Статическое электричество и производство этикетокПричины формирования электростатических зарядов Влияние климатических факторов Измерение величины электростатического заряда Проблемы, вызываемые статическим электричеством Нейтрализация электростатических зарядов Электростатика на службе полиграфии
Электростатика — раздел теории электричества, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Статическое электричество является относительно малоисследованной областью физики. Ученые обходили электростатику своим вниманием, поскольку, в отличие от электродинамики, она имеет весьма ограниченное применение в технике. Однако с началом активного применения полимерных материалов в промышленности нейтрализация статических зарядов стала важной технической проблемой, которую пришлось решать специалистам многих отраслей, в том числе и полиграфистам. Причины формирования электростатических зарядовВ обыденной жизни и в производственной деятельности человек ежедневно сталкивается с электростатическими зарядами, причем подчас он сам и не подозревает, что является носителем заряда потенциалом 35 кВ. Электростатические заряды накапливаются на поверхности диэлектриков — например на синтетической или шерстяной одежде, полимерной этикеточной пленке или на бумаге — в результате тепловых, световых, электрических, механических или иных воздействий на диэлектрик. Возникшая при этом энергия преобразуется в кинетическую энергию электронов, миграция которых приводит к формированию на поверхности диэлектрика отрицательных или положительных ионов (если материал теряет электроны, он заряжается положительно, если приобретает — отрицательно). В случае если проводящие электрический ток материалы не заземлены, то они могут стать носителями электростатического заряда. В полиграфии, в частности в производстве этикеток, значительный по величине электростатический заряд может накапливаться на поверхности этикеточного материала в процессе печати и послепечатной обработки. Основной причиной формирования статического заряда является трение полотна этикеточного материала о лентоведущие валики и цилиндры печатных аппаратов, а также о ножи при резке. Нагрев и обработка УФизлучением при сушке также могут способствовать формированию электростатического заряда на поверхности полотна. Используемые в производстве этикеток полимерные пленки обычно приобретают отрицательный заряд, а бумага — положительный. Механизм формирования электростатического заряда в результате трения изучен плохо. Считается, что при соприкосновении элементарного участка полотна с роликом возникают электротоки, нарушающие электрический баланс на поверхности полотна, а при отрыве участка полотна от ролика увеличивается разница потенциалов, причем величина напряжения зависит только от электрической прочности диэлектрической среды — воздуха. Электрический разряд в районе лентоведущих роликов свидетельствует о пробое конденсатора, образованного роликом, прошедшим ролик участком ленты и разделяющим их воздухом. Поскольку система лентопроводки полиграфических машин включает большое число роликов, значение электростатического заряда ленты по мере ее прохождения через машину может меняться как по модулю, так и по знаку. При этом имеет место кумулятивный эффект — величина заряда постепенно увеличивается.
Рис. 1. Модель диэлектрика со статическим зарядом
На рис. 1 представлена электрическая схема, моделирующая материал с электростатическим зарядом. Конденсатор С моделирует способность материала накапливать заряд на своей поверхности, резистор R — возможность релаксации заряда (в случае если материал является проводником), а разрядник S — возможность электрического пробоя при перенапряжении. Зарядный ток I создается в результате преобразования тепловой или световой энергии в кинетическую энергию электронов.
Влияние климатических факторовВеличина электростатических зарядов обратно пропорциональна влажности воздуха — иными словами, во влажном помещении формируются меньшие по величине электростатические заряды, чем в сухом. Это явление объясняется тем, что при высокой влажности на поверхности обрабатываемого материала формируется микроскопический слой влаги, повышающий электропроводность материала и способствующий отводу заряда на землю. Влажный воздух поразному воздействует на невпитывающие (например, пластики) и впитывающие (например, бумага без покрытия) материалы. В первом случае влага способствует повышению электропроводности только поверхности материала, во втором случае — и поверхностной и объемной электропроводности. Для поддержания оптимальной влажности, значение которой находится в пределах от 45 до 60%, в типографии рекомендуется использовать промышленные системы увлажнения воздуха.
Измерение величины электростатического зарядаДля измерения величины электростатического заряда используют кулонметры. На рис. 2 приведена схема кулонметра, определяющего величину заряда как произведение электрической емкости конденсатора на напряжение между обкладками конденсатора.
Рис. 2. Схема прибора для измерения электростатического заряда
Заряд полотна запечатываемого материала следует измерять на тех участках, где оно движется без контакта с лентоведущими элементами. Только на таких участках вектор напряженности электростатического поля направлен по перпендикуляру к поверхности полотна. Вблизи от мест контакта полотна с роликами точность измерения резко падает.
