防靜電服防靜電性能指標(biāo)分析及討論

楊文芬 劉 基

北京市勞動保護科學(xué)研究所

靜電事故是目前主要的工業(yè)安全生產(chǎn)事故之一。2014年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局統(tǒng)計的較大事故中[1]，吉林通化化工股份有限公司1.18爆炸事故，開灤集團化工有限公司爆炸事故，江蘇昆山中榮金屬制品有限公司8.2爆炸事故都直接或間接由靜電引發(fā)，上述事故造成了極為嚴(yán)重的社會影響和人員財產(chǎn)損失。從世界范圍上看，靜電危害也是最為嚴(yán)重的工業(yè)危害之一：1972年日本橫濱市石油煉廠爆炸事故，2007年美國巴頓溶劑廠爆炸事故均由靜電所引發(fā)。在微電子行業(yè)，由于芯片集成度越來越高，器件的靜電耐受能力隨之降低，靜電事故發(fā)生幾率更高。相關(guān)資料統(tǒng)計，美國在大型通訊機系統(tǒng)的裝配中，檢測出有故障的集成電路，有1/3為靜電放電所擊穿[2-3]。為了避免靜電引發(fā)的事故造成人員及財產(chǎn)損失，相關(guān)企業(yè)應(yīng)采取各種措施對靜電敏感區(qū)域進行控制和管理。防靜電服是為了防止服裝上的靜電積累，使用防靜電織物為面料，按照規(guī)定的款式和結(jié)構(gòu)而縫制的工作服[4]，是我國主要的功能性工作服產(chǎn)品之一。同一般工作服相比，防靜電工作服能夠有效的減少工作過程中由于人體活動造成的靜電積累以及由此引發(fā)的靜電放電事故（電子器件損壞，火災(zāi)，爆炸等）。在煤礦、石油化工、電力電氣和微電子行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

1 靜電危害發(fā)生機理

靜電危害的來源是在作業(yè)過程中，由于人員活動、介電物質(zhì)（絕緣體，半導(dǎo)體）的高速流動、不同電負性材料的相互接觸、等離子體注入、感應(yīng)起電等方式在介電材料整體或金屬的表面上積聚的靜電荷。靜電荷積累造成的電壓往往極高，以人體為例，人體的對地電容約為150pF[5]，因此，極少的靜電電荷即引發(fā)較高的電勢。在一般的干燥環(huán)境中，由人體的行走和穿脫衣物造成的電勢一般在30kV左右。靜電的危害主要在于非受控條件下的靜電放電過程往往極為快速，且電流和較高的靜電電壓會對通過的電子電路產(chǎn)生較大的損傷。當(dāng)靜電電壓過高導(dǎo)致靜電放電所引起的火花能量大于工作場所存在的易燃易爆物質(zhì)的點火能時，見表1，即可能引起火災(zāi)或爆炸，對生產(chǎn)和人員安全造成更大危害。此外緩慢的電暈放電，以及由于靜電吸附造成的人體表面的粉塵的粘附，往往也會造成人體的舒適度下降，影響作業(yè)人員正常工作。

表1 常見物質(zhì)的最小點火能

2 靜電服主要靜電防護機理

防靜電服是最主要的防靜電用個體防護裝備之一。防靜電服的靜電防護機理主要包括靜電耗散、電荷傳輸和靜電屏蔽三種。靜電耗散作用是指借由防靜電絲將服裝表面由于人體活動所引起的電荷緩慢釋放到空氣中；電荷傳輸是指通過與防靜電襪及防靜電鞋/靴形成的通路，或通過服裝本身的結(jié)構(gòu)將服裝上產(chǎn)生的靜電以較快的速度轉(zhuǎn)移至地。此外，服裝內(nèi)的導(dǎo)電絲所形成的網(wǎng)絡(luò)還具有一定的屏蔽作用，能夠?qū)⒎漓o電服裝內(nèi)部人體所穿著的其它服裝所積聚的靜電形成的電場有效的降低。藉由上述手段，防靜電服能夠有效降低作業(yè)人員在工作過程中產(chǎn)生的靜電荷對周邊環(huán)境的影響，減少靜電事故的發(fā)生。

3 靜電服主要性能指標(biāo)

