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防 静 电 技 术

2016-04-01

一、前言
虽然静电效应是电学中最早用实验证明出来的，但在现代工业制程中静电却还被视为“无名火”。一般业界对静电危害防制技术可谓相当陌生，常常发生许多误解或误用防制方法而不自知，以致未能防范静电危害事故的发生。
在大部份工业制程中都会产生静电荷的累积，轻则使人感到不舒适，重则对人体造成伤害，甚至在易燃性气体、液体和粉尘的装卸与输送过程中，产生火灾爆炸事故。尤其在某些具潜在静电危害的行业，如：化学、石油、涂料、塑料、制药、食品、印刷和电子等行业，容易有静电危害产生的问题。
二、静电危害的产生
在工作环境中，所有因静电引起的火灾爆炸事件都遵循着相同的程序，如下所述：首先发生电荷分离，然后电荷累积，若电荷无法散逸，则将发生静电放电，同时可能引燃周围易燃性物质，而发生火灾爆炸危害事件。
许多工业制程常使用导电性甚差的物质，并常有表面接触、分离和移动的操作，因而产生电荷分离的现象。例如：高电阻值液体的流动或过滤、粉体的研磨、混合或筛选过程、粉体的气动式传输、人员或车辆在绝缘地板上的移动、输送带或薄片状物质在滚轮上的移动等。在上述或类似的制程中都会发生静电的问题。
当电荷在物体上累积到使电场达空气的介电强度3MV/m时，就会产生放电现象，将其所储存的全部或部份能量释放出来，形成具有光与热的放电路径，并可能引燃易爆性物质。根据易燃性物质的最小引火能量 (Minimum Ignition Energy MIE) 数据，可推知静电放电的能量是否足以引燃该易燃性物质。
近来由于许多设备的零件都使用非导电性塑料，使得设备中某部份金属的组件、组件、管路、容器或结构形成电的绝缘体，致使电荷逐渐累积至危险程度。典型的例子包括：在塑料管路上安装金属漏斗、金属管路上因非导电性垫圈而使某段金属管路绝缘、人员因穿绝缘鞋或站在绝缘地板上而使人体被绝缘等。累积在绝缘导体上的电荷产生放电时，会将所有的能量在一次放电中释放，此类静电放电称为火花放电。一般而言，火花放电可引燃易燃性气体、蒸气和尘云。
电荷在绝缘物体表面的移动速率甚慢，然而静电放电的持续时间却极短，因此绝缘物体蓄积的电荷，不易于单次的静电放电中全部释放出来，而可能在绝缘物体表面之邻近区域发生多次静电放电。由于电荷和周围环境几何形状之不同，放电型式可分为：电晕放电、刷状放电，以及射状放电三种。一般而言，刷状放电之能量大于电晕放电。刷状放电能量足以引燃许多易燃性气体、溶剂蒸气及混合物等。在一非导电性薄膜的两面充满正、负极性电荷时将蓄积大量电荷，若发生射状放电其能量足以引燃大多数的可燃性气体和易燃性粉尘。
在一大筒仓或容器中充满高电荷粉粒产品的表面发生之辐射状方式放电，称为大量粉堆放电。若有易燃性气体或具有较低最小引火能量之尘云存在时，则有甚大的潜在危害，因此必须设法排除大量粉堆放电的产生。
三、静电危害防制方法
静电危害防制方法可分为接地、增加湿度、限制速度、抗静电材料、与静电消除器等五种。工业制造过程中，因作业环境、程序及材料的不同，所实施的静电危害防制方法亦会有所不同。选用时必须考量现场制程环境、条件与限制，甚至经费、管理系统与人力素质等因素。没有一种静电危害防制方法可以适用于所有的工业制程或情况，有时同时采用二种或二种以上的静电危害防制方法。
(一)、接地
