人體靜電放電的影響因素及防護(hù)手段研究

張紅

摘 要：在實(shí)際生產(chǎn)、工作和生活中最為常見的靜電類型為人體靜電，人體靜電放電可以分為三個(gè)階段，受到多個(gè)影響因素的影響，如環(huán)境因素、活動(dòng)方式和服裝材質(zhì)。文章主要是在于分析人體靜電放電的影響因素并討論相應(yīng)的防護(hù)手段的有效性，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素中影響靜電放電最為主要的因素是環(huán)境濕度；活動(dòng)方式中，活動(dòng)越劇烈人體靜電電位越高；服裝材質(zhì)中，既需要考慮服裝本身的帶電能力也要考慮到其本身對環(huán)境濕度的敏感程度。防護(hù)手段中，最為有效的是靜電接地手環(huán)，最為實(shí)際的是同時(shí)穿戴防靜電工服和工鞋。

關(guān)鍵詞：人體靜電；環(huán)境因素；活動(dòng)方式；防護(hù)手段

中圖分類號(hào)：X928.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）14-0046-03

Abstract： In actual production， work and life， the most common type of static electricity is human static electricity， human electrostatic discharge can be divided into three stages， affected by many factors， such as environmental factors， activities and clothing materials. The main purpose of this paper is to analyze the influencing factors of human electrostatic discharge and to discuss the effectiveness of the corresponding protective measures. Through experimental and theoretical analysis， it can be found that the most important factor of environmental factors affecting electrostatic discharge is environmental humidity. In the activity mode， the more intense the human body electrostatic potential is， the higher the electrostatic potential is； the higher the clothing material is， the more sensitive it is to the environmental humidity as well as the charged ability of the garment itself. In the protective measures， the most effective is the electrostatic earthing bracelet， while the most practical is to wear antistatic work clothes and shoes at the same time.

Keywords： human static electricity； environmental factors； activity mode； protective measures

1 概述

近年來，越來越多的學(xué)者開始對典型靜電起電機(jī)理[1]、放電影響因素及防護(hù)手段等方面開展相關(guān)研究，不斷完善靜電學(xué)理論基礎(chǔ)及應(yīng)用，靜電學(xué)作為電磁學(xué)的一個(gè)分支，主要的基礎(chǔ)理論為電荷守恒定律和庫侖定律，基于電場、電位、電偶極化、功函數(shù)、電荷等基本概念，總結(jié)出的主要基本理論為洛倫茲電子理論、靜電場環(huán)路理論、高斯定理等，這些理論可以合理解釋物質(zhì)帶靜電電荷并放電的現(xiàn)象。

在實(shí)際生產(chǎn)、工作和生活中最為常見的靜電類型為人體靜電，人體在活動(dòng)與其他物體摩擦或接觸的過程中，人體便會(huì)攜帶靜電電荷，如果獲得的靜電電荷比損失的靜電電荷數(shù)量多，靜電電荷便不斷在人體累積，人體靜電電位不斷升高，靜電電荷移動(dòng)便會(huì)產(chǎn)生靜電電流形成靜電放電。對于存放危險(xiǎn)化學(xué)品倉庫，如鋯粉、硝酸鋇等反應(yīng)劇烈的產(chǎn)品庫，在操作工程如果不對人體靜電加以防護(hù)，會(huì)造成嚴(yán)重的損失。本文的研究目的主要在于分析人體靜電放電的影響因素并討論相應(yīng)的防護(hù)手段的有效性，以避免靜電放電事故的發(fā)生。

2 靜電起電機(jī)理

靜電在通常情況是指兩個(gè)絕緣物體相互摩擦或感應(yīng)而在各自表面產(chǎn)生相反的靜止電荷，靜止電荷移動(dòng)便產(chǎn)生靜電電流。微觀角度可以認(rèn)為是電平衡狀態(tài)下，由于外界因素而使得得失電子，破壞靜電平衡，物質(zhì)帶有正負(fù)電荷，失去電平衡狀態(tài)即為靜電現(xiàn)象。宏觀角度可以認(rèn)為是因摩擦生熱而使得原有電子獲得更高的能量，電子轉(zhuǎn)移，使得物體帶有不同的電荷，失去電子的帶正電荷，得到電子的帶負(fù)電荷。

