非金屬材料表面電阻測(cè)試及影響因素的研究*

楊娟 王良旺 劉柏清 王繼業(yè) 蔣漳河 王新華

(廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院 廣州 510760)

0 引言

在石化、煤炭、電子、橡膠、塑料、木材、糧食加工等行業(yè)中，靜電危害預(yù)防與控制是事故防范的重要內(nèi)容[1-4]?？刂旗o電放電引燃事故的關(guān)鍵在于減少靜電荷產(chǎn)生、加速靜電荷泄放，這就要求在易燃易爆場(chǎng)所使用的非金屬材料必須具有導(dǎo)靜電性能[5-6]。非金屬材料導(dǎo)靜電性能的主要衡量指標(biāo)是表面電阻，因此在選擇易燃易爆場(chǎng)所使用的材料、設(shè)備時(shí)，必須準(zhǔn)確測(cè)量并合理選擇表面電阻，使其滿足抗靜電需求。從而，設(shè)備或材料在易燃易爆場(chǎng)所使用的過程中不會(huì)產(chǎn)生靜電荷積聚，避免形成靜電放電引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

表面電阻測(cè)試方法較多，如兩點(diǎn)電極法、同心環(huán)電極法、重錘電極法、漆條法以及銅帶電極法、四針電極法等[7-10]，這些測(cè)試方法基本原理都是通過外加電壓以及測(cè)得的電流計(jì)算得出材料表面電阻值，但在應(yīng)用不同測(cè)試電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，采用不同方法對(duì)同一材料進(jìn)行測(cè)試時(shí)會(huì)因?yàn)殡姌O覆蓋區(qū)域、操作方法等的差異性得出不同的表面電阻測(cè)試結(jié)果，說明不同測(cè)試方法的適用性、準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步研究。非金屬材料表面電阻影響因素較多，環(huán)境溫度升高或環(huán)境濕度增加時(shí)，非金屬材料的表面電阻均會(huì)減?。粶y(cè)試電極與被測(cè)材料表面的接觸面積增加時(shí)電阻值會(huì)減小[11]?；炷敛牧显诮ㄖ袠I(yè)應(yīng)用廣泛，表面電阻是衡量氯離子對(duì)混凝土腐蝕的關(guān)鍵參數(shù)，關(guān)于混凝土形狀、電極尺寸、環(huán)境條件等對(duì)表面電阻影響的研究較多[12]。

為了對(duì)比兩點(diǎn)電極、同心環(huán)電極等不同測(cè)試電極在進(jìn)行表面電阻測(cè)試時(shí)的差異性與適用性，探究測(cè)試壓力、測(cè)試電壓以及材料特性等因素對(duì)非金屬材料表面電阻測(cè)試的影響規(guī)律，本文選用常用的非金屬材料表面電阻測(cè)試電極以及自行研制的平行條電極在不同測(cè)試壓力、不同測(cè)試電壓等條件下對(duì)不同厚度、材質(zhì)、表面粗糙度等特性的非金屬材料進(jìn)行表面電阻測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于非金屬材料表面電阻的準(zhǔn)確測(cè)試和合理選用具有重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

常用的表面電阻測(cè)試裝置包括電阻計(jì)、測(cè)試電極。電阻計(jì)主要是對(duì)測(cè)試電極施加特定電壓，并測(cè)量流經(jīng)測(cè)試電極的電流值，從而計(jì)算出被測(cè)非金屬材料表面電阻。本實(shí)驗(yàn)中使用的電阻計(jì)可提供10 V、100 V兩檔輸出電壓。測(cè)試電極存在較多種類，不同的測(cè)試電極適用于不同的測(cè)試條件，目前廣泛應(yīng)用的測(cè)試電極包括兩點(diǎn)電極、重錘電極、同心環(huán)電極、平行漆條電極等，如圖1所示。

圖1 測(cè)試電極

國際上對(duì)非金屬材料表面電阻的測(cè)試一般按照IEC60079-32-2[13]的規(guī)定，廣泛使用漆條電極法。但這種方法在實(shí)際操作中存在以下局限性：

