防靜電服帶電電荷量測試方法的探討

任春祥

中國石油天然氣集團有限公司勞動防護用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（黑龍江 大慶 163453）

為防止人體靜電引起火災、爆炸等危險，防靜電服成為石油化工等作業(yè)場所重要的人體防靜電措施。“帶電電荷量”是評價防靜電服防靜電性能優(yōu)劣的核心技術指標。中國石油天然氣集團公司勞動防護用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心是從事防靜電服產(chǎn)品檢驗的專業(yè)檢驗檢測機構，在開展防靜電服產(chǎn)品“帶電電荷量”檢測過程中發(fā)現(xiàn)，實驗室檢測結果的重復性較差；通過與國家勞動防護用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(北京)進行的實驗室間比對情況發(fā)現(xiàn)，檢測結果同樣存在再現(xiàn)性較差的問題。通過大量的實際檢測工作發(fā)現(xiàn)，樣品投放方式、滾筒轉速及環(huán)境因素是造成“帶電電荷量”檢測結果重復性、再現(xiàn)性不理想的主要因素。在實際應用過程中，合理地選擇測試條件，是客觀評價防靜電服防靜電性能指標的關鍵。

1 人體靜電產(chǎn)生機理及防靜電服帶電電荷量檢測原理

1.1 人體靜電產(chǎn)生機理和防靜電服的概念

人體靜電產(chǎn)生的原因有接觸起電、感應起電和吸附起電[1-2]，其中接觸起電是指兩種物體接觸時，電子從一種物體表面轉移到另一種物體表面并形成偶電層，在分離時兩個物體會帶上不同類型的電荷，摩擦可以使接觸起電的效應增強[3-4]。人活動時，服裝之間或服裝與其他物體相互接觸或摩擦，就會使電子轉移產(chǎn)生靜電。在石油化工等作業(yè)場所，靜電放電的能量高于可燃物最低點火能時，容易引起可燃物燃燒、爆炸等危險[5]。

GB 12158—2006《防止靜電事故通用導則》、中石油集團《安全生產(chǎn)管理知識學習考核要點》以及《防護服裝管理規(guī)定》均規(guī)定，在火災爆炸危險場所應當配備防靜電服作為人體防靜電措施[6-7]。GB 12014—2019《防護服裝防靜電服》[8]強制性國家標準所適用的便是用于各類可能因靜電引發(fā)電擊、火災及爆炸危險場所的防靜電服，其原理是通過在織物纖維上添加親水性抗靜電劑或基團、混紡或嵌入導電性能良好的導電纖維（標準大氣條件下電阻率小于1×107Ω·cm 的纖維，分為有機導電纖維、無機導電纖維以及金屬材料導電纖維）等方法來提升織物的親水性和導電性，降低織物表面摩擦系數(shù)，或使織物表面離子化[9-10]，進而有效降低織物電荷產(chǎn)生能力，提升織物電荷散逸能力，織造出防靜電織物，最終制作成防靜電服。

1.2 防靜電服帶電電荷量檢測原理

判定防靜電服防靜電性能的指標為“帶電電荷量”，該指標按照GB 12014—2019 標準附錄B 中的“帶電電荷量測試方法”進行檢測，即將洗滌后的防靜電服在滾筒摩擦機內(nèi)摩擦15 min后，投放到法拉第桶內(nèi)，通過靜電電量測試儀讀取其帶電電荷量，取5 次有效測試的平均值作為檢測結果，進而判斷其防靜電性能的優(yōu)劣（不應大于0.60 μC）。服裝的摩擦帶電電荷量是由服裝面料的表面積、織物纖維材料摩擦時的電荷產(chǎn)生、耗散和泄露能力以及導電纖維的電暈放電能力共同決定的[11-12]。

表1為兩種纖維材料相互摩擦時的靜電電位序列，其中靠左的材料易帶正電，靠右的易帶負電，且兩種材料距離越遠，摩擦帶電量越大[13]?！皫щ婋姾闪繙y試方法”中所用的滾筒摩擦機的標準摩擦布即為易帶負電的聚丙烯腈（腈綸）材質(zhì)，其短纖維的結構容易產(chǎn)生靜電聚積[14]，測試時容易使常見的純棉、滌綸、滌棉等防靜電服基礎材料摩擦帶正電。

表1 纖維材料摩擦靜電電位序列

2 防靜電服帶電電荷量檢測方法探究

在開展防靜電服帶電電荷量檢測工作過程中發(fā)現(xiàn)，樣品投放方式、滾筒摩擦機轉速、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度均會對帶電電荷量的檢測結果造成較大影響，針對存在的問題設計了4組比對實驗。

