塑料集裝袋體材料的二次電子發(fā)射特性對其防靜電性能的影響

常天海，吳金成

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州 510640）

塑料集裝袋體材料的二次電子發(fā)射特性對其防靜電性能的影響

常天海，吳金成

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州 510640）

基于塑料集裝袋基布及織入的導(dǎo)電纖維的二次電子發(fā)射特性，深入分析了這些固體材料的靜電起放電機理，透徹揭示了塑料集裝袋表面上的靜電電位非均勻性的真正原因，及其在目前靜電點火最小能量測試試驗中出現(xiàn)的令人費解的矛盾現(xiàn)象，拓展了塑料集裝袋等固體制品防靜電性能的設(shè)計理論。

固體材料；二次電子發(fā)射；塑料集裝袋；防靜電性能

關(guān)于塑料集裝袋的防靜電性能設(shè)計和檢測，現(xiàn)有2個國際標準IEC 61340－4－4—2003和PDCLC／TR 50404，且主要依據(jù)其工作環(huán)境的最小靜電點火能量，將其分為表1所示的A，B，C和D4種類型。目前，塑料集裝袋防靜電性能設(shè)計和生產(chǎn)的理論依據(jù)主要是袋體的表面電阻、表面電荷面密度及織入的導(dǎo)電纖維的電阻率等參數(shù)，但時常出現(xiàn)一些令人費解的矛盾現(xiàn)象。如，當(dāng)其袋體表面電阻、電荷面密度較低時，或其基布材料中的導(dǎo)電纖維過多時，生產(chǎn)出的防靜電塑料集裝袋更易引發(fā)靜電點火。顯然，現(xiàn)有的塑料集裝袋等固體制品防靜電設(shè)計理論尚需拓展。因此，如何更透徹地揭示固體材料的靜電起放電機理，既是目前電氣科學(xué)與工程領(lǐng)域中的一個重要方向［1－2］，也是當(dāng)前靜電理論與技術(shù)、絕緣與功能電介質(zhì)材料、電磁兼容等領(lǐng)域中研究人員追求的主要目標之一［3－5］。

表1 塑料集裝袋的國際分類

本研究基于塑料集裝袋基布及織入的導(dǎo)電纖維的二次電子發(fā)射特性，拓展分析這些固體材料的靜電起放電機理，透徹揭示塑料集裝袋在目前靜電點火最小能量測試試驗中令人費解的矛盾現(xiàn)象。

1 固體材料二次電子發(fā)射的基本原理

當(dāng)具有一定能量的原粒子（電子或離子等）入射固體材料表面時，會引起其部分電子逸出，該作用過程即稱為二次電子發(fā)射。根據(jù)原入射粒子種類及能量的高低、固體材料的基本性質(zhì)及表面狀況，該作用過程可分為3類［6－7］：1）入射粒子進入材料表面中，速度變緩，最后留在材料表面中，其能量傳遞給材料表面中的電子，使其處于激發(fā)狀態(tài)，部分處于這種激發(fā)狀態(tài)的電子會掙脫束縛，逃逸出材料表面，這部分電子被稱為“真二次電子”，其能量通常小于50 e V；2）入射粒子若為電子，則可能被材料表面勢壘反射或在表層被晶格反射回放電系統(tǒng)，或射入固體內(nèi)部一定深度被彈性散射出來，在逸出其表面過程中又發(fā)生一次或多次彈性或非彈性碰撞而損失能量，最后返回放電系統(tǒng)。這部分電子統(tǒng)稱為“背散射電子”，其能量通常大于50 e V；3）入射粒子與材料表面發(fā)生相互作用后損失了能量，最終被材料表面所吸收。顯然，該作用過程直接關(guān)聯(lián)著相關(guān)固體材料的靜電起放電性能。

目前，能夠直接評估該作用過程的一個參數(shù)就是固體材料的二次電子發(fā)射系數(shù)δ，即一個原粒子所產(chǎn)生的二次電子數(shù)目，它包括真二次電子和背散射電子2部分?？梢钥隙?，無論是空間還是地面應(yīng)用領(lǐng)域，二次電子發(fā)射系數(shù)δ，尤其是其最大值δm和該δm對應(yīng)的原入射粒子能量Em，皆是評估固體材料靜電性能的一個必不可少的關(guān)鍵參數(shù)。

2 塑料集裝袋防靜電性能的測試方案

目前，防靜電塑料集裝袋的基布材料為絕緣材料，根據(jù)其防靜電性能設(shè)計的不同要求，采用不同方式嵌織了與其基布材料電學(xué)性能完全不同的導(dǎo)電纖維。簡言之，目前塑料集裝袋防靜電性能設(shè)計主要依據(jù)為其基布的表面電阻和電荷面密度，及其基布材料中織入的導(dǎo)電纖維的電阻率；其引發(fā)靜電放電點火的最小能量的測試是目前檢測其防靜電性能的最終依據(jù)，該測試試驗的具體方案如圖1所示，其主要原理如下。

