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    如何消除靜電

    日期:2022-09-15 22:57
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    摘要:
    如何消除靜電
     一、前言
    雖然靜電效應是電學中*早用實驗證明出來的,但在現代工業制程中靜電卻還被視為“無名火”。一般業界對靜電危害防制技術可謂相當陌生,常常發生許多誤解或誤用防制方法而不自知,以致未能防范靜電危害事故的發生。 在大部份工業制程中都會產生靜電荷的累積,輕則使人感到不舒適,重則對人體造成傷害,甚至在易燃性氣體、液體和粉塵的裝卸與輸送過程中,產生火災爆炸事故。尤其在某些具潛在靜電危害的行業,如:化學、石油、涂料、塑料、制藥、食品、印刷和電子等行業,容易有靜電危害產生的問題。 
    二、靜電危害的產生 
    靜電危害產生過程 靜電危害的產生有一特定的過程,如圖1所示。圖中的架構有助于對靜電放電引燃之危害作系統性的認識。在工作環境中,所有因靜電引起的火災爆炸事件都遵循著相同的程序,如下所述:先發生電荷分離,然后電荷累積,若電荷無法散逸,則將發生靜電放電,同時可能引燃周圍易燃性物質,而發生火災爆炸危害事件。 許多工業制程常使用導電性甚差的物質,并常有表面接觸、分離和移動的操作,因而產生電荷分離的現象。例如:高電阻值液體的流動或過濾、粉體的研磨、混合或篩選過程、粉體的氣動式傳輸、人員或車輛在絕緣地板上的移動、輸送帶或薄片狀物質在滾輪上的移動等。在上述或類似的制程中都會發生靜電的問題。 當電荷在物體上累積到使電場達空氣的介電強度3MV/m時,就會產生放電現象,將其所儲存的全部或部份能量釋放出來,形成具有光與熱的放電路徑,并可能引燃易爆性物質。根據易燃性物質的*小引火能量 (Minimum Ignition Energy MIE) 數據,可推知靜電放電的能量是否足以引燃該易燃性物質。 近來由于許多設備的零件都使用非導電性塑料,使得設備中某部份金屬的組件、組件、管路、容器或結構形成電的絕緣體,致使電荷逐漸累積至危險程度。典型的例子包括:在塑料管路上安裝金屬漏斗、金屬管路上因非導電性墊圈而使某段金屬管路絕緣、人員因穿絕緣鞋或站在絕緣地板上而使人體被絕緣等。累積在絕緣導體上的電荷產生放電時,會將所有的能量在一次放電中釋放,此類靜電放電稱為火花放電。一般而言,火花放電可引燃易燃性氣體、蒸氣和塵云。 電荷在絕緣物體表面的移動速率甚慢,然而靜電放電的持續時間卻極短,因此絕緣物體蓄積的電荷,不易于單次的靜電放電中全部釋放出來,而可能在絕緣物體表面之鄰近區域發生多次靜電放電。由于電荷和周圍環境幾何形狀之不同,放電型式可分為:電暈放電、刷狀放電,以及射狀放電三種。一般而言,刷狀放電之能量大于電暈放電。刷狀放電能量足以引燃許多易燃性氣體、溶劑蒸氣及混合物等。在一非導電性薄膜的兩面充滿正、負極性電荷時將蓄積大量電荷,若發生射狀放電其能量足以引燃大多數的可燃性氣體和易燃性粉塵。 在一大筒倉或容器中充滿高電荷粉粒產品的表面發生之輻射狀方式放電,稱為大量粉堆放電。若有易燃性氣體或具有較低*小引火能量之塵云存在時,則有甚大的潛在危害,因此必須設法排除大量粉堆放電的產生。 
    三、靜電危害防制方法 
