防静电知识

防静电知识

介绍

1. 使用范围

会产生静电电荷累积之任何物质。

2. 名词解释

(1) 静电感应(Electrostatic Induction)：一带电荷物体在一邻近物体上造成之电荷分离现象。

(2) 静电接地(Static Grounding)：为导引物体中之电荷至大地以避免电荷累积所实施之接地。

(3) 静电放电(Electrostatic Discharge)：因带电荷物体所形成的电场使附近的气体电离所产生的放电现象。

(4) 游离化(Ionization)：空气分子在电场中出现电子离开分子造成正电荷分子与负电荷电子同时存在之现象。

(5) 最小点火能量(Minimum Ignition Energy)：能造成可燃物质起火燃烧、爆炸之最小静电放电能量。

(6) 静电消除器(Electrostatic Neutralizer)：产生游离空气以中和物质中电荷或提供一路径引导电荷至大地之设备。

3. 作用

静电消除设备系指用来减少物质中所累积电荷之设备。由于不管是导体或非导体都会在某种状况下产生及累积电荷，因此是否需使用静电消除设备通常并非以该物质所累积之电荷多寡或静电电压高低来决定，而是以所带电荷是否会造成不良后果决定，而消除之程度亦以所剩电荷不会造成不良后果为基准。

静电消除设备的主要目地如下：[下载自www.glzy8.com存起来软件]

(1) 防止静电电击：累积在人体之电荷透过接地导体放电，或外界物体上之电荷透过人体对大地放电皆会产生放电电流，此电流会使人有触电之感觉，虽通常因带电量少的缘故尚不足以对人体产生一次灾害，但可能因触电感导致人体出现不正常动作而发生二次灾害。

(2) 防止火灾及爆炸：静电放电所产生之火花可能引起易燃气体、液体或粉尘之起火燃烧爆炸。

(3) 提高产品质量：静电会使电子厂生产之集成电路受破坏、油墨印刷不清、塑料、纸品及纺织品纠卷不清。

(4) 避免绝缘设备破坏：静电之放电现象可能使设备绝缘受到破坏，引发进一步的灾害。

4. 静电产生原理、型式种类

(1) 由于静电消除的工作是如此重要，因此有关静电消除设备之处理应以非常严谨之态度面对。由于几乎所有的物质都可能产生静电，静电会出现在住家、工厂、自然界中，小至人们梳头，大至机器设备产生火花，甚至巨大如雷电皆是静电现象，因此几乎所有的人都会接触到静电。但一般而言，需要使用到静电消除设备的场所为容易因静电产生灾害之场所，例如生产与运输易燃物质的场所或设备，生产或储存过程会产生易燃物质的场所，精密电子产品之生产、运输、检验等场所。容易因静电产生灾害场所之安全维护与管理人员以及其设备之制造与安装等从业人员皆应具有静电消除设备之专业知识。

(2) 静电的产生：一般未带电荷的物质原子中，带负电的电子与带正电的质子数量相同。不过，电子可能因机械、热、或化学等因素而离开原子，造成正负离子的产生。在固体金属导体中只有自由电子可以移动，而在气体及液体中不管是电子或离子皆可以移动。静电的产生主要来自于两种不同物质的接触及分离，当两种物质接触在一起时，电子会从一边移动至另一边，当两物质分离时，电子离开的一边便带正电，而接收电子的一边带负电，也许移动之电子只占所有电子数目的数十万分之一，但却足以形成很大的静电。如果两个物质皆是良导体，则在尚未完全分离前移动的电子便会跑回原来的物质，因此两个良导体的接触与分离并不容易产生静电，亦即两个物质至少需有一为非导体方可以产生静电。至于何者带正电何者带负电则依物质种类而定，根据物质磨擦后产生正负电所排成之顺序称为磨擦带电系列(Triboelectric Series)，表1所示为其中之一例，在表1中空气为最高位，依序往下排，铁氟龙为最低位。根据此表，当两种物质磨擦时，位在表1中较上位者会带正电，位在较下位者带负电。

