Hai mai provato a strofinare un palloncino sui capelli facendoli rizzare sulla testa? Magari ti è capitato di prendere la scossa toccando una persona subito dopo aver strofinato la mano su un maglioncino?
Situazioni particolari che si verificano nella quotidianità. Se è successo anche a te, sappi che hai assistito a una piccola manifestazione dell’effetto triboelettrico: dal greco tribos, che significa “strofinio”, perché causato da uno scambio di cariche elettriche tra atomi, in seguito all’attrito tra due corpi di diverso materiale.
Stiamo parlando di un fenomeno legato all’energia statica che può verificarsi anche nelle industrie nell’automazione, dove l’accumulo di tale energia può portare a seri problemi di produzione.
Vediamo nel dettaglio cos’è l’effetto triboelettrico e come può provocare problemi industriali.
Cos’è l’effetto triboelettrico e come funziona
Con il termine effetto triboelettrico, in fisica, si intende un fenomeno di trasferimento delle cariche elettriche tra due corpi strofinati tra loro.
Dall’origine del termine derivano anche i nomi di altre branche collegate: la tribologia, studio dei fenomeni di attrito, e la triboluminescenza, emissione luminosa di alcuni materiali per strofinio. L’effetto può verificarsi non solo tra due oggetti solidi, ma anche tra solidi e liquidi o gas.
Lo scambio è possibile quando tali corpi sono di diverso materiale (di cui almeno uno isolante) e può avvenire anche senza strofinìo, ma per contatto o induzione.
Ciò è possibile perché, più che dallo strofinamento, la tensione si genera a partire dal movimento.
Per comprendere questo meccanismo, bisogna ricordare che tutti i corpi sono dotati di cariche elettriche positive (protoni) e negative (elettroni). Se un materiale ha un maggior numero di elettroni, possiede carica negativa. Viceversa, con maggior numero di protoni la carica sarà positiva. Quando invece il numero di elettroni e protoni è uguale, è definito neutro.
È proprio su questi ultimi che l’effetto triboelettrico agisce, provocando uno squilibrio elettrico che porta alla formazione delle cariche elettrostatiche.
L’effetto triboelettrico è molto complesso e di difficile prevedibilità, ma ci sono alcuni fattori di incidenza.
- La natura dei materiali: ogni materiale tende ad accumulare carica negativa o positiva;
- Lo stato di tensione dei materiali: si è notato che se il materiale è sollecitato a compressione, tende a caricarsi positivamente mentre, se sollecitato a trazione tende a caricarsi negativamente;
- La rugosità della superficie: più è rugosa la superficie del materiale, minore sarà l’effetto di trasferimento di elettroni perché ci sarà molta distanza tra le molecole e una minore attrazione elettrostatica;
- La pulizia delle superfici: la presenza di polveri e sporco sopra o tra le superfici a contatto può diminuire o aumentare l’attrazione elettrostatica, creando, a seconda della propria natura elettrica, uno strato isolante o conduttore;
- L’umidità: caratteristica dell’ambiente che limita la carica elettrostatica perché l’acqua fa da conduttore;
- La velocità relativa tra i materiali: maggiore è la velocità di strofinio, minore sarà il tempo di generazione della carica elettrostatica indotta.
La serie triboelettrica
In base alla natura del materiale, c’è una minore o maggiore possibilità di accumulare carica positiva o negativa. A tal proposito, è stata stilata una tabella definita serie triboelettrica, in cui maggiore è la distanza tra due materiali classificati, maggiore sarà il fenomeno triboelettrico.
Massima tendenza a caricarsi positivamente
- Schiuma poliuretanica
- PU (Poliuretano flessibile)
- Nastro adesivo per imballaggio
- Capelli, Pelle grassa
- PUR (Poliuretano rigido)
- Fluoruro di Magnesio (MgF2)
- Nylon, Pelle secca
- GS, GSM (Nylatron® è un marchio registrato della Quadrant®
- Vetro
- Carta non rivestita
- Legno di pino
- Silicone sigillante
- Cotone asciutto
- NBR (elastomero nitrile)
Neutra
- Lana
- PC (Policarbonato)
- ABS (Acronitrile-Butadiene-Stirene)
- Plexiglas (polimetacrilato) e la colla acrilica
- Resine epossidiche
- SBR (Stirene-butadiene)
- Vernici a base di poliesteri
- PET (Polietilene tereftalato)
- EVA (Etilene vinil-acetato)
- Gomma
- Colla a caldo
- PS (Polistirene)
- PI (Poliimmide)
- PVC (Polivinilcloruro) flessibile
- PE (Polietilene)
- PP (Polipropilene)
- Nitrato di cellulosa
- UHMWPE (Polietilene ultra alta densità)
- CR (Neoprene® è un marchio registrato della DuPont®)
- PVC (Polivinilcloruro) rigido
- LATEX (lattice di gomma prevulcanizzato)
- FKM (Fluoroelastomero)
- ECO (Epicloridina)
- TPV (Santoprene® è un marchio registrato della ExxonMobil®)
- CSM (Hypalon® è un marchio registrato della DuPont®)
- Gomma butilica
- EDPM
- PTFE neutro
Massima tendenza a caricarsi negativamente
Serie triboelettrica
Le sostanze sono comprese tra i due estremi: quelle in cima hanno la caratteristica di caricarsi positivamente per la loro capacità di cedere elettroni, quelli in fondo tendono ad accettare elettroni e caricarsi negativamente. Quelli che si trovano al centro sono invece neutre.
