静电的危害与防静电包装

      [摘要]简述了静电产生的原因，静电积累和放电对敏感产品的危害，介绍了某些电子和军工产品的静电感度。对防静电包装原理进行了较为详细的分析。通过对防静电包装技术现状的分析，作者认为应采取果断措施，强制推行静电防护技术。建议加强对静电危害的测试研究，从理论和实践的结合上，深化对静电危害的认识，并尽快制定相应的技术标准。

         1 静电的积累和静电放电

         两种物质相互摩擦时，容易失去电子的一方带上正电，容易得到电子的一方带上负电。这两种独立存在的正电荷和负电荷就是人们通常所指的静电（即静止的电荷）。除摩擦作用之外，电场或电磁场的感应也是静电产生的一个重要原因。

         静电可以积累，即失去的电子越多，积累的正电荷就越多；得到的电子越多，积累的负电荷就越多。

         静电积累可产生极高的电压，达到十分惊人的程度。日常生活中的一些常见活动产生的静电电压如表1。

         实验测得的某些塑料摩擦后所带静电电压如表2。

         表1 日常生活中所产生的静电电压

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产 生 方 式 静 电 电 压（V）
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10%~20%（RH) 65%~90%（RH）
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在地毯上行走 3500 1500
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在聚烯烃类地毯上行走 1200 250
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在工作台上工作 6000 100
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撕开信封 7000 600
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从工作台上拿起聚乙烯袋子 20000 1200
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坐在充填聚氨酯泡沫的工作椅上18000 1500
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         表2 某些塑料摩擦后所带的静电电压
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塑料种类 静电电压（kV）
硬质PVC 2-4
软质PVC 1-3
HDPE 1-2
LDPE 0.4-0.8
PP 2-4
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注：摩擦片为不锈钢，在200C，65%RH下测定。

         积累的静电遇到合适的条件（如两物体相互接近），便产生静电放电（Electrostatic Discharge），瞬间释放出巨大的能量。日常生活中，当我们脱去化纤衣服时，会听到“啪啪”的响声。如果在黑暗中还会看到明亮的闪光。这就是化纤在摩擦中产生的静电放电现象。自然现象中的雷电，实质上也就是水分子在相互摩擦中所产生的静电积累在一定条件下的放电现象。

         2 静电的危害

         静电的危害指静电放电对静电敏感产品造成的损害。静电危害的大小或静电损害的严重程度取决于静电积累的程度（静电电压）和静电敏感产品的静电感度。静电电压越高，危害越大；产品的静电感度越大，越易于受到静电的危害。

         （1）静电对光电产品的危害

         静电对光电产品的危害主要表现在三个方面。一是使光电产品吸附灰尘，影响光电产品的透光度，同时造成光电产品的锈蚀、生霉。这方面的危害主要发生在产品总装前后。二是使光电产品的性能衰减，这可能影响到光电产品的寿命。三是造成光电产品失效报废。第二、三两个方向的危害来自电子元、器件的静电损伤，即由电子元、器件的损伤或失效所引起。这一点，可以从一些常用电子元、器件的静电感度上看出（见表3）。

         表3 某些常用电子产品的静电感度

产 品 静电感度（静电电压V）
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晶体管 30~7000 ----------------------------------------------------------
工作放大器（微型组件) 20-2500
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二极管 300-2500
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薄膜电阻 300-3000
------------------------------------------------------------ 低功率集成电路 500-2500
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可控硅整流器 700-1000
------------------------------------------------------------ 值得重视的是，随着电子技术的发展，微电子元件的集成度越来越高。一个极微弱的静电电压就可能击穿元件，造成断路或短路，使器件失效或报废。例如，MOS场效应管静电感度为100V，而某些采用新工艺生产的大规模集成电路，静电感度仅20~30V。

         日本曾对不合格的电子产品进行过解剖分析，发现元件不合格的45%是由静电造成。美国也曾作过统计，它的电子工业每年由于静电造成的损失高达100亿美元。英国的电子产品，每年因静电造成的损失为20亿英磅。

         静电对电子产品危害的严重性，从60年代开始，就引起了人们的高度重视。美国在60年代就制订了一系列的防静电计划和技术标准，在军事工业和电子工业中，强制推行防静电技术。