(1)準(zhǔn)確性方面：IEC 60079-32-2[13]中對(duì)漆條電極的長度、寬度等進(jìn)行了明確規(guī)定，但實(shí)際制作過程中，很難保證與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一致，受操作者因素影響較大，且施加在電極上的壓力也很難量化，不能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)重復(fù)性方面：不同操作者進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)量時(shí)，制作的漆條電極、施加的測(cè)試壓力均不相同；即使是同一名操作者也很難保證每次測(cè)量時(shí)制作的漆條電極相同，對(duì)電極施加的壓力相同，因此測(cè)試結(jié)果重復(fù)性較低。

(3)安全性方面：目前的漆條法測(cè)量時(shí)需要作業(yè)者手握兩個(gè)電極探針放置在漆條上，測(cè)試過程中電壓達(dá)到500 V甚至更高，因此測(cè)試過程觸電風(fēng)險(xiǎn)較大。

(4)效率性方面：應(yīng)用導(dǎo)電銅漆制作漆條電極過程持續(xù)時(shí)間較長，需要漆條凝固后才能進(jìn)行測(cè)量，因此測(cè)試效率較低，一般一次測(cè)量需持續(xù)一到兩天。

為了改善漆條電極測(cè)試過程中的諸多缺點(diǎn)，提升測(cè)試的準(zhǔn)確性、效率性、安全性等，設(shè)計(jì)了如圖2所示的平行條電極。

1—檢測(cè)電極；2—支撐電極；3—電極絕緣子；4—絕緣外殼；5—導(dǎo)線母接頭；6—絕緣把手

1.2 測(cè)試樣品制作

為了探究不同因素對(duì)表面電阻測(cè)試的影響，制作了尺寸均為200 mm×200 mm的不同厚度、材質(zhì)、表面粗糙度等性能的非金屬材料樣品共9種，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試用樣品

2 實(shí)驗(yàn)過程

測(cè)試前，用蘸有70%質(zhì)量分?jǐn)?shù)酒精水溶液的干凈棉布清洗被測(cè)樣品，待干燥以后將被測(cè)樣品放置在溫度為(25±2)℃，濕度為(50±5)% RH的環(huán)境中24 h。

測(cè)試時(shí)，分別取出被測(cè)樣品和測(cè)試電極，按照測(cè)試要求選取適當(dāng)位置將測(cè)試電極放置在樣品上，打開測(cè)試電極開關(guān)，待其讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)值并記錄，重復(fù)此操作5次，取平均值即記為該樣品的表面電阻值。

3 結(jié)果與討論

3.1 測(cè)試電極的影響

分別利用同心環(huán)電極、兩點(diǎn)電極、重錘電極對(duì)8種不同類型的試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，總體來說同心環(huán)電極、兩點(diǎn)電極、重錘電極對(duì)同種材料的表面電阻測(cè)試結(jié)果較為集中。對(duì)3種電極的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行總體排序：兩點(diǎn)電極測(cè)試值最大；重錘電極居中；同心環(huán)電極測(cè)試值最小。

圖4 不同測(cè)試電極測(cè)試結(jié)果

考慮電極的形狀、尺寸并結(jié)合圖4中測(cè)試結(jié)果，兩點(diǎn)電極測(cè)試范圍小，適用于小尺寸與凹陷位置電阻測(cè)試；同心環(huán)電極對(duì)不均勻材料的測(cè)試準(zhǔn)確性較高；重錘電極對(duì)于大面積材質(zhì)電阻測(cè)試較為準(zhǔn)確。值得注意的是，其中兩點(diǎn)電極由于測(cè)試設(shè)備的局限性，需要人為施加一定的壓力，很難確保每次測(cè)試的外加壓力大小相同，所以測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性無法保證。這一點(diǎn)從圖4中也能看出，兩點(diǎn)電極的測(cè)試結(jié)果與同心環(huán)以及圓柱體重錘電極出現(xiàn)較大的偏離，且基本偏大。

