Materiais Antiestáticos – ESD – Definição e Benefícios

A descarga eletrostática pode ser um problema no ambiente de fabrico: os perigos variam desde danos a componentes sensíveis a riscos de incêndio e explosão. Existem várias opções para minimizar a sua ocorrência. Os materiais antiestáticos ou ESD são um deles. O artigo seguinte abrange as causas da carga eletrostática, introduz materiais antiestáticos (materiais ESD) e descreve os princípios gerais para evitar descargas eletrostáticas.

Como se desenvolve uma carga eletrostática?

A carga elétrica é um parâmetro de conservação física. Para entender este último, deve-se considerar matéria em nível atômico. Cada átomo individual consiste numa concha atómica e num núcleo atómico. Enquanto a massa principal do núcleo atómico consiste em partículas carregadas positivamente (protões) e partículas elementares neutras (neutrãos), existem partículas carregadas negativamente (elétrodos) na concha atómica. Os encargos iguais repelem-se uns aos outros e os encargos opostos atraem-se uns aos outros. Se os protões e eletrões estiverem presentes na mesma quantidade, os efeitos externos das cargas individuais presentes, mas separados, no átomo cancelam-se uns aos outros na soma das cargas. O átomo é eletricamente neutro. No entanto, por exemplo, se estiverem presentes mais protões do que eletrões, isto é chamado de carga positiva.

A carga eletrostática está intimamente ligada à carga elétrica. Se dois materiais friccionarem uns contra os outros, os eletrões são transferidos de um material para o outro. Embora, enquanto ligados à terra, os materiais condutores compensem simultaneamente a transferência de eletrões com eletrões livres, isto não é prontamente possível para materiais isolados ou isolantes. Nestes casos, o material que pode segurar os eletrões menos bem na concha atómica perde estes eletrões para o parceiro de fricção. O parceiro de atrito libertador de eletrões tem uma soma de carga positiva devido a deficiência de eletrões, e o parceiro para o qual os eletrões são transferidos tem uma soma de carga negativa devido ao excesso de eletrões. Existe uma diferença de carga entre os dois parceiros de fricção. A descarga eletrostática ocorre quando dois objetos com cargas elétricas diferentes entram em contacto um com o outro. Os elétrodos são trocados em contacto e podem ocorrer avarias elétricas. Descarga dos componentes com carga estática.

Ao descarregar uma carga electrostática acumulada, podem fluir correntes eléctricas elevadas, que podem até provocar queimaduras ou explosão de substâncias inflamáveis.

A forma como a carga eletrostática se manifesta depende do intervalo de tensão:

• > 3000 V: A descarga eletrostática é percetível, por exemplo, ao tocar numa lâmina metálica.
• > 5000 V: A descarga eletrostática é audível, por exemplo, crepitações, ao remover a roupa.
• > 10.000 V: A descarga eletrostática é visível, por exemplo, sob a forma de uma faísca ou flash.

Ocorrem relâmpagos e faíscas, por exemplo, quando é criada uma força de campo elevada entre objetos que carregam uma carga diferente. Se a tensão for suficientemente grande, ocorre uma equalização repentina da carga e uma corrente elétrica flui brevemente (flash).

A grande diferença entre materiais isolantes e condutores é causada pela estabilidade ou resistência dos eletrões incorporados na concha atómica. Enquanto todos os electrões num isolador são ligados ao seu átomo, os electrões em metais também podem mover-se livremente no estado desenergizado e saltar de uma concha atómica para a concha atómica de outro átomo.

Proteção contra carga eletrostática

A proteção contra a carga eletrostática é um aspecto importante da segurança ocupacional, como também explicado em nosso artigo sobre normas de Normas de segurança em engenharia mecânica. Mas porque é que a proteção é tão importante? Toda a gente sofreu um choque elétrico ao entrar em contacto com objetos metálicos. No entanto, quanto maior for a carga elétrica, mais perigosas são estas descargas.

Em ambientes industriais, podem ocorrer facilmente tensões de até 10.000 V, o que pode levar a danos ou destruição, especialmente em componentes eletrónicos. Os plásticos padrão têm o risco de serem carregados eletrostaticamente, uma vez que têm uma elevada resistência à superfície. Os problemas podem ocorrer rapidamente se os componentes eletrónicos forem transportados nos mesmos. A miniaturização contínua, especialmente no setor elétrico e semicondutores, aumentou a suscetibilidade à descarga eletrostática. O carregamento estático de plásticos é, portanto, particularmente importante. Os componentes que são particularmente sensíveis a descargas eletrostáticas estão marcados com o símbolo ESDS para "Dispositivo sensível à eletrostática":

Existe também o risco de incêndio e explosão na produção de películas, semicondutores ou papel. A proteção é, portanto, essencial.

Definição: Materiais ESD e materiais antiestáticos

Fundamentalmente, os materiais antiestáticos e ESD diferem na sua forma de lidar com a carga eletrostática. Para material antiestático, o foco é evitar que a carga eletrostática afete as propriedades eletrostáticas do material. Para materiais ESD, a condutividade elétrica está em primeiro plano para que as cargas eletrostáticas possam ser descarregadas particularmente rapidamente. Isto é conseguido adicionando carbono. No entanto, isto não significa que os materiais antiestáticos também não possam descarregar cargas eletrostáticas ao mesmo tempo; a sua condutividade é apenas inferior à dos materiais ESD.

