纯氧环境下材料静电放电点燃性实验

河北大学学报(自然科学版)
J o u r n al of He b ei U n ive r s it y( N at u ral Scie n ce Editio n)Vo l . 28 No . 6 No v. 2008
第28 卷第6 期
2008 年11 月
纯氧环境下材料静电放电点燃性实验
王庆国,张希军,王书平,刘存礼
(石家庄军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄050003)
摘要:某些特殊环境中,织物、毛皮等材料需要在不同压强纯氧条件下使用,纯氧为强氧化剂,静电放电很可能引起材料燃烧,从而对材料使用的安全性造成威胁,甚至造成生命和财产损失. 设计制作了一套静电放电点燃性纯氧密封实验装置;在42 k Pa ,101 k Pa 和142 k Pa 压强下,采用不同的静电放电模型,对4 种材料进行了静电放电引燃性实验,给出了不同压力条件下材料的引燃能量,结果表明,材料在纯氧环境中,随着纯氧压强的升高而越来越容易被点燃,材料的引燃性能与放电速度有关.
关键词:纯氧环境;毛皮和织物;静电放电;引燃实验
文章编号:1000 - 1565 (2008) 06 - 0600 - 04 中图分类号: O441文献标识码: A
R esearch on Incendivity T est of M ateri al s in Pure
Oxygen Environ m ent U nd er V arious Pressu res
WA N G Qi n g2guo , Z H A N G Xi2j u n , WA N G Sh u2pi n g , L IU Cun2li
( The Re s ea r c h In s tit u t e of Elect ro s t a tic a n d E lect r o ma g netic Pro t e ctio n ,
Mec h a n ical Engi n eeri n g C olle g e , Shijiazh u a n g 050003 , Chi n a)
Abstract : I n sp a ce e xp l o ri n g co n ditio n s , t e x t ile , leat h e r mat e rial s a r e u s e d i n p u re o xyge n e n vi r o n2 me nt . The mat erial s a re i n se rio u s ri s k s of bei ng i gnit e d by ESD di scha r ge s si nce o xyge n ga s i s a ki n d of st ro ng o xi da nt s a nd t hi s ma y ca u se fi re a nd eve n di sa s t er s o r deat h of a st ro na ut s. In t hi s p a p e r , a well sealed cha mber wa s f i r st de si gne d a nd b uilt fo r i gnitio n t e st . The ignitio n t e st fo r fo ur ki nds of t e x ti le a n d leat he r mat e rial s we re ca r rie d o ut under t he o xyge n p re ssure s of 42 k Pa , 101 k Pa a nd 142 k Pa u si n g di ff e r2 e nt ESD mo del s. The i gnitio n e ner gy wa s det e r mi ned a nd t he re s ult s were co mp a red fo r diff e re n t p r e s sure s a n d mat e rial s.
K ey w ords : p u re o xyge n e n vi r o n me n t ; t e xtile a n d leat h e r ; elect r o s t a tic di s cha r g e ( ESD ) ;
i n ce n divit y t e s t
很多特殊环境下,织物、毛皮等服装材料是在纯氧环境下使用的,而静电起电和放电过程在人的正常活动和操作中又常常是不可避免的,如果人体与材料之间或者材料与材料之间由于静电积累而发生静电火花放电现象,或者由于电路短路而发生弧光放电等现象,就有可能在纯氧的强烈助燃条件下引燃这些材料进而引起火灾.在航天工程中还有可能危及航天员的生命安全,在世界航天历史上曾经因此发生过灾难. 所以,研
收稿日期:2007 - 12 - 17
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60671045) ;军械工程学院创新人才科研启动基金资助项目
作者简介:王庆国(1964 - ) ,男,河北石家庄人,军械工程学院教授,主要从事静电与电磁防护、电磁兼容方向研究.
