Антистатические свойства тканей для технологической одежды

Технологии: чистые помещения
«Фармацевтическая отрасль», декабрь № 6 (23) 2010
Антистатические свойства тканей
для технологической одежды
и электростатическая безопасность
чистых производственных помещений
В этой работе поставлена задача представить данные
изучения антистатических свойств тканей различных
производителей для одежды чистых помещений, оценить
достоверность результатов, полученных различными
методами, и попытаться найти причину различия
в антистатичных свойствах тканей, предлагаемых
различными производителями
В. И. Власенко, Киевский
национальный университет
технологий и дизайна (КНУТД),
Н. Г. Левицкая, МНПВП «ЭКМА»,
С. И. Арабули (Ковтун), КНУТД,
В. В. Никольский, Институт
ЭКОГИНТОКС им. Л. И. Медведя
П
роблема
обеспечения
электростатической без"
опасности на любом про"
мышленном предприятии была
и остается актуальной. Это свя"
зано прежде всего с тем, что
электростатический заряд
(ESC – Electrostatic charge)
и разряд (ESD – Electrostatic dis*
charge), достигая величины от
нескольких сот вольт до несколь"
ких тысяч вольт, может стать при"
чиной взрыва, воспламенения,
нарушить работу электронного
оборудования и привести к чело"
веческим жертвам и материаль"
ным потерям [1, 2]. Необходимо
также принять во внимание
крайне отрицательное влияние
статического электричества на
здоровье человека [3, 4].
Для каждой отрасли промыш"
ленности приняты определен"
ные требования к электростати"
ческой безопасности оборудо"
вания и персонала. Электроста"
тический заряд (разряд) в чис"
тых производственных помеще"
ниях рассматривается как один
из критических видов загрязне"
78
ния технологической среды,
и поэтому требования к предот"
вращению образования стати"
ческого электричества очень
жесткие.
В связи с миниатюризацией
электронных компонентов, тре"
бования к контролю электроста"
тики ужесточаются еще больше
[2, 3, 5]. В стандартах ESD"защи"
ты указывается, что при работе
современных электронных уст"
ройств недопустимыми являют"
ся даже довольно низкие напря"
жения – меньше 100 В/см [6],
а в работе [2] приводится вели"
чина 5 В/см. Практически такие
же требования выдвигаются при
производстве лекарственных
средств и точной медицинской
техники: различные поверхности
при электризации могут притя"
гивать и удерживать аэрозоль"
ные загрязнения, к тому же мно"
гие предприятия химической
и фармацевтической отраслей
относятся к взрывоопасным
производствам [1, 2].
Основным источником обра"
зования электростатического
заряда является трение различ"
ных материалов друг о друга. Та"
ким образом, потенциально все"
гда есть возможность его воз"
никновения. В основном элек"
тростатические заряды в чистых
помещениях генерируются при
работе оборудования, при ходь"
бе персонала, при трении частей
одежды друг о друга, трении
одежды операторов о рабочие
поверхности столов и оборудо"
вания, а также при работе обо"
рудования.
Одежда чистых помещений
является частью общей про"
граммы контроля чистой среды,
и в этой работе рассматривает"
ся исключительно вопрос обра"
зования статического электри"
чества на одежде персонала чи"
стых помещений.
За более чем 60 лет эксплуа"
тации чистых помещений сфор"
мировалась индустрия произ"
водства особых тканей для
одежды персонала чистых поме"
щений, к которым предъявляет"
ся ряд специфических требова"
ний (их около 10). Три из них
обязательны: высокая плот"
ность ткачества, минимальное
собственное пыление (т. е. высо"
кая абразивная устойчивость)
и хорошие антистатические
свойства.
Первые два требования вы"
полняются достаточно легко:
ткани изготавливаются из очень
тонких непрерывных синтетиче"
ских нитей, которые в значи"
тельной степени устойчивы
к трению (чаще всего из поли"
эфирных, полиамидных и очень
редко из полипропиленовых).
