第5章靜電燃爆災(zāi)害的防護(hù)技術(shù)5.1工藝控制法5.2靜電接地5.3增濕法5.4化學(xué)防靜電劑5.5導(dǎo)電性填充材料的應(yīng)用5.6導(dǎo)電纖維與防靜電織物5.7靜電消除器的應(yīng)用5.1工

藝

控

制

法

所謂工藝控制法，是指對工藝過程、工藝條件及工藝中參與接觸的材料采取適當(dāng)措施，以避免或減小靜電的產(chǎn)生量。工藝控制法的基本措施是：一是對參與接觸摩擦的有關(guān)物料加以適當(dāng)組合，使最終起電量達(dá)到最小，二是在生產(chǎn)工藝的設(shè)計上，對有關(guān)物料應(yīng)盡量做到接觸面積、接觸壓力較小，接觸—分離次數(shù)較少，分離或相對運動速度較慢等。5.1.1過濾器、

管道、

容器的工藝控制法

1.過濾器烴類產(chǎn)品一般都會含有水分或雜質(zhì)，這些在產(chǎn)品使用過程中是有害的，必須先過濾，再通過泵和輸送管道進(jìn)入固定油罐或火車油罐車、汽車槽車，然后送到用戶手中。過量的固體雜質(zhì)會堵塞汽車、輪船、飛機(jī)的油濾。游離水會引起腐蝕，滋長微生物，在低濕條件操作時還會出現(xiàn)結(jié)冰，影響發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)的正常工作。所以為控制產(chǎn)品污染，保證產(chǎn)品質(zhì)量，在烴類液體的生產(chǎn)、儲運、使用過程中廣泛使用過濾器。為減小油品經(jīng)過過濾器時產(chǎn)生的靜電，其工藝控制法有以下幾種。1)適當(dāng)選擇過濾器的濾材性質(zhì)2)適當(dāng)選擇過濾材料的編織方法為提高過濾器的效率，一般過濾器均為多層、多孔的結(jié)構(gòu)。各濾層的材質(zhì)是不同的，濾材材質(zhì)應(yīng)根據(jù)靜電系列選取靜電產(chǎn)生量小的。對于多層過濾器，可根據(jù)正負(fù)相消的原理對各層過濾材料進(jìn)行合理的組合，以使部分電荷得以正負(fù)中和。過濾材料主要使用平紋和斜紋編織物，平紋織物具有正方形的空隙，而斜紋織物則具有45°的斜形空隙，且比平紋織物的密度要大。試驗發(fā)現(xiàn)：油品通過斜紋織物時要比通過平紋織物時產(chǎn)生更多的靜電。這主要是因為斜紋織物的密度大、空隙小、與燃油的接觸面積較大，因而起電量大。

2.輸送管道輸送管道應(yīng)盡量采用導(dǎo)電材料制成，應(yīng)具有有效接地，特別是用軟管輸送易燃液體時應(yīng)使用導(dǎo)電軟管或內(nèi)附金屬絲、網(wǎng)的橡膠管，且在連接處注意保證靜電的導(dǎo)通性，管道的彎頭和變形部位要盡量少，管道內(nèi)壁應(yīng)保持光滑，無凸起物。

3.儲存容器(油罐)烴類液體在輸送過程中雖然容易起電，但由于管道內(nèi)充滿液體而無足夠的助燃?xì)怏w(空氣)，所以一般不具備燃爆條件。從靜電防護(hù)角度可把儲油罐分為三類。第一類是立式圓柱形拱頂油罐與錐頂桁架式油罐。這類油罐內(nèi)電位分布如圖5.1所示，可見油面靜電電位出現(xiàn)在罐中心處。圖5.1立式圓柱形拱頂油罐電位分布圖第二類是無力矩懸鏈?zhǔn)角€頂油罐。其特點是罐頂由鋼管制作的中心支柱支撐，這相當(dāng)于油罐有一個中心接地體，因此其油面的最大靜電位不在罐中心，而是在中心與罐壁距離一半處的圓周上，即最大靜電位分布在中心支柱為圓心，以支柱到罐壁距離的一半為半徑的整個圓周上面。因為最高靜電位的分布不集中(和第一類油罐相比)，故最大靜電位的數(shù)值遠(yuǎn)小于第一類油罐。第三類是球形罐和浮頂罐，它們都屬于密封型儲油罐，因而基本不存在靜電燃爆的危險。5.1.2限制流速

1.限制初期流速無論輸送、灌裝的液體介質(zhì)種類如何，灌裝方法如何，管道和容器采用何種材質(zhì)，在輸送、灌裝初期均應(yīng)將液體流速限制在1m/s以下。

2.限制最大流速在輸送、灌注的全過程中，雖然降低流速有助于減小靜電產(chǎn)生量，但不能無限制地降低流速，因為這既無必要也與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的高速裝運相矛盾。為此，只需規(guī)定各種場合下不致引起災(zāi)害的最大容許流速，而將液體的實際流速限制在最大流速以下就行了。最大容許流速簡稱安全流速，要視液體的性質(zhì)、種類，管道的材質(zhì)、長度，輸送或灌注方式以及周圍環(huán)境的危險狀態(tài)等因素綜合加以考慮。

(1)烴類油品用管道輸送時，其流速與管徑不可同時過大，其安全流速應(yīng)滿足式中，v

表示油品的流速(m/s)；d

表示管道的直徑(m)。由式(5.1)可以計算出用不同管徑輸送烴類油品的安全流速。

應(yīng)當(dāng)指出：當(dāng)烴類液體中混入與其不相容的第二相雜質(zhì)(如水)時，靜電起電量會大增，此時流速應(yīng)限制在1m/s之內(nèi)。

(2)對于諸如CS2、乙醚類危險性特別高的液體，輸送的管徑不大于24mm，輸送乙醚的管徑不大于12mm，則液體流速應(yīng)限制在1.0~1.5m/s。

(3)若輸送的是酯類、酮類和醇類等液體，則其安全流速允許達(dá)到10m/s。

(4)根據(jù)被輸送液體的電導(dǎo)率確定最大容許流速，原則為：對于電導(dǎo)率γ≥10-5S/m的液體，安全流速v≤10m/s；對于電導(dǎo)率10-9S/m≤γ<10-5S/m的液體，安全流速v≤5m/s；對于電導(dǎo)率γ<10-9S/m的液體，安全流速v