為了檢驗(yàn)試制平行條電極的準(zhǔn)確性與有效性，選用均勻性、穩(wěn)定性較好的兩種防靜電材料(無紡布過濾材料、玻纖防靜電板)和兩種絕緣材料(光滑PVC、磨砂PVC)，對(duì)比分別使用同心環(huán)電極、重錘電極、平行條電極的測(cè)試結(jié)果，如圖5所示。從圖中可以看出，3種測(cè)試電極對(duì)4種不同材料進(jìn)行表面電阻測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果相差較小，說明試制的平行條電極能夠較為準(zhǔn)確的對(duì)非金屬材料進(jìn)行表面電阻測(cè)試。和漆條電極相比，平行條電極受操作者因素影響較小，提升了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 平行條電極與同心環(huán)電極、重錘電極測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.2 材料的影響

非金屬材料可能存在同種材料表面粗糙度不同、同種材料厚度不同等情況，根據(jù)易燃易爆場(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)使用的需要，在實(shí)際應(yīng)用中如何準(zhǔn)確的檢測(cè)、判定其表面電阻值至關(guān)重要。

對(duì)于材質(zhì)均勻的材料，無論從哪個(gè)面進(jìn)行表面電阻測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均相差不大，但是對(duì)于均勻性較差、表面有涂層或者材料內(nèi)部有金屬絲或其他不均勻添加物的材料，在不同面進(jìn)行表面電阻測(cè)試時(shí)，測(cè)量結(jié)果可能存在差異。對(duì)內(nèi)含金屬絲的非金屬材料樣品9，應(yīng)用重錘電極對(duì)其兩個(gè)較大尺寸的表面進(jìn)行表面電阻測(cè)試，測(cè)試結(jié)果Side 1面的表面電阻為3.70×105Ω，Side 2面則是3.49 ×1011Ω。從測(cè)試結(jié)果可以看出，重錘電極測(cè)試得出的樣品兩個(gè)面的表面電阻不同，且差異較大，說明樣品9兩個(gè)表面的材料均勻性上存在較大差異。

因此，對(duì)于易燃易爆場(chǎng)所使用的非金屬材料，特別是兩個(gè)表面均與易燃易爆環(huán)境接觸時(shí)，需要分別對(duì)兩個(gè)表面的電阻進(jìn)行測(cè)試，只有當(dāng)兩個(gè)表面的電阻值均滿足防靜電需求時(shí)，才能安全的使用該種材料。

同種材料制成的非金屬樣品，當(dāng)表面粗糙程度不同時(shí)進(jìn)行表面電阻測(cè)試，其與測(cè)試電極接觸的部分占樣品表面積的比例也不相同。選用表面粗糙程度逐漸增加的光滑、磨砂、花紋表面PVC材料進(jìn)行表面電阻測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同表面粗糙度材料表面電阻測(cè)試結(jié)果

從圖6可以看出，使用重錘電極、平行條電極、同心環(huán)電極3種電極進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)得的樣品表面電阻值均隨表面粗糙度的增加而增加，說明非金屬材料表面電阻值與材料表面粗糙度呈正比。

材料厚度是影響非金屬材料表面電阻的重要因素，實(shí)驗(yàn)選用厚度分別為2 mm、4 mm、6 mm的亞克力板，測(cè)量不同厚度的同種非金屬材料的表面電阻，結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著材料厚度的增加，材料表面電阻逐漸增加。

3.3 測(cè)試條件的影響

非金屬材料表面電阻測(cè)試過程中，施加在測(cè)試電極上的電壓、壓力等測(cè)試條件均會(huì)影響表面電阻的測(cè)試值，實(shí)驗(yàn)探究了施加電壓、壓力對(duì)材料表面電阻測(cè)試結(jié)果的影響。

