Triboelektrische Aufladung von Stoffen

Triboelektrische Aufladung bezeichnet das Entstehen elektrischer Ladungen auf der Oberfläche von Materialien infolge von Kontakt, Reibung und anschließender Trennung. Der Effekt tritt praktisch überall dort auf, wo feste Stoffe miteinander in Berührung kommen und sich wieder voneinander lösen – von alltäglichen Vorgängen wie dem Ausziehen eines Pullovers bis zu industriellen Prozessen wie der pneumatischen Förderung von Schüttgütern, Stäuben und Spänen. In technischen Anlagen, insbesondere in Absaug- und Fördersystemen, kann die dabei entstehende elektrostatische Aufladung erhebliche praktische Konsequenzen haben, die von harmlosen Störungen bis zu ernsthaften Sicherheitsrisiken reichen.

Entstehungsmechanismus

Elektrostatische Aufladung durch Reibung und Kontakt beruht im Kern auf einem Ladungsübergang zwischen zwei Oberflächen, die in engen physischen Kontakt kommen. Auf mikroskopischer Ebene berühren sich zwei Materialien nie vollflächig, sondern nur an einer Vielzahl winziger, unregelmäßig verteilter Kontaktpunkte, die durch Rauheit und Unebenheiten der Oberflächen entstehen. An diesen Kontaktpunkten können Ladungsträger – überwiegend Elektronen, in manchen Systemen auch Ionen oder kleinste Materialfragmente – von einer Oberfläche zur anderen übergehen, sofern zwischen den Materialien ein Unterschied in der Elektronenaffinität beziehungsweise Austrittsarbeit besteht.

Reibung selbst erzeugt physikalisch keine neue Ladung; sie wirkt jedoch als verstärkender Faktor, weil sie die Zahl der Kontaktpunkte, die effektive Kontaktfläche und die Häufigkeit von Kontakt-Trenn-Zyklen deutlich erhöht. Werden die beiden Oberflächen anschließend voneinander getrennt, kann der zuvor stattgefundene Ladungsausgleich nicht in gleichem Maße rückgängig gemacht werden, da insbesondere elektrisch schlecht leitende Materialien (Isolatoren) die aufgenommene beziehungsweise abgegebene Ladung nicht schnell genug wieder ausgleichen können. Es verbleibt auf einer Oberfläche ein Elektronenüberschuss (negative Ladung), auf der anderen ein entsprechender Mangel (positive Ladung).

Bei granularen oder pulverförmigen Stoffen – etwa Holzstaub, Spänen oder Kunststoffgranulat – kommt ein weiterer Effekt hinzu: Da einzelne Partikel wiederholt sowohl mit Anlagenteilen als auch untereinander in Kontakt geraten, können sich innerhalb desselben Materials unterschiedlich geladene Fraktionen bilden. In pneumatischen Förderleitungen führt der ständige Kontakt der transportierten Partikel mit den Rohr- oder Schlauchinnenwänden zu einer kontinuierlichen, sich mit der Förderstrecke aufsummierenden Aufladung.

Besonders zur Aufladung neigende Materialkombinationen

Ob und wie stark sich zwei Materialien beim Kontakt aufladen, hängt von ihrem relativen Abstand in der triboelektrischen Reihe sowie den bereits erwähnten Randbedingungen ab. In der industriellen Praxis, insbesondere bei Förder- und Absaugsystemen, treten bestimmte Materialpaarungen besonders häufig als Ursache spürbarer elektrostatischer Aufladung in Erscheinung.

Kunststoffe untereinander sowie Kunststoffe im Kontakt mit organischem Material. Viele gängige technische Kunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) liegen im negativen Bereich der triboelektrischen Reihe und neigen bei Reibungskontakt zu ausgeprägter Aufladung – sowohl untereinander als auch im Kontakt mit anderen Materialklassen. Da Kunststoffe zudem meist sehr gute elektrische Isolatoren sind, kann die entstandene Ladung nur langsam abfließen und sich über die Zeit aufbauen.

Holzstaub und Holzspäne. Bei der spanenden Holzbearbeitung entstehende Stäube und Späne bestehen überwiegend aus Zellulose und weisen in der triboelektrischen Reihe eine eher neutrale bis leicht positive Position auf. Beim pneumatischen Transport durch Rohrleitungen oder Schläuche aus Kunststoff oder beschichtetem Metall kommt es dadurch praktisch zwangsläufig zu einer Ladungstrennung: Das Fördergut lädt sich üblicherweise positiv, die Rohr- beziehungsweise Schlauchinnenwand entgegengesetzt auf. Da trockenes Holzmehl zusätzlich sehr feinteilig ist und eine große spezifische Oberfläche besitzt, kann die Gesamtladung bei ungünstigen Bedingungen erheblich sein.

Feine, trockene Stäube allgemein. Je feiner ein Feststoff zerteilt ist, desto größer ist seine gesamte Kontaktfläche im Verhältnis zu seiner Masse und desto ausgeprägter fällt die triboelektrische Aufladung tendenziell aus. Dies betrifft neben Holzstaub auch Mehl, Kunststoffpulver, Metallstäube und viele weitere in der Verfahrenstechnik relevante Schüttgüter.

Folien- und Bahnenware. Beim schnellen Abrollen, Aufwickeln oder Trennen von Kunststofffolien, Papier- oder Textilbahnen entstehen durch die hohe Trenngeschwindigkeit und große Kontaktfläche besonders hohe Aufladungen, ein in der Verpackungs- und Druckindustrie bekanntes Phänomen.

Gefahren durch triboelektrische Aufladung

Die durch Reibung und Trennung entstandene elektrostatische Ladung ist zunächst ein rein physikalischer Zustand, der jedoch je nach Umgebung und Ladungshöhe unterschiedliche, teils erhebliche Risiken mit sich bringen kann.

