防靜電服帶電電荷量測試方法的探討

任春祥

中國石油天然氣集團有限公司勞動防護用品質量監督檢驗中心（黑龍江 大慶 163453）

為防止人體靜電引起火災、爆炸等危險，防靜電服成為石油化工等作業場所重要的人體防靜電措施。“帶電電荷量”是評價防靜電服防靜電性能優劣的核心技術指標。中國石油天然氣集團公司勞動防護用品質量監督檢驗中心是從事防靜電服產品檢驗的專業檢驗檢測機構，在開展防靜電服產品“帶電電荷量”檢測過程中發現，實驗室檢測結果的重復性較差；通過與國家勞動防護用品質量監督檢驗中心(北京)進行的實驗室間比對情況發現，檢測結果同樣存在再現性較差的問題。通過大量的實際檢測工作發現，樣品投放方式、滾筒轉速及環境因素是造成“帶電電荷量”檢測結果重復性、再現性不理想的主要因素。在實際應用過程中，合理地選擇測試條件，是客觀評價防靜電服防靜電性能指標的關鍵。

1 人體靜電產生機理及防靜電服帶電電荷量檢測原理

1.1 人體靜電產生機理和防靜電服的概念

人體靜電產生的原因有接觸起電、感應起電和吸附起電[1-2]，其中接觸起電是指兩種物體接觸時，電子從一種物體表面轉移到另一種物體表面并形成偶電層，在分離時兩個物體會帶上不同類型的電荷，摩擦可以使接觸起電的效應增強[3-4]。人活動時，服裝之間或服裝與其他物體相互接觸或摩擦，就會使電子轉移產生靜電。在石油化工等作業場所，靜電放電的能量高于可燃物最低點火能時，容易引起可燃物燃燒、爆炸等危險[5]。

GB 12158—2006《防止靜電事故通用導則》、中石油集團《安全生產管理知識學習考核要點》以及《防護服裝管理規定》均規定，在火災爆炸危險場所應當配備防靜電服作為人體防靜電措施[6-7]。GB 12014—2019《防護服裝防靜電服》[8]強制性國家標準所適用的便是用于各類可能因靜電引發電擊、火災及爆炸危險場所的防靜電服，其原理是通過在織物纖維上添加親水性抗靜電劑或基團、混紡或嵌入導電性能良好的導電纖維（標準大氣條件下電阻率小于1×107Ω·cm 的纖維，分為有機導電纖維、無機導電纖維以及金屬材料導電纖維）等方法來提升織物的親水性和導電性，降低織物表面摩擦系數，或使織物表面離子化[9-10]，進而有效降低織物電荷產生能力，提升織物電荷散逸能力，織造出防靜電織物，最終制作成防靜電服。

1.2 防靜電服帶電電荷量檢測原理

判定防靜電服防靜電性能的指標為“帶電電荷量”，該指標按照GB 12014—2019 標準附錄B 中的“帶電電荷量測試方法”進行檢測，即將洗滌后的防靜電服在滾筒摩擦機內摩擦15 min后，投放到法拉第桶內，通過靜電電量測試儀讀取其帶電電荷量，取5 次有效測試的平均值作為檢測結果，進而判斷其防靜電性能的優劣（不應大于0.60 μC）。服裝的摩擦帶電電荷量是由服裝面料的表面積、織物纖維材料摩擦時的電荷產生、耗散和泄露能力以及導電纖維的電暈放電能力共同決定的[11-12]。

表1為兩種纖維材料相互摩擦時的靜電電位序列，其中靠左的材料易帶正電，靠右的易帶負電，且兩種材料距離越遠，摩擦帶電量越大[13]。“帶電電荷量測試方法”中所用的滾筒摩擦機的標準摩擦布即為易帶負電的聚丙烯腈（腈綸）材質，其短纖維的結構容易產生靜電聚積[14]，測試時容易使常見的純棉、滌綸、滌棉等防靜電服基礎材料摩擦帶正電。