的取值較為復(fù)雜，一般可取1.2m/s。

(5)當(dāng)用輸送管道直接從固定油罐車頂端灌注，且油品的電導(dǎo)率很低(γ≤10-10S/m)時，其最大容許注入速度應(yīng)滿足：

式中，v

表示注入速度(m/s)；d表示注入管的直徑(m)；L表示油罐車1/2高度處橫斷面對角線的長度(m)，且2.9m≤L≤7.2m；γ

表示油品的靜止電導(dǎo)率(pS/m即CU)，且γ≤0.8pS/m。

例如：當(dāng)采用d=80mm的注入管，且L=2.9m，灌注γ=0.8pS/m的油品時，按式(5.2)計算得出的最大容許流速v=4.8m/s；而當(dāng)采用d=100mm的注入管，其他條件不變時v=3.8m/s。注意：式(5.2)的適用條件是頂部灌注且注油管伸至罐底，要求罐車及注入管正確接地，在系統(tǒng)內(nèi)無絕緣的導(dǎo)體，油品內(nèi)不會游離水或膠狀物質(zhì)等。當(dāng)采用底部灌注時，注放最大允許流速為式中各量含義與式(5.2)中相同。

(6)灌裝鐵路槽車時(用鶴管)，油品在鶴管內(nèi)的最大流速為

(7)灌裝汽車槽車時(用鶴管)，油品在鶴管內(nèi)的最大流速為

3.靜電緩和器的應(yīng)用

1)原理緩和器是加裝在輸送管末端和液體排放口前適當(dāng)位置的一段管徑被擴(kuò)大的區(qū)域，如圖5.2所示。d

和D分別是緩和器輸送管和緩和器管段的內(nèi)徑。一般情況下，D

可數(shù)倍于d。由于其直徑比輸送管的直徑大得多，所以進(jìn)入緩和器的帶電液體的流速大大減小了，這就使得液體一方面可減少靜電產(chǎn)生量，另一方面有足夠的時間向大地泄漏其所帶靜電，從而顯著減少了排放出的液體的帶電量。

圖5.2靜電緩和器

2)緩和器的設(shè)計緩和器的設(shè)計主要是確定其內(nèi)徑和長度。雖然有各種不同的設(shè)計方法，但必須基于帶電液體在緩和器內(nèi)流經(jīng)的時間，稱為緩和時間，顯然緩和時間越長，液體所帶靜電荷泄漏就越充分。從防止靜電災(zāi)害和實用的角度考慮，并無必要將液體所帶靜電全部泄漏。一般情況下能將靜電荷泄漏掉原來值的60%~70%，已不致構(gòu)成危害；而在要求最嚴(yán)格的情況下，靜電荷需泄漏掉原來值的95%。為此，在一般要求的情況下，緩和時間t=1.2τ=1.2ε0εrρv，在嚴(yán)格要求下則t=3τ=3ε0εrρv。例如：輕質(zhì)油品的εr≈2，γ≈10-12S/m，可以算出τ≈9s。當(dāng)緩和時間t=3τ≈27s時，按介質(zhì)內(nèi)部靜電荷的流散規(guī)律可知，此時

Q=5%Q0，即油品所帶靜電荷已有95%從緩和器中流出，剩余5%已不致構(gòu)成危害。

實用緩和器的內(nèi)徑和長度可取為式中，D

是緩和器的內(nèi)徑；d

是輸送管道的內(nèi)徑。液體輸送管道末端的緩和器尺寸也可按以下經(jīng)驗公式確定：由式(5.7)和式(5.9)可以看出，當(dāng)液體電導(dǎo)率很低時，緩和器的長度將變得太大而不便采用，所以緩和器僅適用于電導(dǎo)率介于10-19~10-12S/m的液體介質(zhì)。

3)管道輸送粉體時緩和器應(yīng)用對于圓筒形緩和器，假定懸浮性粉塵均勻分布于緩和器內(nèi)，則其直徑的估算公式為式中，E

是容器器壁處的電場強(qiáng)度，當(dāng)

D≤0.2m時，取E=3×106V/m；當(dāng)

D≤2m時，取E=1×106V/m；I是輸送管內(nèi)粉體電流強(qiáng)度。

4.靜置時間的設(shè)置

在大量實驗基礎(chǔ)上得出的靜置時間如表5.1所示。

5.2靜

電

接

地

5.2.1靜電接地概述

1.靜電接地的含義靜電接地就是泄漏靜電的方式之一，也是工業(yè)生產(chǎn)中最基本、最常用的防止靜電危害的方法。也就是說，一切靜電危險場所都必須首先采用靜電接地這一基本防護(hù)措施。

應(yīng)當(dāng)指出：工程中“地”的概念是指其任何一點的電位為零的大地或其他導(dǎo)電物體?！敖拥亍眲t是指物體電氣連接到“地”，即連接到能接受或能供應(yīng)大量電荷的物體(如地面、艦船或運載工具、設(shè)備的外殼等)。所以這里的“地”既包括大地，也包括參考地。還須指出：靜電接地只是工程設(shè)施接地系統(tǒng)中的一個組成部分，或者說是諸多接地中的一種。所謂設(shè)施，是指包括工作設(shè)備、接地網(wǎng)絡(luò)和電氣連接支撐構(gòu)件的建筑物或其他結(jié)構(gòu)體，它們可以是固定的，也可以是移動的。

所謂設(shè)施接地系統(tǒng)，是指設(shè)施內(nèi)的導(dǎo)體或?qū)щ娫碾姎饣ミB系統(tǒng)，它對大地提供多路電流通道。具體來說，設(shè)施接地系統(tǒng)包括大地電極分系統(tǒng)、雷電保護(hù)分系統(tǒng)、故障保護(hù)分系統(tǒng)、信號參考分系統(tǒng)和靜電接地分系統(tǒng)。

大地電極分系統(tǒng)是依靠接地棒、接地線、管道或其他金屬結(jié)構(gòu)連接成網(wǎng)絡(luò)，從而在設(shè)施各單元與大地之間建立起電氣連接。

