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塑料薄膜印刷制袋中,静电的测试和消除

    在塑料软包装生产和应用中,冬春季干燥塑料薄膜静电一直是比较头痛的问题之一,高速运转的生产、金属辊与薄膜摩擦、薄膜之间的摩擦、薄膜张力变化、都可能导致静电产生。静电不仅吸附灰尘,严重影响薄膜印刷和制袋质量,还可能引发起火、击穿电气设备等诸多问题。笔者在多年软包装有关静电的服务中,对下面几个问题深有感触,在此与业内人士交流探讨。
    一、静电是怎么产生的
    有人说静电是干燥的原因,也有人说静电是因为摩擦的原因,都有一定道理。但是摩擦为什么会产生静电呢?
    人们常说摩擦起电,其实严格说摩擦起电只是接触带电的一种表现形式而已。常温时产生静电一个基本原因就是因为两种材料接触时,部分电子云发生重叠。在迅速分开时,一些电子来不及归回原位,其中一种材料具有较大的吸附电子(或其他带电粒子)的能力就有可能使电子转移到该材料,从而获得电子而呈现负电,而另一种失去电子的材料则呈现正电。另外,自然界中还有对物体施加作用力时产生的压电(皮埃佐电)和对物体加热时产生的热电,摩擦起电其实是这些作用的综合结果。
    
    薄膜高速生产时,设备严格接地,为什么还会产生静电呢?有朋友认为金属辊表面镀的氧化铝层不导电,所以导致摩擦起电以及薄膜静电的发生,这相当于设备没有良好接地。笔者认为这种说法值得商榷,如果真是那样,一卷卷薄膜摩擦产生了静电,在金属辊氧化铝表面产生的静电岂不是会积累到一个可怕的程度?用ELD-1静电电压表检测一下摩擦的金属辊表面,却一点静电也没有,可以知道设备接地非常好。
    如图1所示,薄膜被牵引时,与设备金属辊摩擦产生静电。在薄膜与金属辊分离的瞬间,因金属辊上自由电子多,易失去自由电子呈正电,而薄膜易得到自由电子呈负电。金属辊因为良好接地,失去的自由电子可以通过接地得到无限的补充,所以并不显示静电的存在。薄膜因为表面电阻大,残存的自由电子得不到释放,所以在整个分离区域显示负电,薄膜静电也就产生了。同时,薄膜的背面因为感应产生相反极性的电——正电,这种带静电薄膜易吸附各种带电的灰尘。
    静电电量很少,夏季一块积雨云所携带的静电也就几个库伦。静电与交流电不同的是,如果静电电压低对生活几乎没有影响。冬春季开门接触金属把手或人体时放电产生的灼痛感,一般要3000~10000伏特的静电压。晚上脱毛衣看见静电火花因为低于3000伏,人体根本无法感知。人走过30m的化纤地毯可能产生数万伏的静电压,而我们却毫无感觉:这是因为静电压也会慢慢减弱的。
    二、静电测试
    静电测试项目很多,但基本上可以归为两类,一类是检测静电场,一类是检测材料或物体抗静电能力。前者包括静电量、静电压(位)、静电容等。后者包括静电衰减能力(半衰期)、对地电阻、体积电阻、表面电阻等。很多材料,如纯净的聚丙烯,其体积电阻系数可以达到1*1018Ωcm左右,可以想象其累积的静电非常难以衰减。
    对于塑料薄膜生产,除部分电器包装薄膜需要测抗静电的能力即表面电阻率外,一般用户测试薄膜生产时其表面的静电压即可。
    对塑料薄膜这样的非导体的表面静电压测试(包括测试静电的极性和电位数据),因为探头不能接触薄膜,称为非接触测试。根据测试原理的不同,可分为静电感应和空气电离两种方法。静电感应是将测试探头靠近薄膜,利用探头与薄膜间产生的畸变电场测试,实质上是对薄膜表面电场的测试。空气电离是利用放射性同位素电离空气,在薄膜与仪表输入端、输入端与接地端之间分别产生电阻分压,测试薄膜的对地电压。
    可以看出,在车间使用感应式静电电压表时,应与薄膜的位置、薄膜面积相对固定才能降低误差,即所谓相对测试;而空气电离式电位计应该在静止场合使用,并进行数据补偿。
    