表1 纖維材料摩擦靜電電位序列

2 防靜電服帶電電荷量檢測方法探究

在開展防靜電服帶電電荷量檢測工作過程中發現，樣品投放方式、滾筒摩擦機轉速、環境溫度和環境相對濕度均會對帶電電荷量的檢測結果造成較大影響，針對存在的問題設計了4組比對實驗。

2.1 樣品投放方式對檢測結果的影響

GB 12014—2019標準規定，摩擦后的樣品可以以自動投放或檢測人員佩戴絕緣電阻在1012Ω以上的絕緣手套手動投放兩種方式進入法拉第筒。為分析投放方式的影響，設計以下比對實驗：測試裝置為具有自動和手動投放兩種工作模式的滾筒摩擦機，兩名測試人員在相同測試條件下，分別對3組樣品采用手動投放和自動投放方式進行檢測，檢測數據見表2。

由表2檢測數據可以看出，相比于自動投放，手動投放方式的檢測結果平均值較小，標準差較大，且不同檢測人員的檢測結果之間存在一定差距。這是因為手動投放時，不同人員操作熟練度、操作習慣、生理條件、情緒不同，每次投放時樣品與摩擦布間電荷的中和[3]、向手套放電、搭邊放電等諸多復雜因素造成較大的人員誤差，影響檢測結果的準確性、重復性和再現性[15]。自動投放方式消除了人員誤差的影響，不同檢測人員檢測結果的重現性較好，并可提高檢測結果的準確性和重復性，因此應優先選擇自動投放方式。

表2 手動投放/自動投放檢測帶電荷量對比 /μC

2.2 滾筒摩擦機滾筒轉速對檢測結果的影響

GB 12014—2019 標準規定滾筒摩擦機的滾筒轉速不小于46 r/min。為分析滾筒轉速的影響，設計以下比對實驗：實驗用滾筒摩擦機電機調速范圍為30～75 r/min。在相同測試條件下，檢測人員采用自投方式對3 組樣品以不同轉速進行檢測，樣品A、B、C 的質量分別為560、330、750 g，環境溫度為20 ℃，相對濕度為35%，電荷量檢測結果如圖1 所示。

圖1 3組樣品在不同轉速下的電荷量檢測結果

通過圖1 可以看出：隨著轉速增大，檢測結果明顯增大。這是因為當轉速增大時，樣品所受滾筒壁的向心力增大，樣品和摩擦布之間的動摩擦力及相對速度的增大導致摩擦功增大，加之摩擦接觸面積增大，最終造成摩擦產生的電荷量增大[16]。因此，滾筒轉速的選擇直接影響帶電電荷量指標的評價結果，滾筒轉速在滿足標準要求的同時不應過大。

2.3 檢測環境相對濕度對檢測的結果的影響

GB 12104—2019 標準對檢測環境相對濕度的要求為30%～40%。檢測人員在環境溫度20 ℃，不同相對濕度的情況下對4 組樣品進行比對實驗，電荷量檢測結果如圖2所示。

圖2 4組樣品在不同相對濕度下的電荷量檢測結果

通過圖2可以看出：環境相對濕度在25%～45%范圍內增大時，檢測結果明顯減小。這是因為相對濕度增大時，①空氣中水分子增多，服裝面料和摩擦布回潮率增大，表面電阻均明顯減小[17]（經測試，實驗用服裝的面料表面電阻在相對濕度40%時比30%降低了一個數量級），有助于服裝與摩擦布分離時一部分電荷在接觸面發生中和[3]，加之空氣中水分子的增多和摩擦裝置持續不斷提供2 m3/min以上的風量，有助于電荷向空氣進行耗散；②織物基礎材料纖維吸水后變粗，基礎材料纖維和導電纖維之間距離減小，有助于電荷通過隧穿現象向導電纖維進行轉移[17]；③空氣中水分子含量增多，有助于導電纖維進行電暈放電[11]；④面料中的水分子蒸發帶走了小部分電荷，且濕度越高，帶走的電荷越多[18-19]，電荷還同空氣中及面料附著的水分子發生碰撞或黏附，減弱了遷移的動能，電荷遷移能力下降[20]。綜上所述，環境相對濕度對實驗結果的影響較大，溫度恒定時，相對濕度越大，檢測結果越小，在實驗過程中應當嚴格控制試驗環境濕度，生產作業場所提升環境濕度可減少靜電聚積，保障生產作業安全。