雷電保護(hù)分系統(tǒng)的作用是為雷電能量泄入大地提供一條低阻抗通道，通常是把避雷針經(jīng)引下線連接至大地電極分系統(tǒng)。故障保護(hù)分系統(tǒng)也叫電力故障保護(hù)分系統(tǒng)，又分為安全保護(hù)接地和交流工作接地兩部分。前者是指專門的安全保護(hù)地線，與機(jī)器、設(shè)備的外殼和機(jī)座及其支撐件等進(jìn)行電氣接地，其目的是在交流電源因絕緣短路而與機(jī)殼等相接通時，為故障電流提供一個低電阻入地通道。這樣既保護(hù)了人員免受電擊危害，又可迅速切斷電源，保證了設(shè)備不被燒毀。后者——交流工作接地是指將工作電源的中性線進(jìn)行接地，又稱二次接地，當(dāng)三相電中的某一相碰地時將會形成很大的短路電流，足以使保護(hù)裝置動作而將電源切斷，避免人員觸電事故發(fā)生和設(shè)備內(nèi)元器件的電擊穿損壞。靜電接地分系統(tǒng)包括人體防靜電接地、地坪防靜電接地和操作裝置、儀器的防靜電接地等。以上分系統(tǒng)都是以大地電極分系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，即借助于電極分系統(tǒng)實現(xiàn)低阻接地。還應(yīng)指出：這些接地分系統(tǒng)并非對每個設(shè)施都是必需的，信號參考分系統(tǒng)只對于電子、通信設(shè)備才是必需的，靜電接地分系統(tǒng)則僅對于靜電敏感產(chǎn)品的加工、使用場所才是必需的。綜上所述，所謂靜電接地，是指物體通過導(dǎo)電或防靜電材料與大地在電氣上作可靠的連接，以確保被接物體與大地的電位接近。靜電接地的目的是為帶電體上的靜電荷向大地泄漏提供一條通道，以防止物體上靜電荷的危險積累，也就是說靜電接地并不能減少靜電荷的產(chǎn)生，但卻可通過向大地泄漏防止物體帶電到危險的程度。

2.靜電接地的方式靜電接地包括兩種方式，第一種方式為硬接地，即使物體直接通過一個低阻抗(通常是導(dǎo)體)與大地相連接；第二種方式為軟接地，即使物體通過一個足夠高的阻抗(通常是在接地導(dǎo)線上串接1MΩ電阻)與大地相連接，以便發(fā)生工程觸電事故時把電流限制在人身安全電流(5mA)之下。

3.靜電接地的類型

1)直接接地通過金屬導(dǎo)體使物體與大地作導(dǎo)通連接稱為直接接地。

2)跨接接地當(dāng)危險場所存在多個彼此相距很近的小型金屬物體時，可將這些金屬物體連接起來，然后再將一個物體直接接地，這種方式稱為跨接接地。

3)間接接地如果靜電危險場所存在的物體不是金屬導(dǎo)體而是非金屬的靜電導(dǎo)體或靜電亞導(dǎo)體，則不能采用直接接地的方法，需先將靜電導(dǎo)體或亞導(dǎo)體表面的全部或局部與金屬導(dǎo)體緊密貼合，然后再將金屬導(dǎo)體接地。

4.靜電接地的對象可將靜電接地的對象歸納為以下幾種：

(1)凡金屬導(dǎo)體都是直接接地的對象；

(2)金屬之外的靜電導(dǎo)體和靜電亞導(dǎo)體都是間接接地的對象；

(3)靜電的非導(dǎo)體一般不能作為靜電接地的對象。

5.2.2靜電接地系統(tǒng)的各種阻值及其取值1.各種電阻的含義使帶電體上的靜電電荷向大地泄漏的外界導(dǎo)出通道稱為靜電接地系統(tǒng)，如圖5.3所示。

圖5.3靜電接地系統(tǒng)

1)接地電阻接地電阻是指作為接地體的金屬導(dǎo)體本身的電阻加上接地體與大地之間的電阻。因金屬導(dǎo)體本身的電阻甚小，所以接地電阻主要指接地體與大地之間的電阻。該電阻也就是泄漏電流從接地體向周圍大地流散時，土壤所呈現(xiàn)的電阻，也叫流散電阻，其值等于接地體的電位U

與通過該接地體流入大地中的電流強(qiáng)度Ie

之比，即

通過接地體流入大地的電流向大地作半球形擴(kuò)散。以圖5.4為例，設(shè)埋入地下的導(dǎo)體半球在均勻土壤中所注入的電流從這個半球形電極開始沿徑向流動。

圖5.4接地體的電流分布接地電阻(即其主要部分流散電阻)的大小一般取決于接地體本身的材料、尺寸及周圍土壤的電阻率，對于給定的接地體則主要取決于土壤電阻率。以下給出幾種常用的人工接地體流散電阻的簡化計算公式。單根垂直接地體(長3m左右)：

單根水平接地體(長60m左右)：平板形接地體(水平埋于地下)：平板形接地體(直立埋于地下)：

2)靜電接地電阻靜電接地電阻是指靜電接地系統(tǒng)的總電阻，它包含被接地物體與接地極之間的接觸電阻RJ(這個接觸電阻與被接地物體本身的電阻是完全不同的)、連接接地極與接地體間的導(dǎo)線的電阻Rc，以及接地體與土壤之間的流散電阻(即接地電阻)Re三部分：

靜電接地電阻Rs

是指整個接地通道(包括向大地流散)的電阻，而不含有被接地物體本身的電阻。

3)靜電泄漏電阻(RD)靜電泄漏電阻是指被接地物體本身的電阻Rm(即由被接地物體本身的電阻率和物體尺寸所決定的電阻)與靜電接地電阻Rs

兩者之和，即

靜電泄漏電阻在數(shù)值上應(yīng)等于帶電物體(被接地物體)的最高靜電位(即與大地之間的電位差)Um

與向大地泄漏電流ID

之比值，即

2.各種電阻的取值范圍及其確定依據(jù)靜電接地中各種電阻的取值范圍，應(yīng)區(qū)分直接接地和間接接地兩種情況分別加以確定。

1)直接接地由以上討論可知，靜電接地的目的是通過接地系統(tǒng)使帶電體的靜電荷加以泄漏，以保證帶電體對大地的電位在任何情況下不超過危險界限。設(shè)易燃易爆場所或敏感場所的危險電位為Uk，直接接地的靜電接地系統(tǒng)在單位時間內(nèi)向大地泄漏的靜電量即泄漏電流為ID，則要達(dá)到通過靜電接地防止發(fā)生燃爆災(zāi)害，需滿足：由于一般情況下物體的起電過程總是伴隨著靜電的流散(若不發(fā)生放電，流散的主要方式就是泄漏)，而且當(dāng)起電與流散達(dá)到動態(tài)平衡時，即起電電流Ig