Проблемы, вызываемые статическим электричествомЭлектростатический заряд может приводить к следующим проблемам: • выход из строя электронных компонентов; • притяжение или отталкивание заряженных объектов; • возгорание; • повреждение оттиска; • электрический шок обслуживающего персонала. Электростатический заряд не несет большого количества энергии, однако высокая разность потенциалов способствует образованию токов, достаточных для мгновенного нагрева и выхода из строя чувствительных электронных компонентов или для повреждения их кристаллической решетки, что, в свою очередь, ведет к изменению свойств и параметров микросхем. Для большинства видов изделий микроэлектроники статический заряд с потенциалом 510 кВ является губительным. Проблема эта до последнего времени касалась в основном электронной промышленности, однако с развитием технологий радиочастотной идентификации (RFID) она стала актуальна и в сфере производства этикеток. В электронной промышленности повреждение микросхем, как правило, происходит при контакте с человеком, поэтому проблема решается благодаря использованию проводящих спецодежды и обуви. В производстве RFIDэтикеток выход из строя электронных компонентов возможен при проводке этикеток через машину, например при их контакте с заземленными ведущими роликами. В полиграфии одной из основных проблем, обусловленных электростатическим зарядом, является взаимодействие между заряженными объектами, следствием которого является притяжение к запечатываемому материалу пыли, слипание оттисков между собой и их притяжение к механизмам, а также дестабилизация режима намотки полотна в рулон. Согласно закону Кулона сила взаимодействия (притяжения или отталкивания) заряженных тел прямо пропорциональна произведению абсолютных значений зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Соответственно чем выше величина электростатического заряда на поверхности полотна или листа, тем больше пыли он притянет. Как правило, воздушная пыль интенсивно притягивается к полотну при разности потенциалов 3 кВ и выше. Риск возгорания вследствие разряда, вызванного электростатикой, особенно велик при использовании красок и лаков на легковоспламеняемых растворителях. Такие краски и лаки находят применение в флексографской и глубокой печати. Основными источниками электростатического разряда, как правило, являются незаземленные элементы оборудования, обрабатываемый материал и одежда обслуживающего персонала. Вероятность возгорания зависит от следующих факторов: • типа разряда; • энергии разряда; • типа воспламеняющейся среды (пары растворителя, жидкость или пыль); • минимальной энергии воспламенения. Концентрация электростатических зарядов может привести к искровому, кистевому или коронному разряду. Возгорание возможно в случае, если энергия разряда выше, чем минимальная энергия воспламенения растворителя. Источником искрового разряда, как правило, является незаземленный объект со средней проводимостью, например тело человека, обутого в обувь с подошвой из диэлектрика, или инструмент. Искровой разряд отличается высокой концентрацией энергии и весьма опасен в плане возможности возгорания. Простой кистевой разряд возникает, например, когда не очень высокий заряд распределяется по площади большого листа или участка полотна. Концентрация энергии в таком разряде относительно невысока, поэтому с точки зрения возможности возгорания он менее опасен по сравнению с искровым разрядом. Скользящий кистевой разряд может возникать при концентрации высоких зарядов различной полярности на разных сторонах листа или полотна с диэлектрическими свойствами. Такой разряд наиболее часто приводит к возгоранию. Коронный разряд характеризуется низкой энергией и практически не опасен. При разности потенциалов более 10 кВ разряды могут привести к повреждению красочного или лакового покрытия на оттисках. Для здоровья обслуживающего технику персонала электростатические разряды, как правило, не опасны, однако они могут напугать оператора и вызвать неадекватную реакцию, которая и приведет к травме. Электростатические заряды скапливаются на одежде оператора в результате трения или под воздействием внешних электростатических полей, например поля от рулона с пластиковой пленкой. В этом случае разряд происходит при соприкосновении оператора с заземленными металлическими объектами, например со станиной машины. Реже разряд является результатом соприкосновения оператора, обутого в проводящую обувь, с незаземленными элементами машины или с изделиями, на которых сформировался электростатический заряд.
