Wyładowania elektrostatyczne
4.10 ZAPOBIEGANIE WYŁADOWANIOM ELEKTROSTATYCZNYM
Wyładowania elektrostatyczne (ESD) mogą spowodować natychmiastową awarię urządzenia, trwałe zmiany parametrów i ukryte uszkodzenia powodujące zwiększony stopień degradacji.120 Produkty elektroniczne są umieszczane w opakowaniach ESD, takich jak torby ekranujące lub pianki rozpraszające lub pojemniki posiadające wewnętrzne i zewnętrzne powierzchnie o właściwościach rozpraszających lub przewodzących ładunki elektrostatyczne, aby zapobiec zagrożeniom ESD podczas przechowywania, przenoszenia i dystrybucji.120 Zgodnie z normą ANSI/ESD S541-2008, opakowania ESD można zdefiniować w następujący sposób:121
–
Materiały rozpraszające: rezystancja powierzchniowa większa lub równa 104 Ω, ale mniejsza niż 1011 Ω, lub rezystancja objętościowa większa lub równa 104 Ω, ale mniejsza niż 1011 Ω
–
Materiały przewodzące: rezystancja powierzchniowa mniejsza niż 104 Ω.Materiały przewodzące objętościowo powinny mieć rezystancję objętościową mniejszą niż 104 Ω
–
Materiały ekranujące pole elektryczne: rezystancja powierzchniowa mniejsza niż 103 Ω lub rezystancja objętościowa mniejsza niż 103 Ω
–
Materiały izolacyjne: rezystancja powierzchniowa większa lub równa 1011 Ω lub rezystancja objętościowa większa lub równa 1011 Ω.
Sadza jest często dodawana do polimerów stosowanych do pakowania jako wypełniacz przewodzący lub stosuje się również powłoki powierzchniowe zawierające sadzę.120 Stosuje się również grafit i nanorurki węglowe, często w mieszaninach z sadzą.120 Zbadano synergiczny efekt nanopłatków grafenowych i sadzy jako napełniacza przewodzącego do folii z poliwinylalkoholu do materiałów opakowaniowych do wyładowań elektrostatycznych.120 Kompozyt zawierający stosunek grafitu do sadzy 10:90 i 30:70 spowodował gwałtowny spadek rezystywności powierzchniowej o 5 do 8 rzędów wielkości przy obciążeniu napełniacza 8-10% mas.120 Rezystywność objętościowa otrzymanej folii wykazywała stałe i spójne zakresy w granicach 108 do 1012 Ωcm we wszystkich obciążeniach.120 Duża zawartość grafitów w hybrydowej czerni grafitowej/węglowej nie miała wpływu na zwiększenie przewodności powierzchniowej i objętościowej folii kompozytowej (rysunek 4.43).120 Sama folia PVOH może być stosowana jako folia rozpraszająca.120 Gdy zawartość wypełniacza przewodzącego mieści się w zakresie 10-12% mas., rezystywność powierzchniowa folii stała się mniejsza niż 103 Ω, a rezystywność objętościowa pozostała w rozpraszającym zakresie 108-1011 Ωcm.120 Ta wysoka przewodność skutkuje tworzeniem klatki Faradaya, jeśli z materiału zostanie wykonana kompletna torba lub opakowanie.120
Rysunek 4.43. Rezystywność objętościowa kompozytu polialkoholu winylowego zawierającego 6% mas. mieszaninę grafitu i sadzy wypełniacza o różnej zawartości grafitu. Rezystywność mierzona w temperaturze 22°C i przy wilgotności względnej 37%.
