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Statische elektriciteit
Een onzichtbare vijand
version française
Statische elektriciteit is in feite ‘rustende’ elektriciteit en niets anders dan
een overschot (negatieve lading) of gebrek (positieve lading) aan elektronen op
een geïsoleerd lichaam. Dit in tegenstelling tot de dynamische elektriciteit die
door het elektriciteitsnet verdeeld wordt. Bij statische elektriciteit zijn de
typische waarden van weerstand, stroom en spanning dan ook geheel verschillend
van die van de dynamische elektriciteit.
Het aarden van installaties en hun onderdelen kan nodig zijn indien bij
verpompen, transporteren, bewerken of verwerken, gevaar bestaat voor
elektrostatische ontlading. Onderzoeken van explosies waarbij statische
elektriciteit een rol kan hebben gespeeld zijn vaak lastig. Het is niet direct
herkenbaar, mede omdat de sporen door de explosie worden gewist. Meerdere
oorzaken die ogenschijnlijk geen direct verband met elkaar hebben, leiden naar
de onvermijdelijke explosie of brand. De mogelijkheid van vorming van statische
elektriciteit wordt hierbij vaak onderschat en krijgt weinig aandacht van
industriële processen en installaties. Statische elektriciteit behoort dan ook
een standaard aandachtspunt te zijn bij de uitvoering van ontwerpanalyses.
Oorzaken
Om een ontlading van statische elektriciteit te kunnen krijgen, moet er
uiteraard eerst een oplading van statische elektriciteit plaatsvinden. Vele
materialen of stoffen die we in het dagelijks leven tegenkomen zijn in meer of
minder mate oplaadbaar. De zogenaamde tribo-elektrische oplading.
Tribo-oplaadbare materialen zijn bijvoorbeeld vrijwel alle soorten plastic
(polyethyleen, PVC, teflon, …), in kleding gebruikte kunststoffen als nylon en
dralon, maar ook natuurlijke stoffen als (mensen-)haar en wol. Al deze
materialen worden opgeladen door wrijving. Dit kan door wrijving tussen twee
dezelfde materialen, maar ook tussen twee verschillende. Het optreden van
statische elektriciteit en de gevaren en moeilijkheden die daardoor ontstaan
zijn niet alleen afhankelijk van de eigenschappen en de methode van bewerking
van de stof, maar ook van een aantal externe factoren zoals temperatuur en
vochtigheid. Indien twee verschillende stoffen met elkaar in contact zijn,
zullen de elektronen van de aan het oppervlak aanwezige atomen zich
hergroeperen. Er treedt tenslotte een evenwichtstoestand op waarbij de ene stof
een overschot en de andere stof een even groot tekort aan elektronen krijgt,
waardoor de stoffen elkaar zullen aantrekken. Worden deze stoffen nu door
mechanische arbeid gescheiden dan kan, afhankelijk aan de geleiding van de
stoffen en van de separatiesnelheid, dit overschot respectievelijk tekort aan
elektronen grotendeels blijven bestaan. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij slecht
geleidende stoffen of bij een geïsoleerd opgesteld geleidend lichaam. In zo’n
geval is dan minstens één der stoffen ‘statisch’ geladen.
Statische oplading
Bij industriële processen treedt statische oplading op bij aanraking gevolgd
door scheiding van – of wrijving tussen – een goede elektrische isolator en een
ander lichaam. Wanneer de opgewekte lading niet kan weglekken, kan aan het
oppervlak de elektrische veldsterkte voldoende hoog worden. Hierdoor kan een
lokale ontlading optreden. Is het opgeladen lichaam een geïsoleerd opgestelde
geleider dan kan bij uitwisseling van lading tussen deze geleider en een ander
voorwerp de totale lading overgaan in de vorm van een vonk. Dit gevaar dient men
te vermijden door aarding consequent door te voeren. Eén van de meest
voorkomende ‘oplosbare voorwerpen’ in fabrieken is het menselijk lichaam,
staande op rubber zolen of op een slecht geleidende rubber- of asfaltvloer. De
capaciteit van het menselijk lichaam is ruim voldoende om vonken te trekken met
voldoende ontstekingsenergie, bijvoorbeeld wanneer een geaarde machine wordt
aangeraakt. Op zo’n moment is men gauw geneigd te veronderstellen dat de machine
lading draagt, hetgeen soms tot onjuiste conclusies kan leiden. Bij de
bestrijding van statische elektriciteit is het van belang eerst te meten. Meten
is immers weten. Twee grootheden kunnen van belang zijn: de elektrische
weerstand en de oplading gemeten als veldsterkte.
