Materiales antiestáticos - ESD - Definición y ventajas

La descarga electrostática puede ser un problema en el entorno de fabricación: los peligros varían desde daños a componentes sensibles hasta peligros de incendio y explosión. Existen diversas opciones para minimizar su aparición. Los materiales antiestáticos o ESD son uno de ellos. En el siguiente artículo se cubren las causas de la carga electrostática, se presentan materiales antiestáticos (materiales ESD) y se describen los principios generales para evitar descargas electrostáticas.

¿Cómo se desarrolla una carga electrostática?

La carga eléctrica es un parámetro de conservación física. Para entender esto último, se debe analizar a nivel atómico. Cada átomo individual consta de una capa atómica y un núcleo atómico. Mientras que la masa principal del núcleo atómico está formada por partículas con carga positiva (protones) y partículas elementales neutras (neutrones), en la capa atómica hay partículas con carga negativa (electrones). Las cargas iguales se repelen entre sí y las cargas opuestas se atraen entre sí. Si los protones y los electrones están presentes en la misma cantidad, los efectos externos de las cargas individuales presentes, pero separadas, en el átomo se anulan mutuamente en la suma de cargas. El átomo es eléctricamente neutro. Sin embargo, por ejemplo, si hay más protones presentes que electrones, esto se denomina carga positiva.

La carga electrostática está estrechamente vinculada a la carga eléctrica. Si dos materiales se rozan entre sí, los electrones se transfieren de un material al otro. Aunque, al estar conectados a tierra, los materiales conductores compensan simultáneamente la transferencia de electrones con electrones libres, esto no es tan fácil de lograr en el caso de materiales aislados o aislantes. En estos casos, el material que puede retener peor los electrones en la capa atómica pierde dichos electrones a favor del material con el que fricciona. El material de fricción liberador de electrones tiene una suma de carga positiva debido a la deficiencia de electrones, y el material al que se transfieren los electrones tiene una suma de carga negativa debido al exceso de electrones. Hay una diferencia de carga entre los dos materiales de la fricción. La descarga electrostática se produce cuando dos objetos con diferentes cargas eléctricas entran en contacto entre sí. Los electrones se intercambian con el contacto y pueden producirse averías eléctricas. Los componentes cargados estáticamente se descargan.

Al descargar una carga electrostática acumulada, pueden fluir corrientes eléctricas elevadas, que incluso pueden provocar que las sustancias inflamables ardan o exploten.

La forma en que se manifiesta la carga electrostática depende del rango de voltaje:

• > 3000 V: La descarga electrostática es perceptible, por ejemplo, al tocar una hoja metálica.
• > 5000 V: La descarga electrostática es audible, por ejemplo, cuando oímos pequeños chasquidos al quitarnos un jersey.
• > 10 000 V: La descarga electrostática es visible, por ejemplo, en forma de chispa o destello.

Los rayos y las chispas ocurren, por ejemplo, cuando se crea una alta intensidad de campo entre objetos que transportan una carga diferente. Si el voltaje es suficientemente grande, se produce una repentina igualación de carga y fluye brevemente una corriente eléctrica (destello).

La gran diferencia entre materiales aislantes y conductores se debe a la estabilidad o resistencia de los electrones incrustados en la capa atómica. Si bien todos los electrones de un aislante están unidos a su átomo, los electrones de los metales también pueden moverse libremente en estado desenergizado y saltar de una capa atómica a la capa atómica de otro átomo.

Protección contra la carga electrostática

La protección contra la carga electrostática es un aspecto importante de la seguridad ocupacional, como también se explica en nuestro artículo sobre Normas de seguridad en ingeniería mecánica. Pero, ¿por qué es tan importante la protección? Todo el mundo ha sufrido alguna vez una descarga eléctrica al tocar objetos metálicos. Sin embargo, cuanto mayor sea la carga eléctrica, más peligrosas serán estas descargas.

En entornos industriales pueden producirse fácilmente tensiones de hasta 10 000 V, que pueden provocar daños o destrucción, especialmente en componentes electrónicos. Los plásticos estándar tienen el riesgo de cargarse electrostáticamente, ya que tienen una alta resistencia superficial. Pueden surgir problemas rápidamente si se transportan componentes electrónicos en ellos. La miniaturización continua, especialmente en el sector eléctrico y de semiconductores, ha aumentado la susceptibilidad a las descargas electrostáticas. Por lo tanto, la carga estática de plásticos es especialmente importante. Los componentes especialmente sensibles a la descarga electrostática están marcados con el símbolo ESDS “dispositivo sensible a las descargas electrostáticas”:

También existe el riesgo de incendio y explosión en la producción de películas, semiconductores o papel. Por lo tanto, la protección es esencial.

Definición: Materiales ESD y antiestáticos

Fundamentalmente, los materiales antiestáticos y de ESD difieren en su forma de manejar la carga electrostática. Para el material antiestático, el objetivo es evitar que la carga electrostática afecte a las propiedades electrostáticas del material. En los materiales de ESD, la conductividad eléctrica es lo más importante para que las cargas electrostáticas puedan descargarse con especial rapidez. Esto se consigue añadiendo carbono. Sin embargo, esto no significa que los materiales antiestáticos no puedan también descargar cargas electrostáticas al mismo tiempo; simplemente su conductividad es menor que la de los materiales ESD.