表1 磨擦带电系列物质

(3) 一般可将产生静电的情况分为以下几种：

A. 固体摩擦与剥离时产生静电

绝缘电阻高的物质如塑料、橡胶及化纤类都很容易因磨擦与剥离而产生静电，其静电电位可能高达数十kV。事实上对地绝缘之导体一样会储存电荷，因此对于任何固体的磨擦与剥离皆应注意静电的产生。图1为固体接触与分离产生静电的示意图。例如皮带、布匹、或纸张与驱动滑轮的接触与剥离即会造成静电荷的累积，其静电之大小与驱动速度有关，速度越快静电荷的累积速度亦愈快。人体在地毯上走动亦是接触与分离的动作，静电荷因此会在人体上累积。

B. 粉体粒子碰撞产生静电

粉体粒子在管子内高速流动时会与管壁碰撞产生非常高之静电，在输送带、升降机、鼓风设备中时亦很容易产生静电，例如塑料粉末、化学粉末、金属粉末、煤碳粉尘、谷物及其粉尘、食品粉末等在制造过程中的输送皆会产生静电。此外，尘埃、烟雾、水气、雪、冰结晶体等与飞机在空中或地面的撞击摩擦也会在飞机上累积静电。

C. 液体流动产生静电

石油及其它绝缘性液体在输送管中流动时，因液体与管壁反复的发生接触与分离过程而产生静电，此时液体及管壁分别带有不同极性之电荷。如液体的绝缘很高时，液体中之电荷会随液体而流动，由于电荷的流动即为电流，此种电流称为「流动电流(Streaming Current)」。

D. 高压气体喷出时带静电

纯粹气体由喷嘴喷出时并不太会带静电，但当气体中含有固体粒子或露状液体时就会带静电，例如石化工业中高压原料气体泄漏，氮气、液化石油气由储气统喷出时多会带有静电，尤其是带有碳粒时曾发生放电着火现象。

E. 水或水汽喷射时带静电

水在喷出时如成为雾状或水汽状时就很容易带静电，例如以喷水冲洗储油库或油罐车时，带静电的水滴及水蒸汽会形成电荷云，此电荷云可能与油库或油罐车发生放电现象。

F. 感应产生静电

图2说明静电感应现象，带电荷的物体会在临近的物体上造成电荷的分离，靠近带电荷物体会出现与该电荷不同极性之感应电荷。事实上只要带有静电荷即会在周围产生静电场，物体出现在静电场内就会出现静电感应现象，尤其应注意与大地绝缘的良导体因感应出现静电时，需注意由感应静电所造成的火花放电灾害。例如带电之云块便会在大地、地上物、甚至飞行中之飞机感应出静电，另外被搬运的物体如带有电荷，则搬运车辆亦会感应出静电。

图1 固体接触与分离产生静电示意图

图2 静电感应现象

(4) 当静电荷产生时，此电荷可能马上逸失，亦可能储存起来，绝缘体或对大地绝缘之导体皆会储存电荷。静电荷产生之速度及其放电之速度会依不同之情形改变。表2为影响静电荷产生及放电速率之因素，其中湿度高低影响物体表面之导电率，对静电荷之流失有很大的影响，因此在干燥或天冷水气结冻时，静电之累积速度便会加快。表3为人体在不同相对湿度下的带电状况，由表中可知湿度对静电之累积有很大的影响。

表2 影响静电产生及放电速率之因素

表3 人体在不同相对湿度下的带电状况

表4 不同物体之电容值

表5 不同设备之静电电压

(5) 当电荷增加时电压便会建立，电压与电荷的关系成正比，其关系可以下式表示

Q=CV

其中Q为电荷量，单位为库伦，V为电压大小，单位为伏特，C即为带静电物体之电容量，单位为法拉。电容量之大小依照物体之大小及形状决定。表4为不同物体之电容值，而表5为不同设备曾观察到的静电电压大小。

(6) 当物体带有静电时，不同物体间便会产生作用力，相异的极性会产生吸引，相同极性会产生排斥力，因为静电之作用力很小，只对较轻的物体产生作用。静电的另一现象为放电现象，静电的放电会由产生电晕放电开始，接着由电晕放电发展至为线条电晕，最后成为火花放电。图3为由电晕放电发展至火花放电之情形。放电现象属于绝缘破坏，只要带电体所形成的电场强度达到绝缘破坏之程度就会发生放电现象。放电时会产生炸裂声及发光，事实上炸裂声及发光皆是能量消耗的现象，储存在带静电物体上之能量会因此而得到泄放。因静电而储存在物体的能量可以下式表示

