DE1906729A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Messung von elektrostatischen Ladungen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Messung von elektrostatischen Ladungen

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DE1906729A1
DE1906729A1 DE19691906729 DE1906729A DE1906729A1 DE 1906729 A1 DE1906729 A1 DE 1906729A1 DE 19691906729 DE19691906729 DE 19691906729 DE 1906729 A DE1906729 A DE 1906729A DE 1906729 A1 DE1906729 A1 DE 1906729A1
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/60Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrostatic variables, e.g. electrographic flaw testing
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R5/00Instruments for converting a single current or a single voltage into a mechanical displacement
    • G01R5/28Electrostatic instruments

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Description

  • Verfahren urd Vorrichtung zur Erzeugung und Messung von oleictrostatischon Ladungen ======================================================= A 417 ßoi dor Herstellung und Verwendung vieler Stoffe ist die Feststellung der eletrostatischen Eiganschaften von erhobin chor Bedeutung. Von besonderer Wichtigkeit sind heutzulage die elektrostatischen Eigenschaften von Bodenbelägen und Möbelstoffen aus synthetischen Fasern, bei denen das Entstehen von hohen Ladungen unangenehme Auswirkungen auf den Menschen hat. Die Kenntnis der elelctrostatischen Eigenschaf ton ist auch beispielsweise bei Riemontrieben von Bedeutung die in Bereichen verwendet werden, in denen Feurgefahr besteht. Auch.in Kopiermaschinen ist die elektrostatische Aufladung von Einfluß auf ihre Funktionsfähigkeit. Schließlich wirken sich die elektrostatischen Eigenschaften auf die Fähigkeit aus, Schmutz oder Fusseln-abzustoßen oder aufzunehmen.
  • Obgleich die Grundlagen der elektrostatischen Aufladung bekannt sind, bestehen keine brauchbaren Verfahren zur wiederholbaren Erzeugung und Messung statischer Ladungen bei Werkstoffen beliebiger Art.
  • Wenn zwei Materialien, beispielsweise Textilien, miteinander in Berührung sind, können Elektronen von dem einen Stoff zum anderen wandern. Einer der Stoffe hat dann einen Mangel an Elektronen, wodurch dieser eine geringfügige positive Ladung erhält. Wenn die beiden Stoffe gute elektrische Leiter sind, so werden bei einer Trennung der boiden Stoffe die überschüssigen Elektronen in dem einen Stoff in den anderen zurückgeführt, bevor die Dorührung vollständig unterbrochen ist, Wenn jedoch einer der Stoffe oder beide on Isolator ist bzwO sind, wird der Blektronenfluß verhindert und wenn nun die beiden Stoffe schnell getrennt werden, verbleiben einige überschüssige Elektronen in einem der Stoffe. Somit bleiben beide Stoffe geladen.
  • Natürliche und synthetische Fasen sind ausgezeichnete Isolatoren, besonders wenn sie trocken sind. Diese Stoffe werden durch Berührung aufgeladen und gewinnen odor verlieren Elektronen in unterschiedlicher Weise aufgrund ihrer molekularen Unterschiede. Demzufolge haben verschiedene Fasern unterschiedliche relative Polaritäten. Die Stoffe können entsprechend ihren elektropositiven oder elektronegativen Eigenschaften in eine Reihe eingeordnet werden, die als tribo-olektrlsofle Reihe bezeichnet wird. In die Reihe kann Jedes Hat real entsprechend seiner Polarität relativ iu den anderen Xateriali.n-in der Reihe eingefUgt werden.
