Методические аспекты измерения напряжённости электростатических полей полимерных строительных материалов

Введение

Развитие химической промышленности привело к появлению широкого спектра полимерных материалов, обладающих уникальными физическими и химическими свойствами: термостойкостью, химической стойкостью, высокой ударной вязкостью, стойкостью к многократным изгибам, износостойкостью, низкой теплопроводностью [1]. Главное преимущество синтетических полимерных материалов, благодаря которому они нашли широкое применение в производстве, – возможность проектировать макромолекулы с заданным комплексом физических свойств [2].

Среди полимерных материалов лидирующее место занимает поливинилхлорид (далее – ПВХ), что обусловлено широкими возможностями его модификации для получения различных физических свойств готовых изделий [3, 4]. ПВХ является оптимальным сырьём для производства напольных покрытий с высокой износостойкостью и устойчивостью к внешним воздействиям [5, 6].

Низкая электропроводность и гигроскопичность полимерных материалов обусловливают их способность к накоплению в процессе эксплуатации электрического заряда на поверхности [7, 8]. Это происходит преимущественно за счёт двух механизмов: контактной электризации [9, 10] и трибоэлектрического эффекта [11, 12]. Накопление заряда может стать причиной возникновения искровых разрядов и возгорания горючих газов, паров или пыли [13, 14].

Исследования биологического воздействия электростатических полей (далее ‒ ЭСП) активно проводили во второй половине XX века. Было установлено, что воздействие ЭСП снижает чувствительность кожи к некоторым раздражителям, уменьшает кровоток в её поверхностных слоях и оказывает влияние на симпатический отдел вегетативной нервной системы. Исследования на крысах показали, что длительное нахождение животных в условиях высоких уровней ЭСП оказывало цитогенетическое действие на регенерирующие клетки печени. Кроме того, в Ленинградском НИИ гигиены труда и профзаболеваний изучалось сочетанное воздействие ЭСП и повышенной концентрации аэроионов, возникающей вследствие эффекта коронирования. Результаты экспериментов на добровольцах показали негативное воздействие ЭСП на центральную нервную систему.

В некоторых работах отмечено, что ЭСП вызывали биологические изменения, такие как аллергия, бронхиальная астма и бронхит, боли в сердце [14–16].

Безопасность потребителей требует контроля уровней электростатических полей как в лабораторных условиях (на этапе сертификации и испытаний образцов¹, с контролируемыми параметрами окружающей среды и процессом воздействия на образец), так и в натурных условиях – непосредственно в эксплуатируемых помещениях².

На территории стран ‒ членов Таможенного союза действуют единые требования к уровню напряжённости электростатических полей на поверхности изделий из синтетических полимерных материалов – 15 кВ/м. В Российской Федерации процедура измерений и оценки электризуемости полимерных покрытий определена в методических указаниях МУ 2.1.2.1829‒04 «Санитарно-гигиеническая оценка полимерных и полимерсодержащих строительных материалов и конструкций, предназначенных для применения в строительстве жилых, общественных и промышленных зданий». При этом документ не регламентирует необходимый объём измерений, правила выбора точек измерений, условия проведения измерений. Для изучения международного опыта в области контроля уровней напряжённости электростатических полей на поверхности изделий нами были проанализированы документы стран ‒ партнёров по Таможенному союзу. В методиках проведения измерений Республики Казахстан (Методические указания 3.06.004‒96 «Методические указания по определению напряжённости электростатических полей, создаваемых бытовыми синтетическими материалами и бытовыми электроприборами») и Беларуси (СанПиН 9‒29.7‒95 «Санитарные нормы допустимых физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях. Методика измерения напряжённости электростатического поля») имеются положения, связанные с процедурой воздействия на образец шерстяной тканью, которые совпадают с процедурой, описанной в оте-чественном государственном стандарте ГОСТ 30877‒2003 «Материалы текстильные. Покрытия и изделия ковровые машинного способа производства. Показатели безопасности и методы их определения». Указанные выше документы имели существенные различия в методической части выбора точек измерений и процедуре обработки результатов. При этом в российской и белорусской методиках учитывалось возможное неравномерное распределение заряда по поверхности образца [17] и разброс получаемых значений.

Диэлектрики в силу своего высокого удельного сопротивления способны длительное время сохранять на поверхности электростатические заряды, что делает актуальной задачу нейтрализации остаточного электростатического потенциала при проведении серии измерений в различных точках на поверхности образца. Для реализации данного эффекта могут быть применены следующие методы: ионизация воздуха [18], снятие заряда с помощью заземлённой щётки, обработка поверхности этиловым спиртом. Ионизация требует дополнительного оборудования, что усложняет процедуру испытаний и предъявляет дополнительные требования к квалификации и обучению персонала испытательной лаборатории (центра). Нейтрализацию электростатического потенциала посредством заземлённой щётки или путём обработки поверхности этиловым спиртом проще реализовать.

Для оценки напряжённости ЭСП были рассмотрены методы моделирования воздействий, имитирующих условия эксплуатации образца. При этом были исключены методы наведения электростатического заряда на поверхность образца с помощью коронных разрядов (ГОСТ 16185‒82 «Пластмассы. Метод определения электростатических свойств») как процесс, не отражающий реальных условий эксплуатации и искажающий его истинное значение [19], и способ натирания поверхности образца ладонью ввиду его зависимости от индивидуальных особенностей кожи человека [20], а также трудной воспроизводимости полученных результатов.

Цель исследования – обосновать методологию проведения измерений напряжённости электростатического поля вблизи поверхности полимерных материалов.

Материалы и методы

Проводили измерения напряжённости электростатического поля от полотна, используемого в качестве напольного покрытия (материал изделия – ПВХ), с габаритными размерами 0,5 × 0,5 м и толщиной 2 мм.

