L'elettricità statica può causare problemi nei processi di produzione dei dispositivi medici, ma la ionizzazione attiva dell'aria è una soluzione efficace e pratica.
Matt Fyffe (VP/Direttore generale – Meech USA)
Nel 600 a.C., il filosofo e matematico Talete di Mileto riferì che dopo aver strofinato un pezzo di ambra sulla pelliccia di un gatto, l'ambra attirava e tratteneva le piume. Questo fu il primo resoconto dell'elettricità statica (letteralmente, elettricità a riposo).
Ciò che Thales osservò era ciò che oggi conosciamo come carica triboelettrica, in cui alcuni materiali si caricano elettricamente dopo il contatto con un materiale diverso attraverso l'attrito. Sebbene la generazione di una carica statica controllata abbia applicazioni positive in alcuni scenari di produzione, ad esempio consentendo l'adesione temporanea tra due o più superfici di polarità opposta, in molte operazioni in una moltitudine di settori l'elettricità statica non controllata causa seri problemi di produzione. Si va dai tempi di fermo dovuti a inceppamenti dei macchinari dovuti alla contaminazione del prodotto alla perdita di prodotto in settori come quello elettronico, dove anche una bassa tensione statica può distruggere componenti sensibili. Anche le persone possono subire danni e i dipendenti subiscono scosse elettriche. Laddove vengono utilizzati materiali infiammabili, esiste anche la possibilità reale di incendi ed esplosioni, come ha dimostrato graficamente la tragica morte di un uomo della Pennsylvania nel 2010 mentre faceva benzina alla sua auto.
L’attrazione statica incontrollata è un problema particolare per l’industria della plastica e di conseguenza per i produttori di dispositivi medici. Tra i processi in cui può rappresentare un problema ci sono lo stampaggio a iniezione, il soffiaggio, la termoformatura, il trasporto e la raccolta di parti e i processi di assemblaggio. Anche nelle camere bianche più severe, la carica statica attira le particelle provenienti da persone, processi e apparecchiature, quindi è importante adottare misure adeguate per garantire che l'elettricità statica sia mantenuta al minimo, se non completamente eliminata.
Questo articolo considera le sfide produttive comuni derivanti dall'elettricità statica, spiega cos'è l'elettricità statica e descrive le principali tecniche per neutralizzarla. In particolare, spiega perché la ionizzazione attiva dell'aria è una soluzione particolarmente efficace e pratica.
Il danno statico può causare
I problemi principali derivanti dalle cariche elettrostatiche sono l'attrazione elettrostatica, il cattivo comportamento dei materiali e gli shock dell'operatore.
Attrazione Elettrostatica (ESA). Non solo le particelle contaminanti sospese nell'aria sono attratte dalle superfici cariche; le particelle cariche sospese nell'aria possono anche essere attratte da superfici prive di carica. Questo problema colpisce in un modo o nell’altro la maggior parte delle industrie che utilizzano la plastica, ma l’elettricità statica nella produzione di dispositivi medici è la causa più comune di prodotti scartati. Il problema riguarda una vasta gamma di dispositivi, tra cui cateteri, siringhe, articolazioni sostitutive, pacemaker e stent.
Comportamento materiale scorretto. L'ESA non controllata dà origine a problemi oltre alla contaminazione del prodotto. Può interrompere i processi automatizzati deviando, respingendo o facendo aderire le parti tra loro o alle apparecchiature. Ciò impone significative penalità in termini di costi perché costringe i produttori a far funzionare le loro macchine a velocità molto inferiori rispetto a quelle altrimenti necessarie.
Shock dell'operatore. Gli shock dell'operatore sono generalmente il risultato di una carica accumulata, o effetto batteria, che si verifica durante la raccolta di parti in un contenitore o in un'area di assemblaggio. Sebbene possano essere dolorosi, nella maggior parte dei casi gli effetti non sono pericolosi per la vita e sono di breve durata. Tuttavia, vi sono anche implicazioni in termini di costi nella reazione di rinculo associata allo shock iniziale, dopo la quale può verificarsi un momento di disorientamento, portando con sé rischi successivi come la collisione con altri operatori o macchinari. Standard di salute e sicurezza più rigorosi impongono ai produttori un onere crescente di responsabilità per proteggere il personale dalle scariche elettrostatiche.