Hoe bestrijden?
Zoals reeds aangehaald is het kleinste deeltje van een element het atoom,
dat bestaat uit een positief geladen kern, waaromheen negatief geladen
elektronen cirkelen. In normale toestand is de lading van de kern gelijk aan die
van de elektronen en heffen de positieve en de negatieve lading elkaar op. Door
invloeden van buiten kunnen elektronen toe- of afgevoerd worden. Hierdoor raakt
het elektrisch evenwicht verbroken en wordt het materiaal elektrostatisch
geladen. Bij een elektronenoverschot spreken we van een negatieve lading, bij
een tekort van een positieve lading. In beide gevallen is er sprake van een
instabiele situatie. Bij geleidende materialen zal het evenwicht zich meestal
herstellen. De vrije elektronen zwerven als het ware door het materiaal op zoek
naar positief geladen deeltjes en er treedt neutralisatie op. Bij niet
geleidende materialen kan die neutralisatie niet plaatsvinden en hoopt de
spanning zich op. Komt het materiaal dan in contact met een geleidend materiaal
dan zal de spanning zich ontladen, waarbij een vonk kan ontstaan. Veel
verpakkingsmaterialen behoren tot de niet geleidende materialen. Deze materialen
kunnen elektrisch geladen worden door wrijving maar vaak meer nog als twee
materialen van elkaar gescheiden worden. Verder speelt de relatieve
luchtvochtigheid een rol. Hoe droger de lucht, des te kleiner het
geleidingsvermogen en des te groter de kans op statische elektriciteit. Vooral
’s winters is de luchtvochtigheid laag (soms tot onder 20 %). Een relatieve
luchtvochtigheid tussen 50 en 60 % wordt voor het verminderen van
elektrostatische oplading als meest ideaal gezien (in dit geval zal zich op alle
oppervlakken een minuscuul dun waterlaagje vormen, dat de statische
elektriciteit afvoert). Ook gelamineerde kunststoffen kunnen door hun opbouw in
lagen veel energie opslaan. Komen zij dan in aanraking met een metalen
machineonderdeel dan zal een vonk overslaan, die brand kan veroorzaken. Is in de
omgeving een brandbaar mengsel van bijvoorbeeld oplosmiddeldampen aanwezig, dan
kan de vonk zelfs tot een explosie leiden. Tenslotte fungeert ook de mens als
een geleidend materiaal. Direct contact met een statisch geladen materiaal kan
daarom een schok veroorzaken. Loopt iemand op isolerende schoenen, dan kan hij
zelf elektrisch geladen worden. Komt hij vervolgens in contact met een geleidend
materiaal dan kan hij een schok krijgen en kan zelfs een vonk overspringen. In
ruimtes waar het risico bestaat van explosiegevaar, moet daarom geleidend
schoeisel worden gedragen.
Voorkomen is beter dan genezen
Onder het welbekende motto ‘voorkomen is beter dan genezen’ is het dus zaak
om te voorkomen dat materialen en mensen zich tijdens het productieproces
opladen. Als ze zich namelijk niet opladen, zal er ook geen ontlading
plaatsvinden. Het voorkomen van oplading kan enerzijds worden bereikt door het
gebruik van niet of maar zeer beperkt oplaadbare materialen. Dit soort
materialen zullen zich in het dagelijks gebruik door wrijving niet of nauwelijks
laten opladen en vormen daarom geen gevaar. Natuurlijke voorbeelden van
dergelijke materialen zijn hout en karton. Daarnaast is het mogelijk om normaal
gesproken oplaadbare materialen, zoals bijvoorbeeld plastic, te voorzien van een
speciale coating met anti-staticum, waardoor ze tijdelijk of permanent niet meer
oplaadbaar zijn. Anderzijds is het mogelijk om materialen te gebruiken die een
zekere mate van geleiding hebben. Mits deze producten met aarde zijn verbonden
hebben ze namelijk het vermogen om elke optredende elektrostatische lading in de
kiem te smoren. Natuurlijke geleiders zijn uiteraard de meeste metalen en water,
maar ook de mens. Aangezien wij voor een groot deel uit water bestaan kunnen we,
door ons te aarden, heel goed statische elektriciteit afvoeren. Deze aarding
gebeurt meestal met speciale ESD-polsbandjes (Electro Static Discharge), maar
kan ook door speciale geleidende schoenen of schoenbandjes, in combinatie met
een geleidende vloer worden bewerkstelligt. Sommige kunststoffen kunnen, meestal
door het toevoegen van koolstof, ook heel goed geleidend worden gemaakt. Deze
techniek wordt veelal toegepast in de elektronica-industrie gebruikte kunststof
containers, verpakkingsmaterialen, magazijnbakken en dergelijke. Is dit alles
nog niet voldoende, dan kan men nog altijd overgaan tot het plaatsen van actieve
of passieve ionisatoren.>>
L’électricité
statique,
un ennemi invisible
En fait, l’électricité statique est de l’électricité au ‘repos’ et rien d’autre
qu’un reste (charge négative) ou un manque (charge positive) d’électrons sur un
corps isolé. Ceci, contrairement à l’électricité dynamique distribuée par le
réseau . En cas d’électricité statique, les valeurs typiques de résistance,
courant et tension sont totalement différentes de celles de l’électricité
dynamique.
