Materiali antistatici - ESD - Definizione e vantaggi

Le scariche elettrostatiche possono costituire un problema nell’ambiente di produzione: i pericoli vanno dai danni ai componenti sensibili ai pericoli di incendio ed esplosione. Sono disponibili diverse opzioni per ridurne al minimo la possibilità che si verifichino. I materiali antistatici o ESD sono uno di questi. Il seguente articolo tratta le cause della carica elettrostatica, introduce i materiali antistatici (materiali ESD) e descrive i principi generali per evitare scariche elettrostatiche.

Come si sviluppa una carica elettrostatica?

La carica elettrica è un parametro di conservazione fisica. Per comprendere quest’ultimo, è necessario considerare la materia a livello atomico. Ogni singolo atomo è costituito da un guscio atomico e da un nucleo atomico. Mentre la massa principale del nucleo atomico è costituita da particelle a carica positiva (protoni) e da particelle elementari neutre (neutroni), nel guscio atomico vi sono particelle a carica negativa (elettroni). Le cariche uguali si respingono a vicenda e le cariche opposte si attraggono a vicenda. Se protoni ed elettroni sono presenti nella stessa quantità, gli effetti esterni delle singole cariche presenti, ma separate, nell’atomo si annullano a vicenda nella somma delle cariche. L’atomo è elettricamente neutro. Tuttavia, per esempio, la presenza di più protoni rispetto agli elettroni, viene chiamata carica positiva.

La carica elettrostatica è strettamente collegata alla carica elettrica. Se due materiali sfregano l’uno contro l’altro, gli elettroni vengono trasferiti da un materiale all’altro. Anche se, mentre sono collegati a terra, i materiali conduttivi compensano simultaneamente il trasferimento degli elettroni con elettroni liberi, ciò non è facilmente possibile per i materiali isolati o isolanti. In questi casi il materiale che può trattenere gli elettroni in modo meno efficace nel guscio atomico perde questi elettroni al partner di attrito. Il partner di attrito che rilascia gli elettroni ha una somma di carica positiva dovuta alla carenza di elettroni e il partner a cui gli elettroni vengono trasferiti ha una somma di carica negativa dovuta agli elettroni in eccesso. Esiste una differenza di carica tra i due partner di attrito. Le scariche elettrostatiche si verificano quando due oggetti con cariche elettriche diverse entrano in contatto tra loro. Gli elettroni vengono scambiati al contatto e possono verificarsi dei guasti elettrici. I componenti a carica statica si scaricano.

Quando si scarica una carica elettrostatica accumulata, possono fluire correnti elettriche elevate in grado di causare anche ustioni o esplosioni di sostanze infiammabili.

Il modo in cui si manifesta la carica elettrostatica dipende dalla gamma di tensione:

• > 3.000 V: Le scariche elettrostatiche sono evidenti, ad esempio quando si tocca una lama metallica.
• > 5.000 V: Le scariche elettrostatiche sono udibili, ad es. crepitii, quando si rimuovono gli indumenti.
• > 10.000 V: Le scariche elettrostatiche sono visibili, ad es. sotto forma di scintille o flash.

I fulmini e le scintille si verificano, ad esempio, quando si crea un’intensità di campo elevata tra oggetti che trasportano una carica diversa. Se la tensione è sufficientemente grande, si verifica un’improvvisa equalizzazione della carica e una corrente elettrica scorre brevemente (lampo).

La grande differenza tra materiali isolanti e conduttivi è causata dalla stabilità o dalla resistenza degli elettroni incorporati nel guscio atomico. Sebbene tutti gli elettroni in un isolante siano legati al loro atomo, gli elettroni nei metalli possono anche muoversi liberamente nello stato diseccitato e saltare da un guscio atomico al guscio atomico di un altro atomo.