究服装材料在纯氧环境下的静电起电现象 ,以及服装材料在纯氧环境下静电放电的引燃性 ,对于航天工程等 特殊场合材料使用的安全性至关重要 ,国际电工委员会于 2005 年制订了相应的火花放电引燃性标准测试方 法[ 1 ] . 但是 ,到目前为止 ,由于多种原因 ,公开发表的材料引燃性实验研究还不多见 ,本研究所曾经对部分织 物在大气和常压纯氧环境下进行了实验研究
[ 2 ]
,为神舟 5 号航天工程提供了有价值的实验结果 ,但是没有考
虑实际操作过程中不同的压强条件 . 美国航空航天局肯尼迪航天中心的研究人员曾经研究了材料起电以后 可能产生的火花放电对环境可燃气体的引燃性能 ,并建立相关的实验规程[ 3 - 6 ] ,但是并没有对材料自身的引 燃性进行研究. 本文针对航天工程中使用的织物和毛皮等 4 种服装材料 ,在 142 k Pa ,101 k Pa 和 42 k Pa 3 种
纯氧压力环境下 ,进行了静电放电点燃性实验 ,目的是评价材料在纯氧环境下使用的静电安全性.
1 实验方法
按照美国 ESD 协会标准 ESD S T M5 . 2 - 1999 和国际电工委员会标准 I EC613402322 ,实验采用标准人
体模型 ( HB M ) 和机器模型 ( M M ) 进行放电实验 ,模拟可能的人体放电过程 ,图 1 为充放电电路. 机器模型被 认为是“最严酷”的静电放电模型[ 7 ] ,是利用放电电容直接对材料进行放电 . 为了确保材料在最严酷的条件下 的安全性 ,本课题分别采用这 2 种模型进行了实验 . 图 1 中 , R 1 为充电限流电阻 ,阻值 130 M Ω , E 为静电发 生器 (最大输出静电电压 34 kV) ; R 2 为放电电阻 ,在标准人体模型中 , R 2 取人体高压动态电阻 10 Ω[ 2 ] ,充放 电电容 C 取值为 120 p F ; 在使用机器模型的时候 , R 2 取 值为 0 Ω ,充放电电容 C 取 2 个值 : 一个是按照标准的机 器模型取值 C = 200 p F ,为了更严酷起见 ,考虑到美军标 M I L 2S T D 21512 中 采 用 了 更 为 严 格 的 人 体 放 电 电 容
500 p F ,模拟的人体放电能量更高 ,本项目也做了有关实
验 ,即采用 500 p F 放电电容直接对材料进行放电 . P 为放 电用球状电极 ,M 为接地金属板 , S 为被测试的样品.
图 1 点燃性实验静电充/ 放电电路 Fig. 1 Charging and discharge circuit f o r incen div ity test
本实验中被测试的材料包括 : 羊皮 、麂子皮 、氨纶网 纱织物和某特种人造材料共 4 种 . 由于每一种材料都分 为光面和毛面 2 种情况 ,实验中 ,每一种材料分毛面和光面分别做成边长为 3 c m 的方块各 6 个 ,所以被测试 的样品共 48 个 .
为了模拟不同的氧压强所需要的温/ 湿度 环境 ,本课题专门设计和制作了高/ 低压纯氧密 封放电装 置 , 可 以 实 现 对 放 电 过 程 、氧 压 强 和 温/ 湿度的方便调节 , 图 2 为装 置的 示 意图 . 装 置中的纯氧由罐装医用氧气提供 , 所需要的高 压和低压 分 别 由 高 压 氧 气 罐 和 低 真 空 泵 来 实 现 ;放电装置由球状放电电极和控制旋钮来完 成 ;使用加湿盒改变密封箱内的湿度 ,为了提高 加湿速度 ,安装了搅拌电扇 ; 密封箱内的温度利 用加热或者冷却氧气进气管的温度来实现 ; 密 封箱内 的 温/ 湿 度 和 氧 气 压 力 由 温/ 湿 度 计 和 图 2 高压/ 低压纯氧静电放电密封装置
F ig. 2 H igh/ lo w pressur e sealed chamb er f o r E SD tests in p ure oxy gen
高/ 低压压力表读出 . 本实验在军械工程学院静
电与电磁防护研究所调温调湿实验室内完成 .