Comprendere la statica Quando un materiale o un oggetto possiede una carica elettrica netta, positiva o negativa, si dice che abbia una carica statica. Il termine statico è relativo, poiché in molti casi le cariche statiche diminuiscono lentamente nel tempo. Il tempo necessario per diminuire la carica dipende dalla resistenza del materiale. Ai fini pratici, i due estremi possono essere considerati plastica e metallo. Le materie plastiche generalmente hanno resistenze molto elevate, quindi possono mantenere le cariche statiche per lunghi periodi; i metalli hanno resistenze molto basse e un oggetto metallico messo a terra manterrà la sua carica per un tempo impercettibilmente breve.
La tensione presente su un materiale dipende dalla quantità di carica sul materiale e dalla capacità del materiale. La relazione semplice è Q=CV, dove Q è la carica, V è la tensione e C è la capacità del materiale. Per una data carica su un materiale, minore è la capacità, maggiore è la tensione e viceversa. Le materie plastiche generalmente hanno valori capacitivi molto bassi e quindi una piccola carica può produrre tensioni molto elevate. I problemi di elettricità statica sono più evidenti quando si lavora con la plastica perché il livello di tensione provoca l'attrazione di polvere, shock per l'operatore e comportamento anomalo dei materiali.
L'elettricità statica deriva da uno squilibrio nella costruzione molecolare del materiale. In un atomo bilanciato le cariche positive nel nucleo sono uguali alle cariche negative degli elettroni che orbitano attorno al nucleo, quindi la carica complessiva è zero. Questo equilibrio, tuttavia, può cambiare. Se si rimuovono gli elettroni, il risultato è una maggiore carica positiva nel nucleo; se vengono aggiunti elettroni extra, la carica complessiva diventa negativa. In entrambi i casi, il risultato è elettricità statica.
Ci sono tre cause principali di tali squilibri: attrito, separazione e induzione.
Attrito. Quando due materiali vengono strofinati insieme, gli elettroni associati agli atomi superficiali di ciascun materiale entrano in stretta prossimità tra loro e possono spostarsi da un materiale all'altro. La direzione in cui viaggiano gli elettroni, dal materiale A al materiale B o viceversa, dipende dalla serie triboelettrica, che si basa sull'ordine della polarità di separazione della carica quando un materiale viene toccato da un altro. Quando viene toccato un materiale vicino alla parte superiore della serie, un materiale verso la parte inferiore della serie raggiungerà una carica più negativa e viceversa.
Inoltre, quanto più vengono premuti insieme, tanto maggiore è lo scambio di elettroni e maggiore è la carica generata. Un esempio pratico è che se un pezzo di polietilene viene strofinato su un tappeto di nylon con una leggera forza, sul polietilene verrà generata una carica negativa moderata, mentre se la forza viene aumentata si otterrà una carica negativa maggiore. Anche la velocità dell'azione di sfregamento influisce sul livello di carica; più veloce è lo sfregamento, maggiore è il livello di carica. Questo perché gli elettroni di superficie guadagnano energia termica generata dall'attrito e questa energia extra consente loro di rompere i loro legami atomici e trasferirsi ad altri atomi.
Separazione. Quando i materiali sono in contatto, gli elettroni di superficie sono molto vicini e, quando separati, tendono ad aderire a un materiale o all'altro, a seconda, ancora una volta, della loro posizione sulla serie triboelettrica. Più veloce è la separazione, maggiore è la carica generata, mentre più lenta è la separazione, minore è la carica. Un esempio comune è un nastro in PVC che si muove su un rullo rivestito in teflon. Quando i due si separano, gli elettroni tendono ad aderire al Teflon, generando una carica netta negativa sul Teflon e una carica netta positiva sul PVC.
Induzione. La superficie di un materiale in prossimità di un'elevata tensione positiva tenderà a caricarsi positivamente. Ciò è causato dalla ionizzazione dell'aria tra la superficie del materiale e la sorgente di tensione, che trasporta gli elettroni superficiali dal materiale alla sorgente. Ciò può verificarsi quando un operatore sta lavorando vicino a materiali carichi e si carica lui stesso. Toccando un oggetto messo a terra, si scaricherà su di esso e riceverà una scossa elettrica.
Neutralizzazione dell'elettricità statica attraverso la ionizzazione attiva dell'aria
Lo stesso principio fondamentale governa ogni tecnica per neutralizzare l'elettricità statica: quando un materiale ha una carica superficiale positiva, gli elettroni devono essere aggiunti alla superficie per riequilibrare la carica; dove la carica superficiale è negativa, gli elettroni in eccesso devono essere rimossi.
