防静电服带电电荷量测试方法的探讨

任春祥

中国石油天然气集团有限公司劳动防护用品质量监督检验中心（黑龙江 大庆 163453）

为防止人体静电引起火灾、爆炸等危险，防静电服成为石油化工等作业场所重要的人体防静电措施。“带电电荷量”是评价防静电服防静电性能优劣的核心技术指标。中国石油天然气集团公司劳动防护用品质量监督检验中心是从事防静电服产品检验的专业检验检测机构，在开展防静电服产品“带电电荷量”检测过程中发现，实验室检测结果的重复性较差；通过与国家劳动防护用品质量监督检验中心(北京)进行的实验室间比对情况发现，检测结果同样存在再现性较差的问题。通过大量的实际检测工作发现，样品投放方式、滚筒转速及环境因素是造成“带电电荷量”检测结果重复性、再现性不理想的主要因素。在实际应用过程中，合理地选择测试条件，是客观评价防静电服防静电性能指标的关键。

1 人体静电产生机理及防静电服带电电荷量检测原理

1.1 人体静电产生机理和防静电服的概念

人体静电产生的原因有接触起电、感应起电和吸附起电[1-2]，其中接触起电是指两种物体接触时，电子从一种物体表面转移到另一种物体表面并形成偶电层，在分离时两个物体会带上不同类型的电荷，摩擦可以使接触起电的效应增强[3-4]。人活动时，服装之间或服装与其他物体相互接触或摩擦，就会使电子转移产生静电。在石油化工等作业场所，静电放电的能量高于可燃物最低点火能时，容易引起可燃物燃烧、爆炸等危险[5]。

GB 12158—2006《防止静电事故通用导则》、中石油集团《安全生产管理知识学习考核要点》以及《防护服装管理规定》均规定，在火灾爆炸危险场所应当配备防静电服作为人体防静电措施[6-7]。GB 12014—2019《防护服装防静电服》[8]强制性国家标准所适用的便是用于各类可能因静电引发电击、火灾及爆炸危险场所的防静电服，其原理是通过在织物纤维上添加亲水性抗静电剂或基团、混纺或嵌入导电性能良好的导电纤维（标准大气条件下电阻率小于1×107Ω·cm 的纤维，分为有机导电纤维、无机导电纤维以及金属材料导电纤维）等方法来提升织物的亲水性和导电性，降低织物表面摩擦系数，或使织物表面离子化[9-10]，进而有效降低织物电荷产生能力，提升织物电荷散逸能力，织造出防静电织物，最终制作成防静电服。

1.2 防静电服带电电荷量检测原理

判定防静电服防静电性能的指标为“带电电荷量”，该指标按照GB 12014—2019 标准附录B 中的“带电电荷量测试方法”进行检测，即将洗涤后的防静电服在滚筒摩擦机内摩擦15 min后，投放到法拉第桶内，通过静电电量测试仪读取其带电电荷量，取5 次有效测试的平均值作为检测结果，进而判断其防静电性能的优劣（不应大于0.60 μC）。服装的摩擦带电电荷量是由服装面料的表面积、织物纤维材料摩擦时的电荷产生、耗散和泄露能力以及导电纤维的电晕放电能力共同决定的[11-12]。

表1为两种纤维材料相互摩擦时的静电电位序列，其中靠左的材料易带正电，靠右的易带负电，且两种材料距离越远，摩擦带电量越大[13]。“带电电荷量测试方法”中所用的滚筒摩擦机的标准摩擦布即为易带负电的聚丙烯腈（腈纶）材质，其短纤维的结构容易产生静电聚积[14]，测试时容易使常见的纯棉、涤纶、涤棉等防静电服基础材料摩擦带正电。

表1 纤维材料摩擦静电电位序列

2 防静电服带电电荷量检测方法探究

在开展防静电服带电电荷量检测工作过程中发现，样品投放方式、滚筒摩擦机转速、环境温度和环境相对湿度均会对带电电荷量的检测结果造成较大影响，针对存在的问题设计了4组比对实验。

2.1 样品投放方式对检测结果的影响

GB 12014—2019标准规定，摩擦后的样品可以以自动投放或检测人员佩戴绝缘电阻在1012Ω以上的绝缘手套手动投放两种方式进入法拉第筒。为分析投放方式的影响，设计以下比对实验：测试装置为具有自动和手动投放两种工作模式的滚筒摩擦机，两名测试人员在相同测试条件下，分别对3组样品采用手动投放和自动投放方式进行检测，检测数据见表2。

由表2检测数据可以看出，相比于自动投放，手动投放方式的检测结果平均值较小，标准差较大，且不同检测人员的检测结果之间存在一定差距。这是因为手动投放时，不同人员操作熟练度、操作习惯、生理条件、情绪不同，每次投放时样品与摩擦布间电荷的中和[3]、向手套放电、搭边放电等诸多复杂因素造成较大的人员误差，影响检测结果的准确性、重复性和再现性[15]。自动投放方式消除了人员误差的影响，不同检测人员检测结果的重现性较好，并可提高检测结果的准确性和重复性，因此应优先选择自动投放方式。

表2 手动投放/自动投放检测带电荷量对比 /μC

2.2 滚筒摩擦机滚筒转速对检测结果的影响

GB 12014—2019 标准规定滚筒摩擦机的滚筒转速不小于46 r/min。为分析滚筒转速的影响，设计以下比对实验：实验用滚筒摩擦机电机调速范围为30～75 r/min。在相同测试条件下，检测人员采用自投方式对3 组样品以不同转速进行检测，样品A、B、C 的质量分别为560、330、750 g，环境温度为20 ℃，相对湿度为35%，电荷量检测结果如图1 所示。

