| Автор: Ю. А. Рудченко Дата: 09.10.2013 «СтройПРОФИ» № 16 Рубрика: Полы |
Электростатика напольных покрытий
Хотя мы почти ежедневно сталкиваемся с явлением статического электричества, наши знания о происходящих при этом физических процессах и, главное, возможностях их полезного использования очень малы. Электростатика является одной из самых старых электрических дисциплин.
Электростатические заряды являются статическими зарядами по определению. Они генерируются, в основном, при разделении различных материалов. Например, при отслаивании пленки, смешивании не проводящих ток жидкостей или при хождении по полу с изолирующим покрытием, таким, как покрытие PVC (ПХВ), ковровое или ламинатное (тонкослойное) покрытие.
Электростатические поля нельзя осознанно ощутить органами чувств. То, что мы можем почувствовать, представляет собой либо сильное электрическое поле, либо электрический импульс разряда. В таком случае, однако, он по величине не больше электростатического заряда.
Если одна из двух поверхностей является изолирующим материалом, переходящие на него заряды не могут перетечь обратно при последующем отделении, что приводит к нарушению равновесия носителей заряда на обеих поверхностях. Одна из них показывает положительный, а другая отрицательный избыток заряда одинаковой величины (рис. 1).
Рис. 1. Упрощенная физическая модель процесса заряда из 3-х стадий
Уровень заряда зависит от интенсивности контакта, то есть от размеров области прямого контакта и скорости процесса разделения.
Электростатический заряд известен также как фрикционное электричество. Определяется, главным образом, химическим составом материалов. Основными характеристиками для оценки способности к зарядке являются электрическая поверхность и объемное сопротивление, поскольку они, в основном, определяют разрядку через мостики граничных материалов при разделении (рис. 2).
Рис. 2. Схематическое представление зарядки статическим электричеством человека при хождении по полу и разрядка через искрение на электрический прибор
Относительная влажность и температура воздуха являются внешними факторами, влияющими на величину заряда. Если они возрастают, проводимость поверхности будет увеличиваться. Это даст возможность перетекать большему количеству зарядов в стадии разделения через мостики соприкосновения.
Экспериментальные исследования с применением специального испытательного оборудования для определения электростатических зарядов при разделении твердых тел показали, что при определенном сопротивлении поверхности σ = R ≥ 1012 Ω (измеренного согласно стандарту IEC 93) на поверхности возникают электростатические заряды. Комбинация материала обуви и поверхности покрытия пола влияет на полярность и уровень зарядки статическим электричеством. Метод хождения, изменение скорости и внешние условия влияют на уровень заряда. Более быстрый способ хождения и скользящие движения будут усиливать зарядку статическим электричеством.
Химический состав поверхности покрытия и его электрическое сопротивление тоже важные параметры напольного покрытия.
Для человека порог чувствительности электрического разряда при касании к заземленным объектам составляет около 2 кВ напряжения тела. Заряд от 4–6 кВ почувствуется в большинстве случаев как боль.
В неблагоприятных условиях, при ходьбе по ковру из синтетических волокон или ковровому покрытию пола с электрически изолируемым покрытием, человек может получить напряжение на тело до 25 кВ. Емкостная способность человека достигает С = 150 пФ. Искры разряда в этом диапазоне напряжения могут достигать энергии: W = U2 · С/2 = 50 мДж.
Максимальное значение энергии искры разряда заряженного человека, которое допускается по условиям защиты здоровья, ниже предельной величины 350 мДж (для измерительных приборов). Разряды свыше 1 Дж опасны для жизни человека. Наиболее высокое напряжение тела, измеренное при испытании, например, ламинатных покрытий методом хождения по полу, составляло приблизительно 12 кВ.
Электрическое поле, создаваемое аккумулируемыми зарядами, является непеременным полем, поэтому классифицируется как электромагнитное загрязнение.
Силовое воздействие поля на человека, а также пики тока, которые появляются, когда человек разряжается, настолько слабы, что не наносят прямого вреда жизни или здоровью человека. Однако долгое нахождение в непосредственной близости высоко заряженных объектов может привести к нарушениям вегетативной системы, таким, как головные боли или тошнота у очень чувствительных людей. В настоящее время проблема непосредственного воздействия слабых электрических полей на здоровье человека интенсивно изучается.
Скачкообразная электрическая искра может вызвать ощущение боли и, следовательно, привести к опасным ситуациям, например, падению тяжелых объектов, проливанию горячих или огнеопасных жидкостей, а также ранению вследствие неконтролируемых движений. Возможно также возгорание от воздействия электрических искр легковоспламеняющихся чистящих составов и растворов.