В то же время полимерный со"
став тканей предопределяет их
повышенную электризуемость:
при движении операторов части
одежды трутся друг о друга,
на поверхности одежды генери"
руется электростатический за"
ряд. Полностью предотвратить
образование статического элек"
тричества практически невоз"
можно. Поэтому очень важно,
чтобы ткань для технологичес"
кой одежды имела низкую
Технологии: чистые помещения
«Фармацевтическая отрасль», декабрь № 6 (23) 2010
• время стекания заряда;
• электрическое сопротивление
материалов.
Рекомендуется проверять сле"
дующие основные параметры
предметов ESD"защиты:
RG – сопротивление по отно"
шению к точке заземления;
RGS – сопротивление системы
«человек – обувь – покрытие те"
ла»;
U – электростатический по"
тенциал;
E – напряженность электро"
статического поля;
decay – время стекания за"
ряда (от 1000 В до 100 В).
Работ, посвященных система"
тическим исследованиям элек"
трофизических свойств тканей,
в которых приводятся практичес"
кие рекомендации по их оценке,
не так много. К ним, кроме неко"
торых наших работ [17, 18], мож"
но отнести работы Дж. Хабба,
специалиста компании Chilworth
Technology
(Великобритания)
[15, 16].
В этих работах сделан вывод,
что оценка антистатических
свойств тканей и одежды по
удельному
поверхностному
и удельному объемному сопро"
тивлению недостоверна. Более
надежной характеристикой анти"
статических свойств является
время стекания заряда и величи"
на напряженности индуцирован"
ного электростатического поля.
Нами в разное время были
проведены исследования на тка"
нях для одежды чистых помеще"
ний девяти различных производи"
телей. Ткани отличались видом пе"
реплетения, различным располо"
жением токопроводящих нитей
и различным расстоянием между
ними. Всего было исследовано
более 60 образцов. Некоторые из
этих данных приведены в табл. 1.
Таблица 1. Электрофизические характеристики текстильных материалов для одежды
чистых помещений
Номер образца
склонность к электризации при
трении и, главное, способность
быстро рассеивать возникаю"
щий заряд, не допуская его на"
капливания.
Антистатичность тканей дости"
гается тем, что в структуру текс"
тильных полотен вводят карбоно"
вые непрерывные нити, которые
имеют собственные токопроводя"
щие свойства. Эти нити распола"
гаются в структуре полотен в виде
«решетки» (размер ячейки от
2,5х2,5 мм до 16х16 мм) или в ви"
де отдельных нитей, расположен"
ных параллельно друг другу на
расстоянии от 2,5 мм до 16 мм.
Все производители тканей для
одежды чистых помещений дек"
ларируют, что ткани содержат не
менее 1 % карбоновых нитей
и что ткани имеют удовлетвори"
тельные антистатические свой"
ства. К сожалению, как показы"
вают исследования и опыт экс"
плуатации одежды, при большом
разнообразии тканей для чистых
помещений, предлагаемых раз"
личными фирмами, многие из них
не являются антистатичными, т. е.
их электрическое сопротивление
составляет более 109 Ом.
Для надежной оценки анти"
статичности тканей важно вы"
брать показатели, характеризую"
щие ESD"свойства тканей, их
способность к рассеиванию за"
ряда. В настоящее время сущест"
вуют как стандартизованные, так
и нестандартизованные методы
и приборы [4, 6–11]. Виды ESD"
измерений и приборы, использу"
емые в мировой практике, по"
дробно рассматриваются в рабо"
тах Д. Трегубова, специалиста по
организации ESD"защиты пред"
приятий [13, 14]. Кроме того,
в них приведен анализ примене"
ния приборов для оценки элек"
трофизических свойств материа"
лов и оборудования, используе"
мых в чистых помещениях, и да"
ны рекомендации, определяю"
щие основные виды ESD"измере"
ний в чистых помещениях (в том
числе одежды, обуви и перчаток),
на которых мы подробно оста"
навливаться не будем.