         （2）静电对弹药、火工品、火炸药的危害

         美国军方颁布的第一个防静电包装材料标准（MIL-P-82646，1969.2）就是针对特种兵器产品（火工品、火炸药）的静电危害的。此后，又颁布了另一个标准（MIL-P-81705，1969.7.14）也是道德针对导弹发射药和火工品的静电危害。由于弹药、引信、火工品、火炸药本身就是易燃易爆危险品。它们的材料构成就决定了它们极易受到静电的危害，造成重大燃爆事故，带来无法挽回的损失。因而对这类产品的静电防护就显得特别重要。

         海军某舰艇在雷达开机时，强大的电磁场诱使鱼雷发射。某战役中，某部存放在阵地上的火箭弹，在雷雨中从包装箱内飞出。某厂在进行子母弹子弹静破甲试验时，职工衣着化纤服装，脚穿普通胶鞋，在用木制器具将产品送往试验场途中突然发生爆炸，造成严重伤亡事故。

         在兵工行业，尤其是火炸药、火工品的科研、生产部门，人们对静电的危害是有充分认识的。因而在生产过程中，非常重视静电的防护。需要注意的是产品包装的静电防护。弹药、火工品、火炸药在运输、装卸、储存中的某些重大爆炸、燃烧事故，极有可能是由于包装防护不当所造成的。

         静电对弹药、火工品、火炸药的危害程度取决于这些产品的静电感度和静电电压的大小。产品的静电感度越高，越容易受到静电的危害。静电电压越高，危害程度越大。某些火工品的常用药剂静电感度见表4。

表4 弹药、火工品常用药剂的静电感度
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名称 二硝基重氮酚 雷汞 四氮烯 三硝基间苯二酚铅 迭氮化铝
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静电感度（J）0.0012 0.025 0.01 0.0009 0.007
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注：以静电能量表示的静电感度，遵循如下公式：
2
E=1/2CV

E棗静电发火能量（J）

C棗电容（μμF）

V棗静电电压（V）

         一般情况下，人体静电能量最大值为12.3mJ。若按人体电容为280pF计算，对应的静电电压为9.4kV。

         使单基药发火所需最小静电能量为0.01~10J。黑火药的静电感度测量结果（表5）表明，它们的静电感度高得惊人。

表5 黑火药的静电感度测试结果
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电容C（pF） 0.3×108
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放电电压V（V） 3000 1000 500 500 400 350 350 300
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药量G（g） 8 8 8 8 8 8 8 8
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着火次数/放电次数 1/1 1/1 1/1 1/4 1/2 1/4 1/5 1/2
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注：表中所列静电放电电压，严格地讲不能看作是静电感度，因为不能证明它们就是黑火药着火的临界静电电压。

         1991年7月，59所受海后装备研究所委托，到某地测试了部分产品在运输过程中与包装材料之间的静电，惊人的静电电压，使参加测试的所有人员感到恐惧。产品与包装材料（聚苯乙烯泡沫）之间运输过程中所产生的静电电压竞高达3万伏。这一严峻的现实，为我们提出了防静电包装的紧迫课题。

         3 防静电包装原理

         静电是一种常见的物理现象。静电的产生并不可怕，对光电产品、弹药、火工品造成危害并酿成重大事故的是静电的积累和放电。知道了这一点，防止静电的危害就不难了。简单地说，只要能够造成一个不积累静电的条件，就可以避免静电的危害。

         静电的产生主要来自两个方面。一是物体（尤其是绝缘体）间的相互摩擦，一是外界电场或电磁场的感应。一般讲，物体电导率越高（电阻率越低）越不容易产生和积累静电。因为电导率高的物体，一旦因摩擦等外界作用失去电子，很快就会有其它部位的电子去填补空缺，即产生电荷的转移，使物体显现出电中性。反之，如果物体电导率极低（电阻率大，如绝缘体），当摩擦作用使其某一部份失去电子时，就不可能在短时间内产生电荷转移，于是物体的一部份产生正电荷的积累（失去电子），另一部份产生负电荷的积累（得到电子）。由于电荷的积累仅出现在物体的表面，物体的表面电导率（通常用表面电阻率来表示）就成为研究静电的产生和积累的重要物理参数。

