Omówienie standardów stosowanych w odzieży BHP poprzedzamy wstępem teoretycznym. Jeżeli fizyka nie jest Twoim hobby możesz przejść prosto do norm:

• EN 1149 i inne normy bezpieczeństwa pracy
• EN 61340 - ochrona produktu

Elektryczność statyczna - skąd się bierze?

Elektryczność statyczna pojawia się gdy na powierzchni materiału znajduje się niezrównoważony ładunek elektryczny. Taki ładunek powstaje poprzez transfer elektronów pomiędzy dwoma materiałami i pozostaje w miejscu gdy materiał jest izolatorem (nie przewodzi prądu elektrycznego).

Wszystko co nas otacza zbudowane jest z atomów. Atomy składają się z jądra zbudowanego m.in. z naładowanych dodatnio protonów i krążących wokół jądra naładowanych ujemnie elektronów. W pewnych warunkach możliwe jest oderwanie elektronów od jednego atomu i przekazanie ich drugiemu. W ten sposób powstają naładowane dodatnio lub ujemnie jony. Do takiego zjawiska dochodzi gdy złączamy i rozdzielamy niektóre materiały. Zjawisko to nazywamy efektem tryboelektrycznym, a można je zwielokrotnić poprzez pocieranie. To jakie materiały otrzymają ładunek dodatni a jakie ujemny wynika z ich właściwości zwanej powinowactwem. W ciągu tryboelektrycznym znajdziemy uszeregowane materiały począwszy od tych, które najłatwiej przyciągają elektrony do tych które najłatwiej je oddają. Jak łatwo się domyślić zetknięcie materiałów z przeciwległych końców listy spowoduje najsilniejsze naładowanie. Dla naszych rozważań nie jest szczególnie istotne, która strona uzyska ładunek dodatni, a która ujemny. W gruncie rzeczy są to tylko oznaczenia przyjęte przez fizyków. To co jest istotne to różnica potencjałów, która może osiągnąć wartości rzędu kilkudziesięciu tysięcy Voltów.

Klasyczny przykład powstawania statycznego ładunku elektrycznego to pocieranie balonów o wełniany sweter. Balony uzyskają ujemny ładunek i będą się wzajemnie odpychać. Ciekawiej robi się gdy do podobnego równania dodamy jeszcze człowieka. Idąc po wykładzinie w suchym środowisku buty pocierają o wykładzinę. Na gumowej podeszwie zbiera się ujemny ładunek, który powoduje, że elektrony w stopie oddalają się od podeszwy, a następnie odpychają elektrony w nodze itd. aż ładunek dotrze w najdalsze rejony ciała (włosy na głowie, ręce).

Wyładowanie elektrostatyczne

Jeżeli mocno naładowany materiał zetknie się (lub tylko odpowiednio zbliży) z materiałem o innym ładunku to może do dojść do wyładowania elektrostatycznego (ESD - electrostatic discharge). Jeżeli we wspomniany wyżej sposób naładujemy się spacerując po dywanie, to wystarczy, że dotkniemy np. neutralnej klamki i część elektronów przeskoczy na nią w postaci małej iskry. Ponieważ człowiek jest "przewodnikiem" to może wyładować większość energii z całego ciała w sposób natychmiastowy. Te wyładowania, które odczuwamy jako charakterystyczne "kopnięcie" mają zwykle napięcie powyżej 3kV. Taka iskra może być śmiertelnie niebezpieczna w strefie zagrożenia wybuchem, ale nawet dużo mniejsze, nieodczuwalne, wyładowania o napięciu 20V mogą uszkodzić delikatną elektronikę.

Ekstremalnym przykładem wyładowania elektrostatycznego jest piorun, który pojawia się gdy różnica potencjałów między chmurą a ziemią osiąga kilkaset milionów Voltów.

