Statische elektriciteit: een onzichtbare vijand

Beschrijving

Statische elektriciteit is in feite ‘rustende’ elektriciteit en niets anders dan een overschot (negatieve lading) of gebrek (positieve lading) aan elektronen op een geïsoleerd lichaam.

Dit in tegenstelling tot de dynamische elektriciteit die door het elektriciteitsnet verdeeld wordt. Bij statische elektriciteit zijn de typische waarden van weerstand, stroom en spanning dan ook geheel verschillend van die van de dynamische elektriciteit.

Het aarden van installaties en hun onderdelen kan nodig zijn indien bij verpompen, transporteren, bewerken of verwerken, gevaar bestaat voor elektrostatische ontlading. Onderzoeken van explosies waarbij statische elektriciteit een rol kan hebben gespeeld zijn vaak lastig. Het is niet direct herkenbaar, mede omdat de sporen door de explosie worden gewist. Meerdere oorzaken die ogenschijnlijk geen direct verband met elkaar hebben, leiden naar de onvermijdelijke explosie of brand. De mogelijkheid van vorming van statische elektriciteit wordt hierbij vaak onderschat en krijgt weinig aandacht van industriële processen en installaties. Statische elektriciteit behoort dan ook een standaard aandachtspunt te zijn bij de uitvoering van ontwerpanalyses.

Oorzaken
Om een ontlading van statische elektriciteit te kunnen krijgen, moet er uiteraard eerst een oplading van statische elektriciteit plaatsvinden. Vele materialen of stoffen die we in het dagelijks leven tegenkomen zijn in meer of minder mate oplaadbaar. De zogenaamde tribo-elektrische oplading. Tribo-oplaadbare materialen zijn bijvoorbeeld vrijwel alle soorten plastic (polyethyleen, PVC, teflon, …), in kleding gebruikte kunststoffen als nylon en dralon, maar ook natuurlijke stoffen als (mensen-)haar en wol. Al deze materialen worden opgeladen door wrijving. Dit kan door wrijving tussen twee dezelfde materialen, maar ook tussen twee verschillende. Het optreden van statische elektriciteit en de gevaren en moeilijkheden die daardoor ontstaan zijn niet alleen afhankelijk van de eigenschappen en de methode van bewerking van de stof, maar ook van een aantal externe factoren zoals temperatuur en vochtigheid. Indien twee verschillende stoffen met elkaar in contact zijn, zullen de elektronen van de aan het oppervlak aanwezige atomen zich hergroeperen. Er treedt tenslotte een evenwichtstoestand op waarbij de ene stof een overschot en de andere stof een even groot tekort aan elektronen krijgt, waardoor de stoffen elkaar zullen aantrekken. Worden deze stoffen nu door mechanische arbeid gescheiden dan kan, afhankelijk aan de geleiding van de stoffen en van de separatiesnelheid, dit overschot respectievelijk tekort aan elektronen grotendeels blijven bestaan. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij slecht geleidende stoffen of bij een geïsoleerd opgesteld geleidend lichaam. In zo’n geval is dan minstens één der stoffen ‘statisch’ geladen.

Statische oplading
Bij industriële processen treedt statische oplading op bij aanraking gevolgd door scheiding van – of wrijving tussen – een goede elektrische isolator en een ander lichaam. Wanneer de opgewekte lading niet kan weglekken, kan aan het oppervlak de elektrische veldsterkte voldoende hoog worden. Hierdoor kan een lokale ontlading optreden. Is het opgeladen lichaam een geïsoleerd opgestelde geleider dan kan bij uitwisseling van lading tussen deze geleider en een ander voorwerp de totale lading overgaan in de vorm van een vonk. Dit gevaar dient men te vermijden door aarding consequent door te voeren. Eén van de meest voorkomende ‘oplosbare voorwerpen’ in fabrieken is het menselijk lichaam, staande op rubber zolen of op een slecht geleidende rubber- of asfaltvloer. De capaciteit van het menselijk lichaam is ruim voldoende om vonken te trekken met voldoende ontstekingsenergie, bijvoorbeeld wanneer een geaarde machine wordt aangeraakt. Op zo’n moment is men gauw geneigd te veronderstellen dat de machine lading draagt, hetgeen soms tot onjuiste conclusies kan leiden. Bij de bestrijding van statische elektriciteit is het van belang eerst te meten. Meten is immers weten. Twee grootheden kunnen van belang zijn: de elektrische weerstand en de oplading gemeten als veldsterkte.