其中E代表能量，单位为焦耳。

图3 电晕放电发展至火花放电之过程

表6 静电灾害成因分类

危害

1. 目前工业界所使用之绝缘材料质量越来越好，且为获得较好的工作环静，通常皆有装设空调设备，使湿度维持在较低的水平，这对绝缘电阻的维持有正面的效益，但却会造成静电不易消除的现象。随着工业的发展，使用易燃物的场所越来越多，易燃物如遇到静电放电现象所产生的危害通常是很严重的。此外，半导体装置几乎已使用于各个领域，由于半导体组件很容易受到静电的影响，其结果除会对组件本身造成损坏外，亦可能因半导体装置的误动作造成财产及人员的伤害，因此静电的危害范围随着工业的发展亦随之扩大。

2. 静电可能造成 (1)静电电击、(2) 火灾及爆炸、(3)产品质量不良、(4) 绝缘设备破坏等影响。表6所列为易造成灾害的带电物体、易产生静电的制程、及易因静电而着火的易燃物质。以下对静电造成之危害作进一步的说明：

(1) 静电电击

累积在人体之电荷透过接地导体放电，或外界物体上之电荷透过人体对大地放电皆会产生放电电流，此电流之电流密度到达某一程度会使人有触电之感觉，通常静电电击不致于造成重大伤害，但可能因触电感导致由高处坠落、撞击移动中设备、心脏休克、或误操作设备造成二次灾害。人员电击主要发生在造纸、塑料、纺织及印刷业等。

(2) 火灾及爆炸

静电放电所产生之火花可能引起易燃气体、液体或粉尘之起火燃烧爆炸，发生火灾及爆炸对劳工安全危害甚巨，必须全力避免其发生。静电放电导致火灾及爆炸之发生需要有4个条件同时符合如下：

A. 产生静电荷。

B. 储存电荷使电位升高。

C. 足够的点火能量储存。

D. 在易燃之环境中发生火花放电。

虽然电荷能量累积至一定程度后皆会出现放电现象，但即使有放电现象，如所释放出来的能量没有达到物质着火时所需之最低能量，依然不会发生爆炸，表7列出一些气体及粉尘发生爆炸所需最小能量做为例子。另一方面，即使储存之能量已足够，但如没有发生放电现象亦不会出现爆炸现象。此外，易燃气体与空气亦需在一定之混合比之内才会发生爆炸，亦即太高或太低之气体混合比皆不易因微小之火花引燃爆炸，例如氢气与空气会发生爆炸之混合比上下限分别为4%及75.6%，不同的气体混合有不同的混合比上下限。静电引起之火灾爆炸主要发生在石化、塑料、纺织及印刷业。

(3) 产品质量不良

静电的作用力及放电两种现象皆可能对产品造成影响，静电作用力会使带电体吸引粉尘微粒或其它杂质，以及两带电体间互相吸引或排斥，造成制程上的困扰而影响生产。静电作用力会因吸引粉尘微粒使油墨印刷质量不佳，纸品及纺织品纠卷不清甚至扯破，以及因吸引杂质而污染成品。至于静电的放电现象所产生的放电电流会造成半导体组件的破坏或误动作，所产生的电磁波会干扰精密设备，甚至所产生的放电光芒亦可能造成影响。

表7 气体及粉尘发生爆炸所需要之最小能量

(4) 绝缘设备破坏

绝缘输送管所传送之液体或电气绝缘材料所支持之固体在累积电荷后，对地电压亦会逐渐升高，当电压到达一定程度后即可能穿透绝缘体进行放电，使绝缘材料发生针孔现象，而引发进一步的灾害。

使用

1. 要产生静电爆炸灾害需要符合数项条件，因此可针对这些条件进行避免静电灾害发生的对策。通常在现场设备确定后，要避免静电的产生并不容易，因这可能需更改制程甚至设备。因此常见的静电灾害对策为：