防靜電服的靜電防護機理包括靜電耗散，電荷傳輸和靜電屏蔽三種，對應(yīng)指標(biāo)包括體現(xiàn)靜電耗散能力的指標(biāo)如電荷衰減，服裝帶電電荷量，面料的面電荷密度等；體現(xiàn)服裝電荷傳輸能力的指標(biāo)包括點對點電阻，表面電阻率等指標(biāo)；體現(xiàn)服裝靜電屏蔽能力的指標(biāo)主要為屏蔽效能。由于上述性能間存在相互關(guān)聯(lián)，如防靜電織物內(nèi)部導(dǎo)電絲越密集，其電荷傳輸能力越強，同時面料本身對靜電荷的屏蔽能力也越高。因此各國家和組織對防靜電服性能的考察往往不會涵蓋其所有防靜電性能指標(biāo)。如我國的防靜電服產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB12014-2009《防靜電服》中，規(guī)定的防靜電指標(biāo)包括面料的點對點電阻和服裝的帶電電荷量兩項，表2。其中，前者主要考察面料對電荷的傳輸性能，后者考察服裝自身的靜電耗散能力。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)防靜電指標(biāo)

歐盟標(biāo)準(zhǔn)體系中，防靜電服產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN 1149-5：2008《Protective clothing-Electrostatic properties Part 5: Material performance and design requirements》對面料的表面電阻率，電荷衰減和屏蔽效能進行了規(guī)范。而在美國相關(guān)靜電防護體系標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) ANSI ESD S20.20和ANSI/ESD STM 2.1中，主要對服裝本身的電荷傳輸性能進行考察，通過測量服裝的過襟電阻（位于服裝左右兩前襟上的電極間的電阻，如圖1）研究服裝的防靜電性能，并考察了服裝的袖對袖電阻（位于服裝左右袖口電極間的電阻）。IEC（國際電工委員會）標(biāo)準(zhǔn)IEC 61340-5-1中，對防靜電服的要求同ANSI標(biāo)準(zhǔn)一致，考察服裝的過襟電阻。

與ANSI/ESD STM 2.1標(biāo)準(zhǔn)相比，我國標(biāo)準(zhǔn)中對防靜電服電荷傳輸能力的考察較為寬松，表現(xiàn)在面料點對點電阻的測試中忽略了服裝不同縫片間接縫對電荷傳輸性能的影響。但與之相對的，我國標(biāo)準(zhǔn)通過測試5組不同位置的點對點電阻以考察服裝的電荷傳輸能力，對服裝各部位電阻的考察更為全面，避免了面料電輸運性不均勻的現(xiàn)象，而后者恰恰是防靜電面料中出現(xiàn)比較頻繁的問題。

EN1149-5標(biāo)準(zhǔn)中，通過測試面料的表面電阻率考察面料的電荷傳輸能力、使用面料的電荷衰減測試面料靜電耗散能力。相對我國標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)增加了對面料屏蔽能力的測試，對面料的考察更為全面。但面料的電荷屏蔽和衰減測試過程中，樣品始終通過樣品架接地，如圖2。相對而言，我國標(biāo)準(zhǔn)中對產(chǎn)品的考察體現(xiàn)了我國的國情，即在我國大部分的防靜電服使用場所中，防靜電服是作為工作服單獨使用的，并沒有有效的接地措施。在這種情況下，面料本身的電荷傳輸能力難以完全體現(xiàn)服裝的靜電防護能力，因此在我國，對服裝防靜電性能的考察還包括服裝帶電電荷量，通過對環(huán)境易燃易爆物質(zhì)的最小點火能確定了能夠允許的最大放電能量，并由此確定了服裝的帶電電荷量應(yīng)小于0.6μC，在靜電放電危害較大的區(qū)域規(guī)定服裝的帶電電荷量應(yīng)小于0.2μC。

我國對服裝帶電電荷量的考察源自日本的防靜電標(biāo)準(zhǔn)JIS/T 8118 《Working wears for preventing electrostatic hazards》。通過服裝在滾筒摩擦機內(nèi)的滾動，模擬服裝在穿用過程中面料間的相互摩擦過程，并通過服裝同聚丙烯腈標(biāo)準(zhǔn)布間的摩擦模擬服裝在穿著過程中同其它服裝間（外衣同內(nèi)層服裝，服裝件）的摩擦，研究服裝的易起電性能和靜電耗散能力，體現(xiàn)了服裝本身的易起電性能。

4 靜電服測試環(huán)境溫濕度要求

對面料而言，環(huán)境中的水蒸氣的存在會提高其導(dǎo)電性能，且空氣中的水分子的含量越高，服裝表面的靜電荷越容易通過電暈放電的方式耗散入空氣中。因此在我國以及其它國家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)中，對測試環(huán)境的溫濕度都有明確的要求。各標(biāo)準(zhǔn)中對溫濕度的具體要求，見表3。從環(huán)境溫濕度的對比可以看出，我國標(biāo)準(zhǔn)中對防靜電服電性能的測試環(huán)境濕度的要求介于歐盟標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)的一般測試環(huán)境之間，也是一般工作場所最為普遍的溫濕度條件。在該環(huán)境條件下對服裝的測試結(jié)果能夠更大程度的體現(xiàn)服裝在實際使用過程中的靜電防護能力。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)測試用環(huán)境溫濕度

