Know-How der Elektrostatik
Entstehung statischer Elektrizität
Das Phänomen statische Elektrizität ist allgegenwärtig und wird laufend durch Relativbewegung erzeugt - in anderen Worten jedes Mal dann, wenn die Oberflächen von Materialien miteinander in Kontakt kommen und sich wieder trennen oder aneinander reiben. Statische Elektrizität wird zum Beispiel im Arbeitsbereich gebildet, wenn Flüssigkeiten durch Rohrleitungen fließen oder wenn elektrisch isolierende Endloserzeugnisse (z.B. Folien- oder Papierbahnen) durch Maschinen geführt werden, beim Pulverschütten über eine Rutsche und sogar durch eine Person, die auf einem isolierten Teppichboden läuft.
Die Physik hinter diesem Phänomen
Die Elektrostatik befasst sich mit ruhenden elektrischen Ladungen, Ladungsverteilungen und den elektrischen Feldern geladener Körper. Schon im Altertum war bekannt, dass bestimmte Materialien nach dem Reiben kleine leichte Teilchen, z. B. Papierschnipsel, anziehen (Reibungselektrizität). Das griechische Wort "elektron" für Bernstein, bei dem dieses Phänomen gut zu sehen ist, ist der Namensgeber für viele Bereiche der Naturwissenschaften.
Die Phänomene der Elektrostatik rühren von den Kräften her, die elektrische Ladungen aufeinander ausüben. Diese Kräfte werden vom Coulombschen Gesetz beschrieben. Auch wenn die im obigen Beispiel, einer geriebenen CD und Papierschnipsel, beschriebenen Kräfte klein erscheinen, ist die elektrische Kraft z.B. im Vergleich zur Gravitationskraft außerordentlich stark. So ist die elektrische Kraft zwischen einem Elektron und einem Proton (beide bilden zusammen ein Wasserstoffatom) um ungefähr 40 Größenordnungen größer als ihre gegenseitige Anziehung aufgrund der Gravitationskraft.
Eine eindrucksvolle Folge elektrischer Aufladungen durch Reibungselektrizität sind Gewitterblitze. Luft ist normalerweise ein Isolator, bei zu großen Aufladungen kommt es zu einem Durchschlag. In Blitzen kommt es zu einem schlagartigen Ladungsausgleich zwischen unterschiedlich geladenen Bereichen in der Gewitterzelle oder "seltener" zwischen einem Bereich in der Gewitterzelle und dem Erdboden.
Jeder Körper, jedes Objekt, aber auch jede Flüssigkeit und jedes Gas bestehen aus Atomen und daraus zusammengesetzten Molekülen. Die Atome ihrerseits bestehen unter anderem aus positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen. Wichtig in der Elektrostatik ist das nach außen "sichtbare" Verhältnis bzw. der zahlenmäßige Unterschied zwischen diesen Ladungen:
a) Anzahl Elektronen = Anzahl Protonen > elektrisch neutral
b) Anzahl Elektronen > Anzahl Protonen > elektrisch negativ
c) Anzahl Elektronen < Anzahl Protonen > elektrisch positiv
Gefahren und Schädigungen durch statische Elektrizität
Personenschäden aufgrund der Schreckreaktion bei plötzlicher elektrostatischer Entladung bei hohen Potentialdifferenzen sind ein Massgeblicher Grund für Unfälle. Beim Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten, Gase und Stäube können dieser unter Umständen gezündet werden da die Mindestzündenergie (MIE) bei einem Durchschlag um ein vielfaches überschritten wird.
Isolierende Materialbahnen können irreparable Oberflächenbeschädigungen erhalten. Anziehung- bzw. Ablagerung von unerwünschten Partikeln auf Oberflächen. Unerwünschte Beeinflussung von Beschichtungsvorgängen. Zerstörung von Elektronischen Schaltungen (Halbleiter). Störung von Maschinensteuerungen SPS, Displays und Signalgeber die mit 24 V DC bzw. 5 V Signalpegeln arbeiten.
Beeinflussende Faktoren
Höhe und Polarität der Aufladung werden beeinflusst durch:
- Substrat Material
- Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte)
- Oberflächeneigenschaften (Rauhigkeit)
- Sich wiederholende Vorgänge von Kontakt und Trennung der gleichen Körper können zur Erhöhung der Aufladung führen. (Abwickler, Streckwalze usw.)
- Auch die Geschwindigkeit z.B. beim Trennen der Gegenstände spielt eine Rolle - je höher die Geschwindigkeit, desto höher ist auch die Aufladung der beteiligten Oberflächen.
Weitere Ursachen elektrostatischer Aufladungen:
- Verformung
- Abkühlung / Kristallisation
- Reibung / Luftströmungen an isolierten Oberflächen
- Abriss / Trennung
Effiziente Kontrolle und Eliminierung
Im ersten Schritt sind folgende Punkte unumgänglich:
- Ermittlung von Gefahrenbereichen und Prozessen, in denen sich statische Aufladungen bilden können.
