關(guān)于靜電的知識

一、前言

雖然靜電效應(yīng)是電學(xué)中最早用實驗證明出來的，但在現(xiàn)代工業(yè)制程中靜電卻還被視為“無名火”。一般業(yè)界對靜電危害防制技術(shù)可謂相當(dāng)陌生，常常發(fā)生許多誤解或誤用防制方法而不自知，以致未能防范靜電危害事故的發(fā)生。 在大部份工業(yè)制程中都會產(chǎn)生靜電荷的累積，輕則使人感到不舒適，重則對人體造成傷害，甚至在易燃性氣體、液體和粉塵的裝卸與輸送過程中，產(chǎn)生火災(zāi)爆炸事故。尤其在某些具潛在靜電危害的行業(yè)，如：化學(xué)、石油、涂料、塑料、制藥、食品、印刷和電子等行業(yè)，容易有靜電危害產(chǎn)生的問題。

二、靜電危害的產(chǎn)生

在工作環(huán)境中，所有因靜電引起的火災(zāi)爆炸事件都遵循著相同的程序，如下所述：首先發(fā)生電荷分離，然后電荷累積，若電荷無法散逸，則將發(fā)生靜電放電，同時可能引燃周圍易燃性物質(zhì)，而發(fā)生火災(zāi)爆炸危害事件。 許多工業(yè)制程常使用導(dǎo)電性甚差的物質(zhì)，并常有表面接觸、分離和移動的操作，因而產(chǎn)生電荷分離的現(xiàn)象。例如：高電阻值液體的流動或過濾、粉體的研磨、混合或篩選過程、粉體的氣動式傳輸、人員或車輛在絕緣地板上的移動、輸送帶或薄片狀物質(zhì)在滾輪上的移動等。在上述或類似的制程中都會發(fā)生靜電的問題。 當(dāng)電荷在物體上累積到使電場達(dá)空氣的介電強(qiáng)度3MV/m時，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，將其所儲存的全部或部份能量釋放出來，形成具有光與熱的放電路徑，并可能引燃易爆性物質(zhì)。根據(jù)易燃性物質(zhì)的最小引火能量 (Minimum Ignition Energy MIE) 數(shù)據(jù)，可推知靜電放電的能量是否足以引燃該易燃性物質(zhì)。

近來由于許多設(shè)備的零件都使用非導(dǎo)電性塑料，使得設(shè)備中某部份金屬的組件、組件、管路、容器或結(jié)構(gòu)形成電的絕緣體，致使電荷逐漸累積至危險程度。典型的例子包括：在塑料管路上安裝金屬漏斗、金屬管路上因非導(dǎo)電性墊圈而使某段金屬管路絕緣、人員因穿絕緣鞋或站在絕緣地板上而使人體被絕緣等。累積在絕緣導(dǎo)體上的電荷產(chǎn)生放電時，會將所有的能量在一次放電中釋放，此類靜電放電稱為火花放電。一般而言，火花放電可引燃易燃性氣體、蒸氣和塵云。 電荷在絕緣物體表面的移動速率甚慢，然而靜電放電的持續(xù)時間卻極短，因此絕緣物體蓄積的電荷，不易于單次的靜電放電中全部釋放出來，而可能在絕緣物體表面之鄰近區(qū)域發(fā)生多次靜電放電。由于電荷和周圍環(huán)境幾何形狀之不同，放電型式可分為：電暈放電、刷狀放電，以及射狀放電三種。一般而言，刷狀放電之能量大于電暈放電。刷狀放電能量足以引燃許多易燃性氣體、溶劑蒸氣及混合物等。在一非導(dǎo)電性薄膜的兩面充滿正、負(fù)極性電荷時將蓄積大量電荷，若發(fā)生射狀放電其能量足以引燃大多數(shù)的可燃性氣體和易燃性粉塵。 在一大筒倉或容器中充滿高電荷粉粒產(chǎn)品的表面發(fā)生之輻射狀方式放電，稱為大量粉堆放電。若有易燃性氣體或具有較低最小引火能量之塵云存在時，則有甚大的潛在危害，因此必須設(shè)法排除大量粉堆放電的產(chǎn)生。