静电危害防制方法中，接地是最有效且经济的方法。制程中因摩擦、感应或传导等方式产生静电，若电荷蓄积在对地绝缘的金属设备、导电性产品或人员身体上，则蓄积的电荷会在一次放电中将能量释放。此类静电放电为发生静电危害事故之主要原因。其防制方法就是将所有具导电性的对象实施接地，并保持低的接地电阻，将蓄积在金属设备、导电性产品或人员身体上的电荷迅速向大地散逸，以避免发生静电危害事故。
根据相关研究显示，存在易燃性蒸气的一般作业场所中，被绝缘的金属设备/组件、导电性产品或人员身体本身的电位需达100 V以上，方可能因放电而引燃周围的易燃性物质。因此在工厂中将被绝缘的金属设备/组件、导电性产品等实施接地，保持接地电阻小于106 Ω，就足以将蓄积的电荷迅速向大地散逸，而将本身的静电电位降至100 V以下，以避免发生静电危害事故。
(二)、增加湿度
增加作业环境中空气的相对湿度，在目前传统产业的制程中亦是常见的静电危害防制方法。在高湿度（R.H. > 65 ﹪）环境中，若物质表面具亲水性，则容易吸附空气中的水份，进而降低物质的表面电阻值，增加电荷散逸的速率，将电荷蓄积程度降至最低。这类物质包括棉、纸及醋酸纤维素等。工厂制程中通常会采用加湿器、地面洒水、或水蒸气喷出等方法，增加作业环境中空气的相对湿度。
若物质表面为非亲水性，则不易吸附空气中的水份，致无法降低物质的表面电阻值，因此不能增加电荷散逸的速率。这类物质包括部份人造聚合物如：ABS（Acrylonitrile – Butadiene - Styrene，丙烯月青- 丁二烯 – 苯乙烯）、Teflon（铁氟龙，氟碳聚合物）等。这类高斥水性物质需要相对湿度提高至80 ﹪，甚至90 ﹪以上，才能有效降低物质的表面电阻值，将电荷蓄积程度降至最低。
(三)、抗静电材料
制程中物质所蓄积的静电会经传导路径向大地散逸。若传导路径为绝缘性材料（导电性低）则静电散逸率低，若传导路径为导电性材料（导电性高）则静电散逸率高。物质的表面电阻系数小于1011 Ω/m2或体积电阻系数小于1010 Ωm，即可避免物质蓄积过量的静电。该类物质称为抗静电材料。但在含易燃性物质的作业场所中，则抗静电材料的表面电阻系数需小于108 Ω/m2或体积电阻系数需小于106 Ωm。
对于工业制程中使用的各种材料，可经由下列方法使之成为抗静电材料：物质本身具有抗静电能力（如：棉、木材、纸及土壤等）、在绝缘材料的表面涂布抗静电物质（如碳粉、抗静电剂等）、在绝缘材料制造过程中加入导电或抗静电物质（如碳粉、金属、抗静电剂、导电性纤维等）。
(四)、静电消除器
利用高压电在空气中产生带电离子。由于异性电荷会互相吸引而中和，离子可中和带静电物体的电荷，使其电荷蓄积程度降至最低，因此不会发生静电放电。静电消除器大致可分为被动式、主动式及辐射源式等三种。选择静电消除器时，必须考量作业环境因素才能发挥最大的静电消除效果。一般而言，静电消除器架设位置应接近带静电物体而远离接地金属对象，以发挥最大的静电消除效果。此外，需注意因电离所产生臭氧的工业卫生问题，以及高压电源与带电体产生短路及放电所引发的工业安全问题。
(五)、限制速度
工业制程中两种物体可能因摩擦而产生静电，并逐渐累积而发生静电危害事故，因此降低摩擦速度可减缓静电的产生，达成防制静电危害事故发生的目的。在工业制程中受限于物质特性与产量要求，限制速度的静电危害防制方法，通常多应用于易燃性液体的输送作业。
将液体原/物料输送至储槽或容器时，若是低导电系数（小于50 pS/m ）的易燃性液体且其中含有悬浮物、水等不兼容物，则在现场作业时应限制易燃性液体流速低于 1 m/s 。若易燃性液体中未含有不兼容物，则液体流速应限制低于 7 m/s。一般工业制程都能依据此原则进行制程设计与生产操作。低导电系数的易燃性液体入料作业时所造成的喷溅亦是制程中潜在静电危害来源之一。可将液体入料管线尽量接近储槽/容器底部，或由储槽/容器底部之入料管线进行液体原物料输送，或降低易燃性液体的流速，主要目的在于减少液体穿过液面时的摩擦以及引起液体的扰动，以避免因过多的摩擦产生大量的静电。