Hoe bestrijden?
Zoals reeds aangehaald is het kleinste deeltje van een element het atoom, dat bestaat uit een positief geladen kern, waaromheen negatief geladen elektronen cirkelen. In normale toestand is de lading van de kern gelijk aan die van de elektronen en heffen de positieve en de negatieve lading elkaar op. Door invloeden van buiten kunnen elektronen toe- of afgevoerd worden. Hierdoor raakt het elektrisch evenwicht verbroken en wordt het materiaal elektrostatisch geladen. Bij een elektronenoverschot spreken we van een negatieve lading, bij een tekort van een positieve lading. In beide gevallen is er sprake van een instabiele situatie. Bij geleidende materialen zal het evenwicht zich meestal herstellen. De vrije elektronen zwerven als het ware door het materiaal op zoek naar positief geladen deeltjes en er treedt neutralisatie op. Bij niet geleidende materialen kan die neutralisatie niet plaatsvinden en hoopt de spanning zich op. Komt het materiaal dan in contact met een geleidend materiaal dan zal de spanning zich ontladen, waarbij een vonk kan ontstaan. Veel verpakkingsmaterialen behoren tot de niet geleidende materialen. Deze materialen kunnen elektrisch geladen worden door wrijving maar vaak meer nog als twee materialen van elkaar gescheiden worden. Verder speelt de relatieve luchtvochtigheid een rol. Hoe droger de lucht, des te kleiner het geleidingsvermogen en des te groter de kans op statische elektriciteit. Vooral ’s winters is de luchtvochtigheid laag (soms tot onder 20 %). Een relatieve luchtvochtigheid tussen 50 en 60 % wordt voor het verminderen van elektrostatische oplading als meest ideaal gezien (in dit geval zal zich op alle oppervlakken een minuscuul dun waterlaagje vormen, dat de statische elektriciteit afvoert). Ook gelamineerde kunststoffen kunnen door hun opbouw in lagen veel energie opslaan. Komen zij dan in aanraking met een metalen machineonderdeel dan zal een vonk overslaan, die brand kan veroorzaken. Is in de omgeving een brandbaar mengsel van bijvoorbeeld oplosmiddeldampen aanwezig, dan kan de vonk zelfs tot een explosie leiden. Tenslotte fungeert ook de mens als een geleidend materiaal. Direct contact met een statisch geladen materiaal kan daarom een schok veroorzaken. Loopt iemand op isolerende schoenen, dan kan hij zelf elektrisch geladen worden. Komt hij vervolgens in contact met een geleidend materiaal dan kan hij een schok krijgen en kan zelfs een vonk overspringen. In ruimtes waar het risico bestaat van explosiegevaar, moet daarom geleidend schoeisel worden gedragen.

Voorkomen is beter dan genezen
Onder het welbekende motto ‘voorkomen is beter dan genezen’ is het dus zaak om te voorkomen dat materialen en mensen zich tijdens het productieproces opladen. Als ze zich namelijk niet opladen, zal er ook geen ontlading plaatsvinden. Het voorkomen van oplading kan enerzijds worden bereikt door het gebruik van niet of maar zeer beperkt oplaadbare materialen. Dit soort materialen zullen zich in het dagelijks gebruik door wrijving niet of nauwelijks laten opladen en vormen daarom geen gevaar. Natuurlijke voorbeelden van dergelijke materialen zijn hout en karton. Daarnaast is het mogelijk om normaal gesproken oplaadbare materialen, zoals bijvoorbeeld plastic, te voorzien van een speciale coating met anti-staticum, waardoor ze tijdelijk of permanent niet meer oplaadbaar zijn. Anderzijds is het mogelijk om materialen te gebruiken die een zekere mate van geleiding hebben. Mits deze producten met aarde zijn verbonden hebben ze namelijk het vermogen om elke optredende elektrostatische lading in de kiem te smoren. Natuurlijke geleiders zijn uiteraard de meeste metalen en water, maar ook de mens. Aangezien wij voor een groot deel uit water bestaan kunnen we, door ons te aarden, heel goed statische elektriciteit afvoeren. Deze aarding gebeurt meestal met speciale ESD-polsbandjes (Electro Static Discharge), maar kan ook door speciale geleidende schoenen of schoenbandjes, in combinatie met een geleidende vloer worden bewerkstelligt. Sommige kunststoffen kunnen, meestal door het toevoegen van koolstof, ook heel goed geleidend worden gemaakt. Deze techniek wordt veelal toegepast in de elektronica-industrie gebruikte kunststof containers, verpakkingsmaterialen, magazijnbakken en dergelijke. Is dit alles nog niet voldoende, dan kan men nog altijd overgaan tot het plaatsen van actieve of passieve ionisatoren.

Media

Deel op Social Media

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on google
Scroll naar top