與泄漏電流ID

相等時，帶電體上的靜電位達(dá)到最大值(飽和值)，故在式(5.20)中可用Ig代

替ID

來估算RD，即

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)長期運行的經(jīng)驗，在有易燃、易爆氣體混合物存在的場所，危險電位為300V，而在火藥和電火工品行業(yè)，危險電位為100V。另一方面在目前的工業(yè)水平下，實際生產(chǎn)中靜電起電范圍為10-11~10-4A，因此在式(5.21)中取Uk=100V，Ig=10-4A。在任何情況下帶電電位都不會超過危險電位的靜電泄漏電阻RD

為．對于金屬材料的直接接地，因有RD≈Rs≈Re，所以有

Re主要取決于土壤的電阻率，而后者又隨溫度、濕度條件等因素而變化，根據(jù)我國的具體情況，這種變化幅度可達(dá)103Ω量級，從而使Re的變化幅度也達(dá)103Ω量級，為保證在任何情況下式(5.20)和式(5.21)都成立，則要求：對于單獨設(shè)置的接地體，需要對接地電阻值進(jìn)行定期檢測，為了以后監(jiān)視方便和使阻值穩(wěn)定，其接地電阻值宜再小一個數(shù)量級。對有些場合要求危險電位Uk≤10V，所以RD≤105Ω，這就要求接地電阻應(yīng)滿足：

2)間接接地當(dāng)對靜電導(dǎo)體或亞導(dǎo)體實行間接接地時，靜電泄漏電阻中必須計及被接地物體本身的電阻Rm

。理論和實踐可以證明，在大多數(shù)情況下，被接地物體上電位最高點至物體接地極之間的電阻即Rm

一般不大于103Ω。再考慮到與被接地物體緊密貼合的外部金屬物體的靜電接地電阻Rs

仍應(yīng)滿足Rs<106Ω，所以按式(5.18)，間接接地時靜電泄漏電阻為

綜上所述，對于同一靜電接地系統(tǒng)，靜電泄漏電阻、靜電接地電阻、接地電阻是三個含義各不相同的概念。其中，RD

是評價靜電接地系統(tǒng)工作狀態(tài)是否良好的重要參數(shù)，而

Re則是構(gòu)成RD

的最主要的部分，通過調(diào)節(jié)Re可有效改變RD，使其滿足規(guī)定的取值范圍。還應(yīng)指出，在特殊情況下RD

可增至107~109Ω，這是為了在特殊危險場所限制靜電泄漏電流(ID)。因為過大的泄漏電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)有可能成為危險的點火源，同時靜電泄漏電流過大時還會對某些電子設(shè)備的工作造成干擾和威脅。

5.3增

濕

法

5.3.1增濕法泄漏靜電的機(jī)理相對濕度是指在一定條件下空氣被水汽飽和的程度。當(dāng)濕度越高時，空氣中的水汽分子作熱運動撞擊到帶電介質(zhì)表面的概率越大，越容易被帶電體吸附或吸收于介質(zhì)表面。當(dāng)吸附量不太多時，這些水分子以單分子層的形式存在，當(dāng)吸附量極多時，則以近似于液體狀態(tài)的形式存在。還有些介質(zhì)由于其自身結(jié)構(gòu)的原因，在表面吸附水分子的同時，還可將水分子吸入介質(zhì)內(nèi)部(這種現(xiàn)象叫吸濕)。無論是吸附或吸濕，都可在介質(zhì)表面形成水的連續(xù)相，由于水的良好導(dǎo)電性和水中雜質(zhì)的電離作用，就使介質(zhì)表面的電導(dǎo)率得到提高，有利于靜電荷的分散和泄漏。

1.介質(zhì)表面對水分的吸附引起電傳導(dǎo)的變化介質(zhì)表面對水分的吸附又分兩種情況：一種是低相對壓范圍吸附，另一種是高相對壓范圍吸附。所謂相對壓，是指空氣中的水汽壓力與飽和壓力之間的比值。相對壓越高，水汽越多，介質(zhì)表面水分吸附量也越大，反之亦然。

1)低相對壓吸附低相對壓吸附時，水分子吸附量不大，由于受到來自介質(zhì)表面的范德瓦爾斯力的作用，被吸附的水分子緊貼介質(zhì)表面并以分子層的形式存在，因水的吸附引起介質(zhì)表面電傳導(dǎo)的變化關(guān)系為

2)高相對壓吸附高相對壓吸附時，水分子吸附量極多，吸附層很厚，這種情況下，介質(zhì)物體表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)對吸附水分子的影響不大，參與傳導(dǎo)電流的主要是外層的近似于液體狀態(tài)的吸附水分子，由于吸附而引起的電傳導(dǎo)的變化可近似表示為

2.介質(zhì)對水分吸附與吸濕引起的電傳導(dǎo)變化此處所指的介質(zhì)主要是高分子材料介質(zhì)。某些高分子材料由于其大分子結(jié)構(gòu)中含有諸如—OH(羥基)、—SO3H(磺酸基)、—OCH2(亞甲氧基)等容易吸附水分子，并與之締合的基團(tuán)(稱親水基)，所以處于高濕度的環(huán)境中除發(fā)生表面對水汽吸附的同時，還發(fā)生水分子擴(kuò)散到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中去的吸濕作用，并伴隨發(fā)生材料的變形。吸濕作用的強(qiáng)弱用吸濕率即介質(zhì)所吸水分的重量與介質(zhì)吸濕前的重量之比M來表征。

