الکتریسیتۀ ساکن از دوران باستان شناخته شده بود، اما درک علمی آن با کشف الکترون‌ها به دست آمد. مواد پلیمری مدرن در کفش‌ها و فرش‌ها باعث تشدید مشکلات الکتریسیتۀ ساکن شده‌اند. شوک‌های ناشی از این پدیده هنگام لمس اشیای فلزی به دلیل انباشته شدن ولتاژ (گاهی اوقات تا ده‌ها هزار ولت) رایج هستند. با وجود تلاش‌های فراوان برای کاهش تجمع الکتریسیتۀ ساکن، این شوک‌ها همچنان به طور منظم اتفاق می‌افتند و سطح ناراحتی حاصل از آن‌ها بین افراد مختلف متفاوت است. مواد مختلف، از جمله پلیمرها و الیاف طبیعی مانند پشم، در ایجاد الکتریسیتۀ ساکن نقش دارند.
۱. مبانی الکتریسیتۀ ساکن در محیط‌های دارای فرش
۱.۱. مبانی اولیه و اصطلاحات
الکتریسیتۀ ساکن از عدم تعادل بین بارهای الکتریکی مثبت و منفی درون مواد ناشی می‌شود که به‌طور معمول بر اثر مالش مستقیم دو جسم از طریق پدیده‌ای به نام «بار رسانی مالشی» به وجود می‌آید. هنگامی که مواد با هم تماس پیدا می‌کنند، ممکن است الکترون‌ها جابه‌جا شوند و در نتیجه، یک ماده دارای بار مثبت اضافی و دیگری دارای بار منفی اضافی شود.
ایجاد الکتریسیتۀ ساکن شبیه پر شدن یک حوض آب است. اگر بارهای الکتریکی به همان سرعتی که تولید می‌شوند بتوانند خارج شوند، الکتریسیتۀ ساکن در حد بسیار کمی باقی می‌ماند. با این حال، اگر تولید بار الکتریکی از سرعت خروج آن بیشتر باشد، الکتریسیتۀ ساکن انباشته می‌شود. مواد عایق، تخلیۀ بار الکتریکی را دشوار می‌کنند و به الکتریسیتۀ ساکن اجازه می‌دهند تا به سرعت انباشته شود.
توانایی مواد در هدایت بار الکتریکی متفاوت است. فلزات رساناهایی عالی هستند و عایق‌ها مانع حرکت بار می‌شوند. موادی با مقاومت الکتریکی متوسط به بار الکتریکی اجازه می‌دهند به آرامی حرکت کند. سرعت اتلاف بار سطح ولتاژ الکتریسیتۀ ساکن را تعیین می‌کند. رسانایی بالا منجر به اتلاف سریع بار می‌شود، در حالی که رسانایی پایین‌تر منجر به تخلیۀ کندتر و ولتاژ الکتریسیتۀ ساکن بالاتر می‌شود.
به‌طورخلاصه، الکتریسیتۀ ساکن زمانی انباشته می‌شود که تولید بار از اتلاف آن بیشتر باشد. تخلیۀ مؤثر بار از تجمع الکتریسیتۀ ساکن جلوگیری می‌کند.
۲.۱. نقش مواد در ایجاد بار الکتریکی
تولید الکتریسیتۀ ساکن تحت تأثیر انواع موادی است که با هم در تماس هستند. راهنمای خوبی برای این موضوع در نمودار بالا ارائه شده است. در این نمودار مواد بر اساس تمایل تجربی‌شان به تولید بار الکتریکی در اثر مالش با هم، رتبه‌بندی شده‌اند. اگر ماده‌ای در قسمت بالایی این نمودار (مثلاً پشم یا نایلون) به ماده‌ای پایین‌تر (مثلاً لاستیک) مالیده شود، معمولاً مادۀ بالاتر در جدول، بار مثبت و مادۀ پایین‌تر (لاستیک) بار منفی به خود می‌گیرد. انتظار می‌رود هر چه مواد در جدول از هم دورتر باشند، اثر تولید بار الکتریکی قوی‌تر باشد. بنابراین، پلی‌اورتان (ماده‌ای رایج در ساخت زیرۀ کفش) در تماس با پشم یا نایلون که به‌عنوان کفپوش استفاده می‌شود، احتمالاً باعث ایجاد بار الکتریسیتۀ ساکن زیادی می‌شود.