2.1 樣品投放方式對檢測結果的影響

GB 12014—2019標準規(guī)定，摩擦后的樣品可以以自動投放或檢測人員佩戴絕緣電阻在1012Ω以上的絕緣手套手動投放兩種方式進入法拉第筒。為分析投放方式的影響，設計以下比對實驗：測試裝置為具有自動和手動投放兩種工作模式的滾筒摩擦機，兩名測試人員在相同測試條件下，分別對3組樣品采用手動投放和自動投放方式進行檢測，檢測數(shù)據(jù)見表2。

由表2檢測數(shù)據(jù)可以看出，相比于自動投放，手動投放方式的檢測結果平均值較小，標準差較大，且不同檢測人員的檢測結果之間存在一定差距。這是因為手動投放時，不同人員操作熟練度、操作習慣、生理條件、情緒不同，每次投放時樣品與摩擦布間電荷的中和[3]、向手套放電、搭邊放電等諸多復雜因素造成較大的人員誤差，影響檢測結果的準確性、重復性和再現(xiàn)性[15]。自動投放方式消除了人員誤差的影響，不同檢測人員檢測結果的重現(xiàn)性較好，并可提高檢測結果的準確性和重復性，因此應優(yōu)先選擇自動投放方式。

表2 手動投放/自動投放檢測帶電荷量對比 /μC

2.2 滾筒摩擦機滾筒轉速對檢測結果的影響

GB 12014—2019 標準規(guī)定滾筒摩擦機的滾筒轉速不小于46 r/min。為分析滾筒轉速的影響，設計以下比對實驗：實驗用滾筒摩擦機電機調(diào)速范圍為30～75 r/min。在相同測試條件下，檢測人員采用自投方式對3 組樣品以不同轉速進行檢測，樣品A、B、C 的質(zhì)量分別為560、330、750 g，環(huán)境溫度為20 ℃，相對濕度為35%，電荷量檢測結果如圖1 所示。

圖1 3組樣品在不同轉速下的電荷量檢測結果

通過圖1 可以看出：隨著轉速增大，檢測結果明顯增大。這是因為當轉速增大時，樣品所受滾筒壁的向心力增大，樣品和摩擦布之間的動摩擦力及相對速度的增大導致摩擦功增大，加之摩擦接觸面積增大，最終造成摩擦產(chǎn)生的電荷量增大[16]。因此，滾筒轉速的選擇直接影響帶電電荷量指標的評價結果，滾筒轉速在滿足標準要求的同時不應過大。

2.3 檢測環(huán)境相對濕度對檢測的結果的影響

GB 12104—2019 標準對檢測環(huán)境相對濕度的要求為30%～40%。檢測人員在環(huán)境溫度20 ℃，不同相對濕度的情況下對4 組樣品進行比對實驗，電荷量檢測結果如圖2所示。

圖2 4組樣品在不同相對濕度下的電荷量檢測結果

通過圖2可以看出：環(huán)境相對濕度在25%～45%范圍內(nèi)增大時，檢測結果明顯減小。這是因為相對濕度增大時，①空氣中水分子增多，服裝面料和摩擦布回潮率增大，表面電阻均明顯減小[17]（經(jīng)測試，實驗用服裝的面料表面電阻在相對濕度40%時比30%降低了一個數(shù)量級），有助于服裝與摩擦布分離時一部分電荷在接觸面發(fā)生中和[3]，加之空氣中水分子的增多和摩擦裝置持續(xù)不斷提供2 m3/min以上的風量，有助于電荷向空氣進行耗散；②織物基礎材料纖維吸水后變粗，基礎材料纖維和導電纖維之間距離減小，有助于電荷通過隧穿現(xiàn)象向?qū)щ娎w維進行轉移[17]；③空氣中水分子含量增多，有助于導電纖維進行電暈放電[11]；④面料中的水分子蒸發(fā)帶走了小部分電荷，且濕度越高，帶走的電荷越多[18-19]，電荷還同空氣中及面料附著的水分子發(fā)生碰撞或黏附，減弱了遷移的動能，電荷遷移能力下降[20]。綜上所述，環(huán)境相對濕度對實驗結果的影響較大，溫度恒定時，相對濕度越大，檢測結果越小，在實驗過程中應當嚴格控制試驗環(huán)境濕度，生產(chǎn)作業(yè)場所提升環(huán)境濕度可減少靜電聚積，保障生產(chǎn)作業(yè)安全。