Le due tecniche fondamentali per riequilibrare la carica sono la conduttività e la sostituzione. Il primo prevede di rendere conduttivo un isolante e quindi di metterlo a terra. I modi per raggiungere questo obiettivo includono l'umidificazione e l'applicazione di sostanze chimiche antistatiche (come rivestimenti o aggiungendoli alla plastica durante la produzione). Allo stesso modo è possibile aggiungere carbonio durante la produzione per rendere la plastica conduttiva.
Quando si tratta di contrastare l’elettricità statica durante il processo di produzione, la tecnica di sostituzione che utilizza la ionizzazione attiva dell’aria è più pratica. La ionizzazione attiva dell'aria utilizza CA ad alta tensione o CC pulsata per produrre aria ionizzata per neutralizzare le cariche superficiali. La tensione viene alimentata a una serie di pin emettitori in titanio montati su una barra ionizzante. Ciò crea una nuvola ionica ad alta energia composta da un elevato numero di ioni positivi e negativi, che vengono attratti da particelle o superfici che trasportano una carica opposta, neutralizzando così rapidamente la superficie.
La scelta tra CA o CC è determinata dall'applicazione. Un sistema CA può generare solo ioni in base alla frequenza CA. La ionizzazione DC pulsata consente il controllo sia della frequenza che del relativo equilibrio tra ioni positivi e negativi, offrendo soluzioni ottimali per materiali specifici e applicazioni più impegnative. Ad esempio, le frequenze più basse consentono la ionizzazione su distanze maggiori e il controllo del bilanciamento consente di regolare l'uscita per adattarla alla polarità della carica sul bersaglio.
Il funzionamento a bassa frequenza conferisce agli eliminatori CC pulsati la neutralizzazione a lungo raggio. La durata relativamente lunga di ciascuna metà del ciclo fa sì che dalla barra vengano emesse grandi nubi di ioni di polarità alternata. Questa distanza tra gli ioni positivi e negativi vicino alla barra riduce notevolmente la velocità di ricombinazione (ioni positivi e negativi si uniscono e si annullano a vicenda). Si noti che a lunghe distanze dalla barra, meno ioni possono essere rilasciati su una superficie caricata staticamente, quindi la velocità di neutralizzazione è ridotta. Pertanto, quando si utilizzano apparecchiature a corrente continua pulsata, prestare attenzione alla distanza alla quale verrà montata la barra dalla superficie del bersaglio.
Un'ulteriore caratteristica dei sistemi a corrente continua pulsata è che la forma d'onda di uscita può essere modificata e la durata delle sezioni negativa e positiva può essere aumentata o diminuita. Ad esempio, se si sa che la carica da neutralizzare è positiva, è possibile aumentare la durata del tratto negativo e ridurre la parte positiva della forma d'onda. Ciò aumenterà la produzione di ioni negativi e diminuirà la produzione di ioni positivi, rendendo il sistema più efficiente nel neutralizzare la carica positiva. Allo stesso modo, per una carica negativa nota, l'uscita può essere sbilanciata verso la produzione di ioni positivi.
Man mano che cresce la consapevolezza dei problemi che l'elettricità statica incontrollata può causare, sempre più produttori di dispositivi medici stanno installando apparecchiature di neutralizzazione dell'elettricità statica. Ad esempio, un produttore specializzato nello sviluppo e nella produzione di utensili per stampi, componenti in plastica stampati a iniezione e nell'assemblaggio di dispositivi complessi per l'industria farmaceutica, di distribuzione di farmaci, medica e sanitaria utilizza apparecchiature a controllo statico per l'assemblaggio di stampi a iniezione dispositivi per la somministrazione di farmaci stampati e durante tutto il processo di stampaggio a iniezione, fino all'assemblaggio manuale.
Durante l'assemblaggio dei componenti in plastica, i ventilatori e gli ugelli ionizzanti neutralizzano le parti e rimuovono le scorie plastiche in eccesso e i contaminanti presenti nell'aria attratti staticamente. Questa operazione viene eseguita all'interno di una camera bianca di Classe 7. Durante il funzionamento dell'ugello ionizzante montato su banco, il particolato rimosso viene diretto verso un'area antiadesiva, dove viene catturato per evitare future ricontaminazioni del prodotto. Una volta pulito, il dispositivo di somministrazione del farmaco viene ispezionato manualmente sotto una lente d'ingrandimento illuminata per verificarne la pulizia.
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