La mise à la terre des installations et de leurs éléments peut s’avérer
nécessaire s’il y a danger de décharge électrostatique lors de pompage,
transport, traitement ou transformation. Les enquêtes sur des explosions dans
lesquelles l’électricité statique peut avoir joué un rôle sont souvent
difficiles. Elle n’est pas toujours directement reconnaissable, parce que les
traces peuvent avoir été effacées par l’explosion. Plusieurs causes, qui n’ont
apparemment pas de lien direct entre elles, peuvent immanquablement provoquer
une explosion ou un incendie. La possibilité de formation d’électricité statique
est souvent sous-estimée et elle attire peu l’attention dans les processus et
installations industriels. L’électricité statique doit aussi être un point
d’attention standard lors de la réalisation d’analyses de projets.
Causes
Pour obtenir une décharge d’électricité statique, il faut évidemment qui y a
d’abord un chargement d’électricité statique. De nombreux matériaux ou produits
que nous rencontrons dans notre vie quotidienne peuvent plus ou moins être
chargés en électricité statique. La soi-disant charge triboélectrique. Des
matériaux pouvant être chargé triboélectriquement sont pratiquement tous les
plastiques (polyéthylène, PVC, téflon,…), les fibres synthétiques utilisées dans
les vêtements telles que nylon et dralon, mais aussi des fibres naturelles comme
les cheveux (humains) et la laine. Tous ces matériaux sont chargés par
frottement. Cela peut être un frottement entre deux matériaux identiques, mais
aussi entre deux matériaux différents. L’apparition d’électricité statique et
les dangers et difficultés pouvant en résulter dépendent non seulement des
propriétés et des méthodes de transformation de la matière, mais aussi d’un
certain nombre de facteurs extérieurs tels température et humidité. Si deux
matières différentes sont en contact entre elles, les électrons des atomes en
surface, se regrouperont. Il y a finalement un état d’équilibre selon lequel une
matière a un excédent et l’autre un manque identique d’électrons, ce qui fait
que ces matières s’attirent. Si ces matières sont séparées par une intervention
mécanique, cet excédent et ce manque d’électrons peuvent subsister en grande
partie, en fonction de la conductibilité des matières et de la vitesse de
séparation. Cela se fait par exemple pour des mauvais conducteurs ou sur un
corps conducteur, monté de manière isolée. Dans ce cas, au moins une des
matières est chargée ‘statiquement’.
Chargement statique
Dans les processus industriels, le chargement statiquement se fait lors d’un
contact suivi d’une séparation de – ou frottement entre – un bon isolateur
électrique et un autre corps. Lorsque la charge suscitée ne peut s’échapper,
l’intensité du champ électrique à la surface peut augmenter suffisamment. Ceci
peut provoquer une décharge locale. Si le corps chargé est un conducteur, monté
de manière isolée, la charge totale peut se faire sous forme d’étincelle lors de
l’échange de charge entre ce conducteur et un autre objet. Il faut éviter ce
danger en effectuant une mise à la terre correcte.
Un des objets les plus ‘solubles’ dans les usines est le corps humain, placé sur
des semelles en caoutchouc ou sur un sol en caoutchouc ou en asphalte, mauvais
conducteur. La capacité du corps humain est suffisante pour attirer des
étincelles avec suffisamment d’énergie d’allumage, par exemple, en touchant une
machine mise à la terre. A ce moment, on est facilement tenté de supposer que la
machine est chargée, ce qui peut parfois entraîner à de mauvaises conclusions.
Dans la lutte contre l’électricité statique, il est important de commencer par
mesurer. Car mesurer nous permet d’en savoir plus. Deux grandeurs peuvent être
importantes : la résistance électrique et la charge, mesurées comme intensité de
champ.