۳.۱. تأثیر رطوبت هوا
وقوع شوک‌های الکتریسیتۀ ساکن با تغییرات فصلی و سطح رطوبت متفاوت است. سیستم‌های گرمایشی در ماه‌های سردتر هوا را خشک می‌کنند و باعث افزایش تجمع الکتریسیتۀ ساکن می‌شوند. برعکس، هوای بارانی الکتریسیتۀ ساکن را کاهش می‌دهد.
میزان رطوبت هوا، که با رطوبت نسبی (RH) سنجیده می‌شود، به‌طورقابل‌توجهی بر تجمع الکتریسیتۀ ساکن تأثیر می‌گذارد. سطوح پایین رطوبت، زیر ۳۰%، باعث تقویت اثرات الکترواستاتیک می‌شود. افزایش ۱۰ درجه‌ای دما می‌تواند رطوبت نسبی را به نصف کاهش دهد. به‌عنوان‌مثال، هوایی با دمای ۵ درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی ۵۰% که به داخل خانه هدایت می‌شود و تا دمای ۱۵ درجۀ سانتی‌گراد گرم می‌شود، ممکن است به زیر ۲۵% کاهش یابد.
خواص الکتریکی مواد، به ویژه رسانایی، تحت تأثیر رطوبت قرار می‌گیرند. مواد طبیعی مانند پنبه و پشم رطوبت را جذب می‌کنند، در حالی که پلاستیک‌ها ممکن است آن را روی سطح خود جذب کنند. کاهش رطوبت نسبی، مقاومت مواد را افزایش می‌دهد و با جلوگیری از تخلیۀ بار، باعث ایجاد الکتریسیتۀ ساکن می‌شود.
۴.۱. آستانۀ ریسک تخلیۀ الکترواستاتیکی (ESD)
اثرات ناخواستۀ الکتریسیتۀ ساکن مانند شوک‌ها و آسیب به قطعات الکترونیکی ناشی از ESD، در صورتی که در سطوح خاصی باقی بمانند، قابل کنترل هستند. برای پرسنل، شوک‌ها زمانی احساس می‌شوند که ولتاژ بدن از حدود ۲ کیلوولت تجاوز کند. تجهیزات الکترونیکی اروپایی برای اطمینان از عملکرد در حین سرویس، باید آزمون‌های ایمنی ESD را در سطوح مشخص شده پشت سر بگذارند.
آستانۀ خطر اشتعال برای مواد قابل اشتعال با انرژی جرقه تعیین می‌شود که اغلب به آستانۀ ولتاژ بدن تبدیل می‌شود. به طور معمول، حداکثر ولتاژ حدود ۱۰۰ ولت در بدن انسان برای کنترل این خطر پذیرفته شده است.
۵.۱. تجمع الکتریسیتۀ ساکن بر روی افراد در حال راه رفتن
تجمع الکتریسیتۀ ساکن در افراد در طول فعالیت‌های روزانه مانند راه رفتن یا بلند شدن از روی صندلی می‌تواند منجر به شوک‌های ناخوشایندی شود. عوامل مؤثر بر تجمع بار شامل مقاومت مواد کفپوش، مواد کفش، رطوبت هوا، نحوۀ راه رفتن و تعامل با مبلمان می‌شود.
تماس و جدایی مکرر بین پاها و کف، الکتریسیتۀ ساکن ایجاد می‌کند که در صورت وجود مواد عایق نمی‌توانند تخلیه شوند. مقاومت سطح کف نیز بر کنترل بار تأثیر می گذارد، زیرا مقاومت پایین‌تر تسهیل‌کنندۀ خنثی‌سازی بار است. حفظ مقاومت کم در کف کفش/جوراب و سطوح کف به محدود کردن ولتاژ بدن کمک می‌کند و خطر شوک و آسیب ESD را کاهش می‌دهد.