Funkenentladung und Zündgefahr

Übersteigt die aufgebaute Ladung beziehungsweise das resultierende elektrische Potenzial einen kritischen Wert, kann es zu einer schlagartigen Entladung in Form eines Funkens kommen, sobald sich ein ausreichend leitfähiger Gegenstand – etwa eine geerdete Metallfläche oder eine Person – nähert. Eine solche Funkenentladung setzt Energie frei, die unter ungünstigen Umständen ausreicht, um brennbare Gas-Luft- oder Staub-Luft-Gemische zu entzünden.

Besondere Bedeutung hat dies in staubexplosionsfähigen Atmosphären, wie sie in Absauganlagen für Holzstaub, Kunststoffstaub oder andere brennbare Feststoffe entstehen können. Innerhalb der Europäischen Union regelt die sogenannte ATEX-Richtlinie (von französisch ATmosphères EXplosibles) den Explosionsschutz in Bereichen, in denen mit dem Auftreten explosionsfähiger Gemische zu rechnen ist. Elektrostatische Entladungen zählen dabei zu den anerkannten Zündquellen, die bei der Gefährdungsbeurteilung von Anlagen mit brennbaren Stäuben zwingend berücksichtigt werden müssen. Insbesondere nicht leitfähige, ungeerdete Anlagenteile – etwa Schlauchleitungen, Filterelemente oder Behälter aus isolierenden Kunststoffen – können sich im Betrieb auf hohe Potenziale aufladen und stellen damit ein relevantes Zündrisiko dar.

Schäden an elektronischen Bauteilen

In der Elektronikfertigung und -handhabung kann bereits eine vergleichsweise geringe elektrostatische Entladung (im Fachjargon häufig als ESD, Electrostatic Discharge, bezeichnet) empfindliche Halbleiterbauelemente beschädigen oder zerstören. Die dabei auftretenden Spannungen können mehrere tausend Volt erreichen, obwohl sie für Menschen oft nicht spürbar sind. Solche Schäden sind besonders tückisch, weil sie nicht immer sofort zu einem sichtbaren Ausfall führen, sondern die Lebensdauer eines Bauteils verkürzen und erst deutlich später zu Funktionsstörungen führen können.

Anhaftung von Staub und Störung von Prozessen

Elektrostatisch aufgeladene Partikel neigen dazu, an Oberflächen anzuhaften, auch wenn diese ungeladen sind, da sie durch influenzierte Gegenladungen angezogen werden. In industriellen Prozessen kann dies zu unerwünschter Ablagerung von Staub auf Anlagenteilen, Filtern oder Produkten führen, Filtermedien schneller zusetzen und die Reinigung von Anlagen erschweren. Auch Verklumpung oder ungleichmäßiges Fließverhalten von Schüttgütern kann eine Folge starker elektrostatischer Aufladung sein.

Messgrößen zur Beurteilung der elektrostatischen Aufladbarkeit

Um die elektrostatischen Eigenschaften von Materialien und Bauteilen zu beurteilen und einzuordnen, werden in der Technik vor allem zwei Kenngrößen herangezogen:

Der Oberflächenwiderstand (auch spezifischer Oberflächenwiderstand) beschreibt den elektrischen Widerstand entlang der Oberfläche eines Materials und wird in Ohm angegeben. Er charakterisiert, wie leicht sich Ladungen entlang der Materialoberfläche verteilen beziehungsweise ausgleichen können. Materialien werden anhand dieses Werts häufig in Kategorien wie leitfähig, ableitfähig (antistatisch) und isolierend eingeteilt, wobei die genauen Grenzwerte je nach Norm und Anwendungsbereich variieren.

Der Ableitwiderstand (auch Erdableitwiderstand) beschreibt demgegenüber den elektrischen Widerstand zwischen einem Punkt auf der Oberfläche eines Materials oder Bauteils und einem definierten Erdungspunkt. Er ist besonders relevant für die Beurteilung, wie schnell und zuverlässig sich eine auf einem Bauteil oder einer Anlagenkomponente aufgebaute Ladung über eine Erdungsverbindung abbauen lässt.

Beide Größen werden in einschlägigen Normen, unter anderem aus der Reihe DIN EN 61340 zur Elektrostatik, definiert und mit standardisierten Prüfverfahren gemessen. Sie bilden die messtechnische Grundlage, auf der antistatische beziehungsweise ableitfähige Materialien und Bauteile für den sicheren Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen oder ESD-sensiblen Umgebungen spezifiziert werden.

Grundlegende Gegenmaßnahmen im Überblick

Um die Risiken triboelektrischer Aufladung zu begrenzen, werden in der Praxis verschiedene Maßnahmen kombiniert eingesetzt. Dazu zählen die konsequente Erdung leitfähiger und ableitfähiger Anlagenteile, damit sich aufgebaute Ladungen kontrolliert und ohne Funkenbildung abbauen können, der gezielte Einsatz von Materialien mit definierter Ableitfähigkeit anstelle stark isolierender Kunststoffe an kritischen Stellen, der Einsatz von Ionisationseinrichtungen, die Luft gezielt mit Ladungsträgern anreichern, um vorhandene Oberflächenladungen zu neutralisieren, sowie die Steuerung der Luftfeuchtigkeit, da eine ausreichend hohe relative Luftfeuchte die Oberflächenleitfähigkeit vieler Materialien erhöht und dadurch den Ladungsabbau begünstigt. Diese und weitere Maßnahmen werden im gesonderten Artikel „Antistatische Maßnahmen“ ausführlich behandelt.

Quellen

Schlagwörter: