Ładunki elektrostatyczne mogą powodować problemy w procesach produkcji wyrobów medycznych, ale aktywna jonizacja powietrza jest skutecznym i praktycznym rozwiązaniem.
Matt Fyffe (wiceprezes/dyrektor generalny – Meech USA)
W 600 roku p.n.e. filozof i matematyk Tales z Miletu doniósł, że po potarciu kawałkiem bursztynu o sierść kota, bursztyn przyciągał i utrzymywał pióra. Był to pierwszy opis elektryczności statycznej (dosłownie elektryczności w stanie spoczynku).
To, co zaobserwował Thales, było czymś, co obecnie znamy jako ładowanie tryboelektryczne, podczas którego pewne materiały stają się naładowane elektrycznie po kontakcie z innym materiałem w wyniku tarcia. Chociaż generowanie kontrolowanego ładunku statycznego ma pozytywne zastosowania w niektórych scenariuszach produkcyjnych – na przykład umożliwiając tymczasowe przyleganie dwóch lub więcej powierzchni o przeciwnej polaryzacji – w wielu operacjach w wielu gałęziach przemysłu, niekontrolowana elektryczność statyczna powoduje poważne problemy produkcyjne. Obejmują one przestoje spowodowane zablokowaniem maszyn na skutek zanieczyszczenia produktu, a także straty produktu w branżach takich jak elektronika, gdzie nawet niskie napięcie statyczne może zniszczyć wrażliwe komponenty. W wyniku porażenia prądem elektrycznym pracownicy mogą także doznać obrażeń. Tam, gdzie używane są materiały łatwopalne, istnieje również realne ryzyko pożarów i eksplozji, co ilustruje tragiczna śmierć mieszkańca Pensylwanii w 2010 roku podczas tankowania benzyny.
Niekontrolowane przyciąganie statyczne jest szczególnym problemem dla przemysłu tworzyw sztucznych, a w konsekwencji dla producentów wyrobów medycznych. Do procesów, w których może to stanowić problem, należą formowanie wtryskowe, formowanie z rozdmuchem, termoformowanie, przenoszenie i zbieranie części oraz procesy montażu. Nawet w najbardziej rygorystycznych pomieszczeniach czystych ładunek statyczny przyciąga cząstki stałe pochodzące z ludzi, procesów i sprzętu, dlatego ważne jest podjęcie odpowiednich środków, aby zapewnić ograniczenie ładunku elektrostatycznego do minimum, jeśli nie całkowite jego wyeliminowanie.
W tym artykule omówiono typowe wyzwania produkcyjne wynikające z ładunków elektrostatycznych, wyjaśniono, czym jest ładunki elektrostatyczne i opisano główne techniki neutralizacji ładunków elektrostatycznych. W szczególności wyjaśnia, dlaczego aktywna jonizacja powietrza jest szczególnie skutecznym i praktycznym rozwiązaniem.
Statyczne obrażenia, które mogą wyrządzić
Podstawowymi problemami wynikającymi z ładunków elektrostatycznych są przyciąganie elektrostatyczne, niewłaściwe zachowanie materiału i wstrząsy operatora.
Przyciąganie elektrostatyczne (ESA). Cząsteczki zanieczyszczeń unoszące się w powietrzu są nie tylko przyciągane do naładowanych powierzchni; naładowane cząstki unoszące się w powietrzu mogą być również przyciągane do powierzchni bez żadnego ładunku. Problem ten w takiej czy innej formie dotyka większość branż opartych na tworzywach sztucznych, ale ładunki elektrostatyczne podczas produkcji wyrobów medycznych są najczęstszą przyczyną odrzutów produktów. Problem dotyczy szeregu urządzeń, w tym cewników, strzykawek, protez stawów, rozruszników serca i stentów.
Materialne niewłaściwe zachowanie. Niekontrolowany ESA powoduje problemy poza zanieczyszczeniem produktu. Może zakłócać zautomatyzowane procesy poprzez błędne poprowadzenie, odpychanie lub powodowanie sklejania się części ze sobą lub ze sprzętem. Nakłada to znaczne kary finansowe, ponieważ zmusza producentów do pracy ze znacznie niższymi prędkościami maszyn, niż byłoby to konieczne w innym przypadku.
Wstrząsy operatora. Wstrząsy operatora są zazwyczaj wynikiem nagromadzonego ładunku lub efektu akumulatora występującego podczas gromadzenia części w pojemniku lub miejscu montażu. Chociaż mogą być bolesne, w większości przypadków ich skutki nie zagrażają życiu i są krótkotrwałe. Jednakże, istnieją również koszty związane z reakcją odrzutu związaną z początkowym wstrząsem, po którym może nastąpić moment dezorientacji, niosąc ze sobą kolejne zagrożenia, takie jak kolizja z innymi operatorami lub maszynami. Bardziej rygorystyczne normy zdrowia i bezpieczeństwa nakładają na producentów coraz większy ciężar odpowiedzialności za ochronę personelu przed wyładowaniami statycznymi.
Zrozumienie statyki Kiedy materiał lub przedmiot posiada ładunek elektryczny netto – dodatni lub ujemny – mówi się, że ma ładunek statyczny. Termin statyczny jest względny, ponieważ w wielu przypadkach ładunki statyczne będą powoli zmniejszać się z biegiem czasu. Czas zmniejszania się ładunku zależy od oporu materiału. Ze względów praktycznych te dwie skrajności można uznać za tworzywo sztuczne i metal. Tworzywa sztuczne mają na ogół bardzo wysoką rezystancję, dzięki czemu mogą utrzymywać ładunek statyczny przez długi czas; metale mają bardzo niską rezystancję, a uziemiony metalowy przedmiot będzie utrzymywał ładunek przez niezauważalnie krótki czas.
Napięcie obecne na materiale zależy od ilości ładunku na materiale i jego pojemności. Prosta zależność to Q=CV, gdzie Q to ładunek, V to napięcie, a C to pojemność materiału. Dla danego ładunku materiału im niższa pojemność, tym wyższe napięcie i odwrotnie. Tworzywa sztuczne mają na ogół bardzo niskie wartości pojemności i dlatego niewielki ładunek może wytworzyć bardzo wysokie napięcie. Problemy z ładunkami elektrostatycznymi są najbardziej zauważalne podczas pracy z tworzywami sztucznymi, ponieważ poziom napięcia powoduje przyciąganie kurzu, porażenie operatora i niewłaściwe zachowanie materiałów.
Elektryczność statyczna wynika z braku równowagi w budowie molekularnej materiału. W zrównoważonym atomie ładunki dodatnie w jądrze są równe ładunkom ujemnym elektronów krążących wokół jądra, więc całkowity ładunek wynosi zero. Bilans ten może się jednak zmienić. Jeśli elektrony zostaną usunięte, efektem będzie większy ładunek dodatni w jądrze; jeśli dodane zostaną dodatkowe elektrony, całkowity ładunek stanie się ujemny. W obu przypadkach wynikiem jest elektryczność statyczna.
Istnieją trzy główne przyczyny takich zaburzeń równowagi: tarcie, separacja i indukcja.
Tarcie. Gdy dwa materiały są pocierane o siebie, elektrony związane z atomami powierzchniowymi każdego materiału zbliżają się do siebie bardzo blisko i mogą przemieszczać się z jednego materiału do drugiego. Kierunek, w którym przemieszczają się elektrony – z materiału A do materiału B i odwrotnie – zależy od szeregu tryboelektrycznego, który opiera się na kolejności polaryzacji rozdzielania ładunków, gdy materiał styka się z innym. Po dotknięciu materiału w górnej części szeregu materiał znajdujący się w dolnej części szeregu uzyska bardziej ujemny ładunek i odwrotnie.
Ponadto im mocniej są one do siebie dociskane, tym większa jest wymiana elektronów i tym większy jest generowany ładunek. Praktycznym przykładem jest to, że jeśli kawałek polietylenu zostanie pocierany o nylonowy dywan z niewielką siłą, na polietylenie wygenerowany zostanie umiarkowany ładunek ujemny, natomiast jeśli siła zostanie zwiększona, uzyskany zostanie większy ładunek ujemny. Szybkość tarcia wpływa również na poziom naładowania; im szybsze tarcie, tym wyższy poziom naładowania. Dzieje się tak, ponieważ elektrony powierzchniowe uzyskują energię cieplną wytwarzaną w wyniku tarcia, a ta dodatkowa energia pozwala im zerwać wiązania atomowe i przenieść je na inne atomy.
Separacja Kiedy materiały stykają się, elektrony powierzchniowe znajdują się blisko siebie, a po rozdzieleniu mają tendencję do przylegania do jednego lub drugiego materiału, w zależności – ponownie – od ich położenia w szeregu tryboelektrycznym. Im szybsza separacja, tym wyższy ładunek jest generowany, a im wolniejsza separacja, tym niższy ładunek. Typowym przykładem jest wstęga PVC poruszająca się po wałku pokrytym teflonem. Ponieważ są one rozdzielone, elektrony mają tendencję do przylegania do teflonu, generując wypadkowy ładunek ujemny na teflonie i dodatni ładunek netto na PVC.
Wprowadzenie. Powierzchnia materiału znajdująca się w pobliżu wysokiego napięcia dodatniego będzie miała tendencję do naładowywania się dodatnio. Jest to spowodowane jonizacją powietrza pomiędzy powierzchnią materiału a źródłem napięcia, które przenosi elektrony powierzchniowe z materiału do źródła. Może się to zdarzyć, gdy operator pracuje w pobliżu materiałów naładowanych i sam zostaje naładowany. Dotknąwszy uziemionego obiektu, rozładuje się do niego i dozna porażenia prądem.
Neutralizacja ładunków elektrostatycznych poprzez aktywną jonizację powietrza
Ta sama podstawowa zasada rządzi każdą techniką neutralizacji ładunków elektrostatycznych: jeśli materiał ma dodatni ładunek powierzchniowy, do powierzchni należy dodać elektrony, aby zrównoważyć ładunek; gdzie ładunek powierzchniowy jest ujemny, nadmiar elektronów należy usunąć.
Dwie podstawowe techniki równoważenia ładunku to przewodnictwo i zastępowanie. Pierwsza polega na wykonaniu izolatora przewodzącego, a następnie uziemieniu go. Sposoby osiągnięcia tego obejmują nawilżanie i stosowanie środków antystatycznych (w postaci powłok lub dodawania ich do tworzyw sztucznych podczas produkcji). Węgiel można podobnie dodać podczas produkcji, aby tworzywo sztuczne przewodziło.
Jeśli chodzi o walkę z ładunkami elektrostatycznymi w procesie produkcyjnym, bardziej praktyczna jest technika wymiany wykorzystująca aktywną jonizację powietrza. Aktywna jonizacja powietrza wykorzystuje wysokie napięcie prądu przemiennego lub pulsacyjnego prądu stałego do wytwarzania zjonizowanego powietrza w celu neutralizacji ładunków powierzchniowych. Napięcie jest podawane do układu tytanowych kołków emiterowych zamontowanych na pasku jonizującym. Tworzy to chmurę jonów o wysokiej energii, złożoną z dużej liczby jonów dodatnich i ujemnych, które są przyciągane przez cząstki lub powierzchnie niosące przeciwny ładunek, szybko neutralizując w ten sposób powierzchnię.
Wybór prądu przemiennego lub stałego zależy od zastosowania. System prądu przemiennego może generować jony tylko zgodnie z częstotliwością prądu przemiennego. Impulsowa jonizacja prądu stałego umożliwia kontrolę zarówno częstotliwości, jak i względnej równowagi między jonami dodatnimi i ujemnymi, oferując optymalne rozwiązania dla określonych materiałów i bardziej wymagających zastosowań. Na przykład niższe częstotliwości umożliwiają jonizację na większe odległości, a kontrola balansu umożliwia dostosowanie sygnału wyjściowego do polaryzacji ładunku celu.
Praca przy niskiej częstotliwości umożliwia zastosowanie impulsowych eliminatorów prądu stałego do neutralizacji na duże odległości. Stosunkowo długi czas trwania każdej połowy cyklu powoduje emisję ze sztabki dużych chmur jonów o zmiennej polaryzacji. Ta odległość między jonami dodatnimi i ujemnymi w pobliżu paska znacznie zmniejsza szybkość rekombinacji (jony dodatnie i ujemne łączą się i znoszą wzajemnie). Należy pamiętać, że przy dużych odległościach od pręta mniej jonów jest dostarczanych do naładowanej statycznie powierzchni, co powoduje zmniejszenie szybkości neutralizacji. Dlatego też, korzystając ze sprzętu prądu stałego impulsowego, należy zwrócić uwagę na odległość, w jakiej pręt będzie zamontowany od powierzchni docelowej.
Dodatkową cechą impulsowych systemów prądu stałego jest możliwość zmiany kształtu fali wyjściowej oraz zwiększania lub zmniejszania czasu trwania sekcji ujemnej i dodatniej. Na przykład, jeśli wiadomo, że ładunek, który ma zostać zneutralizowany, jest dodatni, można zwiększyć czas trwania odcinka ujemnego i zmniejszyć dodatnią część kształtu fali. Zwiększy to produkcję jonów ujemnych i zmniejszy produkcję jonów dodatnich, dzięki czemu system będzie skuteczniejszy w neutralizacji ładunku dodatniego. Podobnie, w przypadku znanego ładunku ujemnego, sygnał wyjściowy może być odchylony w kierunku wytwarzania jonów dodatnich.
W miarę wzrostu świadomości problemów, jakie mogą powodować niekontrolowane ładunki elektrostatyczne, coraz więcej producentów wyrobów medycznych instaluje sprzęt neutralizujący ładunki elektrostatyczne. Na przykład jeden producent specjalizujący się w opracowywaniu i produkcji narzędzi do formowania, elementów formowanych wtryskowo z tworzyw sztucznych oraz montażu skomplikowanych urządzeń dla przemysłu farmaceutycznego, dostarczania leków, medycyny i opieki zdrowotnej używa sprzętu do kontroli statycznej do montażu wtryskarek -formowane urządzenia do podawania leków przez cały proces formowania wtryskowego, aż do ręcznego montażu.
Podczas montażu elementów plastikowych dmuchawy i dysze jonizujące neutralizują części i usuwają nadmiar wypływek plastikowych oraz zanieczyszczeń unoszących się w powietrzu. Odbywa się to w pomieszczeniu czystym klasy 7. Podczas pracy zamontowanej na stole dyszy jonizującej usunięte cząstki są kierowane w stronę obszaru maty przyczepnej, gdzie są wychwytywane, aby uniknąć ponownego skażenia produktu w przyszłości. Po oczyszczeniu urządzenie do podawania leku jest ręcznie sprawdzane pod podświetlanym szkłem powiększającym pod kątem czystości.
-KOŃCZY SIĘ-