۶.۱. اندازه‌گیری‌های انجام شده روی مواد کفپوش
مقاومت زمین (Rg) کف یکی از متداول‌ترین اندازه‌گیری‌ها روی کف‌پوش‌ها است. این مقدار، سهولت تخلیۀ بار به زمین را نشان می‌دهد. اندازه‌گیری مقاومت نقطه‌به‌نقطه بین دو الکترود قرار داده شده روی سطح کفپوش نصب شده انجام می‌شود. این مقاومت، سهولت حرکت بار الکتریسیتۀ ساکن در سراسر سطح کفپوش را اندازه‌گیری می‌کند. مقادیر مقاومت زمین و مقاومت نقطه‌به‌نقطۀ بالاتر از 1010 اهم می‌تواند باعث ایجاد تجمع بار الکتریسیتۀ ساکن روی افراد، وسایل نقلیه، چرخ‌دستی‌ها یا سایر وسایلی شود که در تماس با سطح حرکت می‌کنند.
۲. روش‌های کاهش الکتریسیته ساکن در مواد فرش
کنترل ولتاژ الکتریسیتۀ ساکن روی بدن از طریق دو روش اصلی قابل دستیابی است. اول، تولید بار الکتریکی را می‌توان با انتخاب مواد مناسب یا اعمال پوشش‌های سطحی مدیریت کرد. دوم، تجمع ولتاژ را می‌توان با استفاده از مواد با مقاومت کمتر کنترل کرد.
۱.۲. انتخاب مواد
انتخاب مواد کف‌پوش‌ها بر اساس نموداری که پیش‌تر ارائه شد بر تولید بار تأثیر می گذارد، اما موادی که با فرش در تماس قرار می‌گیرند از نظر خواص و موقعیت الکترواستاتیک متفاوت هستند و نمی‌توان آن‌ها را کنترل کرد. کفش، به طور معمول عایق است مگر اینکه برای کنترل الکتریسیتۀ ساکن طراحی شده باشد، که پیش‌بینی عملکرد الکتریسیتۀ ساکن را پیچیده می‌کند. با این حال، مواد میانی این نمودار ممکن است بار کمتری ایجاد کنند. دو فناوری اصلی برای کنترل الکتریسیتۀ ساکن استفاده می‌شوند؛ الیاف رسانا و پوشش‌های موضعی.
۲.۲. الیاف رسانا
الیاف رسانا، که اغلب مبتنی بر کربن هستند، یک راه‌حل بلندمدت برای کنترل تجمع الکتریسیتۀ ساکن ارائه می‌دهند. الیاف با روکش استل ضد زنگ یا نقره نیز برای این منظور استفاده می‌شوند که مزایای ضد میکروبی هم ارائه می‌دهند. گنجاندن الیاف رسانا در اجزای فرش، الکتریسیتۀ ساکن را از طریق هدایت، کاهش مقاومت و تخلیه کاهش می‌دهد.
۳.۲. پوشش‌های موضعی
پوشش‌های موضعی حاوی سورفکتانت‌های یونی یا کاتیونی یا ترکیبات کواترنری آمونیوم در حین ساخت یا بعد از نصب برای کنترل اثرات مزاحم الکتریسیتۀ ساکن اعمال می‌شوند. در حالی که این پوشش‌ها برای کاربردهای عمومی مؤثر هستند، اما محیط‌های حیاتی مانند اتاق‌های پر از کامپیوتر و مراکز داده برای کنترل کامل الکتریسیتۀ ساکن به الیاف رسانا نیاز دارند.
۳. استانداردها
چندین سازمان بین‌المللی، ملی یا صنعتی استانداردهایی را در این زمینه ارائه می‌دهند. برخی از مهم‌ترین استانداردهای بین‌المللی توسط کمیته‌های فنی کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC)، سازمان بین‌المللی استانداردسازی (ISO) و کمیتۀ استانداردسازی اروپا (CEN) توسعه یافته‌اند. IEC و ISO که توسط سازمان تجارت جهانی (WTO) تأیید شده‌اند، حوزه‌های الکتروتکنولوژی، سازگاری الکترومغناطیسی، ایمنی و تقریباً تمامی زمینه‌های فنی دیگر را پوشش می‌دهند. CEN استانداردهایی را برای استفاده در اروپا تدوین می‌کند که اغلب از دستورالعمل‌های اروپا پیروی می‌کنند.