  • Eine Aufladung durch Reibung ist eine verläßliche Methode zur Bestimmung der relativen Polarität, der Intensität und der Ableitungsgenschwindigkeit von elektrostatischen Ladungen, die an einem Material hergestellt werden können. Die sich ergebenden Messwerte sind brauchbar, wenn einige wichtige Bedingungen beachtet werden. Daß ein Material eine höhere (mehr positive oder mehr negative) Ladung erzeugt als ein anderes Material, bedeutet nicht unbedingt, daß es in der tribo-elektrischen Reihe höher oder niedriger liegt als das andere Nur brenn die Oberflächenglätte oder -rauhigkoit der PHRlinge genau dieselbe wäre, würde dies zutreffen, Um eine zuverlässig¢ Einordnung eines bestimmten Materials zu erreichen, muß es von vielen Stoffen gerieben werden, die die Reihe bilden oder in die Reihe eingefügt werden sollen. Nur wenn der Prüfling negativ in bezug auf ein Material und posit4v in bezug auf ein anderes Material ist, die einander benachbart in der Reihe angeordnet sind, kann der Prfifling zwischen diesen eingereiht werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ur Erzeugung und Messung von olektrostatischen Ladungen verwendet Reibung unter kontrollierten Bedingungen, um zuverlässige und brauchbare elektrostatische Werte fiir eine Vielzahl von Werkstoffen zu erhaltene Dabei wird jedes Material, das in einer triboelektri-.achon Reihe oingeroiht worden soll, sowohl als reibendes als auch als geriebenes Teil verwendet. Wenn erst einmal die relative Polarität des Musters festgestellt ist, wird das Muster als geriebener sowie als reibender Toil für ein anderes Material verwendet, welches vorzugsweise nahe diesem in der Reihe liegt. Das reibende Material und das geriebene Material stehen an oder nahe der gleichen relativen Stelle in der Reihe, wenn beim Reiben aneinander oder an indritten Material keine merkliche Aufladung eintritt. Eine geringe Aufladung kann auch dadurch entstehen, daß das eine oder beide Materialien antistatisch sind. Wenn eine Differenz in der Polarität der Muster festgestellt wird, werden die Stoffe in der Reihe relativ zueinander entsprechend dieser Differenz eingeordnet.
  • Nachdem eine triboelektrische Reihe aus einer Vielzahl von Materialien aufgestellt wurde, kann Jedes noue Material nach wenigen Messungen in die Reihe eingeordnet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung und Messung iner elektrostatischen Ladung ist gekennzeichnet durch eine erste Haltevorrichtung fllr einen Prüfstoff, Mittel zum Spannen des Prüfstoffes, eine zweite Haltevorrichtung für einen Vergleichsstoff, wobei die beiden Haltevorrichtungen zum Aneinanderdrtlkken und zum Trennen der beiden Stoffe relativ zueinander bowegbar sind, Mittel zum Bewegen der beiden Stoffe relativ zueinander und eine Sonde zur Feststellung der statischen Aufladung des Prüfstoffes.
  • Die erste Haltevorrichtung weist vorzugsweise eine Klammer zum Festhalten des einen Endes des Prüfstoffes auf, wobei die Mittel zum Spannen des Prüfstoffos aus einem au anderen Ende desselben befestigten Gelf' ChteO bestehen Zum Andrücken des Prüfstoffes an den Vergleichsstoff ist es zweckmäßig, die erste Haltevorrichtung schwenkbar anzuordnen und mit einem Gewicht zu verbinden, das diese Haltevorrichtung mit dem Prüfstoff gegen den Yergleichastoff zu schwenken bestrebt ist.
  • Die zweite Haltevorrichtung besteht vorzugsweise aus einem von einem Motor angetriebenen Rad, auf dessen Umfang der Vergleichsstoff aufgebracht ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beispielshalber erläutert. Es zeigen: Fig0 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß der Erfindungt Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung) Fig0 3 einen Teilschnitt gemäß Linie 3-3 in Fig. 19 Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie 4-4 in Fig. 2, Fig0 5 einen Längsschnitt gemäß Linie 5-5 in Fig. 1und Fig. 6 einen Längeschnitt gemäß Linie 6-6 in Fig. 2.