- Erstellung eines Elektrostatik-Profils der Anlage im Hinblick auf Personengefährdung, Prozessbeeinflussung und ggf. Materialschädigung durch Messung der dominanten elektrostatischen Felder in der Anwendung mit anschließender Risiko- und Gefahrenbeurteilung.
- Richtige Erdungsverbindung passiver Maschinenteile herstellen und gewährleisten, dass Präventivmethoden wie der Einsatz von professionellen, aktiven Ionisationssystem am richtigen Ort im Prozess vorhanden sind und durch die Einbindung in die Maschinen- bzw. Prozessüberwachung ordnungsgemäß aufrechterhalten werden.
- Angebot von Weiterbildungsmöglichkeiten nutzen und damit die Erhöhung des Bewusstseins zum Thema Elektrostatik der Beschäftigten für eine sichere Arbeitspraxis in Gefahrenbereichen.
Die gezielte Elimination unerwünschter Aufladungen kann durch unterschiedliche Methoden erfolgen:
a) Passive Ionisation: ein mit Erdpotential verbundener elektrischer Leiter, der sehr nahe an dem aufgeladenen Objekt positioniert wird, kann bei entsprechend gewählter Geometrie zur Ionisation führen, die dann beim Kontakt mit der Oberfläche zur Entladung führen. Passive Ionisatoren können sehr hohe Aufladungen stark reduzieren, jedoch niemals gänzlich eliminieren.
b) Radioaktive Ionisation: die Erzeugung ionisierter Luftmoleküle wird durch radioaktive Quellen erreicht. Aufgrund der Schwierigkeiten und möglichen Gefahren beim Umgang mit radioaktiven Stoffen wird diese Variante nur in sehr speziellen Fällen angewandt.
c) Aktive Ionisation: Mit einer Hochspannung verbundene Spitzenelektroden sind Ausgangspunkt starker elektrischer Felder, die die umgebende Luft ionisieren. Die erzeugten Luftionen können bei Kontakt mit der aufgeladenen Oberfläche wechselwirken und diese dabei entladen. Da die Erzeugung der Luftionen beim aktiven Ionisator unabhängig vom aufgeladenen Objekt stattfindet, kann dieses bei entsprechender Einstellung im Gegensatz zur passiven Ionisation vollständig entladen werden.
d) Antistatika: Überschüssige Ladungen können durch Benetzung mit speziellen flüssigen, begrenzt / definiert leitfähigen Medien, sogenannten Antistatika abgeleitet werden.
Gezieltes Aufladen - Nutzen der Elektrostatik
Andererseits können durch gezielt eingesetzte Aufladungen viele Prozesse in der Industrie positiv (im Sinne von Verbesserung) beeinflusst werden. Hierzu gehören z.B. vollautomatische Rollenwechsel ohne Kleber, Verblocken und anhaften von Materialien, Verbesserung der Druckqualität, gezieltes aufbringen von Aerosolen und Beschichtungen, Reduktion von Stillstandzeiten, Reduktion des Energieverbrauchs (ersetzen von Vakuumprozessen) Fixierung von Bahnmaterialien und weitere Elektrostatik Nutzanwendungen.
Der gezielte Einsatz erwünschter Aufladungen kann durch unterschiedliche Methoden erfolgen:
- Positive oder negative Aufladung eines isolierenden Substrates gegen Erde (z.B. elektrisch geerdete metallische Maschinenteile)
- Gegenständig angeordnete Aufladeelektroden (positiv / negativ) zur Verblockung von 2 oder mehreren isolierenden Substraten.
- Aufladung von Partikeln bzw. Aerosolen im elektrischen Feld gegen Erde bzw. gegenständiger Anordnung positiv / negativ.
Anwendungsbeispiele:
Fazit
Die Hildebrand Technology bietet eine Vielzahl von elektrostatischen Auf- und Entladesysteme für die unterschiedlichsten Anwendungen an. Jedes weist Vor- und Nachteile auf. Deshalb ist es notwendig, sich über folgende Punkte im Klaren zu sein, bevor man sich für ein elektrostatisches Auf- oder Entladesystem entscheidet:
Welche Ladungsmenge soll entfernt oder aufgebracht werden?
Mit welcher maximalen Substratgeschwindigkeit ist zu rechnen?
Wie hoch darf die maximale Restladung sein?
Welche Sicherheitsaspekte haben Einfluss, Ex Bereich?
Welches Budget steht zur Verfügung?
Nach diesen Kriterien sucht man gemeinsam mit uns eine geeignete Elektrostatik-Technologie, welche in der Effizienz wirksam genug ist, um das Problem zu beseitigen und wirtschaftlich vertretbar in Anbetracht der Investition und Amortisierung durch Einsparung.
Unsere Techniker und Ingenieure beraten Sie gerne!