实验时 ,首先打开观察窗口 ,将每种材料分毛面和光面分别放置到纯氧密封箱内 ; 然后关闭和密封观察
窗口. 通过对密封箱进行 6 次以上充氧和排氧清洗过程 ,使箱内纯氧达到要求的浓度 ,调节氧压强和箱内温/
湿度达到需要的环境 ;然后对样品进行 24 h 同化 ,最后加载静电高压对样品进行放电实验 . 每个样品在每个 电压下放电 100 次 ,如果没有点燃 ,增加放电电压 ,直到 34 kV 高压为止. 如果样品被点燃 ,记录被点燃的放
河北大学学报(自然科学版)2008 年·602 ·
电次数、温度和湿度以及压强等参数,然后用纯氧对容器进行多次充气和排气,将其中的二氧化碳等杂质洗干净,调节温/ 湿度和氧气压强,再进行下一个实验.
2 实验结果与讨论
表1 给出了在环境温度t 为28 ℃、3 种纯氧压强条件和采用3 种放电模型时材料的引燃性实验结果. 材料在t 为17 ℃的实验结果表中未列出.
表1 材料引燃性实验结果( t = 28 ℃,H
R
= 30 %)
T a b. 1 E x perimental results of incen div ity tests
低压纯氧(42 k P a)常压纯氧(101 k P a)高压纯氧(142 k P a)材料 C = 120 p F C = 200 p F C = 500 p F C = 120 p F C = 200 p F C = 500 p F C = 120 p F C = 200 p F C = 500 p F R2 = 10 ΩR2 = 0 R2 = 0 R2 = 10 ΩR2 = 0 R2 = 0 R2 = 10 ΩR2 = 0 R2 = 0
羊皮光面羊皮毛面麂子皮光面麂
子皮毛面氨伦织物光面氨伦织物毛面特种材料光面特种材料毛面×
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√①
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√②
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表中“√”表示在5～34 k V 内曾经被引燃“;×”表示5～34 k V 放电电压下始终没有被引燃.
①羊皮毛面在26 k V 放电电压、169 mJ 放电能量时,在第47 次放电时被引燃;
②羊皮毛面在21 . 5 kV 放电电压、115 . 6 mJ 放电能量时,在第75 ,80 次放电时2 次被引燃.
2 . 1 标准大气压(101 k P a) 纯氧环境中的静电放电点燃性实验
鉴于材料的实际环境温度在17～28 ℃之间,相对湿度在30 %～80 %之间,本实验中设定的温度为17 ℃和28 ℃2 个极端值,而湿度则设定在最易发生静电起电放电的低湿条件R H 为30 %.
实验结果表明,在温度为17 ℃和28 ℃2 种情况下,当采用标准人体模型( C = 120 p F , R = 10 Ω) 进行放电实验,放电电压达到34 kV ,放电能量达到115 . 6 m J 时,所有材料都不能被点燃.在同样温度下的机器模型放电实验中,当放电电容为200 p F ,以及t = 17 ℃,28 ℃2 种情况下,放电电压达到34 kV ,放电能量达到115 . 6 mJ 时,所有4 种材料无论毛面或者光面仍然不能被点燃. 这也表明17 ℃和28 ℃2 种环境温度对材料的点燃性没有影响;如果改用500 p F 放电电容,当电压增加到26 kV ,能量达到169 mJ 时,羊皮的毛面被点燃,而羊皮光面以及其他3 种材料都没有被点燃. 说明由于羊皮毛面大量细纤维的存在,提高了静电放电的可燃性能,当能量达到一定条件下就会被点燃,而其他材料在169 mJ 的能量时都不能被点燃.