Copyright © 2017
Wypełniacze fumed i precipitated silica pokryte polianiliną zostały użyte w ich kompozytach z kauczukiem nitrylowym do zastosowania w materiałach do wyładowań elektrostatycznych.122 PANI nie poprawia wytrzymałości mechanicznej matrycy polimerowej, ale przylega do krzemionki, która jest stosowana jako wypełniacz w matrycy polimerowej, co powoduje pewną poprawę właściwości mechanicznych.122 Powlekanie PANI na glinie, krzemionce, krzemianach, sadzy, polimetakrylanie metylu jest odpowiednie do produkcji wypełniaczy przewodzących, które są lżejszą alternatywą dla proszków metalowych często stosowanych w materiałach wyładowań elektrycznych.122 Maksymalną wartość przewodności prądu stałego osiągnięto przy stosunku krzemionki do PANI wynoszącym 1:2.122 Przewodzące kompozyty polimerowe powinny zawierać przewodzący napełniacz rozproszony w taki sposób, aby poprzez agregację cząstek przewodzącego napełniacza w matrycy izolacyjnej tworzyły się pewne ciągłe sieci przewodzące.122 Taka sieć przewodząca może powstać tylko po przekroczeniu krytycznego (granicznego) stężenia napełniacza.122 Próg perkolacji zależy od właściwości wypełniacza, takich jak rozmiar, powierzchnia i grupy oraz struktura agregatu, a także od właściwości polimeru matrycy, w tym lepkości i obecności grup polarnych.122 Porównując wpływ zmatowionej i strąconej krzemionki na wydajność, zmatowiona krzemionka ma mniejszy rozmiar cząstek i większą powierzchnię oraz wymaga większej ilości powłoki PANI.122 Grupy kwasowe są obecne na cząstkach zmatowionej krzemionki, a grupy zasadowe na strąconej krzemionce.122 Kwaśna zmumifikowana krzemionka powoduje częściowe domieszkowanie PANI osadzonego na ich powierzchni, co skutkuje wyższą przewodnością i aglomerowaną strukturą.122 Nadaje to wyższą przewodność kompozytom NBR w porównaniu z kompozytami z krzemionką strąconą pokrytą PANI.122
Kompozyty polimerowe zawierające przewodniki lub wypełniacze półprzewodnikowe przeznaczone do wyładowań elektrostatycznych powinny mieć nieliniową charakterystykę napięciową, która zachowuje się jak izolator (dielektryk) podczas normalnej pracy obwodu i staje się przewodząca, gdy napięcie przekroczy wcześniej określony próg.123 Materiał staje się ponownie izolatorem po spadku napięcia poniżej progu na poziomie normalnego działania.123 Wysoki współczynnik kształtu nanorurek węglowych umożliwia tworzenie ścieżek przewodzących prąd elektryczny w matrycy polimerowej przy bardzo małym stężeniu perkolacji z nieliniową charakterystyką napięciową.123 Gdy przyłożone napięcie jest niskie, kompozyt wykazuje zachowanie omowe.123 Ale, gdy przyłożone napięcie jest zwiększone, kompozyt wykazuje zachowanie nieliniowe.123 Stężenie elektronów przeskakujących z pasma przewodzenia nanorurek węglowych do matrycy epoksydowej gwałtownie wzrasta wraz z napięciem.123 Efekt przeskakiwania i efekt tunelowania były głównymi przyczynami silnej nieliniowej charakterystyki napięciowej w kompozytach pod zwiększonym przyłożonym napięciem.123
Ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi została zaprojektowana dla płytek drukowanych i innych urządzeń elektronicznych.124 Kompozycja do wypełnienia szczeliny wyładowczej składa się z proszku metalu (co najmniej część powierzchni metalu jest pokryta filmem wykonanym z produktu hydrolizy alkoksydu metalu), proszku aluminium oraz składnika wiążącego (termoutwardzalny poliuretan).124 Preferowanymi proszkami metali są tantal lub hafn, krzem.124
Rozpraszające ładunki elektrostatyczne elektroniczne materiały opakowaniowe są oparte na elektrycznie przewodzących nanonapełniaczach zdobionych piankami poliuretanowymi.125. Pianki są pokryte powłoką polimerową zawierającą 0,003 do 2,97 vol% ładunku elektrycznie przewodzących materiałów (np. polimer przewodzący, funkcjonalizowane nanorurki węglowe, analogi grafenu, itp.) na elektrycznie izolującej powierzchni pianki.125 Pianki te są również przydatne w antystatycznych filtrach przeciwpyłowych, odzieży medycznej/do pomieszczeń czystych, obuwiu bez ładunków elektrostatycznych, elementach tapicerki rozpraszających ładunki elektrostatyczne, antystatycznych/rozpraszających podłogach/płytkach itp.125