  • In den Figuren 1, 3 und 5 ist die Vorrichtung in der Aufladestellung gezeigt. Ein Motor 10 und ein Spannungssonde 11 sind auf einer Plattform 12 angeordnet, die in Bezug auf eine Grundplatte 13 nach rechts und nach links verschoben werden kann. Die Plattform 12 ist auf Schienen 14 und 15 gelagert, die an der Grundplatte 13 durch Stützen 16 und 17, befestigt sind. Die Prüfsonde 11 ist auf der Plattform 12 mit Hilfe eines Halters 18 befestigt, der die Sonde 11 in einer bestimmten Stellung halten kann.
  • Der aufzuladende Stoff 19 ist an einem Rahmen befestigt, welcher aus Stangen 20 und 21 besteht, die durch Endplatten 22 und 23 miteinander verbunden sind. Wie aus Fig. 3 hervorgast, wird das eine Ende des Prüfstoffes 19 durch eine Kiammor 24 gehalten, wähnend m anderen Ende deo Prüfstoffes 19 eine Klammer 25 befestigt ist, an der ein Gewicht 26 angeordnet ist, durch welches der Pcüfstoff 19 straff über die Stangen 21 und 20 gespannt wird0 Eine Stütze 27, die an der Grundplatte 13 befestigt ist, trägt einen Stift 28, über welchen ein Zugseil 29 läuft.
  • Das eine Ende des Zugseiles 29 ist bei 30 an dem den Prüfstoff tragenden Rahmen befestigt, welcher bei 31 schwenkbar an der Grundplatte 13 befestigt ist. Das andere Ende des Zugseiles 29 ist mit einem Gewicht 32 verbunden. Durch das Gewicht 32 wird der Rahmen um den Drehzapfen 31 derart verschwenkt, daß der Prüfstoff 19 an ein einen Vorgleichsstoff tragendes Rad 33 angedrückt wird.
  • Das Rad 33 ist auf der Welle 34 des Elotors 10 befestigt und seine Umfangsfläche ist von dem Vergleichsstoff 35 bedeckt.
  • Bei oinor solchen Anordnung ist der Prüfstoff in seinem Rahmen in stets gleichbleibender Weise gespannt und gleichzeitig drückt das Gewicht 32 den Prüfstoff mit einer stets gleichbleibenden, vorbestimmten-Kraft gegen den Verglei¢hsstoff 35 auf dem Rad 33.
  • Zum Aufladen des Prüfstoffes liegt das Rad 33 mit dem Vergleichsstoff 35 in der in Fig. 1, 3 und 5 gezeigten Stellunge Beim Einschalten des Motors 10 wird das Rad 33 angetrieben und der nuf diesem angebrachte Vergleichsstoff reibt auf dem Prüfstoff.
  • Nach dem Aufladen wird die Plattform 12 in Fig. 1 nach rechts in die aus Fig. 2,4 und 6 ersichtliche Stellung bewatt, in welcher die Prüfsonde 11 mit dem Prüfstoff 12 zus.ammenwirktO Die Aufnahme der Sonde 11 wird am Meßgerät 36 angezeiert und aufgezeichnet.
  • Der Prüfstoff wird dann entfernt und ein zweiter Stoff wird auf den Rahmen aufgespannt. Die Plattform 12 wird in die aus Fig. 1, 3 und 5 örsichtliche Stellung zurUckgeschonen. Der Motor 10 wird wieder eingeschaltet und der neue Prüfstoff wird von dem Vergleichsstoff gerieben. Die Straffheit des neuen Prüfstoffes und die Kraft, mit der der Prüfstoff gegen den Vergleichsstoff gedrückt wird, sind weitgehend dieselben wie bei der Prüfung des ersten Prüfstoffes 19 aufgrund der Verwendung von Gewichten, wodurch Bedienungsfehler ausgeschaltet werden. Die Aufladung des neuen Prüfstoffes wird in der Stellung gemäß Fig. 2, 4 und 6 gemessen und der Ausschlag des Mesagerätes 36 wird aufgezeichnet. Wenn der Meßausschla für den neuen Prüfstoff nahe bei demjenigen des ersten Prüfstoffes 19 liegt, werden beide nahe beieinander in die Reihe aufgenommen.