2 . 2 低压(42 k P a) 纯氧环境中的静电放电点燃性实验
实验中发现,在低压纯氧环境中静电放电比在常压环境中变得容易得多,2 kV 静电高压的放电距离可以达到3～5 c m. 但是在使用标准人体放电模型和机器模型( C = 200 p F ,500 p F 2 种放电电容) 的情况下,放电能量最高达到289 m J 时,包括最敏感的羊皮毛面在内的所有材料都没有被点燃.这说明在低压纯氧环境下,虽然静电放电更容易了,但是材料更不容易被点燃,所以,与标准大气压纯氧环境比较,材料在42 k P a 低压纯氧条件下使用更安全一些.
2 .
3 高压(142 k P a) 纯氧环境中的静电放电点燃性实验
高压纯氧环境中,静电放电在高压条件下比在低压条件下变得困难得多,3 kV 的静电高压在1～2 c m 的近距离时才会发生放电,而且由于放电球与材料样品距离过近而产生吸引和排斥现象,使放电点燃实验变得不方便.
机器模型时,最高放电电压达到34 . 3 kV 、最大放电能量分别达到69 . 4 mJ 和115 . 6 m J ,所有材料都没有被点燃. 但是,当使用机器模型并加大放电电容到500 p F ,放电能量达到115 . 6 mJ 的时候,羊皮材料的毛面在第75 次和第80 次时被2 次点燃,其他材料仍然没有被点燃.
由此可见,如果将高压纯氧条件下羊皮毛面的点燃能量115 . 6 m J 与常压纯氧环境下的点燃能量169 m J 相比,需要的点燃能量降低了54 m J ,这说明,虽然在高压纯氧环境下静电放电变得更困难,但是由于氧气体密度增加,材料的引燃性较标准大气压纯氧环境变得更容易,因而这些材料在高压纯氧条件下比在标准大气压纯氧环境下更危险. 由此可见,在材料的使用当中,应尽量将材料的光面向外,可以减小被静电放电引燃的可能性,对航天员会更安全. 另一方面,如果将机器模型中200 p F 电容和500 p F 电容2 种情况相比,可以发现,同样是115 . 6 m J 的放电能量,在C = 200 p F 的时候,材料不能被点燃,而在C = 500 p F 的时候,材料被多次点燃. 这说明,同样能量的放电,材料的引燃性能与放电电容或者放电时间常数有关.
3 结论与建议
从以上实验结果可以总结出4 点结论.
1) 毛皮或者织物材料在不同纯氧压力条件下的静电放电引燃性能表现不同,在低压纯氧环境下,材料最不容易被点燃,在高压纯氧环境下,材料最容易被点燃,这说明,随着纯氧压力的升高,虽然静电放电变得越来越困难,但是材料的静电放电引燃性能会变得更容易,引燃能量逐渐降低. 由此可见,材料在低压纯氧环境下使用更安全一些,而在高压纯氧环境下,需要谨慎使用,应尽可能减少静电起电过程,消除静电积累,降低静电放电能量.
2) 材料在纯氧环境中的静电放电引燃性能与静电放电电容有关,在同种放电能量条件下,放电电容越大,其引燃材料的能力更强一些,这可能与放电时间常数有关. 因此,在材料使用过程中,尽量采取一定措施,减小人体放电电容.
3) 材料在纯氧环境下的静电放电引燃性与材料的表面光洁程度有重要关系. 在本项实验当中,4 种不同材料中只有表面纤维较多和较长的羊皮的毛面被点燃,而所有其他材料(包括麂子皮) 在各种环境和放电条件下都没有被点燃. 所以,材料在纯氧环境或者其他助燃环境中使用时,最好将材料的光面朝外,在操作过程中,要尽量避免或减少材料之间的摩擦而使材料起毛的过程,保持材料表面的光洁,降低材料静电放电的引燃性能.
4) 从材料在不同温度条件下的静电放电引燃性能实验结果来看,在17～28 ℃的温度范围内,材料的环境温度对材料的引燃性能没有发现明显影响.
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(责任编辑:孟素兰) [ 7 ]刘尚合,武占成,胡小峰,等.静电放电及危害防护[ M ] .北京:北京邮电大学出版社,2004 .。