5 總結(jié)與討論

本文主要介紹了不同國家和地區(qū)的防靜電服產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和測試方法標(biāo)準(zhǔn)。靜電放電是常見的物理現(xiàn)象，但由此造成的各種事故造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此在特定工作場所需要采用各種手段以降低靜電危害。靜電服作為主要的靜電防護用個體防護裝備之一，其產(chǎn)品性能影響著廣大工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)安全。為此各主要國家和地區(qū)均出臺了相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和測試方法標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的各項性能進行規(guī)范。防靜電服的生產(chǎn)、銷售和使用應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進行。受到各國實際情況的不同，各標(biāo)準(zhǔn)間存在著一定的差異，體現(xiàn)在防靜電指標(biāo)要求，測試方法，測試環(huán)境溫濕度等各方面。上述差異對靜電服的購買和使用造成了限制，影響了防靜電服產(chǎn)品在各國間的流通，解決上述問題需要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂人員加強交流和合作，增強標(biāo)準(zhǔn)間一致性，進一步提高防靜電服的靜電防護性能。

如本文之前所述，防靜電服本身僅能部分降低人員在活動過程中產(chǎn)生的靜電電荷，并通過導(dǎo)電絲和空氣的接觸電暈放電的方式將產(chǎn)生的電荷耗散入周圍環(huán)境中，電荷耗散的渠道較少，耗散速度比較慢。因此在大部分靜電敏感場所中，單純使用防靜電服難以滿足防護要求，需要各種部件的配合使用，包括防靜電腕帶，防靜電鞋靴，防靜電臺面，接地系統(tǒng)等[6，7]，并通過使用電荷中和，環(huán)境控制（提高環(huán)境濕度，使用靜電耗散地坪材料如導(dǎo)電性水磨石，導(dǎo)電橡膠等），以及工藝控制（降低流體流速，采用低起電性原材料等）手段，并結(jié)合科學(xué)的作業(yè)規(guī)范才能有效的避免靜電放電帶來的危害。另外，近期測試發(fā)現(xiàn)，部分靜電服生產(chǎn)企業(yè)采用提高導(dǎo)電絲織入密度，降低導(dǎo)電絲電阻等方式降低服裝的點對點電阻至靜電導(dǎo)體范圍（點對點電阻<105Ω，表面電阻率≤107Ω）的方式進一步降低服裝的帶電量指標(biāo)。這種方式可能會造成人體接觸帶電體后過快放電產(chǎn)生電火花的情況，并不適用于靜電防護。

注釋

①GB12014中，對防靜電性能的要求包含A級和B級兩個級別。

②t50 電荷衰減至原電荷一半所需要的時間。

③根據(jù)服裝的使用環(huán)境不同，服裝的過襟電阻也具有不同的取值要求。當(dāng)服裝作為接地腕帶系統(tǒng)的一部分時，對其電阻要求最嚴(yán)，要求其小于等于3.7×107Ω，當(dāng)服裝作為一般用的靜電防護服時，要求其電阻不大于1011Ω。

④根據(jù)不同的使用環(huán)境，ANSI/ESD STM 2.1中規(guī)定了不同的測試環(huán)境濕度，針對低濕和一般濕度環(huán)境。

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局事故與安全分析

[2]譚志良,陶鳳和,劉尚合,等.防靜電阻隔包裝材料發(fā)展動態(tài)及其防靜電機理探討[J].包裝工程,2000,21（1）:3-5

[3]Warren Boxleitner.ESD and electronic equipment.USA:Wiley-IEEE Press,1999

[4]中華人民共和國國家質(zhì)檢監(jiān)督檢驗檢疫總局.中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 12014-2009防靜電服[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009

[5]張瑩,劉生滿,王庭太,等.人體靜電放電模擬引爆瓦斯的研究[J].廣州工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,28（3）:45-47

[6]中華人民共和國國家質(zhì)檢監(jiān)督檢驗檢疫總局.中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 12158-2006防止靜電事故通用導(dǎo)則[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006

[7]Electrostatic Discharye Association.ANSI/ESD S20.20-2007 For the development of an electrostatic discharge control program for protection of electrical and electronic parts, assemblies and equipment(excluding electrically initiated explosive devices) [S].2007