         大量的研究和实践表明，从包装角度来看，材料表面电阻率与静电防护程度有图1的关系。

         有效的静电防护除了必须了解上述材料表面电阻率与防护程度的关系之外，还必须熟悉产品本身的静电感度和产品流转、储存可能经由的环境。

         产品本身的静电感度决定了选用何种防静电材料较为合适。例如，对静电不太敏感（钝感）的产品，以表面电阻率为109~2012Ω的包装材料较为理想。因为这类材料已属不容易因摩擦振动而产生静电，具有了防静电的功能，成本低、材料易得。一般普通纸张、棉麻等天然纤维制品即具有这种功能。如果产品对静电极为敏感，如场效应晶体管、大规模集成电子元件、电起爆器、电点火具等，则必须选用表面电阻率在109Ω以下的包装材料。

         对产品流通环境的了解，有助于帮助我们了解静电可能产生的大小。大家知道，静电积累的程度与环境相对湿度的关系极大。相对湿度较低（空气越干燥），静电越容易积累；相对湿度越大（空气潮湿），静电越不易积累。这是因为空气中的水分子是极性分子，大量水分子的存在可以带走一部份电荷的缘故，尤其是在空气流通的情况下。知道了产品流转和储存环境，可预测出静电危害的大小。例如，冬季的北方，干燥的沙漠，产品包装材料与材料之间，产品与包装之间，在运输振动摩擦中就可能产生极高的静电电压，构成对产品的严重威胁和危害。这种情况就更要特别注意静电的防护。

         4 国内防静电包装技术的发展

         国外工业发达国家在60年代对静电危害已有充分认识，相继制定了大量的防静电包装标准。防静电包装材料也随之迅速发展，有效地控制了静电的危害。表现在工业上，电子产品质量可靠性不断提高，电子器件的使用寿命在幅度增长，军事上的易燃易爆品燃爆事故大为减少。

         国内近年来对静电的危害也有了认识，表现在生产过程中，已经普遍注意到了静电的防护。

         但是，不能不看到，无论电子产品还是军用为炸药、火工品、弹药等对静电极为敏感的产品，至今没有明确提到包装防静电问题，更不要说制定相应的技术标准了。这里有几个方面的原因值得我们探索。

         一是对静电的危害尚缺乏充分的认识。一些电子元件生产厂，竞然用完全不具有防静电功能的普通塑料箱进行半成品的周转。火炸药生产厂也用一般的塑料袋作为硝公棉的内包装袋。对某些燃爆事故的原因分析，也从未从静电危害的角度去分析问题等等。二是缺乏对防静电包装技术的深入研究。至今我们还并不十分清楚某些产品（尤其是电火工品）的静电感度到底是多少。防静电包装材料的研究也缺乏系统性，可供选择的包装材料十分有限。

         1986年以来，针对国内防静电包装材料奇缺的状况。59所开展了这方面的研究。到目前为止，已初步形成防静电包装的系列材料。这主要包括防静电包装用塑料薄膜，缓冲泡沫、注塑成形和挤出成形用防静电塑料。这些材料的电性能和力学性能可满足不同产品静电防护的需要，有的产品性能已达到国外80年代水平。初步满足了目前国内部份市场的需求。

         我们相信，随着人们对静电危害认识的深化，在电子行业和军工行业，防静电包装技术必将得到迅速发展。

         5 结论和建议

         静电的积累和放电已经对微电子行业和军工行业造成了巨大的损失。静电的危害并不可怕，可怕的是人们对它缺乏认识。随着科学技术的发展，静电的危害必将引起越来越多的部门的高度重视。防静电包装技术也将得到迅速发展。

         为了将静电的危害减小到最低限度，有必要采取果断措施，强制推行防静电技术。在此建议：

         （1）加强对静电危害的宣传。增强静电敏感产品行业各类人员的防静电意识。

         （2）军工产品的研究和生产部门共同协作，从理论和实践的结合上进一步弄清某些常用药剂的静电感度，为防静电包装奠定理论基础。

         （3）对军工行业中的火炸药、火工品、弹药（包括引信、可燃药筒等）进行一次全面的调查，弄清各种环境条件下产品周转和储存中静电的大小。为防静电包装提供基础资料。

         （4）对于静电敏感产品从生产过程到产品出厂，严格控制各个环节的静电防护。针对出厂包装这一薄弱环节，尽快抓紧防静电包装的立法工作。

信息来源：西南技术工程研究所