Dalla lista sono però esclusi tutti i prodotti di natura organica usati per produrre pasta fresca o secca (farine, semole e prodotti in polvere), insieme ai metalli o leghe usate per la costruzione di macchine a uso alimentare.
L’effetto triboelettrico nelle produzioni industriali
All’interno delle produzioni industriali il problema delle cariche elettrostatiche è molto sentito. Nei dispositivi elettronici moderni sono presenti circuiti integrati sensibili alle scariche elettriche che causano perdite di dati temporanee e altri malfunzionamenti che possono diventare permanenti. Proprio per questi motivi gli apparecchi devono rispettare normative specifiche (ad esempio devono avere il marchio CE ed essere sottoposti a test ESD- ElectroStatic Discharge) per garantire una certa immunità a questi disturbi.
Il problema è rilevante anche nella produzione di carta, plastica, tessile e in tutti i settori che lavorano materiali neutri, perché l’elettricità statica crea delle forze di adesione che attirano impurezze durante fasi critiche della lavorazione. Nelle industrie che si occupano di materiali infiammabili ed esplosivi bisogna fare altrettanta attenzione, perché la formazione di cariche elettrostatiche può causare incendi ed esplosioni con effetti disastrosi.
Perché le cariche elettrostatiche sono così pericolose nelle produzioni industriali?
Quando si lavora ad alte velocità un corpo privo di carica (neutro), questo entra in attrito con parti del macchinario e si verifica uno scambio di elettroni tra le superfici. Il corpo che riceve gli elettroni si carica negativamente e quello che rimane con un eccedenza di protoni acquista carica positiva. È in questo momento che si creano le cariche elettrostatiche.
L’intensità dell’energia statica dipende da tanti fattori, dal tipo di materiali all’ampiezza della superficie di contatto, all’intensità dello sfregamento e altro ancora. Se non vengono scaricate a terra, continuano ad accumularsi e, raggiunta una certa soglia, possono provocare problemi alla produzione in vari modi:
- elettrizzano l’aria intorno al macchinario e chiunque si avvicina prende la scossa,
- muovono i materiali sul macchinario durante le lavorazioni,
- attirano sul materiale polveri, sfridi e impurità che danneggiano la qualità del prodotto,
- rallentano la produzione e in alcuni casi gravi ne causa il blocco totale,
- incollano il materiale a parti del macchinario.
Cariche elettrostatiche: non si formano solo con l’effetto triboelettrico
La formazione delle cariche elettrostatiche può avvenire in vari modi. L’effetto triboelettrico è quello più comune, ma il trasferimento di elettroni da un materiale all’altro può manifestarsi anche con un semplice contatto (o allontanamento) oppure per induzione.
Per esempio, nella fase di srotolamento di un nastro adesivo possono formarsi delle cariche anche se non ci sono sfregamenti.
La striscia del nastro adesivo all’inizio del processo è a contatto con lo strato di collante. Quando si srotola viene allontanata dalla colla e, nel distacco, si ha il trasferimento di elettroni dalla colla al nastro. La prima acquista carica positiva, la seconda carica negativa.
L’induzione elettrostatica, invece, consiste nella ridistribuzione della carica elettrica presente in un oggetto, a causa della presenza di un altro oggetto carico nelle vicinanze.
Forze di adesione e repulsione
Le cariche elettrostatiche possono, a loro volta, creare forze di attrazione e di repulsione:
- le prime si verificano quando le cariche attirano polveri e impurità sugli oggetti e sul macchinario, ma anche quando fanno incollare un materiale alla macchina. Non sempre queste forze attrattive sono un male. Spesso, attraverso l’utilizzo di appositi dispositivi generatori di elettrostatica, è possibile controllare le cariche per ottimizzare i processi produttivi, facendo restare fermi dei materiali durante la lavorazione,
- le forze di repulsione, invece, fanno in modo che tutto quello che entra in contatto con l’atmosfera elettrostatica venga allontanato: per esempio durante le fasi di taglio delle pellicole, la statica fa muovere i fogli impedendone un taglio preciso.
Come neutralizzare le cariche elettrostatiche causate dall’effetto triboelettrico
Che avvenga tramite strofinio o altro tipo di contatto, le cariche elettrostatiche sono spesso un problema per le produzione e devono essere neutralizzate.
Un metodo potrebbe essere quello di scaricare la carica a terra alla fine del processo produttivo oppure diminuire la velocità di lavorazione dei materiali, diminuendo in questo modo gli attriti che causano la formazione delle cariche.
Quando queste alternative non sono possibili bisogna utilizzare dei dispositivi ionizzanti, come le barre antistatiche. Si tratta di apparecchi semi attivi che, installati in punti strategici, ionizzano l’aria e ripristinano l’equilibrio elettrico eliminando le cariche e i problemi che queste causano.
Hai anche tu un problema di energia statica? Contattaci per un sopralluogo, potremo valutare la soluzione migliore per i tuoi macchinari.