Istnieją w związku z tym dwa podstawowe cele dla stosowania ochrony antystatycznej: ochrona przed wyładowaniami mogącymi spowodować wypadek, wywołać pożar lub wybuch oraz ochrona przed mikrowyładowaniami mogącymi uszkodzić elektronikę.

Zapobieganie wyładowaniom elektrostatycznym

Zasadniczą metodą zapobiegania wyładowaniom jest zapobieganie gromadzeniu się ładunków statycznych. Często nie da się zapobiec tworzeniu ładunków, bo efekt tryboelektryczny zachodzi przy kontaktach bardzo wielu materiałów. Rozwiązaniem jest zatem jak najszybsze, ale kontrolowane odprowadzanie tego ładunku. Jak mówi definicja, ładunek pozostaje statyczny gdy jest na powierzchni izolatora, czyli materiału o dużej oporności. Ze względu na oporność (rezystancję) dzielimy materiały na:

• przewodzące - o oporze powierzchniowym mniejszym niż 10⁶Ω,
• rozpraszające (ang. dissipative) - o oporze powierzchniowym większym niż 10⁶Ω, ale mniejszym niż 10¹²Ω,
• izolujące - o oporze powierzchniowym większym niż 10¹²Ω.

Przedmioty wykonane z materiałów z dwóch pierwszych grup będą odporne na powstawanie ładunków statycznych są więc one często nazywane materiałami anty-statycznymi. Czasem termin ten stosowany jest również wobec materiałów o dużej oporności ale gwarantujących odporność na działanie efektu tryboelektrycznego np. poprzez zastosowanie odpowiedniej powłoki. Najczęściej stosowane są materiały rozpraszające ponieważ mają one zdolność odprowadzania ładunku, a jednocześnie ich średnia oporność zapewnia dokonanie tego w kontrolowany sposób.

Ochrona antystatyczna ludzi

Wspomniane wcześniej przykłady pokazują jak łatwo zgromadzić ładunek na ubraniu i obuwiu wykonując codzienne czynności. W normalnych warunkach wyładowanie tej energii nie powoduje bezpośrednich obrażeń, choć bywa bolesne. Niemniej takie zdarzenie może spowodować, że człowiek straci równowagę bądź upuści jakiś przedmiot co może być przyczyną wypadku. Wyładowania są szczególnie niebezpieczne w pracy w atmosferze wybuchowej dlatego dla osiągnięcia bezpieczeństwa pracy w takich warunkach stosuje się odzież uszytą zgodnie z normą

Norma ta koncentruje się na zapewnieniu aby odzież była uszyta z materiałów rozpraszających ładunki. Posiada ona pięć części w których precyzuje:

1. metodę badania rezystancji powierzchni materiałów zawierających włókna przewodzące (np. węglowe) - opór powierzchniowy powinien być mniejszy lub równy 2,5*10⁹Ω,
2. metodę badania rezystancji skrośnej materiałów,
3. metodę badania zmniejszania ładunku - czas połowicznego zaniku ładunku powinien być mniejszy niż 4s,
4. sposoby testowania odzieży (w trakcie opracowywania)
5. wymagania materiałowe i konstrukcyjne - materiał musi przejść badanie z części 1 lub 3, a ubiór musi być odpowiednio uszyty: m. in. przykryte wszystkie materiały niespełniające wymagań (np. napy, zamki), zewnętrzny materiał musi dotykać skóry, wstawki z innych materiałów (emblematy, odblaski) muszą być przyszyte na stałe.

Odzież taka powinna być możliwie dobrze dopasowana i musi być noszona zapięta przez cały czas przebywania w strefie zagrożenia wybuchem.

Niezbędne jest również obuwie o właściwościach antyelektrostatycznych. Zgodnie z normą EN ISO 20345 każde obuwie klasy S1-S5 musi mieć właściwości antyelektrostatyczne. W tym wypadku oznacza to, że buty mają oporność między 10⁵ a 10⁹Ω. Jednak wprowadzona w 2013 roku norma 60079-32-1 dotycząca unikania zagrożeń elektrostatycznych zmniejsza maksymalną oporność do 10⁸Ω. Kupując obuwie do pracy w strefach zagrożenia wybuchem zalecane jest zmierzenie czy obuwie, w trakcie noszenia, ma prawidłową oporność.