1)低相對壓吸濕低相對壓吸濕時，吸濕量不太多，沿高分子薄膜方向傳導(dǎo)電流的變化為

2)高相對壓吸濕高相對壓吸濕時，吸濕量很大，傳導(dǎo)電流變化為5.3.2增濕法的具體實施在靜電燃爆場所實施的增濕方法有兩種：一種是整體吸濕，即安裝恒濕恒溫調(diào)節(jié)器加濕器，或在工藝條件允許的情況下，采用噴入水蒸氣或灑水等方法，使場所的整體相對濕度得到提高；另一種方法是局部增濕，即利用某種裝置只在帶電體上造成高濕度，使其表面形成水分子吸附層，這種裝置叫高濕度空氣靜電消除器，其基本原理是用略高于帶電介質(zhì)表面濕度的、近于飽和的高濕度空氣吹向帶電介質(zhì)表面，在相互接觸的瞬間，使高濕度空氣在介質(zhì)表面達(dá)到露點形成凝水，利用凝結(jié)水膜的低電阻率而使靜電導(dǎo)走，此后水膜又會很快蒸發(fā)，并帶走剩余電荷使介質(zhì)恢復(fù)正常(水膜在車間正常濕度下1~2s內(nèi)蒸發(fā)完)。

5.3.2增濕法的具體實施在靜電燃爆場所實施的增濕方法有兩種：一種是整體吸濕，即安裝恒濕恒溫調(diào)節(jié)器、加濕器，或在工藝條件允許的情況下，采用噴入水蒸氣或灑水等方法，使場所的整體相對濕度得到提高；另一種方法是局部增濕，即利用某種裝置只在帶電體上造成高濕度，使其表面形成水分子吸附層，這種裝置叫高濕度空氣靜電消除器，其基本原理是用略高于帶電介質(zhì)表面濕度的、近于飽和的高濕度空氣吹向帶電介質(zhì)表面，在相互接觸的瞬間，使高濕度空氣在介質(zhì)表面達(dá)到露點形成凝水，利用凝結(jié)水膜的低電阻率而使靜電導(dǎo)走，此后水膜又會很快蒸發(fā)，并帶走剩余電荷使介質(zhì)恢復(fù)正常(水膜在車間正常濕度下1~2s內(nèi)蒸發(fā)完)。

(1)只有當(dāng)帶電介質(zhì)有一定接地條件的情況下，增濕才有效果。對于孤立的帶電介質(zhì)來說，即使增濕后其表面因吸附或吸濕后形成水的連續(xù)相，表面電導(dǎo)增大了，電荷變得容易分散和移動，但因沒有靜電泄漏通道，所以對消除靜電是無效的。

(2)只有介質(zhì)能被水所潤濕或具有親水性結(jié)構(gòu)時，增濕才有效。增濕時，只有介質(zhì)表面形成水的連續(xù)相(或連續(xù)的水膜)時，才能有效降低其表面的電阻率。而聚酯或聚四氟乙烯、聚氯乙烯這些高分子材料，其大分子結(jié)構(gòu)中都含有不能與水(而能與油結(jié)合)結(jié)合的基團(tuán)如—CH2(亞甲基)、—CH3(甲基)等，稱憎水基，即使相對濕度很高，其表面也不會形成水的連續(xù)相，而是由于增濕后在它們表面露化后形成不連續(xù)的小水滴，這樣就達(dá)不到增加介質(zhì)表面電導(dǎo)，加快靜電泄漏的目的。

2.安全相對濕度的確定實驗還表明：在不同溫度下為達(dá)到安全目的，對相對濕度的要求也不同，這是因為靜電起電速率和靜電泄漏速率除與濕度有關(guān)外，還與環(huán)境溫度有關(guān)，所以在確定安全相對濕度時，常將溫、濕度一起考慮。在武器、火炸藥和電火工品等靜電危險品的生產(chǎn)、儲運環(huán)境中，推薦的安全濕度如表5.2所示。

3.增濕法的缺陷增濕法在消除靜電災(zāi)害方面操作簡單，效果明顯，所以在許多部門得到了應(yīng)用，但也存在不少應(yīng)該注意的問題：

(1)有些加濕手段本身也能產(chǎn)生靜電，如利用壓縮空氣裝置噴射蒸汽時就會產(chǎn)生靜電；

(2)創(chuàng)造高濕度環(huán)境不僅成本昂貴，而且會惡化生產(chǎn)條件，增加機(jī)器銹蝕的機(jī)會；

(3)有些產(chǎn)品出于質(zhì)量要求，不允許把相對濕度提得很高，有些加工工序則完全不能采用。

5.4化學(xué)防靜電劑

5.4.1化學(xué)防靜電劑的應(yīng)用防靜電劑是一種化學(xué)物質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸濕性和較好的導(dǎo)電性，在介質(zhì)材料中加入或在其表面涂敷防靜電劑后，可降低材料的體積電阻率或表面電阻率，而使其成為靜電的亞導(dǎo)體或?qū)w，加速靜電的泄漏。所謂表面活性劑，是指能夠被吸附在兩相界面，并能大大降低兩相之間表面能和表面張力，從而顯著改變界面性質(zhì)的物質(zhì)。由于表面活性劑通常是在溶液狀態(tài)下使用，故此處界面主要是指液氣、液固及液液界面。表面活性劑類的分子結(jié)構(gòu)具有如下通式，即R—Y—X模式。其中R為疏水基或親油基，X為親水基或憎油基，Y為連接基。具體來說，防靜電劑主要由兩個基團(tuán)組成：一個是分子分布比較均勻?qū)ΨQ從而不顯示極性的基團(tuán)R(一般是較長的碳?xì)滏?，另一個是分子分布不夠?qū)ΨQ而顯示極性的基團(tuán)X(典型的有羧基、羥基、磺酸基等)。這兩個基團(tuán)分置于防靜電劑大分子兩端，其示意圖如圖5.5所示。

圖5.5防靜電劑的分子結(jié)構(gòu)

必須注意，這兩個基團(tuán)對于強(qiáng)極性物質(zhì)的水來說表現(xiàn)出截然不同的性質(zhì)。非極性的R基團(tuán)極難與水分子結(jié)合，但卻溶于油，故稱為親油基(疏水基)；相反極性的X基團(tuán)易溶于水與水分子結(jié)合，但卻不溶于油，故叫親水基(憎油基)。一般來說，防靜電劑的防靜電作用主要基于親水基團(tuán)在界面的定向排列，所以防靜電劑大分子中親水基的性能、數(shù)量，以及它與疏水基的適當(dāng)組合(通過調(diào)節(jié)親水基和親油基的比例就可隨意創(chuàng)造水溶性和油溶性的防靜電劑，一般水溶性的多)是決定防靜電劑性能的主要因素。