人體靜電放電主要可以分為三個(gè)階段[2]，第一個(gè)階段是電荷的產(chǎn)生，主要的產(chǎn)生方式可以分為兩種，一種為電荷轉(zhuǎn)移，即人體與其他帶電裝置接觸后，帶電裝置電位高于人體，電荷轉(zhuǎn)移至人體；另一種為摩擦或者感應(yīng)產(chǎn)生電荷，即人體穿著的衣服直接相互摩擦而產(chǎn)生電荷。第二個(gè)階段是人體靜電電荷累積，靜電電荷不斷產(chǎn)生并在人體累積，人體電位不斷升高。第三個(gè)階段是人體靜電電荷的轉(zhuǎn)移，即當(dāng)人體電位升高到滿足擊穿空氣的電壓后便會(huì)產(chǎn)生靜電火花，如果周圍存在可燃?xì)怏w、可燃粉塵或其他可燃固體便會(huì)引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。

3 影響因素分析

通過上述對靜電放電過程的分析，可以發(fā)現(xiàn)對于靜電放電影響的主要因素可以分為操作環(huán)境、服裝材質(zhì)和人體活動(dòng)等三個(gè)方面。

3.1 周圍環(huán)境

人工的操作環(huán)境中對于人體靜電影響的因素有兩個(gè)，環(huán)境溫度和環(huán)境濕度[3]，設(shè)定地面為零電位，利用EST 405靜電動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)可以測定不同環(huán)境溫度、不同環(huán)境濕度下人體的靜電電位，當(dāng)人體靜電電位達(dá)到300V時(shí)便會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，人體靜電電位越高越容易發(fā)生放電，所以將人體靜電電位作為衡量人體靜電的指標(biāo)。通過對5℃、15℃和30℃三個(gè)溫度下測定的人體靜電電位可以發(fā)現(xiàn)，人體靜電電位隨著環(huán)境溫度的升高而略有升高，但并不明顯，升高的主要原因?yàn)闇囟壬呤沟弥車諝饣顒?dòng)劇烈，人體靜電電荷隨之增多而使得靜電電位升高。通過對濕度20%RH和50%RH兩組測得的靜電電位可以發(fā)現(xiàn)，人體靜電電位隨著濕度的增加而降低，而且非常明顯，主要原因?yàn)楫?dāng)濕度增加時(shí)，空氣中懸浮的液滴增多，一般空氣中的液體均帶有電荷，電荷同性相吸，當(dāng)空氣中攜帶與人體相反電荷的液滴與人體接觸時(shí)，可以中和掉一部分電荷，降低人地電位，濕度越大降低的效果越明顯。

周圍環(huán)境中影響人體靜電電位最為主要的是環(huán)境濕度，并且可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境濕度小于20%RH時(shí)靜電電位可以達(dá)到2.5kV，其靜電放電能量可以超過1mJ，滿足很大一部分可燃?xì)怏w的最小點(diǎn)火能，是極其危險(xiǎn)的，必須對此特別關(guān)注；當(dāng)環(huán)境濕度大于50%RH之間時(shí)，靜電放電能量低于常見可燃?xì)怏w的最小點(diǎn)火能，但因?qū)嶋H條件下存在偶然因素，仍然不能松懈對于人體靜電的關(guān)注。

3.2 服裝材質(zhì)

靜電放電不僅受到周圍環(huán)境的影響，更為主要的是受到服裝材質(zhì)的影響[4]。目前國內(nèi)實(shí)行的防靜電服的標(biāo)準(zhǔn)為《防靜電服》（GB 12014-2009），其中規(guī)定了服裝防靜電的主要指標(biāo)為點(diǎn)對點(diǎn)電阻，A級(jí)電阻范圍為105-107，B級(jí)電阻范圍為107-1011。服裝材質(zhì)的電阻值越高，其靜電電位越高，越容易產(chǎn)生靜電。服裝材質(zhì)的靜電電位還受到周圍環(huán)境濕度的影響，如尼龍、羊毛衣料等吸水能力強(qiáng)的材質(zhì)，當(dāng)環(huán)境濕度小于20%RH時(shí)，其帶電能力明顯增強(qiáng)，靜電電位也相應(yīng)升高，而隨著環(huán)境濕度的逐漸升高，靜電電位迅速降低。如果采用聚丙烯材質(zhì)，則是在環(huán)境濕度60%RH時(shí)，靜電電位最高，故選擇服裝材質(zhì)時(shí)既要考慮到服裝本身的帶電能力也要考慮到其本身對環(huán)境濕度的敏感程度。

3.3 活動(dòng)方式

如前所述，人體所攜帶的靜電電荷是通過摩擦或感應(yīng)的方式產(chǎn)生的，所以人體靜電電荷會(huì)受到活動(dòng)方式的影響[5]，可以將活動(dòng)方式分為三類，分別為行走、奔跑和跳躍，并且做出如下規(guī)定：行走的步頻為70步/分，步長為55cm；奔跑的步頻為110步/分，步長為70cm；跳躍為垂直跳躍，頻率為40次/分，每次跳躍前下蹲至大腿與地面平行，跳躍最高離地高度8cm。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，跳躍情況下，人體電位最高可以達(dá)到2000V；奔跑情況下，人體電位最高可以達(dá)到1500V；而在行走狀態(tài)下，人體最高電位可以到達(dá)500V。隨著運(yùn)動(dòng)的劇烈程度不斷提高，人的手臂與軀干相互摩擦更加強(qiáng)烈，摩擦產(chǎn)生靜電電荷增多，使得人體電位逐漸升高。