Статический разряд несет угрозу разрушающих воздействий в чувствительных электронных сетях, которые широко используются в энергетических, фармакологических, транспортных, авиационных компаниях. Отказ в работе или поломка компьютера, сервера или компьютерной сети из-за статических электрических разрядов могут привести не только к порче дорогостоящего оборудования, но и к крушениям поездов и самолетов, к взрывам на предприятиях со взрывоопасными производствами, к гибели людей и экологическим катастрофам.
Многие современные приборы и аппараты для ввода информации оборудованы чувствительными сенсорными экранами, воздействие на них статического разряда приводит к порче всего оборудования.
Для того чтобы исключить предъявление претензий, при проектировании определяется категория помещения, цеха, производства, предприятия, согласно которой выбирается тип напольного покрытия по астатичности: ECF, DIF, ASF. Для помещений, в которых возможна опасность взрыва, например, для химических лабораторий, где проводят работу с растворами или легковоспламеняющимся порошком, применяются жесткие правила (к примеру, стандарты DIN EN 50014, BGR 132).
В рабочих местах, где проводятся работы с высокочувствительными электронными изделиями и деталями (зоны защиты ЕРА), стандарты регулируют электрические свойства покрытий пола и их отделку (например, стандарты Z DIN EN 100015 и IEC 61340-5-1…3).
Стандарт DIN IEC 61340-4-1:1995 «Электростатическое поведение покрытий пола и устанавливаемых полов» определяет следующие характеристики электростатического поведения покрытия пола:
– ECF электростатически проводящее покрытие Rx < 106 Ω,
– DIF рассеивающее покрытие Rx = 106…109 Ω,
– ASF антистатическое покрытие Up ≤ 2кВ
где дополнительным критерием является относительная влажность воздуха (при 23 °С):
– класс внешней среды 1 —12%,
– класс внешней среды 2 — 25%,
– класс внешней среды 3 — 50%.
В классификации астатического покрытия должен быть указан класс внешней среды. Согласно новым дополнениям к международным стандартам IEC 61340-4-1 и IEC 61340-4-5 измерение сопротивления и испытание методом хождения по полу должны проводиться при температуре 23 ± 2°С и относительной влажности 12 ± 3%.
Для того чтобы иметь возможность оценить электростатическое поведение элементов покрытия, необходимо измерить:
– поверхностное сопротивление (RS),
– объемное сопротивление (RV),
– напряжение тела (UP) при испытаниях хождением.
Для настеленных полов объемное сопротивление (RV) заменяется сопротивлением к земле (RЕ).
Стандарты DIN IEC 61340-4-1:1995 и EN 14041 рассмат-ривают три класса для определения электростатических характеристик: ECF, DIF, ASF. Полы ECF и DIF характеризуются только результатами электрического сопротивления. При высокой проводимости поверхности статические заряды человека > 2 кВ могут быть исключены, и такие полы будут также антистатическими. Как правило, эти полы используются во взрывозащищенных помещениях и электростатически защищенных зонах производства электроники (защитные зоны ЕРА и ESD).
Объемное сопротивление всех широко используемых видов древесины для жилых помещений (MDF или HDF), соответственно, всегда составляет: RV > 1010 Ω при относительной влажности H ≤ 50%.
Для классификации в качестве антистатического покрытия пола ASF, согласно стандарту DIN IEC 6, напряжение тела должно быть определено при испытаниях методом хождения в соответствии со стандартом DIN EN 1815. Измерения проводятся в испытательной камере с кондиционированным воздухом, где испытательные образцы 1 м х 2 м собираются в соответствии с инструкциями производителя (рис. 3). Подвергаемый испытаниям человек с электродом в руке ходит по образцу покрытия в стандартизированной обуви с постоянной частотой шага, равной двум шагам за секунду, туда и обратно.
Рис. 3. Измерительное оборудование для определения заряда человека согласно стандарту EN 1815:
1 — ручной электрод, 2 — система оценки и регистрации испытательной величины, 3 — электрод заземления, 5 — подложка (водоупорная подстилка и демпфирование звука шагов), 6 — нижняя изолирующая пластина
Напряжение тела измеряется через емкостную связь посредством электростатического вольтметра. Если в испытаниях методом хождения напряжение человека не превышает 2 кВ, покрытие пола может быть классифицировано (аттестовано) как «астатическое» или «антистатическое».
Для покрытий полов, используемых для применений в жилых и общественных помещениях, должны быть выполнены условия: UP ≤ 2кВ при 23 °С и относительной влажности воздуха 50%.