Для оценки антистатических
свойств рекомендуется изме"
рять:
• напряженность электростати"
ческого поля;
Рисунок
токопроводящих
нитей
13
14
60А
47
61В
29
32
35
39
41
44
45
2,5х2,5 мм
5х5 мм
5х5 мм
5 мм
5х5 мм
8,5х8,5 мм
14,5х14,5 мм
14,0х14,5 мм
14,5 мм
14,5 мм
11,5 мм
6,0х6,0 мм
Напряжен&
ность элек&
Вид пере& тростатичес&
плетения кого поля, E
[V/см]*
ткани
Саржа
Саржа
Полотняное
Саржа
Полотняное
Полотняное
Саржа
Саржа
Саржа
Саржа
Атлас
Трикотаж
Время
уменьшения
индуциро&
ванного за&
ряда, 1/2
[s]*
Удельное
Удельное по&
объемное
верхностное
сопротивле&
сопротивле&
ние, V
ние, S [ ]
[ .см]
лицо/
изнанка
лицо/
изнанка
лицо/
изнанка
лицо/
изнанка
400/410
1400/1500
400/600
1300/1300
1000/1200
1700/1800
2500/2200
2400/2400
2500/2200
2500/2200
2200/2600
2200/2100
0,5/0,5
65/65
6/3
40/60
1/2
5/21
90/115
260/315
300
300
300
300
108/108
1010/1010
109/109
1010/1010
1012/1011
1011/1011
1010/1010
1011/1011
1010/1011
1013/1010
109/109
1010/1010
1010/1010
1011/1011
1010/1010
1011/1011
1011/1011
1010/1010
1011/1011
1012/1012
1011/1012
1011/1011
1010/1010
1011/1011
2
Неантистатическая полиамидная
ткань
1500
230
1013
1013
57Л
Неантистатическая полиэфирная
ткань
4000/4300
300
–
1014/1014
56
Хлопчатобумажная ткань
(антистатическая)
200–700
0,5
1012
1010
* – оценка антистатических свойств методом электризации в поле импульсного коронного разряда
проводилась при относительной влажности воздуха 60 %.
79
Технологии: чистые помещения
«Фармацевтическая отрасль», декабрь № 6 (23) 2010
а) Правая сторона
Рис. 2. Микрофотография
инвертированного
изображения поверхности
образца № 32
б) Левая сторона
Рис. 1. Микрофотографии поверхности образца № 32
Как видно из приведенных
данных, нет корреляции между
удельными поверхностным и объ"
емным сопротивлениями, а так"
же скоростью стекания заряда,
индуцированного на поверхнос"
ти; такая корреляция наблюдает"
ся между временем стекания за"
ряда и напряженностью индуци"
рованного электростатического
поля. Таким образом, по нашему
мнению, эти две характеристики
достоверно характеризуют спо"
собность материала к рассеива"
нию статического электричества.
Анализ данных, приведенных
в табл. 1, показывает, что рассто"
яние между карбоновыми элек"
тропроводящими нитями не
должно быть более 8,5 мм. Одна"
ко сравнение образцов №№ 29
и 47; 29 и 45; 14 и 32 показыва"
ет, что этот фактор не является
единственным
показателем,
определяющим электрофизичес"
кие свойства.
Интересно отметить, что
в стандартах ЕSD"защиты [6] при"
водятся следующие рекоменда"
ции в отношении допустимого
времени
стекания
заряда:
для перчаток
decay не должно
превышать 2 сек.; для упаковоч"
ных материалов, файлов для до"
кументов – 10 сек.; для иониза"
торов – 20 сек. Рекомендаций
Номер образца
Таблица 2. Площадь токопроводящих элементов карбоновых нитей на поверхности
текстильных материалов
Площадь
«открытых»
частей кар&
Рисунок
боновых
токопроводящих волокон,
нитей
S
Напряжен&
ность элек&
тростатичес&
кого поля, E
[V/см]
Время
уменьшения
индуциро&
ванного за&
ряда, 1/2
[s]
лицо/
изнанка
лицо/
изнанка
лицо/
изнанка
лицо/
изнанка
лицо/
изнанка
Удельное
Удельное по&
объемное
верхностное
сопротивле&
сопротивле&
ние, V
ние, S[ ]
[ .см]
13
2,5х2,5 мм
4,40/6,38
400/410
0,5/0,5
108/108
1010/1010
14
5х5 мм
2,66/2,02
1400/1500
65/65
10 /10
10
1011/1011
47
5 мм
2,35/2,32
1300/1300
40/60
1010/1010
1011/1011
29
8,5х8,5 мм
0,10/0,12
1700/1800
5/21
1011/1011
1010/1010
32
14,5х14,5 мм
0,62/0,47
2500/2200
90/115
1010/1010
1011/1011
35
14,0х14,5 мм
0,23/0,29
2400/2400
260/315
10 /10
11
1012/1012
39
14,5 мм
0,25/0,30
2500/2200
300
1010/1011
1011/1012
80
10
11
для одежды по данному парамет"
ру нет. Можно предположить, что
время стекания заряда с поверх"
ности одежды должно быть близ"
ким к этим значениям. С учетом
этих данных, антистатическими
могут считаться только ткани
№№ 13; 60А; 61В; 29; 14; 47.