2.4 檢測環(huán)境溫度對檢測結果的影響

GB 12104—2019 標準對檢測環(huán)境溫度的要求為15～25 ℃。檢測人員在相對濕度35 %，不同溫度情況下對4 組樣品進行檢測實驗，檢測結果如圖3所示。

圖3 4組樣品在不同溫度下的電荷量檢測結果

通過圖3 可看出，環(huán)境溫度在15～30 ℃范圍內(nèi)增大時，檢測結果呈減小趨勢，但趨勢不明顯。在相對濕度恒定的情況下，溫度越高，空氣中的水分子越多，溫度升高和水分子增多都會使面料表面電阻減小，造成服裝帶電電荷量減小。因此，環(huán)境溫度對檢測結果存在一定影響；相對濕度恒定時，溫度越大，檢測結果越小，在檢測過程中應當注重對環(huán)境溫度的控制。

3 結論及建議

對于防靜電服“帶電電荷量”的檢測，自動投放方式能夠消除檢測過程中人員誤差的影響，為提高檢測數(shù)據(jù)的準確性、重復性及再現(xiàn)性，應優(yōu)先采用自動投放方式進行樣品的投放；滾筒轉速直接影響樣品帶電電荷量的評價，當滾筒轉速增大時，樣品帶電電荷量顯著增大，因此應合理選擇滾筒摩擦機的滾筒轉速；檢測環(huán)境相對濕度和溫度對檢測結果均有影響，相對濕度對帶電電荷量的評價影響較大，在檢測過程中應注重對相對濕度及溫度的控制。

3.1 標準修訂建議

1）GB 12014—2019《防護服裝 防靜電服》附錄B中“帶電電荷量測試方法”應限定樣品投放方式為自動投放。

2）GB 12014—2019《防護服裝 防靜電服》中的帶電電荷量測試方法應增加對滾筒摩擦機轉速上限的要求，并在檢測結果中注明測試轉速。

3.2 帶電電荷量檢測過程中的注意事項

檢驗檢測機構在依據(jù)GB 12014—2019《防護服裝防靜電服》進行防靜電服帶電電荷量檢測時，應注意以下幾點：

1）進行帶電電荷量檢測時，自動投放方式能夠消除檢測過程中人為誤差的影響，提高檢測數(shù)據(jù)的準確性及重復性，檢驗機構應優(yōu)先選取自投式滾筒摩擦機設備。

2）進行帶電電荷量檢測時，應合理選擇滾筒摩擦機的滾筒轉速，可采用轉速可調(diào)式滾筒摩擦機進行測試。

3）由于防靜電服帶電電荷量檢測的周期較長，檢測環(huán)境的波動對每次測試結果影響較大，在進行測試時應當加強對環(huán)境條件的控制，減少空氣流動和人員活動等可能影響環(huán)境的因素，以提高檢測數(shù)據(jù)的可靠性。

3.3 防靜電服使用及管理建議

1）在低溫低濕工作環(huán)境下，產(chǎn)生的靜電不易耗散和泄露，容易增加凈電荷的聚積，因此在危險作業(yè)場所應當把環(huán)境溫濕度嚴格控制在合適的范圍內(nèi)，以減少靜電的聚積。

2）相比普通接觸，摩擦會明顯增加靜電的產(chǎn)生，且摩擦速度越快，產(chǎn)生的靜電越多，因此作業(yè)場所人的活動速率越大，靜電起電率越高，在危險作業(yè)場所應嚴格控制活動速率，并正確穿著和使用防靜電服，嚴禁穿脫防靜電服。

3）由于導電纖維性能受環(huán)境濕度影響很小，因此相比抗靜電劑整理類防靜電服，導電纖維混紡類防靜電服在低濕度下也有較好的防靜電性能，且其防靜電性能更耐久[21]，因此在防靜電服招標采購過程中應當優(yōu)先選用導電纖維類防靜電服產(chǎn)品。

4）質(zhì)量安全及物資管理部門應當關注防靜電織物和導電纖維的最新產(chǎn)品和技術，如耐久性滌綸防靜電織物、碳基導電纖維和多功能防護織物等前沿技術的研究進展[22]，并根據(jù)技術變化修訂《中國石油天然氣集團有限公司員工勞動防護服裝管理規(guī)定》，使防靜電服產(chǎn)品能夠更好地服務于油田生產(chǎn)。