5.4.2防靜電劑的分類

1.按使用方法分類

1)外用非耐久性防靜電劑采用外用非耐久性防靜電劑是指將防靜電劑配制成一定濃度(一般用水、醇或其他有機(jī)溶劑作為溶劑的分散劑)，然后采用噴霧、涂敷或浸漬等方法，使之附著在固體材料或制品表面。

2)外用耐久性防靜電劑外用耐久性防靜電劑是高分子電解質(zhì)和高分子表面活性劑。它們可用通常方法涂敷在塑料、化纖的表面，通過電性相反離子吸附作用而在材料表面形成吸附層；也可以用單體或預(yù)聚物的形式涂覆在材料表面，然后經(jīng)熱處理使之聚合而形成附著層。

3)內(nèi)添加型防靜電劑作為內(nèi)部防靜電劑的表面活性劑具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、高效性，并與基體聚合物之間有適當(dāng)?shù)南嗳菪?。把這種防靜電劑添加到聚合物內(nèi)部，從而賦予材料耐久性非常好的防靜電性能，所以叫內(nèi)添加型防靜電劑。添加的階段或方法也有兩種：一種是共聚法，即在生產(chǎn)合成樹脂的聚合階段就將防靜電的單體引入，與形成基體聚合物的單體經(jīng)過聚合反應(yīng)，得到具有防靜電性能的聚合物；另一種是共混法，是在將樹脂加工成制品的過程中把內(nèi)部防靜電劑摻入聚合物中，使制品獲得耐久的防靜電性能。

2.按親水基電離后的極性分類

1)陰離子型陰離子型防靜電劑的親水基團(tuán)在水中能電離，且電離后親水基帶負(fù)電，即成為一個陰離子，同時離解出一個金屬陽離子呈游離態(tài)，但不具備表面活性。因防靜電劑在水溶液中呈現(xiàn)表面活性的陰離子，故此得名。

2)陽離子型陽離子型防靜電劑的親水基團(tuán)在水中能電離，且電離后帶正電，即成為一個具有表面活性的陽離子，同時離解出一個金屬陰離子呈游離態(tài)，但不具備表面活性，故此得名。

3)兩性型兩性型防靜電劑分子的親水基團(tuán)在堿性溶液中電離時親水基帶負(fù)電，即成為具有表面活性的陰離子，同時離解出不具活性的呈游離態(tài)的陽離子；反之，在酸性溶液中電離時的情況與之相反；在中性溶液中則不電離。

4)非離子型非離子型防靜電劑其分子中的弱親水基為羥基、醚基或酯基，它們在水中不發(fā)生電離，故此得名。離子型防靜電劑可直接利用本身的離子導(dǎo)電泄漏電荷，所以防靜電性能優(yōu)良；而非離子型防靜電劑效果與之相比就較為遜色。但非離子型防靜電劑熱穩(wěn)定性良好，不易引起塑料老化，所以主要作為塑料的內(nèi)部防靜電劑。

5.4.3防靜電劑的作用機(jī)理

1.用于固體外部的防靜電劑的作用機(jī)理已經(jīng)指出，固體介質(zhì)上靜電荷的泄漏途徑有表面泄漏和體積泄漏。前者取決于表面電阻率，后者取決于體積電阻率。由于一般固體介質(zhì)的表面電阻率比體積電阻率要小(約為10-2倍)，因此兩種泄漏中表面泄漏是主要的，即防止帶電的作用主要受材料表面電阻率的支配。如能設(shè)法降低其表面電阻就能實現(xiàn)明顯的防靜電效果。當(dāng)把防靜電劑施加到固體介質(zhì)表面上時，根據(jù)極性近似規(guī)則，即表面活性劑的非極性基團(tuán)與固體介質(zhì)大分子的非極性基團(tuán)相互靠近的規(guī)則，在表面活性劑的種類和施加方法都合適的條件下，表面活性劑的親油基R就會向物體表面靠近、結(jié)合，而親水基X則朝向空氣。于是防靜電劑分子在固體介質(zhì)與空氣的界面上就會形成如圖5.6所示的定向排布，即形成一個定向吸附的單分子導(dǎo)體層。

圖5.6防靜電劑分子的定向排布

2.用于固體內(nèi)部的防靜電劑的作用機(jī)理(以共混型為例)在樹脂加工過程中，添加到其中的防靜電劑由于也是表面活性劑，故在樹脂中的分布不是均勻的，而是形成一種表面濃度高、內(nèi)部濃度低的分布。這樣在樹脂經(jīng)過加工成型后，制品表面的防靜電劑也會形成親水基朝向空氣，疏水基朝向制品的定向分布的單分子導(dǎo)電層。研究表明，遷移速率主要受防靜電劑與樹脂的相容性的制約。相容性越好，遷移越慢，反之亦然。所以，應(yīng)使兩者有一個較合適的相容性，而相容性又取決于二者的極性、分子量及樹脂的結(jié)晶度和玻璃化溫度等諸多因素。

3.化學(xué)防靜電劑的問題防靜電劑雖然獲得了廣泛應(yīng)用，但也有很大的局限性。一是防靜電機(jī)理主要在于吸濕，因此其防靜電效果隨空氣相對濕度的下降而降低。在很低的濕度下(一般為30%以下)防靜電劑一般不再起作用；二是防靜電劑一般在高溫下會分解失效，所以對制品的加工成型條件限制較多；三是由于機(jī)理限制，其對電阻率的降低有限，一般可降至106~108Ω·m，再往下就困難了；四是耐久性較差；五是在制品表面的防靜電劑分子由內(nèi)向外滲透時會污染盛放物。5.5導(dǎo)電性填充材料的應(yīng)用

5.5.1導(dǎo)電性填充材料的分類

1.金屬金屬從形態(tài)上又可分為金屬薄片和金屬粉末。前者主要有片狀鎳；后者有金粉、銀粉、銅粉、鐵粉等。由于銅、鋁、鐵等粉體易氧化而在表面形成氧化膜，從而使高分子混合物中的電阻率顯著升高，故實用價值不大。利用金粉或銀粉可獲得電阻率很低的高分子混合料及其制品。必須指出：導(dǎo)電高分子混合料及其制品的導(dǎo)電性能，并不取決于甚至并不主要取決于填充料本身的導(dǎo)電性，而主要取決于填充料在聚合物中是否容易形成有利于導(dǎo)電的鏈?zhǔn)浇M織的能力。