三、靜電危害防制方法

靜電危害防制方法可分為接地、增加濕度、限制速度、抗靜電材料、與靜電消除器等五種。工業(yè)制造過程中，因作業(yè)環(huán)境、程序及材料的不同，所實施的靜電危害防制方法亦會有所不同。選用時必須考量現(xiàn)場制程環(huán)境、條件與限制，甚至經(jīng)費(fèi)、管理系統(tǒng)與人力素質(zhì)等因素。沒有一種靜電危害防制方法可以適用于所有的工業(yè)制程或情況，有時同時采用二種或二種以上的靜電危害防制方法。

1 接地

靜電危害防制方法中，接地是最有效且經(jīng)濟(jì)的方法。制程中因摩擦、感應(yīng)或傳導(dǎo)等方式產(chǎn)生靜電，若電荷蓄積在對地絕緣的金屬設(shè)備、導(dǎo)電性產(chǎn)品或人員身體上，則蓄積的電荷會在一次放電中將能量釋放。此類靜電放電為發(fā)生靜電危害事故之主要原因。其防制方法就是將所有具導(dǎo)電性的對象實施接地，并保持低的接地電阻，將蓄積在金屬設(shè)備、導(dǎo)電性產(chǎn)品或人員身體上的電荷迅速向大地散逸，以避免發(fā)生靜電危害事故。 根據(jù)相關(guān)研究顯示，存在易燃性蒸氣的一般作業(yè)場所中，被絕緣的金屬設(shè)備/組件、導(dǎo)電性產(chǎn)品或人員身體本身的電位需達(dá)100 V以上，方可能因放電而引燃周圍的易燃性物質(zhì)。因此在工廠中將被絕緣的金屬設(shè)備/組件、導(dǎo)電性產(chǎn)品等實施接地，保持接地電阻小于106 Ω，就足以將蓄積的電荷迅速向大地散逸，而將本身的靜電電位降至100 V以下，以避免發(fā)生靜電危害事故。

2 增加濕度

增加作業(yè)環(huán)境中空氣的相對濕度，在目前傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的制程中亦是常見的靜電危害防制方法。在高濕度（R.H. > 65 ?）環(huán)境中，若物質(zhì)表面具親水性，則容易吸附空氣中的水份，進(jìn)而降低物質(zhì)的表面電阻值，增加電荷散逸的速率，將電荷蓄積程度降至最低。這類物質(zhì)包括棉、紙及醋酸纖維素等。工廠制程中通常會采用加濕器、地面灑水、或水蒸氣噴出等方法，增加作業(yè)環(huán)境中空氣的相對濕度。 若物質(zhì)表面為非親水性，則不易吸附空氣中的水份，致無法降低物質(zhì)的表面電阻值，因此不能增加電荷散逸的速率。這類物質(zhì)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（鐵氟龍，氟碳聚合物）等。這類高斥水性物質(zhì)需要相對濕度提高至80 ?，甚至90 ?以上，才能有效降低物質(zhì)的表面電阻值，將電荷蓄積程度降至最低。

3 抗靜電材料

制程中物質(zhì)所蓄積的靜電會經(jīng)傳導(dǎo)路徑向大地散逸。若傳導(dǎo)路徑為絕緣性材料（導(dǎo)電性低）則靜電散逸率低，若傳導(dǎo)路徑為導(dǎo)電性材料（導(dǎo)電性高）則靜電散逸率高。物質(zhì)的表面電阻系數(shù)小于1011 Ω/m2或體積電阻系數(shù)小于1010 Ωm，即可避免物質(zhì)蓄積過量的靜電。該類物質(zhì)稱為抗靜電材料。但在含易燃性物質(zhì)的作業(yè)場所中，則抗靜電材料的表面電阻系數(shù)需小于108 Ω/m2或體積電阻系數(shù)需小于106 Ωm。 對于工業(yè)制程中使用的各種材料，可經(jīng)由下列方法使之成為抗靜電材料：物質(zhì)本身具有抗靜電能力（如：棉、木材、紙及土壤等）、在絕緣材料的表面涂布抗靜電物質(zhì)（如碳粉、抗靜電劑等）、在絕緣材料制造過程中加入導(dǎo)電或抗靜電物質(zhì)（如碳粉、金屬、抗靜電劑、導(dǎo)電性纖維等）。