  • Weitere Stoffe werden dann in der gleichen Weise geprüft und dadurch wird die Reihe entwickelt.
  • Wenn der Ausschlag des Meßgeräte bei einem neuen PrUfstoff klein ist, so ist es möglich, daß diese Muster und der reibende Vergleichsstoff verhältnismäßig naho beieinander in der triboelektrischen Reihe liegen. Es ist jedoch auch möglich, daß einer dieser Stoffe leitende oder antistatische Eigenschaften hat, die sich in einer sehr schnellen Ableitung der Ladung zeigen. Selbst wenn eine Aufladung eintritt, kann die Dauer der Ladung infolge einer antistatischen Oberfläche außerordentlich kurzlebig sein.
  • Antistatische Eigenschaften sind gekennzeichnet durch eine schnelle Entladung oder übereinstiwiende kleine Meßwerte, wenn ein Material von einer Mehrzahl von sauberen positiven und negariven Stoffen gerieben wird. Nur wenn die Oberfläche des Prüfstoffes keinen störenden Zustand aufweist, können die wahren elektrostatischen Eigenschafen festgestellt worden. Die Vorrichtung gestattet also auch die Entdeckung von leitenden oder antistatischen Eigenschaften, ob diese nun natürlich oder absichtlich vorgesehen sind.
  • Als Beispiol für dxe Anwendung dieses Verfahrens wurden zwei sehr ähnliche Stoffe aus Stapelgarn, Muster A und Muster B, als Vorgleichsstoffe ausgewählt. Das Muster A, das als mäßig elektropositiv bekannt ist, wurde willkürlich in der Reihe an der Stellet4 angeordnet. Das Muster B, das als mäßig elektronegativ bekannt ist, wurde willkärlich in der gleichen Reihe bei-6 angeordnet. Demzufolge trennen zehn Einheiten diese beiden Vergleichsetoffe. Jeder loser beidon Vergleichsetoffe wurde als reibendes Material gegen andere Stoffe verwendet. Muster C zum Beispiel-erhält eine positive Ladung, wenn es von beiden Vergleichsetoffen gerieben wird. Es muß also in der Reihe oberhalb des Muster A angeordnet werden.
  • Um eine genaue Stelle fLir das Muster C festzustellen,mtlßte dieses von anderen Stoffen oberhalb des Muster A gerieben werden, bis zwei benachbarte Stoffe,getunden sind, die einerseits eine positive und andererleite eine negative Ladung erzeugen. Das Muster C muß dann eine positive Ladung erhalten, wenn es von irgendeinem Material gerieben wird, das in der Reihe unter ihm liegt und eine negative Ladung, wenn es von einem Material gerieben wird, das in der Reihe über ihm liegt. Wenn kein Ladung entst.ht, wenn das Muster C von einem >laterial gerieben wird, und wenn das Muster C nicht antistatisch ist, sondern eine geringe Ladungbeis Reiben durch ein anderes Material entsteht, wird das Muster C an der gleichen Stelle wie das erstgenannte Material eingeordnet.
  • Muster D wird dann vom Muster A gerieben und erhält beispielsweise eine negative Ladung von 9 Volt. Wenn es von dem Muster B gerieben wird, erhält das Muster C eine positive Ladung von beispielsweise 21 Volt. Da der Gesamtunterschied (21 + 9) zehn Einheiten der willkürlichen Skala bildet, wird das Muster D ungefähr bei -9 x 10 : 30 = -3 unterhalb des Musters A oder bei + 4 - 3 5 + 1 eingereiht. Die gleiche Stelle ergibt sich beim Einsetzen der Werte, die beim Reiben mit dem Muster B festgestellt wurden, nämlich + 21 x 10 : 30 = + 7 oberhalb des Musters B oder + 7 - 6 = + 1 In entsprechender Weise wurde bei dem Muster E festgestellt, daß es beim Reiben mit dem Muster A eine negative Ladung von 6 V und beim Reiben mit dem Muster B eine positive Ladung von 4 V erhält. Das Muster E mit relativ geringer Aufladung kann beispielsweise ein weicher Stoff aus Mehrfachgarnen sein.