    靜電危害防制方法可分為接地、增加濕度、限制速度、抗靜電材料、與靜電消除器等五種。工業制造過程中,因作業環境、程序及材料的不同,所實施的靜電危害防制方法亦會有所不同。選用時必須考量現場制程環境、條件與限制,甚至經費、管理系統與人力素質等因素。沒有一種靜電危害防制方法可以適用于所有的工業制程或情況,有時同時采用二種或二種以上的靜電危害防制方法。 (一)、接地 靜電危害防制方法中,接地是*有效且經濟的方法。制程中因摩擦、感應或傳導等方式產生靜電,若電荷蓄積在對地絕緣的金屬設備、導電性產品或人員身體上,則蓄積的電荷會在一次放電中將能量釋放。此類靜電放電為發生靜電危害事故之主要原因。其防制方法就是將所有具導電性的對象實施接地,并保持低的接地電阻,將蓄積在金屬設備、導電性產品或人員身體上的電荷迅速向大地散逸,以避免發生靜電危害事故。 根據相關研究顯示,存在易燃性蒸氣的一般作業場所中,被絕緣的金屬設備/組件、導電性產品或人員身體本身的電位需達100 V以上,方可能因放電而引燃周圍的易燃性物質。因此在工廠中將被絕緣的金屬設備/組件、導電性產品等實施接地,保持接地電阻小于106 Ω,就足以將蓄積的電荷迅速向大地散逸,而將本身的靜電電位降至100 V以下,以避免發生靜電危害事故。 (二)、增加濕度 增加作業環境中空氣的相對濕度,在目前傳統產業的制程中亦是常見的靜電危害防制方法。在高濕度(R.H. > 65 ﹪)環境中,若物質表面具親水性,則容易吸附空氣中的水份,進而降低物質的表面電阻值,增加電荷散逸的速率,將電荷蓄積程度降至*低。這類物質包括棉、紙及醋酸纖維素等。工廠制程中通常會采用加濕器、地面灑水、或水蒸氣噴出等方法,增加作業環境中空氣的相對濕度。 若物質表面為非親水性,則不易吸附空氣中的水份,致無法降低物質的表面電阻值,因此不能增加電荷散逸的速率。這類物質包括部份人造聚合物如:ABS(Acrylonitrile – Butadiene - Styrene,丙烯月青- 丁二烯 – 苯乙烯)、Teflon(鐵氟龍,氟碳聚合物)等。這類高斥水性物質需要相對濕度提高至80 ﹪,甚至90 ﹪以上,才能有效降低物質的表面電阻值,將電荷蓄積程度降至*低。 (三)、抗靜電材料 制程中物質所蓄積的靜電會經傳導路徑向大地散逸。若傳導路徑為絕緣性材料(導電性低)則靜電散逸率低,若傳導路徑為導電性材料(導電性高)則靜電散逸率高。物質的表面電阻系數小于1011 Ω/m2或體積電阻系數小于1010 Ωm,即可避免物質蓄積過量的靜電。該類物質稱為抗靜電材料。但在含易燃性物質的作業場所中,則抗靜電材料的表面電阻系數需小于108 Ω/m2或體積電阻系數需小于106 Ωm。 對于工業制程中使用的各種材料,可經由下列方法使之成為抗靜電材料:物質本身具有抗靜電能力(如:棉、木材、紙及土壤等)、在絕緣材料的表面涂布抗靜電物質(如碳粉、抗靜電劑等)、在絕緣材料制造過程中加入導電或抗靜電物質(如碳粉、金屬、抗靜電劑、導電性纖維等)。 (四)、靜電消除器 利用高壓電在空氣中產生帶電離子。由于異性電荷會互相吸引而中和,離子可中和帶靜電物體的電荷,使其電荷蓄積程度降至*低,因此不會發生靜電放電。靜電消除器大致可分為被動式、主動式及輻射源式等三種。選擇靜電消除器時,必須考量作業環境因素才能發揮*大的靜電消除效果。一般而言,靜電消除器架設位置應接近帶靜電物體而遠離接地金屬對象,以發揮*大的靜電消除效果。此外,需注意因電離所產生臭氧的工業衛生問題,以及高壓電源與帶電體產生短路及放電所引發的工業**問題。 (五)、限制速度 工業制程中兩種物體可能因摩擦而產生靜電,并逐漸累積而發生靜電危害事故,因此降低摩擦速度可減緩靜電的產生,達成防制靜電危害事故發生的目的。在工業制程中受限于物質特性與產量要求,限制速度的靜電危害防制方法,通常多應用于易燃性液體的輸送作業。 將液體原/物料輸送至儲槽或容器時,若是低導電系數(小于50 pS/m )的易燃性液體且其中含有懸浮物、水等不兼容物,則在現場作業時應限制易燃性液體流速低于 1 m/s 。若易燃性液體中未含有不兼容物,則液體流速應限制低于 7 m/s。一般工業制程都能依據此原則進行制程設計與生產操作。低導電系數的易燃性液體入料作業時所造成的噴濺亦是制程中潛在靜電危害來源之一??蓪⒁后w入料管線盡量接近儲槽/容器底部,或由儲槽/容器底部之入料管線進行液體原物料輸送,或降低易燃性液體的流速,主要目的在于減少液體穿過液面時的摩擦以及引起液體的擾動,以避免因過多的摩擦產生大量的靜電。  