Protezione contro le cariche elettrostatiche

La protezione dalle cariche elettrostatiche è un aspetto importante della sicurezza sul lavoro, come spiegato anche nel nostro articolo sugli Standard di sicurezza in ingegneria meccanica. Ma perché la protezione è così importante? Tutti hanno certamente subito una scossa elettrica a contatto con oggetti metallici. Tuttavia più alta è la carica elettrica, più pericolose sono queste scariche.

Negli ambienti industriali possono verificarsi facilmente tensioni fino a 10.000 V, che possono causare danni o distruzione, specialmente sui componenti elettronici. Le materie plastiche standard comportano il rischio di carica elettrostatica, in quanto hanno una resistenza di superficie elevata. I problemi possono verificarsi rapidamente se i componenti elettronici vengono trasportati al loro interno. La miniaturizzazione in corso, soprattutto nel settore elettrico e dei semiconduttori, ha aumentato la suscettibilità alle scariche elettrostatiche. La ricarica statica delle materie plastiche è quindi particolarmente importante. I componenti particolarmente sensibili alle scariche elettrostatiche sono contrassegnati con il simbolo ESDS per "Dispositivo elettrostatico sensibile":

Esiste anche il rischio di incendio ed esplosione nella produzione di pellicole, semiconduttori o carta. La protezione è quindi essenziale.

Definizione: Materiali ESD e materiali antistatici

Fondamentalmente i materiali antistatici ed ESD differiscono per il modo di gestire la carica elettrostatica. Per il materiale antistatico l’obiettivo è evitare che la carica elettrostatica influisca sulle proprietà elettrostatiche del materiale. Per i materiali ESD la conduttanza elettrica è in primo piano in modo che le cariche elettrostatiche possano essere scaricate in modo particolarmente rapido. Ciò si ottiene aggiungendo carbonio. Tuttavia ciò non significa che anche i materiali antistatici non possano scaricare cariche elettrostatiche contemporaneamente; la loro conducibilità è solo inferiore a quella dei materiali ESD.

Esistono standard diversi per entrambi i gruppi di materiali. Generalmente i materiali antistatici sono utilizzati nella protezione personale, in standard come EN 1149 per gli indumenti antistatici o EN ISO 20345 per le scarpe di sicurezza antistatiche. La resistenza elettrica deve essere così bassa che non possa verificarsi alcuna carica e, ad esempio, possano essere evitate anche le scintille. Per i materiali ESD l’attenzione è rivolta alla protezione dei componenti. EN 61340-4-1 specifica i requisiti per la conducibilità di superfici e materiali. Tuttavia esistono materiali ESD utilizzati per la protezione personale, ad es. scarpe ESD. Per le scarpe ESD si applicano specifiche più rigorose per quanto riguarda la resistenza elettrica approvata: Vantano una resistenza elettrica compresa tra 0,1 megaohm e 100 megaohm, mentre l’intervallo per i materiali antistatici è compreso tra 0,1 e 1000 megaohm. I materiali ESD e antistatici sono utilizzati anche in rivestimenti conduttivi per pavimenti, materiali di imballaggio e rivestimenti speciali, ad esempio.

A seconda della resistenza di contatto i materiali possono essere suddivisi in diverse categorie, che a loro volta sono fondamentali anche nella tecnologia antistatica ed ESD:

Principi operativi

La funzionalità delle varie categorie di materiali differisce in base ai principi seguenti:

• Dissipazione: i materiali ESD conducono la carica creata in modo controllato attraverso il materiale e la distribuiscono per evitare differenze di tensione pericolose.
• Isolamento: i materiali isolanti impediscono il movimento delle cariche, che può essere utile in alcune aree per proteggere i componenti sensibili da scariche incontrollate.
• Respinta: per mezzo di strutture superficiali e additivi speciali i materiali antistatici impediscono l’accumulo di cariche sulla superficie.
• Messa a terra: i materiali conduttivi sono collegati al potenziale di terra con punti di messa a terra definiti al fine di scaricare le cariche in eccesso in modo controllato.