采用金屬粉末作為導(dǎo)電填料時，其顆粒的大小、狀態(tài)及形狀都會對所制造的混合料的導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響。細(xì)而分散的金屬微粒在聚合物混合體中很難形成鏈?zhǔn)浇M織，若改用金屬小薄片，在混合料中就會在某種程度上形成局部導(dǎo)電骨架，從而顯著增加材料的導(dǎo)電性。

2.炭黑類典型的炭黑是由接近純碳而處于葡萄狀組織的膠狀實體組成的，這種葡萄狀的團(tuán)粒組織通常稱為聚集體，每個聚集體內(nèi)由數(shù)十個至數(shù)萬個炭黑顆粒締結(jié)而成。這種聚集體組織或鏈?zhǔn)浇M織的存在正是炭黑呈現(xiàn)高導(dǎo)電性的原因，而炭黑本身電阻率的大小(10-1~10-3Ω·m數(shù)量級)對混合料的導(dǎo)電性能沒有決定性的影響，而只有間接意義。炭黑形成聚集體的能力主要取決于炭黑的蓬松性或稱結(jié)構(gòu)性，這種性質(zhì)可用吸收鄰苯二甲酸二丁酯的量來量度，這個量稱為吸收值，吸收值越高，即結(jié)構(gòu)化能力越高，每個聚集體所包含的炭黑顆粒數(shù)目越多。

3.其他類型的導(dǎo)電性填充材料

1)金屬氧化物晶須所謂晶須，是指最小長度與最大截面直徑之比大于10的單晶體材料。金屬氧化物晶須(或稱陶瓷晶須)一般采用直接氧化法生長，該類晶須中有代表性的一種是氧化鋅(ZnOw)晶須，由三維呈輻射的針狀單晶組成，針長可達(dá)20~100μm，不僅具有高強(qiáng)度、高模量的機(jī)械性能，而且由于它是N型半導(dǎo)體材料，所以還具有良好的導(dǎo)電性能，體積電阻率僅為百分之幾歐姆米。晶須由于其特殊的結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)電性填充料時在導(dǎo)電高分子混合料中具有很強(qiáng)的成網(wǎng)能力，摻入率僅為4%~6%，由于在較低的摻入比率下即可滿足防靜電的需要，所以基本不改變材料的力學(xué)性能和顏色。

2)納米導(dǎo)電材料某些納米氧化物粉體，如納米級氧化錫、氧化鋅等具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)，而且具有與常規(guī)材料不同的性質(zhì)，如良好的導(dǎo)電性、耐熱性(超過熱塑性塑料的加工溫度)、透明性，還具有高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能，所有這些都是傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料無法比擬的。因此，用納米氧化粉體與普通樹脂復(fù)合，有可能研制出兼具防靜電性能和力學(xué)性能且顏色可調(diào)控的防靜電塑料制品，但須解決納米粉體摻入聚合物時較復(fù)雜的納米添加技術(shù)問題。

5.5.2導(dǎo)電性填充材料的防靜電機(jī)理在聚合物材料中摻入導(dǎo)電性填充料為何會賦予混合料(或復(fù)合體系)一定的防靜電性能?也就是為何會提高混合料的電導(dǎo)?研究表明：混合料中的主要導(dǎo)電過程可歸納為兩種：一是利用鏈?zhǔn)浇M織中的導(dǎo)電顆粒的直接接觸而使電荷載流子轉(zhuǎn)移；二是通過導(dǎo)電性顆粒間隙和聚合物夾層的隧道效應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷載流子。

1.導(dǎo)電性顆粒的直接接觸導(dǎo)電機(jī)理(網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電)未摻入聚合物之前的炭黑，由于其特殊的物性，炭黑顆粒會以聚集體或鏈?zhǔn)浇M織的形式存在，如圖5.7所示。

圖5.7炭黑分散在聚合物中形成鏈?zhǔn)浇M織的示意圖

2.隧道效應(yīng)傳導(dǎo)電荷實驗表明：即使混合料中炭黑含量很低，不足以形成接觸的網(wǎng)狀組織時，混合料仍具有一定的電導(dǎo)率。之所以如此，就是依靠了隧道效應(yīng)傳導(dǎo)電荷。在混合料中任何兩個靠近的導(dǎo)電顆粒都被絕緣的聚合物介質(zhì)所分隔，該分隔部分可視作不導(dǎo)通的勢壘。按照經(jīng)典理論，載流子不可能通過這些絕緣物的分隔部分。但按量子力學(xué)原理，由于電子及其他帶電粒子表現(xiàn)出明顯的波動性，則它完全有可能透過勢壘而形成傳導(dǎo)，此即隧道效應(yīng)。

當(dāng)然只有當(dāng)勢壘寬度很窄，即導(dǎo)電顆粒很小時，隧道效應(yīng)才明顯，隧道電流密度與勢壘寬度的關(guān)系可表示為

式中，J為隧道電流密度；J0

為間隙當(dāng)量電導(dǎo)率；x為與勢壘高度及載流子質(zhì)量有關(guān)的常數(shù)；a

為勢壘寬度；U0

為勢壘高度；E為間隙內(nèi)電場強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)指出：導(dǎo)電性填充料向聚合物中的摻雜工藝，以及形成的高分子導(dǎo)電混合料制成制品時的加工工藝對于混合料和制品導(dǎo)電性能都有很大的影響。

5.5.3對聚合物材料進(jìn)行射束輻照的防靜電處理

1.離子束輻照離子束輻照之所以能改變表層的導(dǎo)電性能，其機(jī)理尚不夠清楚。一般認(rèn)為是一定能量的帶電離子束入射于聚合物材料表面時，由于二者的相互作用可使固體表面能級發(fā)生變化，還可能使入射離子束在其表層內(nèi)部形成摻雜和輻照損傷，從而造成微觀結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì)原子的出現(xiàn)，這樣的結(jié)構(gòu)有利于載流子濃度的提高，從而提高了聚合物表面的導(dǎo)電能力。