4 防護(hù)手段

對于人體靜電通常采用的防護(hù)方式為設(shè)置靜電釋放樁和防靜電服[6]，一般進(jìn)入到危險(xiǎn)場所前，會(huì)利用靜電釋放樁來導(dǎo)除人體所攜帶的靜電電荷，需要定期對靜電釋放樁的接地電阻進(jìn)行測試，其電阻不應(yīng)大于5Ω，但之前的影響因素分析中，人體活動(dòng)依然會(huì)產(chǎn)生靜電電荷，并且受到活動(dòng)劇烈程度的影響，所以需要穿著防靜電服來進(jìn)一步有效防止靜電放電事故的發(fā)生。防靜電服包括防靜電工服、防靜電工鞋、靜電接地手環(huán)（如圖1所示），其中，防靜電工服主要是采用金屬或其他導(dǎo)電的有機(jī)材質(zhì)作為防靜電纖維織成衣物，可以有效的導(dǎo)除人體多余的靜電電荷；防靜電工鞋主要是采用PVC或者PU泡沫材料制作鞋底，來有效的降低靜電電位。靜電接地手環(huán)就是直接將佩戴的手環(huán)與地面相連接。實(shí)驗(yàn)中分別對比單獨(dú)穿著防靜電工服、單獨(dú)穿著防靜電工鞋、單獨(dú)使用靜電接地手環(huán)和同時(shí)穿著防靜電工服和防靜電工鞋幾種條件下的人體靜電電位，具體結(jié)果如表1所示。根據(jù)表格可以發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)使用靜電接地手環(huán)可以非常有效的降低人體靜電電位，但這樣會(huì)限制人員的活動(dòng)，所以更多的場所會(huì)選擇使用防靜電工服和工鞋，相對比而言，防靜電工鞋對于降低人體靜電電位更為顯著，但并不能再操作過程中只穿防靜電工鞋，仍然需要穿著防靜電工服，進(jìn)一步降低人體靜電電位，避免靜電放電事故的發(fā)生。

隨著科技的不斷進(jìn)步，研究者開始研究利用無線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙等遠(yuǎn)傳技術(shù)，給操作人員佩戴手環(huán)[7]，手環(huán)主要由靜電感應(yīng)器和無線信號(hào)收發(fā)模塊組成，手環(huán)可以實(shí)時(shí)測試人體靜電電位并且將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至中控主機(jī)，中控主機(jī)通過這種方式實(shí)時(shí)監(jiān)測所有操作人員在操作的過程中靜電電位的變化情況，一旦靜電電位高于安全值，并會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒操作人員釋放靜電電荷，并且檢查靜電電位偏高的原因，這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于微電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，不久的將來會(huì)應(yīng)用到更多的場合中。

5 結(jié)束語

（1）環(huán)境因素中對人體靜電放電的影響，最為主要的是環(huán)境濕度，當(dāng)環(huán)境濕度保持在大于等于50%RH范圍內(nèi)時(shí)，可以有效防止靜電累積，而當(dāng)環(huán)境濕度小于20%RH范圍內(nèi)會(huì)顯著呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象需要對人體靜電特別注意。

（2）服裝材質(zhì)的電阻值越高越容易產(chǎn)生靜電電荷，帶電能力越強(qiáng)，選擇服裝材質(zhì)時(shí)既要考慮到服裝本身的帶電能力也要考慮到其本身對環(huán)境濕度的敏感程度。

（3）人體活動(dòng)方式也是影響人體靜電電位的重要因素，隨著運(yùn)動(dòng)的劇烈程度不斷提高，人體電位也隨之升高，所以在進(jìn)行操作的過程中需要盡量避免劇烈和大幅度的運(yùn)動(dòng)。

（4）防護(hù)方式中，最為有效的是靜電接地手環(huán)，其可以保證人體實(shí)時(shí)與地面相連接，即時(shí)導(dǎo)除人體靜電電荷，但考慮到實(shí)際操作的便捷性，更多的會(huì)選擇同時(shí)穿戴防靜電工服和工鞋，來避免靜電放電事故的發(fā)生。

（5）隨著科技的進(jìn)步，使用手環(huán)進(jìn)行無線遠(yuǎn)傳來監(jiān)視人體靜電電位將會(huì)越來越普及。

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