图1 3组样品在不同转速下的电荷量检测结果

通过图1 可以看出：随着转速增大，检测结果明显增大。这是因为当转速增大时，样品所受滚筒壁的向心力增大，样品和摩擦布之间的动摩擦力及相对速度的增大导致摩擦功增大，加之摩擦接触面积增大，最终造成摩擦产生的电荷量增大[16]。因此，滚筒转速的选择直接影响带电电荷量指标的评价结果，滚筒转速在满足标准要求的同时不应过大。

2.3 检测环境相对湿度对检测的结果的影响

GB 12104—2019 标准对检测环境相对湿度的要求为30%～40%。检测人员在环境温度20 ℃，不同相对湿度的情况下对4 组样品进行比对实验，电荷量检测结果如图2所示。

图2 4组样品在不同相对湿度下的电荷量检测结果

通过图2可以看出：环境相对湿度在25%～45%范围内增大时，检测结果明显减小。这是因为相对湿度增大时，①空气中水分子增多，服装面料和摩擦布回潮率增大，表面电阻均明显减小[17]（经测试，实验用服装的面料表面电阻在相对湿度40%时比30%降低了一个数量级），有助于服装与摩擦布分离时一部分电荷在接触面发生中和[3]，加之空气中水分子的增多和摩擦装置持续不断提供2 m3/min以上的风量，有助于电荷向空气进行耗散；②织物基础材料纤维吸水后变粗，基础材料纤维和导电纤维之间距离减小，有助于电荷通过隧穿现象向导电纤维进行转移[17]；③空气中水分子含量增多，有助于导电纤维进行电晕放电[11]；④面料中的水分子蒸发带走了小部分电荷，且湿度越高，带走的电荷越多[18-19]，电荷还同空气中及面料附着的水分子发生碰撞或黏附，减弱了迁移的动能，电荷迁移能力下降[20]。综上所述，环境相对湿度对实验结果的影响较大，温度恒定时，相对湿度越大，检测结果越小，在实验过程中应当严格控制试验环境湿度，生产作业场所提升环境湿度可减少静电聚积，保障生产作业安全。

2.4 检测环境温度对检测结果的影响

GB 12104—2019 标准对检测环境温度的要求为15～25 ℃。检测人员在相对湿度35 %，不同温度情况下对4 组样品进行检测实验，检测结果如图3所示。

图3 4组样品在不同温度下的电荷量检测结果

通过图3 可看出，环境温度在15～30 ℃范围内增大时，检测结果呈减小趋势，但趋势不明显。在相对湿度恒定的情况下，温度越高，空气中的水分子越多，温度升高和水分子增多都会使面料表面电阻减小，造成服装带电电荷量减小。因此，环境温度对检测结果存在一定影响；相对湿度恒定时，温度越大，检测结果越小，在检测过程中应当注重对环境温度的控制。

3 结论及建议

对于防静电服“带电电荷量”的检测，自动投放方式能够消除检测过程中人员误差的影响，为提高检测数据的准确性、重复性及再现性，应优先采用自动投放方式进行样品的投放；滚筒转速直接影响样品带电电荷量的评价，当滚筒转速增大时，样品带电电荷量显著增大，因此应合理选择滚筒摩擦机的滚筒转速；检测环境相对湿度和温度对检测结果均有影响，相对湿度对带电电荷量的评价影响较大，在检测过程中应注重对相对湿度及温度的控制。

3.1 标准修订建议

1）GB 12014—2019《防护服装 防静电服》附录B中“带电电荷量测试方法”应限定样品投放方式为自动投放。

2）GB 12014—2019《防护服装 防静电服》中的带电电荷量测试方法应增加对滚筒摩擦机转速上限的要求，并在检测结果中注明测试转速。

3.2 带电电荷量检测过程中的注意事项

检验检测机构在依据GB 12014—2019《防护服装防静电服》进行防静电服带电电荷量检测时，应注意以下几点：

1）进行带电电荷量检测时，自动投放方式能够消除检测过程中人为误差的影响，提高检测数据的准确性及重复性，检验机构应优先选取自投式滚筒摩擦机设备。

2）进行带电电荷量检测时，应合理选择滚筒摩擦机的滚筒转速，可采用转速可调式滚筒摩擦机进行测试。

3）由于防静电服带电电荷量检测的周期较长，检测环境的波动对每次测试结果影响较大，在进行测试时应当加强对环境条件的控制，减少空气流动和人员活动等可能影响环境的因素，以提高检测数据的可靠性。

3.3 防静电服使用及管理建议

1）在低温低湿工作环境下，产生的静电不易耗散和泄露，容易增加净电荷的聚积，因此在危险作业场所应当把环境温湿度严格控制在合适的范围内，以减少静电的聚积。

2）相比普通接触，摩擦会明显增加静电的产生，且摩擦速度越快，产生的静电越多，因此作业场所人的活动速率越大，静电起电率越高，在危险作业场所应严格控制活动速率，并正确穿着和使用防静电服，严禁穿脱防静电服。

3）由于导电纤维性能受环境湿度影响很小，因此相比抗静电剂整理类防静电服，导电纤维混纺类防静电服在低湿度下也有较好的防静电性能，且其防静电性能更耐久[21]，因此在防静电服招标采购过程中应当优先选用导电纤维类防静电服产品。

4）质量安全及物资管理部门应当关注防静电织物和导电纤维的最新产品和技术，如耐久性涤纶防静电织物、碳基导电纤维和多功能防护织物等前沿技术的研究进展[22]，并根据技术变化修订《中国石油天然气集团有限公司员工劳动防护服装管理规定》，使防静电服产品能够更好地服务于油田生产。