(1) 消除电荷：利用方法将电荷疏通至大地或使正负电荷中和以避免电荷的持续累积，当静电电压无法达到放电电压时，静电灾害即不会发生。较常使用的消除电荷方法有

A. 接地与连接(Grounding and Bonding)

B. 湿度控制及增加导电性(Humidity Control and Conductivity Increment)

C. 静电消除器(Electrostatic Neutralizer)

D. 导电性地板(Conductive Floor)

E. 静电鞋及静电脚轮(Anti-static Footwear and Caster)

(2) 防止尖端放电：带电荷物体的外表周围如有突出尖端，则这些尖端较容易产生电晕放电，尤其当尖端部份之半径在10mm以下时，放电的危险性即较高，因此最好减少易带静电物体之尖端，以降低放电的机率。

(3) 改善易燃及易爆环境：只要没有易燃及易爆之环境，即使发生静电放电现象，其危害也不会太大。要避免易燃及易爆环境之出现，对于易燃物之处理、工作流程、工厂设置、建筑物构造、通风及气流等皆需考虑。

2. 以下针对消除电荷的各个方法作进一步的讨论

(1) 接地与连接

防止静电灾害的最简单有效的方法是将带电体接地，使所产生之电荷迅速地疏导至大地。如果有两个以上之带静电物体时，可将不同物体以导体连接并加以接地，以减低不同物体间之电位差，来避免物体间发生放电现象。图4说明接地及连接消除静电的作用，另外，进行静电接地及连接工作之注意事项如下：

图4 接地及连接以消除静电之效果

A. 工作前

(A) 原则上静电接地的对象为对地绝缘之金属导体，且最好将不同物体加以连接之后再行接地。

(B) 如果设备本身已直接与大地接触，则不用再另行接地。此外，电气设备的设备接地、避雷接地、及保护电磁感应之接地对静电而言亦是接地，不需另作静电接地。

(C) 虽然原则上静电接地的对象为对地绝缘之金属导体，但对导电系数在10-6~10-10 S/m及表面电阻系数在109~1011 (-m间之物体可以使用间接接地之方式。间接接地为在被接地物上密接一接地用金属导体。

(D) 如果被接地物的导电率较低时，接地完成后并不能立即将所带的电荷完全泄漏至大地，因此在进行接地之安装与拆除时应注意泄放电荷之时间。

(E) 接地对于较大型的绝缘物体效果不大，因为离接地线接点较远的地方电荷依然存在。此外如纸张、布匹、橡胶、石化液体等皆较难以接地或连接方式解决静电问题，必须使用湿度控制或静电消除器等方法。

(F) 对于有可能产生或感应静电荷的导体，不管体积之大小都应予以接地，不可因体积较小而忽略之。

(G) 静电接地所需之接地电阻不需要很低，只要在1M(以内对静电而言皆算有效之接地，为维持接地及连接电阻在任何条件下皆不大于10M(，在标准状态下(气温20(C，相对湿度50%)，接地及连接电阻应在1k(以下。

(H) 接地位置需选择在易于确认之地点，以便于维护及管理。此外接地工作必须做到稳定及确实，并避免因物体振动或表面污染等因素使接地成断路状态，反而会成为灾害的起因。

(I) 如为移动性物体之接地，应在设备运转前完成接地，并于工作完毕不再产生静电且静置一段时间后才解除接地，进行接地及解除接地之动作应尽量避开危险场所。

B. 工作时

(A) 接地导体需有足够的机械强度并能耐腐蚀且不易断线或松脱，另外，除非确定不会因不连续性造成接触不良，最好不要使用链子作为接地导体。

(B) 静电接地导线应用1.25mm2以上之导线，固定设备可使用一般之600V级PVC绿色皮绝缘电线，移动设备可使用绝缘柔性电缆，振动频繁的设备可使用没加绝缘之绞线或网线，以便于观察其是否断线。

(C) 如果接地端子有可能被外物污染或锈蚀，最好使用盖子加以保护，且接地端子装设地点最好避开危险环境。

(D) 一般电机用之接地电极及接地电阻在10k(以下之地下金属导体皆可作为静电用接地电极，但需注意是否有静电电流以外之电流出现。

(E) 接地导线与带电体的连接必须坚固确实，如为固定设备时，可以使用焊接、压接端子、螺栓等方法连接，应避免将接地导体直接绕住或挂于被接地物上等不正确之作法。此外为确保接地效用，宜在被接地物上进行多点接地。