為了探究對(duì)電極施加電壓對(duì)材料表面電阻的影響，使用平行條電極以及絕緣耐壓測(cè)試儀(該設(shè)備可以設(shè)置0～1 000 V的電壓值)對(duì)平行條施加電壓。實(shí)驗(yàn)選用光滑PVC和磨砂PVC兩種樣品，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8中，施加在測(cè)試電極上的電壓越大，表面電阻測(cè)試值越小。初始階段，當(dāng)電壓較小時(shí)(小于500 V)，表面電阻測(cè)試值隨電壓增加快速降低；電壓超過一定值后(大于500 V)，測(cè)試電壓對(duì)表面電阻的影響逐漸減小。分析原因主要是隨著電壓增加，激活了材料表面更多的活性粒子，材料表面的導(dǎo)電性增強(qiáng)，測(cè)得的表面電阻就會(huì)隨之降低；當(dāng)電壓增加到一定程度，材料表面不再產(chǎn)生更多的活性粒子，此時(shí)材料導(dǎo)電能力變化較小，因此測(cè)得的電阻值的變化也較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明在表面電阻檢測(cè)時(shí)，外加電壓的影響較為顯著，需要選擇適當(dāng)?shù)碾妷哼M(jìn)行測(cè)試。對(duì)于實(shí)驗(yàn)選用的光滑PVC與磨砂PVC樣品，測(cè)試電壓為500 V，即可測(cè)得較為穩(wěn)定的表面電阻值。

圖8 外加電壓對(duì)表面電阻的影響

施加在測(cè)試電極上的壓力不同時(shí)，測(cè)試電極與非金屬材料表面的接觸面積占材料表面截面面積的比例也不相同。為了探究施加在測(cè)試電極上的壓力對(duì)材料表面電阻的影響，研制了變壓力表面電阻測(cè)試裝置，應(yīng)用該裝置對(duì)玻纖防靜電板與絕緣材料光滑PVC板進(jìn)行變壓力表面電阻測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著施加在測(cè)試電極上壓力的增加，測(cè)得的非金屬材料表面電阻值逐漸減小。此外，在開始加壓階段，表面電阻的下降速率較快，隨著壓力的不斷升高，表面電阻的降低速率逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

(a)玻纖防靜電板

測(cè)試電極與被測(cè)非金屬材料的接觸表面很難達(dá)到絕對(duì)的光滑，會(huì)存在許多小的高低不等的突起，影響接觸面積。隨著施加壓力的增加，首先最高的小突起被壓低，次高的小突起得以接觸，繼續(xù)加大壓力，就有更多的小突起得到接觸，隨著測(cè)試壓力的增加接觸面積就逐漸加大了，測(cè)試的電阻值就減小了，如圖10所示。

圖10 測(cè)試壓力對(duì)表面電阻影響原理

從理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都可以看出，對(duì)非金屬材料進(jìn)行表面電阻測(cè)試時(shí)，施加在電極上的壓力對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，因此進(jìn)一步驗(yàn)證IEC 60079-32-2[13]中推薦使用的漆條法測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性有待提高，測(cè)試方法需要改進(jìn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以得出，增加測(cè)試電極的壓力時(shí)材料表面電阻存在極值，為了非金屬材料在易燃易爆場(chǎng)所的使用安全(存在表面施壓?jiǎn)栴})，探索非金屬材料的極限測(cè)試壓力以及極限表面電阻值具有重要意義。

4 結(jié)論

本文通過使用現(xiàn)有表面電阻測(cè)試設(shè)備結(jié)合自行研制的平行條電極，進(jìn)一步探究了測(cè)試電極、材料類型、測(cè)試條件等因素對(duì)非金屬材料表面電阻測(cè)試結(jié)果的影響，結(jié)果表明：

(1)使用不同電極對(duì)同種材料進(jìn)行測(cè)試時(shí)，表面電阻測(cè)試結(jié)果會(huì)存在差異，特別是針對(duì)均勻性差、尺寸小的材料。

(2)通過與其他測(cè)試電極測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了平行條電極測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)材料表面粗糙度、材料厚度、非均勻材料的不同表面測(cè)得的表面電阻均不相同，表面電阻隨表面粗糙度的增加而增大，隨厚度的增加而增大。

(4)測(cè)試電壓較低時(shí)，電壓越高測(cè)得的表面電阻越小，但電壓超過500 V以后，電壓影響較小。施加在測(cè)試電極上的壓力越大，表面電阻測(cè)試值越小，且隨著壓力逐漸增加，電阻值趨于穩(wěn)定。