2.電子束輻照除離子束外，還進(jìn)行了用電子束對聚合物輻照改性的試驗。如采用高能電子束(3~5MeV)注入劑量為1015個電子/cm2

的電子束對RPVC進(jìn)行輻照，也取得了較好的防靜電效果，其半衰期可達(dá)到10-2s量級。電子束輻照改性的原理一般認(rèn)為是：電子束的注入會引起聚合物材料中原子的激發(fā)、電離等作用，這些作用會使聚合物大分子鏈發(fā)生斷裂，即產(chǎn)生降解反應(yīng)，產(chǎn)生大量低分子量的化合物和自由基，從而使材料的電導(dǎo)率提高。

3.紫外線輻照用紫外線對聚合物薄膜進(jìn)行輻照改性也取得了一定的效果。其原理是某些疏水基(憎水性)聚合物材料表面經(jīng)紫外線輻照后，會在表面形成羧基、羥基等親水性極性基團(tuán)。這些基團(tuán)可與水分子締合形成親水性表層，從而改善了材料的導(dǎo)電性能。

5.6導(dǎo)電纖維與防靜電織物

5.6.1導(dǎo)電纖維的分類

1.金屬纖維金屬纖維是將金屬絲反復(fù)穿過模具，經(jīng)拉伸和細(xì)化而得到的纖維，又分為不銹鋼纖維、銅纖維、鋁纖維(如最早于1964年由美國Brunswick開發(fā)的純不銹鋼纖維Brunsmet)。該類纖維的優(yōu)點是導(dǎo)電性能好，耐熱和耐化學(xué)腐蝕。缺點是比重大，摩擦特性與一般紡織纖維差異較大，因此抱合力差，紡紗加工困難。

2.碳纖維碳纖維是由腈綸、粘膠纖維、瀝青纖維等為原絲經(jīng)灼燒碳化而制成的(如日本東麗公司生產(chǎn)的東麗卡碳素纖維)。這種纖維的優(yōu)點也是導(dǎo)電性能較好，耐熱和耐化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)。缺點是某些機(jī)械性能特別是徑向強(qiáng)度差，缺乏韌性，不耐彎折，無熱收縮能力，使其應(yīng)用受到很大的限制。

3.有機(jī)導(dǎo)電纖維(聚合物有機(jī)導(dǎo)電纖維)有機(jī)導(dǎo)電纖維是將碳或金屬等導(dǎo)電成分與基體聚合物纖維采用表面包覆或內(nèi)部復(fù)合的方式而制成的兼具導(dǎo)電性和可紡性的一類纖維，具體又分為以下兩種。

1)導(dǎo)電成分包覆型

2)導(dǎo)電成分復(fù)合型(復(fù)合型有機(jī)導(dǎo)電纖維)

5.6.2導(dǎo)電纖維的防靜電機(jī)理

1.導(dǎo)電纖維不接地如圖5.8所示，當(dāng)含有導(dǎo)電纖維的織物帶電后(如帶正電)，導(dǎo)電纖維由于靜電感應(yīng)而帶上異號電荷(如負(fù)電)，但因?qū)щ娎w維曲率半徑極小且其導(dǎo)電性能又很好，故在其上將有密度很大的電荷分布，從而在周圍建立起強(qiáng)電場而使附近空氣發(fā)生部分電離，即電暈放電。在電暈區(qū)中存在與織物帶電符號相反的離子(圖中為負(fù)離子)，它們向織物趨近并與織物所帶電荷發(fā)生電中和作用，從而消除靜電。

圖5.8不接地導(dǎo)電纖維消除靜電示意圖

2.導(dǎo)電纖維接地如圖5.9所示，當(dāng)導(dǎo)電纖維接地時，例如當(dāng)人體穿著含有導(dǎo)電纖維的衣裝和防靜電鞋并站在防靜電地坪上時，導(dǎo)電纖維仍會因感應(yīng)電荷激發(fā)場強(qiáng)而發(fā)生電暈放電，其中電暈區(qū)與帶電體符號相反的離子與織物所帶電荷中和，而與帶電體符號相同的離子則通過導(dǎo)電纖維向大地泄漏。

圖5.9接地導(dǎo)電纖維消除靜電示意圖5.6.3導(dǎo)電纖維的應(yīng)用(以復(fù)合有機(jī)纖維為例)以導(dǎo)電纖維為基礎(chǔ)采用混紡、交織等方法織得的織物被稱為第二代防靜電織物，在服用和產(chǎn)業(yè)用紡織品中都有極廣泛的應(yīng)用，其主要優(yōu)點為：

(1)導(dǎo)電纖維的消除靜電機(jī)理是基于自由電子的移動，而不像化學(xué)抗靜電劑那樣依靠吸濕和離子的轉(zhuǎn)移，所以防靜電性能基本不受濕度的影響；

(2)較之其他方法獲得的防靜電織物，導(dǎo)電纖維織物具有良好的耐久性和耐洗滌性(對防靜電性能而言)；

(3)導(dǎo)電纖維的混用率很低，可使織物獲得優(yōu)良的防靜電性能(一般混用率為0.2%~2%)。

5.7靜電消除器的應(yīng)用

靜電流散的途徑一為泄漏，二為中和，所以為了加快靜電的流散，防止帶電體上靜電荷的大量積累，也可采用靜電中和方法，特別是對帶電介質(zhì)一般很難用泄漏法，只能用中和的方法消除其靜電。5.7.1自感應(yīng)式消電器

1.原理和結(jié)構(gòu)自感應(yīng)式消電器的工作原理如圖5.10所示。自感應(yīng)式消電器有如下特點：針尖附近的電場強(qiáng)度依賴于帶電體本身的帶電程度，當(dāng)帶電體帶電程度趨強(qiáng)時，針尖上感應(yīng)出的電荷密度也越大，其附近的電場也越強(qiáng)。這樣發(fā)生電暈放電時電暈區(qū)產(chǎn)生的帶電離子也越多，消電效果也越好。

圖5.10

2.性能指標(biāo)及影響因素自感應(yīng)式消電器的性能通常用臨界電壓和電暈電流兩個指標(biāo)來衡量。臨界電壓是指能夠使放電針產(chǎn)