(F) 如接地对象为移动性物体而不能施以经常性接地时，宜使用连接及拆除均容易之接地，例如各种接地用夹子或鳄鱼夹皆可。

(G) 间接接地时，被接地物与接地用金属导体间之接触面积应在20cm2以上，且必须避免两者间产生接触摩擦。在金属导体与被接地物间宜加垫金属箔、导电性涂料或导电性胶等以降低接触电阻。

(2) 湿度控制及增加导电率

A. 有许多的绝缘物质，例如纺织品、木材、纸张、混凝土等，皆会受到周围空气之湿度而影响其湿气含量，当这些绝缘物质表面含有之湿气越高时，其导电率亦会越高。以平版玻璃为例，50%相对湿度时的导电率为20%相对湿度时的1000倍。通常在30%相对湿度以上时，大部份的绝缘体上所含有的一层水份薄膜，可以提供静电荷一个疏通路径。但当相对湿度在30%以下时，此水份薄膜不存在，静电荷一直产生但无法疏通，静电问题便会出现。因此，在产品可容忍高湿度的地方，湿度控制为一有效解决静电问题的方法。经验显示：在整个空间或单独针对静电出现的地方增加湿度，可以解决纸张及纤维布的纠卷问题。增加局部地区的湿气可使用蒸气喷出的方式达成，如此较不会使整个区域的相对湿度皆大幅度地提高。但是多大的相对湿度才能有效的解决静电问题，则依环境及制程而异，事实上亦很难决定其大小。一般而言，在常温下，60-70%的相对湿度应可避免静电问题的发生。不过在高湿度会影响产品、制程、及舒适度之情况下，此法较不适宜。此外有些绝缘物，例如合成塑料及部份石化液体之表面导电率受湿度之影响并不大，亦不适宜使用湿度控制法。

B. 除了增加相对湿度以增加绝缘物之导电率外，亦可直接在绝缘物中掺入导电性物质，以提高泄漏电荷之能力。例如在化纤衣物中织入金属纤维，在橡胶中加入碳粉皆可增加导电率，其导电率依照加入杂质之多寡可随意控制，通常1M(-cm之电阻系数即已足够。不过直接在绝缘物中加入其它成份之物质，必须以不影响绝缘物之功能为前题。此外，对绝缘物体表面进行浸泡或喷洒吸水或导电性物质亦可增加其导电率，但皆需定期更新方可维持效果。

(3) 静电消除器

静电消除器是利用人为的方法把带电体附近的空气离子化，当带电体碰到这些离子时，静电荷可经由已离子化之空气传导至大地，或者吸引离子化空气中相反极性之电荷加以中和。目前较常用的静电消除器种类有加电压式静电消除器、自放电式静电消除器(金属梳)、放射线式静电消除器，表8为这三种静电消除器的特性及适用对象，其中加电压式及自放电式静电消除器皆是利用电晕放电之方式产生离子化空气。以下对这三种静电消除器作进一步的说明。

表8 静电消除器之种类、特点及适用对象

A. 加电压式静电消除器

(A) 图5为加电压式静电消除器的一种型式，加电压式静电消除器通常是在高压电极及放电电极间加上交流或直流高电压，使两电极间产生电晕放电，使附近之空气产生离子化之现象。由于本身即有可能产生火花放电的危险，因此应用于易燃及易爆环境时，应选择具有防爆构造设计之防爆型机型。

(B) 图5之加电压式静电消除器的构造在高压电极(供电线)与放电电极间夹有绝缘材料，其效果就如同在此两电极间串接一等效电容器，高压电的两条线分别接在高压电极及接地电极上，如此可利用此一等效电容器放电电流大小，避免因异常放电产生灾害。也有些加电压式静电消除器，直接将高压电的两条线直接接在高压电极及放电电极上而未设接地电极，亦即没有放电电流的等效电容器，如此静电消除能力会更强，但可能因异常放电而引起灾害。

(C) 加电压式静电消除器中的送风型是利用鼓风装置将离子化的空气送至较远的地方，但在输送游离空气的过程中，其产生之正负离子可能会发生再结合现象，使达到目的地的离子数目较少，而影响静电消除效果。然而使用送风式静电消除器可以消除较远处的静电，且其消除静电的范围亦较广。