在溫度為21℃、濕度為60%的環(huán)境中，物料（聚丙烯塑料?；蚱渌┙?jīng)過放電針E充電，充電電流達到1μΑ，以每秒1 kg的流量落入塑料集裝袋A（在其基布中織入了間距為20 mm的導(dǎo)電纖維）中，該袋體與周圍環(huán)境絕緣。氣體探頭組件C注入了易燃氣體乙烯（在空氣中的含量為4%（體積分數(shù)），點火能量為0．14 mJ），球形放電電極D從遠處漸漸接近塑料集裝袋A，若其防靜電性能不佳，則將會在其表面附近的某一位置，將乙烯等氣體點燃，從而可測出其引發(fā)靜電放電點火的最小能量。

圖1 塑料集裝袋引發(fā)靜電放電點火的最小能量的測試試驗

3 測試結(jié)果與分析

目前，塑料集裝袋引發(fā)靜電放電點火的最小能量的測試試驗主要結(jié)果如下：1）當(dāng)其表面電阻和電荷面密度分別小于108Ω和7μC（有時甚至＜4μC）時，其防靜電性能并不好，更易引起靜電放電，點燃可燃氣體乙烯；2）同樣采用20 mm間距織入導(dǎo)電纖維，且該導(dǎo)電纖維的單位質(zhì)量及電阻皆相同，但織入6根合股比織入單根導(dǎo)電纖維的塑料集裝袋更易點燃可燃氣體乙烯；3）織入電阻率為105～106Ω／cm的導(dǎo)電纖維比織入電阻率為107～109Ω／cm的導(dǎo)電纖維的塑料集裝袋，更易點燃可燃氣體乙烯。

顯然，這些令人費解的試驗結(jié)果表明：1）織入導(dǎo)電纖維過多的塑料集裝袋，其防靜電性能并不好；2）塑料集裝袋防靜電性能的設(shè)計理論尚需拓展，僅依據(jù)表面電阻、電荷面密度和電阻率等參數(shù)尚不能透徹揭示其靜電起放電機理，更不便準確評估其防靜電性能。

但是，若添加考慮袋體材料的二次電子發(fā)射特性，上述試驗結(jié)果中令人費解的矛盾現(xiàn)象則可作如下的透徹揭示：1）因為通過放電針E充了5～10 k V的負電后，物料就相當(dāng)于具有一定能量的原粒子，在落入袋A的過程中，通過感應(yīng)、碰撞及摩擦等方式入射袋A的內(nèi)表面，同時誘發(fā)（引起）其基布材料和導(dǎo)電纖維逸出“真二次電子”，且由于都是帶負電，故會給“真二次電子”加速，使其能量有可能大于50 e V，更易引發(fā)靜電放電；2）若袋A表面電阻和電荷面密度過低，或織入的導(dǎo)電纖維過多即其電阻率過低，原粒子物料能量的入射速度就更快，且入射面積就更大，從而引發(fā)的二次電子發(fā)射現(xiàn)象就更劇烈，袋A外表面的靜電負電位就更高，也就更容易與接地的放電球D產(chǎn)生靜電放電；3）因為袋A的基布材料為絕緣體，織入的導(dǎo)電纖維為金屬，它們的二次電子發(fā)射系數(shù)最大值δm相差較大（導(dǎo)電纖維的δm較小，大都為1～1．4），故袋A表面二次電子發(fā)射的非均勻現(xiàn)象也很劇烈，從而造成其表面上的靜電電位均勻性很差。

4 結(jié) 語

與袋體的表面電阻、表面電荷面密度及織入的導(dǎo)電纖維的電阻率等參數(shù)相比，基布材料和導(dǎo)電纖維的二次電子發(fā)射特性與塑料集裝袋引發(fā)靜電放電點火的最小能量的關(guān)聯(lián)性更強?；谠撎匦?，可透徹揭示塑料集裝袋的靜電起放電機理，及其防靜電點火測試試驗中令人費解的矛盾現(xiàn)象?？梢钥隙ǎ砑涌紤]袋體材料本身的二次電子發(fā)射特性，可設(shè)計出防靜電性能較好的塑料集裝袋等塑膠制品，從而避免因其使用不當(dāng)而引起的靜電災(zāi)害事故。

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1008－1542（2011）12－0142－03

2011－06－20；責(zé)任編輯：王海云

常天海（1964－），男，河南羅山人，副教授，博士，主要從事靜電理論與技術(shù)研究。