Для воздействия на образец использовали ткани из следующих материалов:

• ткань из синтетических материалов (состав: 88% полиэстер, 12% полиамид);
• ткань из натуральных материалов (состав: 100%-я натуральная шерсть).

Перед проведением эксперимента поверхность образца механически очищали от загрязнений и обезжиривали.

Для стабилизации электростатического потенциала и остаточной влажности поверхности образец предварительно выдерживали в течение 48 ч при микроклиматических условиях, соответствующих условиям проведения эксперимента: температура воздуха плюс 24 ± 1 °С, относительная влажность воздуха 34 ± 3%.

Для исключения влияния внешних электростатических полей от полимерного покрытия рабочего стола в процессе измерений образцы размещали на заземлённой металлической пластине с геометрическими размерами 0,5 × 0,5 м и толщиной 3 мм.

Оценку выполняли с использованием средств измерений, соответствующих проводимым испытаниям. Напряжённость электростатического поля регистрировали измерителем напряжённости электростатического поля СТ-01 (номер в ГРСИ РФ 17400‒98). Температуру и относительную влажность в помещении определяли измерителем параметров микроклимата «Метеоскоп-М» (номер в ГРСИ РФ 32014‒11).

Измерения напряжённости ЭСП проводили в состоянии покоя и после серии циклов воздействия на образец. Измерительную пластину устанавливали в центре образца. Число повторных измерений для каждого количества циклов воздействия составляло не менее одиннадцати. За результат принимали среднее значение максимальных измеренных значений напряжённости электростатического поля. Для каждой серии измерений рассчитывали расширенную неопределённость измерений и коэффициент вариации. Нормальность распределения результатов измерений проверяли тестом Шапиро ‒ Уилка. Проверку принадлежности результатов измерений к одному распределению осуществляли с применением критерия Вилкоксона. Уровень значимости p = 0,05. Статистическую обработку проводили с помощью программного продукта Microsoft Excel 2023 и языка R (версия 4.5.0 (2025‒04‒11) пакет stats). Выявление и исключение выбросов, обусловленных случайными факторами (частицы ткани, пыль, электростатический потенциал одежды оператора), проводили с помощью критерия Граббса³.

Результаты

Результаты измерений напряжённости электростатического поля при разных способах и длительности воздействия на образец представлены в табл. 1, 2. Критерий Вилкоксона представлен в табл. 3.

Обсуждение

Измерения показали, что после длительной выдержки или нейтрализации заряда на поверхности образца средние измеренные значения уровней напряжённости ЭСП находились в диапазоне 1,04 ± 0,2 – 1,1 ± 0,22 кВ/м и не превышали гигиенического норматива 15 кВ/м. При этом коэффициент вариации полученных значений находился в диапазоне 56,5–59,5%, что свидетельствовало о существенном разбросе результатов измерений и высоком вкладе в неопределённость измерений случайных процессов. Полученные в состоянии покоя результаты не позволили оценить степень накопления электростатического заряда на поверхности изделия при эксплуатации.

Анализ полученных результатов позволил выделить три этапа накопления заряда поверхностью диэлектрика. Первый этап характеризовался малым числом циклов воздействия и практически неизменным уровнем напряжённости ЭСП: 1,48 ± 0,36 – 2,0 ± 0,45 и 1,67 ± 0,35 – 1,85 ± 0,40 кВ/м при воздействии на образец синтетической тканью и тканью из натуральной шерсти соответственно.

На втором этапе происходило накопление заряда на поверхности. Длительность и характер определялись составом применяемой ткани: синтетическая ткань вызывала рост напряжённости ЭСП, близкий к экспоненциальному ‒ от 2,85 ± 0,77 до 6,89 ± 1,33 кВ/м. При воздействии тканью из натуральной шерсти процесс накопления заряда носил линейный характер и имел большую длительность.

Третий этап характеризовался стабилизацией заряда на поверхности образца, при этом уровень напряжённости стремился к предельному значению в диапазоне от 6 до 10 кВ/м и не зависел от типа используемой ткани. Процесс стабилизации наступал после восьми циклов воздействия синтетической тканью и после девяти циклов воздействия тканью из натуральной шерсти. Начиная с девяти циклов результаты измерений напряжённости ЭСП после воздействия различными материалами сходились к одному множеству.

В ходе эксперимента установлено, что разброс результатов и расширенная неопределённость измерений уменьшались с ростом числа циклов воздействия и достигали минимальных значений после десяти циклов. При воздействии на образец тканью из синтетических материалов полученные результаты характеризовались более стабильными значениями (в сравнении с воздействием тканью из натуральной шерсти), что, по-видимому, обусловлено однородностью состава и структуры полимерных волокон.

Заключение

Результаты эксперимента подтвердили возможность применения трибоэлектрического эффекта при измерении и оценке напряжённости ЭСП от полимерных материалов. Полученные данные позволили определить необходимое и достаточное число циклов воздействия, при котором происходит стабилизация уровней ЭСП, и выбрать материал для наведения электростатических зарядов на поверхность образца.

¹ Статья 8 приложение 2 ТР ТС 017/2011 Технический регламент Таможенного союза «О безопасности продукции лёгкой промышленности» (Принят решением Комиссии Таможенного союза от 9 декабря 2011 г. № 876).

² Глава 5 пункт 123 СанПиН 1.2.3685‒21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания», утверждённые постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 28.01.2021 г. № 2 (зарегистрировано Минюстом России 29.01.2021 г., регистрационный № 62296) (далее – СанПиН 1.2.3685‒21).

³ ГОСТ Р 8.736‒2011 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов. Основные положения».