Existem diferentes padrões para ambos os grupos de materiais. Os materiais antiestáticos são geralmente utilizados em proteção pessoal, em normas como a EN 1149 para vestuário antiestático ou a EN ISO 20345 para calçado de segurança antiestático. A resistência elétrica deve ser tão baixa que não possa ocorrer carga e, por exemplo, também podem ser evitadas faíscas. Para materiais ESD, o foco na proteção dos componentes. EN 61340-4-1 especifica os requisitos para a condutividade de superfícies e materiais. No entanto, existem materiais ESD que são usados para proteção pessoal, por exemplo, calçado ESD. Para calçado ESD, aplicam-se especificações mais rigorosas relativamente à resistência elétrica aprovada: Têm uma resistência elétrica entre 0,1 megaohms e 100 megaohms, enquanto a gama de materiais antiestáticos é de 0,1 a 1000 megaohms. Os materiais ESD e antiestáticos também são utilizados em revestimentos de pavimentos condutores e materiais de embalagem e revestimentos especiais, por exemplo.

Dependendo da resistência de contacto, os materiais podem ser divididos em diferentes categorias, o que, por sua vez, também é crucial na tecnologia antiestática e ESD:

Princípios operacionais

A funcionalidade das várias categorias de materiais difere de acordo com os seguintes princípios:

• Dissipação: Os materiais ESD orientam a carga criada de forma controlada através do material e distribuem-na para evitar diferenças de tensão perigosas.
• Isolamento: Os materiais isolantes impedem o movimento de cargas, o que pode ser útil em determinadas áreas para proteger componentes sensíveis de descargas não controladas.
• Rejeição: Através de estruturas de superfície especiais e aditivos, os materiais antiestáticos evitam a acumulação de cargas na superfície.
• Ligação à terra: Os materiais condutores são conectados ao potencial de aterramento com pontos de aterramento definidos para descarregar cargas excedentes de forma controlada.

Métodos de teste

O comportamento de isolamento elétrico de um material pode ser melhor determinado determinando a resistência da superfície e a resistência de contacto. A resistência de contacto, também chamada resistência elétrica, é a resistência ao fluxo de corrente através de um material e é especificada em ohms. A resistência de contacto fornece informações sobre quão bem ou mal um material pode descarregar cargas na direção de um solo. As leituras são feitas ligando um elétrodo cada ao topo e ao fundo da superfície e passando uma corrente de medição através destes. A resistência da superfície, por sua vez, descreve a resistência elétrica na superfície do material. A resistência elétrica é determinada através da aplicação de uma tensão elétrica através de dois elétrodos paralelos na superfície e pela corrente que flui através de ambos os elétrodos.

Abordagens baseadas em design para prevenir cargas estáticas

O carregamento estático já pode ser eficazmente minimizado ou evitado através de medidas de conceção propositadas em sistemas, componentes e áreas de trabalho críticas. Os parâmetros de controlo relevantes incluem:

• Escolha do material
• Ligação à terra
• Controlo de humidade
• Ionizadores
• Evitar a fricção

Escolha do material

Em geral, a escolha entre materiais antiestáticos ou ESD depende da aplicação. Os materiais ESD são recomendados se um produto sensível à eletricidade for transportado, montado ou processado. Se as cargas estáticas tiverem de ser evitadas desde o início, por exemplo, para proteger o pessoal contra faíscas, os materiais antiestáticos são mais adequados, uma vez que minimizam a acumulação de carga. A MISUMI tem vários materiais antiestáticos. Os plásticos especializados com propriedades específicas também podem ser materiais adequados. Saiba mais no nosso artigo plásticos especiais.

Ligação à terra eletrostática

Se aterrado corretamente, as cargas elétricas em excesso podem ser descarregadas diretamente contra o potencial de aterramento. Isto pode ser conseguido, por exemplo, através de tapetes de estação de trabalho eletricamente condutores especiais, correias de ligação à terra ou pontos de ligação à terra especiais em máquinas. Todos os componentes condutores devem ter uma ligação permanente à terra.

Controlo de humidade

Quanto maior a humidade, maior a condutividade do ar e melhores as cargas excessivas podem ser libertadas e distribuídas às moléculas de água transportadas pelo ar. Se permitido pelo ambiente de fabrico, uma humidade mais elevada pode, portanto, ser utilizada e monitorizada. Recomenda-se uma humidade relativa de 50-60%.

Ionizadores

Se a ligação à terra for insuficiente, podem ser utilizados ionizadores para descarga eletrostática. Geram pares de iões com carga positiva e negativa que se ligam e compensam as cargas estáticas existentes no intervalo efetivo do ionizador. Os ionizadores são frequentemente utilizados quando as peças de trabalho feitas de material isolante são maquinadas para eliminar cargas estáticas indesejadas.

Evitar a fricção

A fricção entre isoladores ou materiais de superfície de alta impedância é uma das principais causas de carga estática. A fricção pode ser evitada utilizando auxiliares, como lubrificantes antiestáticos ou aditivos deslizantes. Uma compreensão mais profunda das propriedades de atrito de um material também pode ajudar a classificar melhor os processos operacionais. Para obter mais informações, consulte Determinação dos valores de fricção e coeficiente de fricção dos materiais.

Outra opção é um tratamento especial da superfície, que garante a produção de uma estrutura mais lisa. Isto pode ser conseguido, por exemplo, por superfícies polidas ou também por materiais especiais, como silicone antiestático ou PTFE (Teflon) com enchimentos condutores.