W środowisku przemysłowym, wyładowania elektrostatyczne stwarzają znaczne zagrożenie. Jest ono odpowiedzialne za pożary i eksplozje z powodu zapłonu zarówno pyłów jak i oparów.126 Podłogi betonowe lub cementowe mają wrodzone właściwości antystatyczne, ale nie mają właściwości dekoracyjnych.126 Podłogi żywiczne są estetyczne, łatwe do czyszczenia i łatwe do odkażania.126 Mają one również odporność termiczną, mechaniczną i chemiczną i dlatego są szeroko stosowane w środowisku przemysłowym, ale w postaci niezmodyfikowanej nie zapewniają właściwości antystatycznych.126 Odpowiednia kompozycja podłogowa może być otrzymana z mieszaniny (szerokiej gamy) żywic utwardzalnych oraz włókien węglowych i ze stali nierdzewnej (0,3 % mas.).126 Włókna ze stali nierdzewnej mają długość od 3 do 6 mm i średnicę od 6 do 8 μm.126 Mieszanina zawiera również do 40% wagowych wypełniacza mineralnego, takiego jak krzemionka, siarczan baru lub węglan wapnia.126
Ładunek statyczny powstaje, gdy dwa izolatory ocierają się o siebie, a następnie oddzielają się.127 Jeden z izolatorów zyskuje elektrony, podczas gdy drugi je traci. Niezrównoważony (statyczny) ładunek jest w ten sposób utworzony.127 Ten ładunek statyczny może następnie rozładować z jednej powierzchni na drugą, albo gdy dwie powierzchnie dotykają lub gdy zdolność izolacyjna medium oddzielającego dwie powierzchnie (np. powietrze) jest przekroczony.127 Ten ruch ładunku statycznego jest określany jako wyładowanie elektrostatyczne.127 ESD zdarzenie z zaledwie 5 V uszkadza sprzęt telefoniczny, płytki drukowane, komputery podłączone do sieci, urządzenia medyczne, i tak dalej.127 Ponadto, ESD może osiągnąć próg około 3000 do 3500V i stać się niebezpieczne dla ludzi. Przewodzące wodne kompozycje klejowe składają się z kleju na bazie wody i sadzy, grafitu lub ich kombinacji.127 Wodne kompozycje klejowe są skuteczne w zapobieganiu gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych i zmniejszaniu wyładowań elektrostatycznych.127 Wodne kompozycje klejowe mogą być mieszane z propelentami i stosowane do substratów za pomocą systemu dostarczania aerozolu.127 Wodne kompozycje klejące można łatwo przykleić do dowolnego podłoża, takiego jak na przykład podłogi, ściany, sufity i tym podobne.127 Wodny klej zawiera emulsję akrylową, emulsję kopolimeru akrylowego, karboksylowaną emulsję SBR lub emulsję kopolimeru styrenowo-akrylowego.127
Odkształcalne elastomerowe przewodniki składają się z elastomerowej matrycy polimerowej i przewodzącego materiału wypełniającego równomiernie rozproszonego w elastomerowej matrycy polimerowej, aby uczynić materiał przewodzącym elektrycznie.128 Przewodzący materiał wypełniający może zawierać nie splątane cząstki o współczynniku kształtu wystarczająco dużym, aby umożliwić cząstkom pozostanie w kontakcie i/lub w bliskim sąsiedztwie z sąsiednimi cząstkami, tak aby utrzymać ścieżki przewodzące w materiale, gdy materiał jest poddawany odkształceniom do i powyżej 10%.128 W ten sposób, na dystansie transmisji sygnału elektrycznego przez przewodnik, transmisja nie doznaje większego tłumienia sygnału niż około 3 dB, gdy jest poddawana odkształceniu.128 W niniejszym wynalazku badano włókno węglowe pokryte niklem z dużą liczbą polimerów matrycowych.128 Można również zastosować wiele innych wydłużonych wypełniaczy.128
Programowalne urządzenia logiczne, niestandardowe układy scalone, analogowe układy scalone, procesory CPU, procesory graficzne i inne układy scalone wymagają dużej liczby obwodów wejściowych/wyjściowych przy stosunkowo małych obszarach obwodów rdzeniowych.129 Półprzewodnikowy układ scalony zawierający wiele komórek wejścia/wyjścia zapewnia boczne połączenia komórek wejścia/wyjścia, aby efektywnie rozprowadzić zasilanie wejścia/wyjścia i rdzenia oraz uziemienie do komórek wejścia/wyjścia, a tym samym zminimalizować szum sygnału wejścia/wyjścia i zmaksymalizować wyładowania elektrostatyczne.129
Elektroprzewodzący materiał kompozytowy jest przygotowywany przez zmieszanie żywicy termoplastycznej, cząstek przewodzących rozproszonych w żywicy i środka powierzchniowo czynnego do wiązania cząstek przewodzących rozproszonych w żywicy ze sobą.130 Produkt jest przeznaczony dla przemysłu informatycznego, części półprzewodnikowych, części samochodowych i elektronicznych, części i materiałów lotniczych oraz innych materiałów, które wymagają ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi.130 Przewodząca powłoka na przewody, podkładki, części zamienne i obudowy produktów, opakowania itp. są stosowane w różnych dziedzinach, które wymagają ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi.130 Dioktyloetylenotriamino-etylowy i dodecylo diaminoetylowy chlorowodorek glicyny są typowymi przykładami środków powierzchniowo czynnych stosowanych w tej aplikacji.130 Wiele wypełniaczy jest użytecznych, w tym nanorurki węglowe i sadza i ich mieszaniny.130