(D) 若加电压式静电消除器的加压电源为交流，会同时产生正负两种离子，而带电体上之电荷只会吸引相反极性的离子，等到中和完后，便不会再吸引离子，而由游离空气中之离子自行中和。当使用直流加压电源时，依照极性之不同会产生不同极性之离子。一般而言直流型的静电消除器可调整所产生的正负离子比例，因此其可针对目标物所产生之电荷极性进行调整，故其静电消除能力较好。但如设定不当，有可能反而使带电体因静电消除器产生的过剩离子，而带有与原来相反极性之电荷。

图5 加电压式静电消除器的一种型式

图6 自放电式静电消除器的一种型式

B. 自放电式静电消除器

自放电式静电消除器是利用欲被消除静电之带电体本身的静电电能，使静电消除器上之针状电极产生电晕放电和游离空气，由于构造简单又不用外加电源，所需成本较为低廉。图6为自放电式静电消除器的一种型式，主要架构为在一金属棒上安置针状电极，这些电极可以使用金属丝、导电性纤维布、导电性塑料、及碳纤维。由于要利用带电体上电荷所产生之电场使针状电极产生电晕放电，因此当带电体之静电电位愈高时，其静电消除效果愈好，反之则愈低。自放电式静电消除器因必须靠近带电体以便使针状电极感应产生电晕，当游离空气产生时，带电体上之电荷便可以透过此路径疏通至大地。由于构造简单，故装设容易，而且可装置于较狭窄地点。当使用导电性纤维布做为电极时，因电晕放电很微弱，其造成之危险亦较低。

C. 放射线式静电消除器：

放射线式静电消除器是利用放射性元素镭或钋所发出的(粒子游离空气，虽然此种静电消除器没有产生火花放电的问题，但其静电消除能力较差。由于使用放射性物质，必须注意放射线可能造成的不利影响，并需接受放射性物质管理单位之规范。在使用静电消除器时应注意下列各点

(A) 由于静电消除器容易附着尘埃及受到机械性的损坏，如果使用不当或维护不妥，不但消除静电之性能会降低，甚至会成为着火源，因此使用时应遵循使用方法，并确实做好维护保养的工作。

(B) 静电消除器消除静电的功效与其跟带电体间之位置、距离、角度，带电体之形状及移动速度，附近接地导体之大小形状，附近环境之气温、相对湿度及气流等皆有关系。不适当的位置、距离及角度反而可能带来危害。

(C) 设置加电压式静电消除器后，不宜任意增加电极数目或电缆长度。而自放电式静电消除器较容易受到机械性损坏，应在必要时更换。

(4) 导电性地板

在易燃及易爆之环境下，使用导电性地板或地板覆盖物，并将人体及各个导体设备与地板连接，可以避免因静电的持续累积导致危险。这种地板之材料应使用较不会发生火花的物质，例如导电性橡胶、铅、以及其它导电性复合材料。此种地板1m间之电阻应小于1M(，而为保护遭受漏电电击人员安全，同样距离之电阻应大于25k(，同样的地板对大地之电阻亦应大于25k(。为确保安全，工作人员不可站在地板上操作由接地电力系统供电之电气设备。如果欲在地板上打蜡或其它物质，应选择具导电性之物质。由于使用久了以后，地板电阻可能增加，因此应定期进行地板电阻之测试。

(5) 静电鞋及静电脚轮

当使用导电性地板时，在此地板上之人员皆应穿着具导电性且不会发生火花的静电鞋，而移动性之设备应在底部装设导电性的橡胶脚轮。静电鞋及静电脚轮皆应定期接受电阻值检查，静电鞋加上地板对地电阻应小于1M(。为维持其静电疏散能力，不可改造静电鞋之内部构造、使用绝缘性垫片以及穿着厚鞋袜。

相关法令、标准

1. 劳工安全卫生设施规则

第一百七十五条：『雇主对于下列设备有因静电引起爆炸或火灾之虞者，应采取接地、使用除电剂、加湿、使用不致成为发火源之虞之除电装置或其它去除静电之装置：

一、灌注、卸收危险物于液槽车、储槽、油桶等之设备。

二、收存危险物之液槽车、储槽、油桶等设备。

三、涂敷含有引火性液体之涂料、粘接剂等之设备。

四、以干燥设备中，从事加热干燥危险物或会生其它危险物之干燥物及其附属设备。

五、易燃粉状固体输送、筛分之设备。

六、其它有因静电引起爆炸、火灾之虞之化