    三、静电的消除
    静电消除器分无源式和有源式两类,后者又分为高压电源式、离子风式、放射源式等几种,因为都需要另加电源,加大能耗,高压电或放射源的安全因素,很少在塑料加工中使用。塑料薄膜生产厂家,过去一般使用无源式静电消除器中的硬毛静电刷(防静电毛刷),现在,许多要求高的厂家纷纷选择一些新的静电消除器,如软毛静电刷等。
     
    以硬毛静电刷为例,消电机理主要因为导体的静电感应,在靠近薄膜处产生与薄膜负电极性相反的正电荷,通过空气电离,形成电晕电流,在电晕区产生大量的正、负离子。如图3所示,在电场的作用下,带负电的粒子向放电毛针B方向运动;带正电的粒子向带负电的薄膜C方向运动,中和薄膜带的负电荷。由于针尖B附近的电场依赖于薄膜C本身的电位及针尖到薄膜的距离,所以,薄膜C的电压越高,针尖B到薄膜C的距离越近,针尖B上感应出的电荷密度越大,附近形成的电场越强,电离的带电离子数目越多,消除静电效果越好(但太近时易产生电弧)。可以想象每一根刷毛就像伸向空中的避雷针一样,要尖而细,才能更好的形成感应电荷集中,早一步放电达到消除静电的目的。考察这种除静电毛刷性能主要有两个指标:临界电压和电晕电流。前者是能够使放电针产生电晕放电的最低电压,当然是越低越好;后者越大,表明单位时间内被消除的电荷越多。实际应用中,用万用表测试静电刷的电阻即可,一般质量好的静电刷电阻小于1Ω/m,也可以用ELD-1静电压表测试静电刷安装前后的电位来判断。决定除静电毛刷的性能有多种因素,放电毛针针尖越细长、材料导电性越好制成的除静电毛刷性能越好。
    如上图可以看出,由于硬毛静电刷消电效果取决于薄膜静电压的感应电压,消电效果不彻底,所以人们做了改进,把接地的A处加上与薄膜静电电荷性能相反的直流高压电源,如正电荷,使消电效果大大提高,这就是直流消电器的原理。
    如果把上图中B处硬毛换成对薄膜无损伤的软毛,则可以直接接触薄膜C;因为软毛的“柔”,产生静电感应后因为电荷的吸引力毛尖部分可以紧紧吸附在薄膜上,负电荷可以通过软毛静电刷直接导入大地,消电效果也大幅度提高。据测算,TR-01接触式软毛静电刷的临界电压比普通硬毛静电刷低80%左右,电晕电流则大30%以上。
     
    四、不可忽略的问题:消电器的安装
    以硬毛静电刷为例,它的安装和性能一样重要,安装不妥,不仅会降低消电效果,有时还会使静电加剧,甚至造成更大的危害。一般来说,安装如图5所示,应避开图中A、B、C、D几个位置。最好在需要消除静电部位的前面,如尽量靠近印刷和制袋前的部位或静电电位最强的部位。安装角度垂直于薄膜运动方向,毛刷应有牢固的支撑并可靠接地。TR-01软毛静电刷安装要在薄膜的正反面都要安装,否则前面消除后面又感应,事倍功半。 
      
   
说明:黑色三角处表示可以安装,白色三角位置不能安装,因为:A处有摩擦的静电产生源,前面消除后面产生,使消除工作事倍功半。B处背面有接地体,C处临近接地体,D处有其他消电装置,均可以干扰电场感应,使其达不到应有的消除效果。
    试验结果表明,使用正确的安装方法,软毛静电刷最多时可以消除95%以上的静电。

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