塑料集装袋体材料的二次电子发射特性对其防静电性能的影响

常天海，吴金成

（华南理工大学电子与信息学院，广东广州 510640）

塑料集装袋体材料的二次电子发射特性对其防静电性能的影响

常天海，吴金成

（华南理工大学电子与信息学院，广东广州 510640）

基于塑料集装袋基布及织入的导电纤维的二次电子发射特性，深入分析了这些固体材料的静电起放电机理，透彻揭示了塑料集装袋表面上的静电电位非均匀性的真正原因，及其在目前静电点火最小能量测试试验中出现的令人费解的矛盾现象，拓展了塑料集装袋等固体制品防静电性能的设计理论。

固体材料；二次电子发射；塑料集装袋；防静电性能

关于塑料集装袋的防静电性能设计和检测，现有2个国际标准IEC 61340－4－4—2003和PDCLC／TR 50404，且主要依据其工作环境的最小静电点火能量，将其分为表1所示的A，B，C和D4种类型。目前，塑料集装袋防静电性能设计和生产的理论依据主要是袋体的表面电阻、表面电荷面密度及织入的导电纤维的电阻率等参数，但时常出现一些令人费解的矛盾现象。如，当其袋体表面电阻、电荷面密度较低时，或其基布材料中的导电纤维过多时，生产出的防静电塑料集装袋更易引发静电点火。显然，现有的塑料集装袋等固体制品防静电设计理论尚需拓展。因此，如何更透彻地揭示固体材料的静电起放电机理，既是目前电气科学与工程领域中的一个重要方向［1－2］，也是当前静电理论与技术、绝缘与功能电介质材料、电磁兼容等领域中研究人员追求的主要目标之一［3－5］。

表1 塑料集装袋的国际分类

本研究基于塑料集装袋基布及织入的导电纤维的二次电子发射特性，拓展分析这些固体材料的静电起放电机理，透彻揭示塑料集装袋在目前静电点火最小能量测试试验中令人费解的矛盾现象。

1 固体材料二次电子发射的基本原理

当具有一定能量的原粒子（电子或离子等）入射固体材料表面时，会引起其部分电子逸出，该作用过程即称为二次电子发射。根据原入射粒子种类及能量的高低、固体材料的基本性质及表面状况，该作用过程可分为3类［6－7］：1）入射粒子进入材料表面中，速度变缓，最后留在材料表面中，其能量传递给材料表面中的电子，使其处于激发状态，部分处于这种激发状态的电子会挣脱束缚，逃逸出材料表面，这部分电子被称为“真二次电子”，其能量通常小于50 e V；2）入射粒子若为电子，则可能被材料表面势垒反射或在表层被晶格反射回放电系统，或射入固体内部一定深度被弹性散射出来，在逸出其表面过程中又发生一次或多次弹性或非弹性碰撞而损失能量，最后返回放电系统。这部分电子统称为“背散射电子”，其能量通常大于50 e V；3）入射粒子与材料表面发生相互作用后损失了能量，最终被材料表面所吸收。显然，该作用过程直接关联着相关固体材料的静电起放电性能。

目前，能够直接评估该作用过程的一个参数就是固体材料的二次电子发射系数δ，即一个原粒子所产生的二次电子数目，它包括真二次电子和背散射电子2部分。可以肯定，无论是空间还是地面应用领域，二次电子发射系数δ，尤其是其最大值δm和该δm对应的原入射粒子能量Em，皆是评估固体材料静电性能的一个必不可少的关键参数。

2 塑料集装袋防静电性能的测试方案

目前，防静电塑料集装袋的基布材料为绝缘材料，根据其防静电性能设计的不同要求，采用不同方式嵌织了与其基布材料电学性能完全不同的导电纤维。简言之，目前塑料集装袋防静电性能设计主要依据为其基布的表面电阻和电荷面密度，及其基布材料中织入的导电纤维的电阻率；其引发静电放电点火的最小能量的测试是目前检测其防静电性能的最终依据，该测试试验的具体方案如图1所示，其主要原理如下。

在温度为21℃、湿度为60%的环境中，物料（聚丙烯塑料粒或其他）经过放电针E充电，充电电流达到1μΑ，以每秒1 kg的流量落入塑料集装袋A（在其基布中织入了间距为20 mm的导电纤维）中，该袋体与周围环境绝缘。气体探头组件C注入了易燃气体乙烯（在空气中的含量为4%（体积分数），点火能量为0．14 mJ），球形放电电极D从远处渐渐接近塑料集装袋A，若其防静电性能不佳，则将会在其表面附近的某一位置，将乙烯等气体点燃，从而可测出其引发静电放电点火的最小能量。

图1 塑料集装袋引发静电放电点火的最小能量的测试试验

3 测试结果与分析

目前，塑料集装袋引发静电放电点火的最小能量的测试试验主要结果如下：1）当其表面电阻和电荷面密度分别小于108Ω和7μC（有时甚至＜4μC）时，其防静电性能并不好，更易引起静电放电，点燃可燃气体乙烯；2）同样采用20 mm间距织入导电纤维，且该导电纤维的单位质量及电阻皆相同，但织入6根合股比织入单根导电纤维的塑料集装袋更易点燃可燃气体乙烯；3）织入电阻率为105～106Ω／cm的导电纤维比织入电阻率为107～109Ω／cm的导电纤维的塑料集装袋，更易点燃可燃气体乙烯。

显然，这些令人费解的试验结果表明：1）织入导电纤维过多的塑料集装袋，其防静电性能并不好；2）塑料集装袋防静电性能的设计理论尚需拓展，仅依据表面电阻、电荷面密度和电阻率等参数尚不能透彻揭示其静电起放电机理，更不便准确评估其防静电性能。

但是，若添加考虑袋体材料的二次电子发射特性，上述试验结果中令人费解的矛盾现象则可作如下的透彻揭示：1）因为通过放电针E充了5～10 k V的负电后，物料就相当于具有一定能量的原粒子，在落入袋A的过程中，通过感应、碰撞及摩擦等方式入射袋A的内表面，同时诱发（引起）其基布材料和导电纤维逸出“真二次电子”，且由于都是带负电，故会给“真二次电子”加速，使其能量有可能大于50 e V，更易引发静电放电；2）若袋A表面电阻和电荷面密度过低，或织入的导电纤维过多即其电阻率过低，原粒子物料能量的入射速度就更快，且入射面积就更大，从而引发的二次电子发射现象就更剧烈，袋A外表面的静电负电位就更高，也就更容易与接地的放电球D产生静电放电；3）因为袋A的基布材料为绝缘体，织入的导电纤维为金属，它们的二次电子发射系数最大值δm相差较大（导电纤维的δm较小，大都为1～1．4），故袋A表面二次电子发射的非均匀现象也很剧烈，从而造成其表面上的静电电位均匀性很差。

4 结 语

与袋体的表面电阻、表面电荷面密度及织入的导电纤维的电阻率等参数相比，基布材料和导电纤维的二次电子发射特性与塑料集装袋引发静电放电点火的最小能量的关联性更强。基于该特性，可透彻揭示塑料集装袋的静电起放电机理，及其防静电点火测试试验中令人费解的矛盾现象。可以肯定，添加考虑袋体材料本身的二次电子发射特性，可设计出防静电性能较好的塑料集装袋等塑胶制品，从而避免因其使用不当而引起的静电灾害事故。

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O441．4

A

1008－1542（2011）12－0142－03

2011－06－20；责任编辑：王海云

常天海（1964－），男，河南罗山人，副教授，博士，主要从事静电理论与技术研究。