Metodi di test

Il comportamento di isolamento elettrico di un materiale può essere determinato al meglio determinando la resistenza di superficie e la resistenza di contatto. La resistenza di contatto, detta anche resistenza elettrica, è la resistenza al flusso di corrente attraverso un materiale ed è indicata in ohm. La resistenza di contatto fornisce informazioni sulla capacità o meno di un materiale di scaricare le cariche nella direzione di un terreno. Le letture vengono effettuate collegando un elettrodo ciascuno alla parte superiore e inferiore della superficie e facendo passare attraverso di esse una corrente di misurazione. La resistenza di superficie a sua volta descrive la resistenza elettrica sulla superficie del materiale. La resistenza elettrica viene determinata applicando una tensione elettrica per mezzo di due elettrodi paralleli sulla superficie e dalla corrente che fluisce attraverso entrambi gli elettrodi.

Approcci basati sul design per prevenire le cariche statiche

La carica statica può già essere ridotta al minimo o prevenuta efficacemente da misure di progettazione mirate su sistemi, componenti e aree di lavoro critiche. I parametri di controllo pertinenti includono:

• Scelta del materiale
• Messa a terra
• Controllo dell’umidità
• Ionizzatori
• Evitare l’attrito

Scelta del materiale

In generale la scelta tra materiali antistatici o ESD dipende dall’applicazione. I materiali ESD sono consigliati se un prodotto sensibile alla carica elettrostatica deve essere trasportato, montato o lavorato. Se le cariche statiche devono essere prevenute fin dall’inizio, ad esempio per proteggere il personale dalle scintille, i materiali antistatici sono più adatti, in quanto riducono al minimo l’accumulo di carica. MISUMI ha vari materiali antistatici. Anche le plastiche speciali con proprietà specifiche possono essere materiali adatti. Scopri di più nel nostro articolo Plastiche speciali per professionisti.

Messa a terra elettrostatica

Se la messa a terra è corretta, le cariche elettriche in eccesso possono essere scaricate direttamente contro il potenziale di terra. Ciò può essere ottenuto, ad esempio, mediante tappetini speciali per postazioni di lavoro elettricamente conduttivi, cinghie di messa a terra o punti di messa a terra speciali sulle macchine. Tutti i componenti conduttivi devono avere un collegamento permanente a terra.

Controllo dell’umidità

Maggiore è l’umidità, maggiore è la conducibilità dell’aria e migliori sono le cariche in eccesso che possono essere rilasciate e distribuite alle molecole di acqua nell’aria. Se consentito dall’ambiente di produzione, è quindi possibile utilizzare e monitorare un’umidità più elevata. Si consiglia un’umidità relativa del 50-60%.

Ionizzatori

Se la sola messa a terra è insufficiente, è possibile utilizzare gli ionizzatori per le scariche elettrostatiche. Generano coppie di ioni a carica positiva e negativa che si legano e compensano le cariche statiche esistenti nell’intervallo effettivo dello ionizzatore. Gli ionizzatori vengono utilizzati spesso quando le parti di lavoro in materiale isolante vengono lavorate per eliminare le cariche statiche indesiderate.

Evitare l’attrito

L’attrito tra isolatori o materiali superficiali ad alta impedenza è una delle principali cause di carica statica. L’attrito può essere evitato utilizzando ausili, come lubrificanti antistatici o additivi di scorrimento. Una comprensione più approfondita delle proprietà di attrito di un materiale può altresì aiutare a classificare meglio i processi operativi. Per ulteriori informazioni vedere Attrito e coefficiente di attrito: determinazione dei valori di attrito dei materiali.

Un’altra opzione è un trattamento superficiale speciale, che garantisca la produzione di una struttura più liscia. Ciò può essere ottenuto, per esempio, mediante superfici lucide o anche mediante materiali speciali come silicone antistatico o PTFE (Teflon) con riempitivi conduttivi.