4 靜電消除器

利用高壓電在空氣中產(chǎn)生帶電離子。由于異性電荷會互相吸引而中和，離子可中和帶靜電物體的電荷，使其電荷蓄積程度降至最低，因此不會發(fā)生靜電放電。靜電消除器大致可分為被動式、主動式及輻射源式等三種。選擇靜電消除器時，必須考量作業(yè)環(huán)境因素才能發(fā)揮最大的靜電消除效果。一般而言，靜電消除器架設(shè)位置應(yīng)接近帶靜電物體而遠(yuǎn)離接地金屬對象，以發(fā)揮最大的靜電消除效果。此外，需注意因電離所產(chǎn)生臭氧的工業(yè)衛(wèi)生問題，以及高壓電源與帶電體產(chǎn)生短路及放電所引發(fā)的工業(yè)安全問題。

5 限制速度

工業(yè)制程中兩種物體可能因摩擦而產(chǎn)生靜電，并逐漸累積而發(fā)生靜電危害事故，因此降低摩擦速度可減緩靜電的產(chǎn)生，達(dá)成防制靜電危害事故發(fā)生的目的。在工業(yè)制程中受限于物質(zhì)特性與產(chǎn)量要求，限制速度的靜電危害防制方法，通常多應(yīng)用于易燃性液體的輸送作業(yè)。 將液體原/物料輸送至儲槽或容器時，若是低導(dǎo)電系數(shù)（小于50 pS/m ）的易燃性液體且其中含有懸浮物、水等不兼容物，則在現(xiàn)場作業(yè)時應(yīng)限制易燃性液體流速低于 1 m/s 。若易燃性液體中未含有不兼容物，則液體流速應(yīng)限制低于 7 m/s。一般工業(yè)制程都能依據(jù)此原則進(jìn)行制程設(shè)計與生產(chǎn)操作。低導(dǎo)電系數(shù)的易燃性液體入料作業(yè)時所造成的噴濺亦是制程中潛在靜電危害來源之一。可將液體入料管線盡量接近儲槽/容器底部，或由儲槽/容器底部之入料管線進(jìn)行液體原物料輸送，或降低易燃性液體的流速，主要目的在于減少液體穿過液面時的摩擦以及引起液體的擾動，以避免因過多的摩擦產(chǎn)生大量的靜電。

四、靜電災(zāi)害案例檢討

工業(yè)制程中靜電可能伴隨各種不同作業(yè)而產(chǎn)生。如原料入料、攪拌、成品輸送、分裝等。若靜電蓄積至危險程度，即會發(fā)生靜電放電，輕者造成人員電擊事件，嚴(yán)重者可能引燃周圍易燃性物質(zhì)，發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，造成人員傷亡及財產(chǎn)損失。例如化學(xué)工廠中有許多不同的制程與作業(yè)，其中某些日常重復(fù)性的工作，從未發(fā)生過危害事件，可是有一天某一組件或物料被更換，作業(yè)人員卻未發(fā)覺作業(yè)中的潛在靜電危害，致使引發(fā)嚴(yán)重的危害事件。

1 災(zāi)害現(xiàn)場描述

多年前在某化學(xué)工廠中曾有一位作業(yè)人員將小鐵桶裝滿甲苯時發(fā)生了火災(zāi)，首先他將小鐵桶的塑料把手掛在管路閥件上，打開閥件后不久就看到甲苯起火燃燒，作業(yè)人員描述當(dāng)時的情況說：「我站在那里，甲苯就引火開始燃燒?！顾s快到附近拿一個小型滅火器，但不足以將火撲滅，所以又去拿一個大型的滅火器，可是這時候鐵桶中的甲苯已經(jīng)漫延到地面上造成一場嚴(yán)重的火災(zāi)。