Нейтрализация электростатических зарядовПри работе с проводящими материалами для нейтрализации электростатических зарядов достаточно выполнить заземление. Электростатические заряды, сформированные на поверхности диэлектриков, нейтрализуются путем бомбардировки заряженными частицами противоположного знака. Как правило, для этого используется ионизированный воздух, содержащий положительные и/или отрицательные ионы. В полиграфических машинах применяются два типа ионизаторов: пассивные и активные. Пассивные устройства выполняются в форме антистатических щеток и струн. Щетки содержат электроды из углеродного волокна (диаметр 67 мкм), мягкой нержавеющей стали (диаметр 1112 мкм), проводящего акрила (диаметр 15 мкм) или из других проводящих материалов, которые создают электрическое поле напряженностью около 3 МВ/м (рис. 3). При такой напряженности поля происходит ионизация воздуха. Формируемые ионы нейтрализуют противоположные им по знаку заряженные частицы на поверхности диэлектрика. Щетки работают без контакта с обрабатываемым материалом — для нейтрализации малых и средних по величине зарядов концы электродов должны находиться примерно в 5 мм от поверхности материала. Для нейтрализации больших зарядов ионизатор должен располагаться ближе к поверхности материала, при этом определить оптимальную позицию антистатической щетки можно опытным путем с помощью кулонметра.
Рис. 3. Принципиальная схема работы антистатической щетки
Струны целесообразно использовать для нейтрализации заряда на поверхности рулонов, а также при стапелировании листов. С целью снижения риска повреждения струны и обрабатываемого полотна разработаны эластичные антистатические струны (например, фирмы Stopstatic.com). В качестве достоинств пассивных ионизаторов можно назвать низкую стоимость, высокую производительность (могут применяться в высокоскоростных машинах), а также простоту инсталляции и обслуживания. Недостатками пассивных ионизаторов являются необходимость установки на небольшом расстоянии от материала, вследствие чего затруднена обработка объектов сложной формы; необходимость периодической замены электродов; неполное удаление статического заряда (обычно на материале остается незначительный по величине заряд). Активные ионизаторы (коронаторы) генерируют коронный разряд, в результате которого вокруг эмиттера устройства образуется облако (корона) ионизированного воздуха. С помощью вентилятора или компрессора это облако может направляться на требуемый участок обрабатываемого материала. Для создания коронного разряда используется как переменный, так и постоянный ток, однако если в первом случае одновременно генерируются и положительные и отрицательные ионы, то во втором случае — или положительные, или отрицательные. Достоинством устройств, оснащенных генераторами постоянного тока, является возможность регулирования степени ионизации воздуха. Часто они оснащаются датчиками для определения полярности и величины заряда на материале. Ионизаторы переменного тока обычно устанавливаются на расстоянии до 15 см от обрабатываемого материала, ионизаторы постоянного тока — на расстоянии до 90 см. На базе коронаторов создаются ионизаторы разной конструкции: линейки, воздушные пушки, воздушные ножи и т.п. Линейки служат для обработки рулонных материалов и монтируются на небольшом расстоянии от полотна, воздушные пушки создают направленный поток ионизированного воздуха и могут устанавливаться на значительном расстоянии от обрабатываемого материала (рис. 4). Активные ионизаторы характеризуются высокой надежностью, позволяют направленно подавать ионизированный воздух и обрабатывать объекты сложной формы, а также труднодоступные участки материала, причем возможно полное удаление статического заряда с обрабатываемой поверхности. Главный недостаток активных ионизаторов — более высокая стоимость, чем у пассивных устройств.
Рис. 4. Схема расположения ионизаторов у охлаждающих роликов
Ионизаторы должны устанавливаться в машине таким образом, чтобы заряд нейтрализовался непосредственно перед технологическим участком, в котором возможно возникновение разряда или иных проблем (рис. 4 и 5). Если на пути от ионизатора до такого технологического участка обрабатываемое полотно контактирует с лентоведущими роликами, электростатический заряд может снова появиться на его поверхности. В узкорулонных печатных машинах ионизаторы обязательно следует монтировать в рулонных установках и после устройства обработки полотна коронным разрядом; рекомендуется устанавливать их и между печатными секциями (рис. 5).
Рис. 5. Схема расположения антистатических устройств в ламинаторе
Системы нейтрализации электростатического заряда входят в состав устройств для очистки поверхности материала от загрязнений. В бесконтактных устройствах используются ионизаторы, а в устройствах контактной очистки удаление электростатического заряда может выполняться в процессе чистки полотна с помощью специальной жидкости (например, Ingromat). Соответственно если на определенном технологическом участке машины установлено устройство очистки, то монтировать там ионизатор уже не требуется.
Электростатика на службе полиграфииФормирование электростатического заряда на обрабатываемом материале в большинстве случаев нежелательно, но из этого правила существуют и исключения. Иногда на поверхности материала, чтобы обеспечить плотное соединение нескольких полотен при кашировании или для временной фиксации на полотне листового материала (например, отрывных купонов), специально создается электростатический заряд. Помимо этого электростатика используется в системах позиционирования вплавляемых этикеток. Для создания электростатического заряда используются генераторы постоянного тока.
|