Для поверхностного сопротивления RS существуют следующие диапазоны:
RS < 1010 Ω зарядка не ожидается, антистатическое поведение;
RS = 1010 – 1011 Ω зарядка вероятна только в неблагоприятных условиях, таких, как низкая влажность, синтетические подошвы обуви, быстрая ходьба, скольжение
(наибольшие результаты измерений — < 2 кВ, редко до 5кВ);
RS = 1011 – 1012 Ω диапазон переходных процессов от антистатического поведения до высокой зарядки (напряжение человека от 0,1 до 9 кВ);
RS > 1012 Ω возможна высокая зарядка, но не всегда приводящая к возникновению опасного заряда, например: напряжения человека в диапазоне 1,1 кВ и 4,6 кВ были
получены для пяти различных ламинатных поверхностей с одинаковым поверхностным сопротивлением RS = 2 · 1012 Ω.
Зарядка человека U > 2кВ может быть исключена с относительно высокой вероятностью только при поверхностном сопротивлении RS > 5 · 1010 Ω.
Сравнение различных типов покрытий пола:
– поверхности из дерева, обработанные маслами и восками, дают в результате величину зарядки ниже 2 кВ («астатическое покрытие») по всей поверхности;
– лакированные деревянные поверхности находятся в большинстве случаев в диапазоне антистатическое — не антистатическое.
Очищающие средства и изделия для ухода с антистатическими добавками временно уменьшают зарядку тела во время ходьбы. Если статическое электричество появляется при ходьбе по покрытиям пола, можно решить эту проблему добавлением антистатических средств к чистящим жидкостям, применением ESD обуви, увеличением влажности или повышением концентрации ионов воздуха посредством ионизаторов отрицательного напряжения.
- Регулярная обработка антистатическими чистящими средствами и продуктами ухода. Чистящие средства и продукты ухода с антистатическими добавками временно уменьшают зарядку тела во время ходьбы благодаря гигроскопическому эффекту (проводящая влажность пленка на поверхности).
- Увеличение влажности. Влажность имеет большое влияние на проводимость поверхности и определяет возможность рекомбинации зарядов во время подъема подошв обуви от пола. Обычный сухой воздух в помещения зимой при температуре ниже нуля является проблемным. Увеличение влажности значительно уменьшает количество электростатических зарядов. Уровень влажности примерно 55–60% является достаточными, чтобы противодействовать возникновению высоких зарядов.
- Ионизация воздуха. Заряженные области разряжаются быстрее за счет биполярной ионизации воздуха посредством короны альтернативного напряжения. Приобретаемое напряжение тела, таким образом, уменьшается. Ионизация воздуха достигается с помощью приборов кондиционирования воздуха с ионизаторами.
- Использование антистатической обуви. Антистатическая обувь (также известная как обувь ESD или туфли ЕРА) разрабатывалась для использования в производственных зонах с высокочувствительными электронными цепями. Эта обувь является проводящей электричество и надежно предохраняет от опасного заряжения в случае проводящего покрытия.
Перечень приводимых стандартов
IEC 60093:19801) «Методы испытаний изолирующих материалов для электрических предложений. Объемная сопротивляемость и поверхностная сопротивляемость твердых электрических изолирующих материалов» (=DIN IEC 60093, =VDE 0303, часть 30)
IEC61340-4-1:1995 1), 2) «Электростатика»
Часть 4 «Стандартные методы испытаний для специфических применений»
Раздел 1 «Электростатическое поведение покрытий пола и устанавливаемых полов» (=DIN IEC 61340-4-1, =VDE 0303, часть 83)
EN1081:1998 «Упругие покрытия полов. Определение электрического сопротивления»
EN1815:&&1998 «Упругие и текстильные покрытия полов. Оценка склонности к накоплению статического электричества»
prEN 14041:2003 (D) «Упругие, текстильные и ламинатные покрытия пола. Требования по охране здоровья, безопасности и энергосбережению»
1) В 1997 все номера стандартов IEC были изменены (+60 000).
На напечатанных листах норм все еще пишутся номера 93 или 1340-4-1, однако во всех перечнях стандарты перечисляются под новыми номерами: 60093 или 61340-4-1.
2) Стандарт IEC 61340-4-1: 1995 все еще имеет силу. В настоящее время он пересматривается.
Имеется намерение разделить его на две части:
– IEC 61340-4-1 (IEC 101/107/CD: 2001) «Электростатика. Стандартные методы испытаний для специальных применений.
Электрическое сопротивление покрытий пола и устанавливаемых полов»;
– IEC 61340-4-5 (IEC 101/111/CD: 2001) «Электростатика. Стандартные методы испытаний для специальных применений. Методы для определения электростатической защиты обуви и покрытия в комбинации».