Мы предположили, что элек"
тризуемость тканей определяет"
ся теми участками электропрово"
дящих волокон, которые находят"
ся непосредственно на поверхно"
сти тканей. Поэтому следующей
задачей нашего исследования
было:
• изучение характера распреде"
ления токопроводящих нитей
на поверхности тканей;
• обсуждение корреляции меж"
ду структурой текстильных ма"
териалов, типом и количест"
вом токопроводящих нитей, их
распределением на поверхно"
сти тканей и антистатически"
ми свойствами тканей.
Из всех изученных ранее тка"
ней для исследования были ото"
браны образцы, указанные
в табл. 2.
Распределение токопроводя"
щих элементов на поверхности
текстильных материалов было ис"
следовано с помощью микроско"
пического анализа с использова"
нием комплекса LUCIA"M. Иссле"
довательский комплекс включа"
ет: микроскоп, цифровую камеру,
персональный компьютер и про"
граммный продукт для обработки
и анализа высококонтрастного
цифрового изображения.
Типичные микрофотографии
тканей показаны на рис. 1.
Технологии: чистые помещения
«Фармацевтическая отрасль», декабрь № 6 (23) 2010
Для каждого оригинального
изображения были получены «об"
ратные» инвертированные изо"
бражения. Для этого оригиналь"
ные изображения были преобра"
зованы с использованием при"
ема экстракции специфических
(отличающихся по оптической
плотности) объектов на поверх"
ности. Экстрагировались черные
объекты – участки проводящих
карбоновых нитей, которые «вы"
ходят» на поверхность (мы их на"
звали «открытые» участки токо"
проводящих нитей). Одно из ин"
вертированных
изображений
приведено на рис. 2.
Программа LUСIA"M позволя"
ет рассчитать площадь S поверх"
ности, которую занимают «откры"
тые» участки токопроводящих ни"
тей. Эти данные приведены в таб"
лице 2. Площадь S «поверхности
открытых участков» составляет
для различных тканей примерно
от 6 % до 0,1 %.
Анализ изображений показал,
что «открытые участки» токопро"
водящих нитей довольно нерав"
номерно распределены на каж"
дой из сторон тканей, и, как пра"
вило, величина площади их по"
верхности различна на «правой»
и «левой» стороне.
Анализ данных, обобщенных
в табл. 2, показывает, что наблю"
дается корреляция между значе"
ниями S и временем уменьше"
ния индуцированного
заряда
в два раза 1/2 и Е. Такая корре"
ляция не наблюдается для значе"
ний удельного поверхностного
и объемного сопротивления S
и V.
Следовательно, антистатичес"
кие свойства тканей определяют"
ся прежде всего только той час"
тью карбоновых токопроводящих
нитей, которая находится на по"
верхности ткани, и площадь кар"
боновых «открытых» элементов
должна быть более 1 %.
Для оценки скорости рассеи"
вания электростатического заря"
да на тканях можно рекомендо"
вать прибор EТS"216, который
позволяет измерить величину на"
пряженности электростатическо"
го поля, величину и скорость сте"
кания статического заряда, элек"
тростатическое напряжение на
теле человека, а также имеет
термометр и гигрометр [14].