  • Für ein Muster F wurde eine negative Ladung von 32 V gegen das Muster A und eine positive Ladung von 8 V gegen das Muster B festgestellt. Das Muster E, obgleich es nur auf 4 V gegenüber dem Muster B aufgeladen wurde, ist mehr positiv als das Muster F, welchee 8 V gegen den gleichen Vergleichsstoff erzeugt.
  • Durch die Verwendung von festen Gewichten, mit denen der Prüfstoff einerseits in eines Rahmen gespannt und andererseite an den reibenden Vergleichsstoff angedrückt wird, werden menschliche Fehler, Änderungen in Federspannungen und unterschiedliche Bshandlungsweiaen, die bet verschiedenen Benutzern entstehen'kt5'nnten, vermieden. Für Jedes PrUfmaterial liegen somit die gleichen Bedingungen vor, sodaß der Aufbau einer zuverlässigen tribo-elektrischen Reihe gewährleistet - Patentansprüche -

Claims (1)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Vorrichtung zur Erzeugung und Messung einer elektrostatischen Ladung, gekennzeichnet durch eine erste Haltevorrichtung für oinon Prüfstoff (19), Mittel (26) zum Spannen des Prüfstoffos (19), oino zweite Haltevorrichtung (33) für einen Vergleichsstoff (35), wobei die beiden Haltevorrichtungen zum Aneinanderdrücken und zum Trennen der beiden Stoffo (19, 35) relativ zueinander bewegbar sind, Mittel (10) zum Bewegen der beiden Stoffe (19 und 3>) relativ zueinander, und eine Sonde (11) zur Feststellung der statischen Aufladung des PrUfatoffes (l9)o 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnot, daß die erste Haltevorrichtung eine Klammer (24) zum Festhalten des einen Endes des Prüfstoffes (19) aufweist und daß am anderen Ende des Prüfstoffes (19) ein Gewicht (26) zum Straffhalten des Prüfstoffes befestigt list.
    3 Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnot, daß die erste Haltevorriohtung schwenkbar und mit einem Gewicht (32) verbunden ist, welches diese Haltevorrichtung mit dem Prüfetoff (19) gegen den Vergleichsstoff (35) zu schwenken bestrebt ist.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstoff auf dem Umfang eines Rades (33) aufgebracht ist, welches durch einen Motor (10) antreibbar ist.
    5 Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet daß die erste Haltevorrichtung relativ zu dem Rad (33) bewegbar ist.
    6. Verfahren zum Aufstellen einer triboolektrischen Reihe, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prüfstoff auf einem schwenkbaren Rahmen und ein Vergleichsstoff auf einem beweglichen Halter befestigt wird, dann ein Endo dO9 Prüfstoffes an dem Rahmen festgelegt und der Prüfstoff durch ein Gewicht straff gespannt wird, darauf ein Gewicht an dem Rahmen angebracht wird, das der, Prüfstoff an den Vergleichsstoff andrückt, dann der Vergleichsstoff relativ zu dem Prüfstoff bewegt und hierauf der Prüfstoff und der Vergleichastoff voneinander entfernt werden, wonach die elektrostatische Ladung des Prüfstoffes gemessen wird, darauf der Prüfstoff durch einen anderen Prüfstoff ersetzt wird und die genannten Verfahrensschritte wiederholt werden, und schließlich dio Prüfstoffe in einer triboelektrischen Reihe entsprechend des Unterschiedes wischen den gemessenen elektrostatischen Ladungen eingeordnet-werden.
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