۴. روندهای آینده
با توجه به ادامۀ استفاده از مواد پلیمری در فرش، کفپوش و مبلمان، الکتریسیتۀ ساکن همچنان به‌عنوان منبع ناراحتی و خطر برای افراد و تجهیزات باقی خواهد ماند. کنترل الکتریسیتۀ ساکن در فرایندهایی که در آن آسیب به قطعات یا اشتعال مواد قابل اشتعال نگران کننده است، همچنان حیاتی خواهد بود. گنجاندن فناوری‌های کاهش الکتریسیتۀ ساکن در طراحی و مشخصات مواد آینده برای کاهش تجمع الکتریسیتۀ ساکن اهمیت دارد. در حالی که تکنیک‌های موجود در اختیار تولیدکنندگان فرش قرار دارد، نوآوری بیشتر در مواد و روش‌های پرداخت برای کاهش مقاومت مواد و هزینه‌های تولید بار الکتریسیتۀ ساکن ضروری است.
۵. فرش‌های پلی‌پروپیلن
پشم و الیاف مصنوعی مانند نایلون، اکریلیک و پلی‌استر به دلیل اصطکاک و استفاده، الکتریسیتۀ ساکن تولید می‌کنند. در نتیجه، این الیاف ذرات گردوغبار را بیشتر جذب می‌کنند و حتی جرقه ایجاد کرده و باعث ایجاد شوک‌های کم ولی ناخوشایند برای مصرف‌کننده می‌شوند.
در مقایسه با الیاف طبیعی، باید بگوییم که الیاف پلی‌پروپلین یک مزیت دیگر نیز دارند. فرش‌های بافته‌شده از الیاف طبیعی تمایل به هدایت الکتریسیتۀ ساکن دارند. اما در پلی‌پروپیلن، احتمال ایجاد الکتریسیتۀ ساکن وجود دارد، اما بسیار کمتر است.
یکی دیگر از مزایای قابل ذکر این است که فرش‌های پلی‌پروپیلنی تراکم رنگ خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کنند. رنگ خود را از دست نمی‌دهند و در بین تمام همتایان مصنوعی پیشرو هستند!
فرش‌های پلی‌پروپیلن سهند بادوام هستند و به‌طور ویژه برای مقابله با ریخت و پاش، لکه، خراش، آب و کثیفی ساخته شده‌اند. به همین دلیل است که مردم فرش‌های پلی‌پروپیلن را هم برای فضاهای باز و هم برای فضاهای داخلی انتخاب می‌کنند. تمیز کردن این فرش‌ها آسان است و اگر از خدمات یک قالی‌شویی حرفه‌ای استفاده کنید، فرش‌تان مثل روز اولش نو دیده خواهد شد!
منابع:
[1] Smallwood, J. (2017). Reducing static electricity in carpets’, in Goswami, K. K. (ed.) Advances in Carpet Manufacture. UK: Woodhead Publishing, pp.135-161.
[2] J. Cross, Electrostatics: Principles, Problems and Applications, Adam Hilger, IoP Publishing, Bristol, ISBN: 0-85274-589-3, 1987.
[3] J.M. Smallwood, Static electricity in the modern human environment, in: D. Clements Croome (Ed.), Electromagnetic Environments and Health in Buildings, Taylor & Francis, ISBN: 0-415-31656-1, 2004. Ch. 19.
[4] N. Wilson, The static behaviour of carpets, Textile Inst. Industry 10 (8) (1972) 235.
[5] J.M. Smallwood, D.E. Swenson, Evaluation of performance of footwear and flooring systems in combination with personnel using voltage probability analysis, J. Phys. Conf. Ser. 301 (2011) 012064.
