外表現(xiàn)出的靜電效應(yīng)的強(qiáng)弱。同時(shí)，QS=I0τ正說明材料的靜電產(chǎn)生的過程，而且也與電荷的泄漏密切相關(guān)。由此看出，消除各種紡織靜電障害，歸結(jié)為設(shè)法減弱材料的靜電效應(yīng)。根據(jù)以上討論可知，為減弱紡織材料的靜電效應(yīng)可以從三個(gè)方面著手：減少靜電的產(chǎn)生；加快靜電的泄漏；造成使靜電得以被中和的條件。后兩條顯然是基于靜電的散失過程提出的。這三條就是消除紡織靜電障礙和危害的基本原理。6.2.2紡織靜電的評(píng)價(jià)指標(biāo)

為便于判斷紡織材料靜電效應(yīng)的強(qiáng)弱，以便制定相應(yīng)的消電措施，同時(shí)也為了對(duì)各種消電方法的效果進(jìn)行比較，必須要有表征材料靜電效應(yīng)強(qiáng)弱的定量指標(biāo)，并且，這些指標(biāo)最好能夠很方便地加以測(cè)定。

在決定紡織材料靜電效應(yīng)的兩個(gè)相反過程中，究竟哪一個(gè)是主要因素？如果考慮到紡織材料的比電阻值多半都很高，則可認(rèn)為主要是靜電荷泄漏的快慢，而不是靜電產(chǎn)生的多少?zèng)Q定著材料的靜電效應(yīng)。這是因?yàn)?，靜電通過絕緣材料本身的泄漏遵循如下規(guī)律:(6-4)由于絕緣材料的比電阻ρV都很大，所以靜電時(shí)間常數(shù)τ也很大，即材料上的靜電荷泄漏緩慢。例如純滌綸放電時(shí)間常數(shù)約為43分鐘，另一些比電阻更高的合纖材料的放電時(shí)間常數(shù)甚至可達(dá)數(shù)小時(shí)之多。所以即使產(chǎn)生靜電的工藝過程停止較長(zhǎng)一段時(shí)間后，材料上仍可保留有足以引起障害的靜電量。這一觀點(diǎn)已為實(shí)踐所證實(shí)，同時(shí)從實(shí)用觀點(diǎn)看，靜電的衰減特性更容易測(cè)量些。因此，可采用測(cè)量材料的靜電半衰期t1/2(t1/2=0.69τ=0.69ε0εrρV)作為衡量材料靜電效應(yīng)的指標(biāo)。但半衰期與材料的體積比電阻ρV成正比，而各材料的表面比電阻與體積比電阻又是相關(guān)的，又考慮到ρs的測(cè)量不僅簡(jiǎn)單，而且復(fù)現(xiàn)性也較好，所以通常用表面比電阻ρs作為衡量材料靜電效應(yīng)的重要指標(biāo)。

威爾遜(Wilson)和傅科(Valko)通過研究，分別得出紡織材料表面比電阻與其靜電效應(yīng)之間的相關(guān)關(guān)系如表6-9所示。

上述關(guān)系已被應(yīng)用到實(shí)際中。如美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)床單及其它醫(yī)用紡織品的防靜電規(guī)范，都是以比電阻的高低為標(biāo)準(zhǔn)的。凡有麻醉品存在的場(chǎng)所，織物的表面比電阻都要求低于1011Ω；在纖維制品的服用中，當(dāng)表面比電阻降到1011～1012Ω時(shí)，則不會(huì)發(fā)生明顯的纏附、抱合等情況。表6-9紡織材料的表面比電阻與其靜電效應(yīng)之間的關(guān)系

需要指出，采用比電阻衡量材料的靜電效應(yīng)并不是很完善的。實(shí)驗(yàn)表明，僅靠比電阻一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行判斷，有時(shí)會(huì)得出與實(shí)際情況不符的結(jié)果。特別是對(duì)于表面涂層(或鍍層)的纖維制品及混紡織物等復(fù)合材料，僅用比電阻一項(xiàng)指標(biāo)常會(huì)作出有關(guān)靜電效應(yīng)的錯(cuò)誤評(píng)價(jià)。這是因?yàn)闆Q定材料靜電效應(yīng)的直接物理量應(yīng)是材料上的電量及與此相關(guān)的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流和電壓，但這些參數(shù)的測(cè)量一般比較復(fù)雜，而且復(fù)現(xiàn)性也較差。為了對(duì)材料的靜電效應(yīng)作出符合實(shí)際的正確評(píng)價(jià)，除比電阻外，還應(yīng)附加其它指標(biāo)，它們是紡織材料的靜電半衰期、帶電量或面電荷密度以及表面靜電壓等。6.2.3影響靜電指標(biāo)的主要因素