2.4 檢測環境溫度對檢測結果的影響

GB 12104—2019 標準對檢測環境溫度的要求為15～25 ℃。檢測人員在相對濕度35 %，不同溫度情況下對4 組樣品進行檢測實驗，檢測結果如圖3所示。

圖3 4組樣品在不同溫度下的電荷量檢測結果

通過圖3 可看出，環境溫度在15～30 ℃范圍內增大時，檢測結果呈減小趨勢，但趨勢不明顯。在相對濕度恒定的情況下，溫度越高，空氣中的水分子越多，溫度升高和水分子增多都會使面料表面電阻減小，造成服裝帶電電荷量減小。因此，環境溫度對檢測結果存在一定影響；相對濕度恒定時，溫度越大，檢測結果越小，在檢測過程中應當注重對環境溫度的控制。

3 結論及建議

對于防靜電服“帶電電荷量”的檢測，自動投放方式能夠消除檢測過程中人員誤差的影響，為提高檢測數據的準確性、重復性及再現性，應優先采用自動投放方式進行樣品的投放；滾筒轉速直接影響樣品帶電電荷量的評價，當滾筒轉速增大時，樣品帶電電荷量顯著增大，因此應合理選擇滾筒摩擦機的滾筒轉速；檢測環境相對濕度和溫度對檢測結果均有影響，相對濕度對帶電電荷量的評價影響較大，在檢測過程中應注重對相對濕度及溫度的控制。

3.1 標準修訂建議

1）GB 12014—2019《防護服裝 防靜電服》附錄B中“帶電電荷量測試方法”應限定樣品投放方式為自動投放。

2）GB 12014—2019《防護服裝 防靜電服》中的帶電電荷量測試方法應增加對滾筒摩擦機轉速上限的要求，并在檢測結果中注明測試轉速。

3.2 帶電電荷量檢測過程中的注意事項

檢驗檢測機構在依據GB 12014—2019《防護服裝防靜電服》進行防靜電服帶電電荷量檢測時，應注意以下幾點：

1）進行帶電電荷量檢測時，自動投放方式能夠消除檢測過程中人為誤差的影響，提高檢測數據的準確性及重復性，檢驗機構應優先選取自投式滾筒摩擦機設備。

2）進行帶電電荷量檢測時，應合理選擇滾筒摩擦機的滾筒轉速，可采用轉速可調式滾筒摩擦機進行測試。

3）由于防靜電服帶電電荷量檢測的周期較長，檢測環境的波動對每次測試結果影響較大，在進行測試時應當加強對環境條件的控制，減少空氣流動和人員活動等可能影響環境的因素，以提高檢測數據的可靠性。

3.3 防靜電服使用及管理建議

1）在低溫低濕工作環境下，產生的靜電不易耗散和泄露，容易增加凈電荷的聚積，因此在危險作業場所應當把環境溫濕度嚴格控制在合適的范圍內，以減少靜電的聚積。

2）相比普通接觸，摩擦會明顯增加靜電的產生，且摩擦速度越快，產生的靜電越多，因此作業場所人的活動速率越大，靜電起電率越高，在危險作業場所應嚴格控制活動速率，并正確穿著和使用防靜電服，嚴禁穿脫防靜電服。

3）由于導電纖維性能受環境濕度影響很小，因此相比抗靜電劑整理類防靜電服，導電纖維混紡類防靜電服在低濕度下也有較好的防靜電性能，且其防靜電性能更耐久[21]，因此在防靜電服招標采購過程中應當優先選用導電纖維類防靜電服產品。

4）質量安全及物資管理部門應當關注防靜電織物和導電纖維的最新產品和技術，如耐久性滌綸防靜電織物、碳基導電纖維和多功能防護織物等前沿技術的研究進展[22]，并根據技術變化修訂《中國石油天然氣集團有限公司員工勞動防護服裝管理規定》，使防靜電服產品能夠更好地服務于油田生產。