　
四、静电灾害案例检讨
工业制程中静电可能伴随各种不同作业而产生。如原料入料、搅拌、成品输送、分装等。若静电蓄积至危险程度，即会发生静电放电，轻者造成人员电击事件，严重者可能引燃周围易燃性物质，发生火灾或爆炸事故，造成人员伤亡及财产损失。例如化学工厂中有许多不同的制程与作业，其中某些日常重复性的工作，从未发生过危害事件，可是有一天某一组件或物料被更换，作业人员却未发觉作业中的潜在静电危害，致使引发严重的危害事件。
(一)、灾害现场描述
多年前在某化学工厂中曾有一位作业人员将小铁桶装满甲苯时发生了火灾，首先他将小铁桶的塑料把手挂在管路阀件上，打开阀件后不久就看到甲苯起火燃烧，作业人员描述当时的情况说：「我站在那里，甲苯就引火开始燃烧。」他赶快到附近拿一个小型灭火器，但不足以将火扑灭，所以又去拿一个大型的灭火器，可是这时候铁桶中的甲苯已经漫延到地面上造成一场严重的火灾。
(二)、灾害原因分析
事后工厂调查此一意外事故，发现该作业人员执行此一工作已数年而且未发生事故。原先的铁桶把手是木质材料，现在被更换为塑料材料，经量测发现干燥木头的体积电阻系数为109 Wm，塑料的体积电阻系数为1016 Wm，另研究发现甲苯流动10秒产生1微库伦的电量，经由小铁桶释放出约25毫焦耳的能量，甲苯的最小引火能量为0.24毫焦耳，所以当小铁桶中蓄积足够静电荷并发生静电放电时，其能量足以引燃甲苯蒸气发生火灾。
(三)、防范措施
说明这个案例的目的并不是建议作业中使用木头材质的器具就不会发生静电问题，而是要强调作业中一点小改变就可能引起重大的损失。此案例中适当的做法应该是正确的接地措施，并保持低的接地电阻，将蓄积在小铁桶上的电荷迅速向大地散逸，就能避免发生静电危害事故。在实际运作时必须经由管理方式来加强现场作业的管理与监督，避免作业人员疏忽，未在入料前将金属桶实施接地。
　
五、国内静电危害问题与防范对策
劳工安全卫生研究所于85年度规划「制造业静电危害现况调查」计画，针对制造业中静电危害性高之十大业别（造纸、纺织、印刷、化学、化工、石化、橡胶、塑料、电力电子、食品）寄发问卷调查，获致制造业静电危害现况结论如下：
(一)、造纸业静电危害多发生于滚轮复卷与产品分装时，导致人员电击、产品瑕疵等。
(二)、纺织业静电危害以成品高速传送累积静电导致人员电击、产品不良为多，亦曾因此发生火灾爆炸事故。
(三)、印刷业、塑料业、与橡胶业等之静电危害类型雷同，多发生在成品卷送作业中引起的高静电，导致人员电击与产品不良，静电亦会引燃油墨或溶剂而导致火灾爆炸事故。
(四)、石化业之静电危害多发生于流体传送、搅拌、粉体研磨、入料、筛选等作业，虽然危害事件发生频率较低，但若发生危害事故则灾害后果大多甚严重。
(五)、电力电子业之静电危害以静电造成产品瑕疵与损坏为主，食品业之静电危害以粉体作业与酒精槽储运作业为主。
针对制程中的静电危害事故采行防范对策，应先了解静电危害发生原理，熟悉危害发展过程中静电产生及散逸的因素，以及静电放电类型与危害，能够辨认静电危害形成的每一阶段，然后能针对危害原因运用静电量测仪器，进行制程中物质及环境量测，掌握制程中静电物理量，评估具潜在之静电危害因素，后续研拟与采行适宜之静电危害防制方法，同时持续量测与比对施行静电危害防护措施的效果，可以有效降低潜在静电危害，提高生产过程中的作业安全及人员的安全。