Заключение
1. В чистых помещениях высо"
ких классов чистоты (ИСО 5
и выше в электронной и А/В
в химико"фармацевтической
промышленности) необходи"
мо использовать одежду, ко"
торая имеет гарантирован"
ные антистатические свой"
ства.
Во всех других классифициру"
емых помещениях, учитывая
отрицательное влияние ста"
тического электричества на
здоровье человека, также
желательно, чтобы персонал
использовал антистатичную
одежду.
2. Выбор поставщиков одежды,
обуви и других предметов ос"
нащения производственных
помещений (полов, мебели,
упаковки инструментов и пр.)
с требуемыми ESD"свойства"
ми является критическим для
чистых помещений высоких
классов. Он должен осуществ"
ляться как на стадии проекти"
рования чистых помещений,
так и при их эксплуатации.
3. Учитывая, что наиболее важ"
ной характеристикой анти"
статических свойств тканей
является их способность рас"
сеивать электростатический
заряд, для оценки антиста"
тичности тканей и одежды чи"
стых помещений рекоменду"
ется использовать такие ха"
рактеристики, как время
уменьшения индуцированно"
го заряда и величина напря"
женности электростатическо"
го поля.
4. На предприятиях, где работа"
ют с взрывоопасными и ESD"
чувствительными компонента"
ми или используют их, стека"
ние электростатического заря"
да с одежды должно быть улуч"
шено с помощью использова"
ния элементов надежного за"
земления операторов при не"
посредственной работе (на"
пример, применение ножных
или наручных браслетов).
Авторы благодарят коллег из
чешской фирмы Spolsin и с текс*
тильного факультета Либерецко*
го технического университета за
участие и поддержку при выпол*
нении работы.
Литература:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
О. Ф. Алексашина. Статическое
электричество в чистых помещениях.
«Чистые помещения
и технологические среды». № 1,
2004, с. 18–19.
С. Хэтчер. Защита от статического
электричества. «Чистые помещения
и технологические среды». № 4,
2004, с. 18–19.
СН 6032"91; ГОСТ ССБТ 12.1.045"
84.
www.esda.org
St. NFPA 99.
IEC 61340"5 Protection of Electronic
Devices from Electrostatic
Phenomena – General Requirements;
IEC 61340"5:2007, Electrostatics,
Part 5"1. Intern. Electrotechnical
Commission, Geneva.
ГОСТ 12.4.124"83 Средства защиты
от статического электричества.
Общие технические требования.
ANSI/ESD 20.20. 1999 Protection of
Electrical and Electronics Parts,
Electrostatic Discharge Association,
1999, Rome, NY. J.Dressler, ESD"
Management in Productionstool, Rein
Raum Technic, 2/2003.
Japanese Industrial Standart (JIS)
L1094"1988, 5"2. Testing Methods for
Electrostatic Properties of Woven and
Knitting Fabrics.
ASTM"D"257 Определение
поверхностного сопротивления.
STM 2.1"1977 Определение
поверхностного сопротивления.
IES"RP"CC022: Electrostatic Discharge
in Cleanrooms and Other Controlled
Environment.
Д. В. Трегубов. Программа ESD"
контроля и современные стандарты
ESD"защиты. «Чистые помещения
и технологические среды». № 3,
2008, с. 39–42.
Д. В. Трегубов. Практические
аспекты организации ESD"защиты
предприятия. В помощь ESD"
координаторам. ESD"измерения.
«Чистые помещения
и технологические среды». № 3–4,
2009, с. 74–77.
J. Chubb, A prickly issue.
J. Chubb, J. Electrostatics, 2008, 66,
p. 531–537.
В. И. Власенко. Антистатические
свойства текстиля для чистых
помещений. Сборник докладов ІІІ
Международной конференции
ELTEX"98, Польша, Лодзь, ноябрь
1998.
V. Vlasenko. Image analysis of Static"
Dissipative Cleanroom Textiles,
Proceeding of 17th Intern. Symposium
of ICCCS, Sept. 2004, Bonn,
p. 415–424.
81