W 2015 roku wszedł w życie również standard EN 16350 określający właściwości antyelektrostatyczne rękawic. Aby rękawica była z nim zgodna musi posiadać oporność kontaktową mniejszą niż 10⁸Ω.

Aktualnie brak jest standardu dla hełmów czy gogli ochronnych. Tymczasem akcesoria te zwykle wykonane są z izolującego plastiku i mogą łatwo zgromadzić spory ładunek poprzez kontakt z włosami lub poprzez przecieranie szybki materiałem. Niektórzy producenci (np. uvex dla hełmu 9780 antistatic czy MSA dla V-Gard 520) certyfikują swoje hełmy wg dyrektywy ATEX, która dotyczy urządzeń stosowanych w strefie zagrożenia wybuchem.

Ochrona antystatyczna produktów elektronicznych

Wyżej wspomniane normy odzieży i obuwia antyelektrostatycznego służą zabezpieczeniu przed powstaniem iskry mogącej wywołać pożar lub wybuch. Są jednak miejsca, w których już dużo mniejsze wyładowania są bardzo niepożądane. Przy produkcji nowoczesnej elektroniki nie można dopuścić do najdrobniejszych wyładowań w kontakcie z produktem. Dla człowieka nieodczuwalne są wyładowania słabsze niż 1000V, w układzie scalonym już 20V może poczynić szkody. Takie uszkodzenie może też pozostać niewykryte podczas testów, a efekty dać dopiero po dłuższym czasie pracy.

Z tego powodu normy stosowane w przemyśle elektronicznym są znacznie bardziej rygorystyczne. Spotkamy tam takie oznaczenia jak:

ESD Susceptible - oznacza urządzenie podatne na uszkodzenie spowodowane wyładowaniem elektrostatycznym

ESD Protected - oznacza przedmioty przeznaczone do ochrony przed zjawiskiem ESD takie jak odzież, uziemienia, opakowania

Aby zastosować oznaczenie "ESD Protected" na odzieży lub obuwiu producent musi ją certyfikować wg normy EN 61340-5-1. Są w niej nieco bardziej restrykcyjne przepisy odnoszące się do rezystancji:

• dla odzieży jest to maksymalnie 10⁹Ω,
• dla obuwia jest to między 7,5*10⁵ a 3,5*10⁷.

Oprócz odzieży i obuwia w pracy z elektroniką stosuje się też często dobrze przewodzące maty na podłogę i rozpraszające na stół oraz dodatkowe metody uziemienia ciała człowieka - np. opaska na nadgarstek. Można też stosować opaskę na obuwie jeśli nie spełnia ono wymagań normy. Ważne jest aby wszystkie elementy stanowiska miały wspólny punkt uziemienia co gwarantuje brak różnic potencjałów.

W powyższym artykule przybliżyliśmy prawa rządzące elektrostatyką. Zachęcamy do stosowania odpowiednich Środków Ochrony Indywidualnej i ochrony produktu. Zapraszamy do kontaktu z nami - pomożemy dobrać odpowiednie rozwiązania dla Państwa firmy.

Źródła:

• https://www.texasgateway.org/resource/181-electrical-charges-conservation-charge-and-transfer-charge
• https://www.gotopac.com/art-esd-resistivity
• https://www.uvex-safety.pl/pl/wiedza/normy-i-wytyczne/
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2300396015300483
• https://www.electronics-notes.com/articles/constructional_techniques/electrostatic-discharge/esd-basics.php
• https://www.icheme.org/media/8515/xxv-paper-44.pdf
• https://en.wikipedia.org/wiki/Static_electricity
• https://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_discharge
• https://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_discharge_materials