-
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 -