Comment lutter ?
Comme nous l’avons déjà dit, la plus petite particule d’un élément est
l’atome, composé d’un noyau chargé positivement, avec des électrons, chargés
négativement, qui circulent autour. Normalement, la charge du noyau est égale à
celle des électrons et les charges négatives et positives se neutralisent. Suite
à des influences externes, les électrons peuvent être rapprochés ou éloignés, ce
qui perturbe l’équilibre électrique. C’est ainsi que le matériel est chargé
électrostatiquement. Lorsqu’il y un excédent en électrons, on parle d’une charge
négative, lorsqu’il en manque, on parle de charge positive. Dans les deux cas,
on peut parler d’une situation instable. Pour les matériaux conducteurs,
l’équilibre se rétablira en général. Les électrons libres se baladent en quelque
sorte à travers le matériau à la recherche de particules chargées positivement
et il y neutralisation. Si le matériel entre en contact avec un matériau
conducteur, la tension se déchargera, et provoquera une étincelle.
De nombreux matériaux d’emballage figurent parmi les matériaux non conducteurs.
Ces matériaux peuvent être chargés électriquement par friction, mais plus
souvent encore, lorsque deux matériaux sont séparés. Par ailleurs, l’humidité
relative de l’air joue aussi un rôle. Plus l’air est sec, plus faible sera la
capacité de conductibilité et plus grand le risque d’électricité statique.
Surtout en hiver, l’humidité de l’air est faible (parfois, sous 20%). Un taux
d’humidité relative entre 50% et 60% est considéré comme la meilleure condition
pour diminuer le chargement électrostatique (dans ce cas, il se formera une très
fine pellicule d’eau sur toutes les surfaces. Celle-ci éloignera l’électricité
statique).
Les matières synthétiques laminées peuvent emmagasiner beaucoup d’énergie, en
raison de leur assemblage en couches. Si elles entrent en contact avec un
élément de machine en métal, il y aura une étincelle, pouvant provoquer un
incendie. S’il y a un mélange inflammable, par exemple, des vapeurs de solvants,
à proximité, cette étincelle peut même provoquer une explosion. Enfin, l’homme
agit aussi comme conducteur. C’est pourquoi un contact direct avec du matériel
chargé statiquement peut donner un choc. Si vous portez des souliers à semelle
isolante, vous pouvez vous-même être chargé électriquement. Si vous entrez
ensuite en contact avec un matériau conducteur, il peut recevoir un choc,
pouvant même provoquer une étincelle. Dans les locaux avec des risques de
déflagration, il faut porter des chaussures conductrices.
Il vaut mieux prévenir que guérir
Pour suivre le slogan ‘il vaut mieux prévenir que guérir’ il faut veiller à
éviter que les matériaux et les hommes soient chargés durant le processus de
production. S’ils ne se chargent pas, il n’y aura pas non plus de décharge. On
peut notamment éviter d’être chargé en électricité, d’une part en n’utilisant
pas ou très peu de matériaux chargeables. Ce type de matériaux ne se charge pas
ou très peu par friction à l’usage quotidien et il ne représente donc pas de
danger. Des exemples naturels de tels matériaux sont le bois et le carton. En
outre, il est possible de recouvrir certains matériaux qui sont, normalement,
chargeables, comme par exemple le plastique, d’un revêtement spécial
antistatique, ce qui les rend temporairement ou de façon permanente non
chargeables. D’autre part, il est possible d’utiliser des matériaux qui ne sont
que partiellement conducteurs. Moyennant le raccordement de ces produits à la
terre, ils peuvent en quelque sorte étouffer la charge électrostatique. La
plupart des métaux et l’eau, mais aussi l’homme sont évidemment des conducteurs
naturels. Comme nous sommes composés en grande partie d’eau, nous pouvons très
facilement éliminer l’électricité statique en nous connectant à la terre. Cette
mise à la terre se fait en général grâce à des bracelets ESD (Electro Static
Discharge) spéciaux, mais aussi en portant des chaussures ou des lacets
conducteurs, sur un sol conducteur. Certaines matières synthétiques peuvent,
souvent par l’addition de carbone, être rendues très conductible. Cette
technique est souvent appliquée dans l’industrie électronique, où l’on utilise
des conteneurs, matériaux d’emballage, bacs de stockage et autres en matières
synthétiques. Si tout ceci ne suffit pas encore, on peut toujours procéder au
placement d’ionisateurs actifs ou passifs. <<
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