2 災(zāi)害原因分析

事后工廠調(diào)查此一意外事故，發(fā)現(xiàn)該作業(yè)人員執(zhí)行此一工作已數(shù)年而且未發(fā)生事故。原先的鐵桶把手是木質(zhì)材料，現(xiàn)在被更換為塑料材料，經(jīng)量測發(fā)現(xiàn)干燥木頭的體積電阻系數(shù)為109 Wm，塑料的體積電阻系數(shù)為1016 Wm，另研究發(fā)現(xiàn)甲苯流動10秒產(chǎn)生1微庫倫的電量，經(jīng)由小鐵桶釋放出約25毫焦耳的能量，甲苯的最小引火能量為0.24毫焦耳，所以當(dāng)小鐵桶中蓄積足夠靜電荷并發(fā)生靜電放電時，其能量足以引燃甲苯蒸氣發(fā)生火災(zāi)。

3 防范措施

說明這個案例的目的并不是建議作業(yè)中使用木頭材質(zhì)的器具就不會發(fā)生靜電問題，而是要強(qiáng)調(diào)作業(yè)中一點小改變就可能引起重大的損失。此案例中適當(dāng)?shù)淖龇☉?yīng)該是正確的接地措施，并保持低的接地電阻，將蓄積在小鐵桶上的電荷迅速向大地散逸，就能避免發(fā)生靜電危害事故。在實際運(yùn)作時必須經(jīng)由管理方式來加強(qiáng)現(xiàn)場作業(yè)的管理與監(jiān)督，避免作業(yè)人員疏忽，未在入料前將金屬桶實施接地。 　

五、國內(nèi)靜電危害問題與防范對策

勞工安全衛(wèi)生研究所于85年度規(guī)劃「制造業(yè)靜電危害現(xiàn)況調(diào)查」計畫，針對制造業(yè)中靜電危害性高之十大業(yè)別（造紙、紡織、印刷、化學(xué)、化工、石化、橡膠、塑料、電力電子、食品）寄發(fā)問卷調(diào)查，獲致制造業(yè)靜電危害現(xiàn)況結(jié)論如下：

1. 造紙業(yè)靜電危害多發(fā)生于滾輪復(fù)卷與產(chǎn)品分裝時，導(dǎo)致人員電擊、產(chǎn)品瑕疵等。
2. 紡織業(yè)靜電危害以成品高速傳送累積靜電導(dǎo)致人員電擊、產(chǎn)品不良為多，亦曾因此發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。
3. 印刷業(yè)、塑料業(yè)、與橡膠業(yè)等之靜電危害類型雷同，多發(fā)生在成品卷送作業(yè)中引起的高靜電，導(dǎo)致人員電擊與產(chǎn)品不良，靜電亦會引燃油墨或溶劑而導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故。
4. 石化業(yè)之靜電危害多發(fā)生于流體傳送、攪拌、粉體研磨、入料、篩選等作業(yè)，雖然危害事件發(fā)生頻率較低，但若發(fā)生危害事故則災(zāi)害后果大多甚嚴(yán)重。
5. 電力電子業(yè)之靜電危害以靜電造成產(chǎn)品瑕疵與損壞為主，食品業(yè)之靜電危害以粉體作業(yè)與酒精槽儲運(yùn)作業(yè)為主。 針對制程中的靜電危害事故采行防范對策，應(yīng)先了解靜電危害發(fā)生原理，熟悉危害發(fā)展過程中靜電產(chǎn)生及散逸的因素，以及靜電放電類型與危害，能夠辨認(rèn)靜電危害形成的每一階段，然后能針對危害原因運(yùn)用靜電量測儀器，進(jìn)行制程中物質(zhì)及環(huán)境量測，掌握制程中靜電物理量，評估具潛在之靜電危害因素，后續(xù)研擬與采行適宜之靜電危害防制方法，同時持續(xù)量測與比對施行靜電危害防護(hù)措施的效果，可以有效降低潛在靜電危害，提高生產(chǎn)過程中的作業(yè)安全及人員的安全。