Existen diferentes normas para ambos grupos de materiales. Los materiales antiestáticos se utilizan generalmente en protección personal, en normas como la EN 1149 para ropa antiestática o la EN ISO 20345 para calzado de seguridad antiestático. La resistencia eléctrica debe ser tan baja que no pueda producirse ninguna carga y, por ejemplo, también se puedan evitar chispas. Para los materiales de ESD, el enfoque se centra en proteger los componentes. La norma EN 61340-4-1 especifica los requisitos para la conductividad de superficies y materiales. Sin embargo, hay materiales de ESD que se utilizan para la protección personal; p. ej., zapatos de ESD. Para los zapatos de ESD, se aplican especificaciones más estrictas con respecto a la resistencia eléctrica aprobada: Tienen una resistencia eléctrica de entre 0,1 megaohmios y 100 megaohmios, mientras que el rango para materiales antiestáticos es de 0,1 a 1000 megaohmios. Los materiales antiestáticos y de ESD también se utilizan en revestimientos de suelos conductores y materiales de embalaje y revestimientos especiales, por ejemplo.

Dependiendo de la resistencia al contacto, los materiales pueden dividirse en diferentes categorías, que a su vez también son cruciales en la tecnología antiestática y ESD:

Principios operativos

La funcionalidad de las distintas categorías de materiales difiere según los siguientes principios:

• Disipación: los materiales ESD guían la carga creada de manera controlada a través del material y la distribuyen para evitar diferencias de voltaje peligrosas.
• Aislamiento: los materiales aislantes evitan el movimiento de cargas, lo que puede ser útil en ciertas áreas para proteger los componentes sensibles de descargas no controladas.
• Rechazo: gracias a las estructuras y aditivos especiales de la superficie, los materiales antiestáticos evitan que se acumulen cargas en la superficie.
• Conexión a tierra: los materiales conductores se conectan al potencial de tierra con puntos de conexión a tierra definidos para descargar el exceso de cargas de forma controlada.

Métodos de prueba

El comportamiento del aislamiento eléctrico de un material puede determinarse mejor determinando la resistencia superficial y la resistencia de contacto. La resistencia de contacto, también llamada resistencia eléctrica, es la resistencia al flujo de corriente a través de un material, y se especifica en ohmios. La resistencia de contacto proporciona información sobre cuán efectivo o inefectivo es un material a la hora de descargar cargas en dirección a tierra. Las lecturas se realizan conectando un electrodo a la parte superior y otro en la parte inferior de la superficie y pasando una corriente de medición a través de ellos. La resistencia superficial a su vez describe la resistencia eléctrica en la superficie del material. La resistencia eléctrica se determina aplicando una tensión eléctrica por medio de dos electrodos paralelos en la superficie, midiendo la corriente que fluye a través de ambos electrodos.

Enfoques basados en el diseño para prevenir cargas estáticas

La carga estática ya se puede minimizar o prevenir de forma efectiva mediante medidas de diseño intencionadas en sistemas, componentes y áreas de trabajo críticas. Los parámetros de control pertinentes incluyen:

• Elección de material
• Conexión a tierra
• Control de humedad
• Ionizadores
• Evitación de la fricción

Elección de material

En general, la elección entre materiales antiestáticos o ESD depende de la aplicación. Se recomienda utilizar materiales ESD si se va a transportar, montar o procesar un producto electrostáticamente sensible. Si se deben evitar cargas estáticas desde el principio, por ejemplo, para proteger al personal contra chispas, los materiales antiestáticos son más adecuados, ya que minimizan la acumulación de carga. MISUMI tiene varios materiales antiestáticos. Los plásticos especiales con propiedades específicas también pueden ser materiales adecuados. Obtenga más información en nuestro artículo Plásticos especiales para profesionales.

Conexión a tierra electrostática

Si existe una conexión a tierra adecuada, las cargas eléctricas excedentes se pueden descargar directamente con el potencial de tierra. Esto se puede lograr, por ejemplo, mediante alfombrillas especiales conductoras eléctricas para estaciones de trabajo, correas de puesta a tierra o puntos especiales de puesta a tierra en máquinas. Todos los componentes conductores deben tener una conexión permanente a tierra.

Control de humedad

Cuanto mayor sea la humedad, mayor será la conductividad del aire y mejor se podrán liberar y distribuir las cargas excedentes a las moléculas de agua en el aire. Si el entorno de fabricación lo permite, se puede utilizar y controlar una humedad más alta. Se recomienda una humedad relativa del 50-60 %.

Ionizadores

Si la conexión a tierra por sí sola es insuficiente, se pueden utilizar ionizadores para la descarga electrostática. Estos generan pares de iones cargados positiva y negativamente que se unen y compensan las cargas estáticas existentes en el rango efectivo del ionizador. Los ionizadores se utilizan a menudo cuando las piezas de trabajo hechas de material aislante se mecanizan para eliminar cargas estáticas no deseadas.

Evitación de la fricción

La fricción entre aislantes o materiales superficiales de alta impedancia es una de las principales causas de la carga estática. La fricción puede evitarse utilizando ayudas, como lubricantes antiestáticos o aditivos deslizantes. Una comprensión más profunda de las propiedades de fricción de un material también puede ayudar a clasificar mejor los procesos operativos. Para obtener más información, consulte los Determinación de la fricción y del coeficiente de fricción de los valores de fricción de los materiales.

Otra opción es un tratamiento especial de la superficie, que garantiza una estructura más suave. Esto se puede lograr, por ejemplo, mediante superficies pulidas o también mediante materiales especiales como silicona antiestática o PTFE (teflón) con rellenos conductores.