    四、靜電災害案例檢討 
    工業制程中靜電可能伴隨各種不同作業而產生。如原料入料、攪拌、成品輸送、分裝等。若靜電蓄積至危險程度,即會發生靜電放電,輕者造**員電擊事件,嚴重者可能引燃周圍易燃性物質,發生火災或爆炸事故,造**員傷亡及財產損失。例如化學工廠中有許多不同的制程與作業,其中某些日常重復性的工作,從未發生過危害事件,可是有**某一組件或物料被更換,作業人員卻未發覺作業中的潛在靜電危害,致使引發嚴重的危害事件。 (一)、災害現場描述 多年前在某化學工廠中曾有一位作業人員將小鐵桶裝滿甲苯時發生了火災,先他將小鐵桶的塑料把手掛在管路閥件上,打開閥件后不久就看到甲苯起火燃燒,作業人員描述當時的情況說:「我站在那里,甲苯就引火開始燃燒?!顾s快到附近拿一個小型滅火器,但不足以將火撲滅,所以又去拿一個大型的滅火器,可是這時候鐵桶中的甲苯已經漫延到地面上造成一場嚴重的火災。 (二)、災害原因分析 事后工廠調查此一意外事故,發現該作業人員執行此一工作已數年而且未發生事故。原先的鐵桶把手是木質材料,現在被更換為塑料材料,經量測發現干燥木頭的體積電阻系數為109 Wm,塑料的體積電阻系數為1016 Wm,另研究發現甲苯流動10秒產生1微庫倫的電量,經由小鐵桶釋放出約25毫焦耳的能量,甲苯的*小引火能量為0.24毫焦耳,所以當小鐵桶中蓄積足夠靜電荷并發生靜電放電時,其能量足以引燃甲苯蒸氣發生火災。 (三)、防范措施 說明這個案例的目的并不是建議作業中使用木頭材質的器具就不會發生靜電問題,而是要強調作業中一點小改變就可能引起重大的損失。此案例中適當的做法應該是正確的接地措施,并保持低的接地電阻,將蓄積在小鐵桶上的電荷迅速向大地散逸,就能避免發生靜電危害事故。在實際運作時必須經由管理方式來加強現場作業的管理與監督,避免作業人員疏忽,未在入料前將金屬桶實施接地。  
    五、國內靜電危害問題與防范對策
    勞工**衛生研究所于85年度規劃「制造業靜電危害現況調查」計畫,針對制造業中靜電危害性高之十大業別(造紙、紡織、印刷、化學、化工、石化、橡膠、塑料、電力電子、食品)寄發問卷調查,獲致制造業靜電危害現況結論如下: (一)、造紙業靜電危害多發生于滾輪復卷與產品分裝時,導致人員電擊、產品瑕疵等。 (二)、紡織業靜電危害以成品高速傳送累積靜電導致人員電擊、產品**為多,亦曾因此發生火災爆炸事故。 (三)、印刷業、塑料業、與橡膠業等之靜電危害類型雷同,多發生在成品卷送作業中引起的高靜電,導致人員電擊與產品**,靜電亦會引燃油墨或溶劑而導致火災爆炸事故。 (四)、石化業之靜電危害多發生于流體傳送、攪拌、粉體研磨、入料、篩選等作業,雖然危害事件發生頻率較低,但若發生危害事故則災害后果大多甚嚴重。 (五)、電力電子業之靜電危害以靜電造成產品瑕疵與損壞為主,食品業之靜電危害以粉體作業與酒精槽儲運作業為主。 針對制程中的靜電危害事故采行防范對策,應先了解靜電危害發生原理,熟悉危害發展過程中靜電產生及散逸的因素,以及靜電放電類型與危害,能夠辨認靜電危害形成的每一階段,然后能針對危害原因運用靜電量測儀器,進行制程中物質及環境量測,掌握制程中靜電物理量,評估具潛在之靜電危害因素,后續研擬與采行適宜之靜電危害防制方法,同時持續量測與比對施行靜電危害防護措施的效果,可以有效降低潛在靜電危害,提高生產過程中的作業**及人員的**。
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