Elektrostatische Aufladung

Als elektrostatische Aufladung bezeichnet man die Anreicherung elektrischer Ladung auf der Oberfläche eines Körpers, ohne dass ein kontinuierlicher Strom fließt. Eine typische Ursache ist der Kontakt und das anschließende Trennen zweier Materialien (Kontakt- oder Reibungselektrifizierung). Dabei werden Elektronen von einem Werkstoff auf den anderen übertragen: Der Elektronen-Donor wird positiv, der Elektronen-Akzeptor negativ geladen.

Die Ladungsmenge eines Körpers lässt sich mit der elektrischen Ladung Q beschreiben:

Q = n · e

• Q: Ladung [Coulomb]
• n: Anzahl der überschüssigen bzw. fehlenden Elektronen
• e: Elementarladung (1,602 · 10⁻¹⁹ C)

Das zugehörige elektrische Feld E hängt von der Ladung und vom Abstand ab. Für eine punktförmige Ladung gilt im Vakuum näherungsweise:

E = (1 / (4 · π · ε_0)) · (Q / r^2)

• E: elektrische Feldstärke [V/m]
• ε₀: elektrische Feldkonstante

• r: Abstand von der Ladung Abstand von der Ladung

   

Im industriellen Umgang mit Schüttgütern ist die elektrostatische Aufladung ein zentrales Thema. Beim Fördern, Dosieren, Mischen und besonders beim Abfüllen und Verpacken von Pulvern und Granulaten entstehen intensive Kontakt- und Trennvorgänge zwischen Produktpartikeln und Anlagenteilen (Rohrleitungen, Fördereinrichtungen, Mischer, Einfüllstutzen, Folienschläuche). Je schlechter die Ableitfähigkeit der beteiligten Werkstoffe und je trockener die Atmosphäre ist, desto stärker kann sich der Schüttgutstrom aufladen.

Die Gefahr ergibt sich weniger aus der Ladung selbst als aus der plötzlichen Entladung (elektrostatische Entladung, ESD). Wird eine ausreichend hohe Feldstärke überschritten, kann es zu Funkenüberschlägen kommen. Diese Funken können

• zündfähige Staub-Luft-Gemische oder Lösemitteldämpfe entzünden und so eine Explosionsgefahr verursachen.
• empfindliche Sensorik oder elektronische Komponenten beschädigen und
• Außerdem können Anhaftungen, Brückenbildung oder Blockaden in Förderwegen, Sieben und Einfüllstutzen entstehen.

Beim Verpacken von Schüttgütern treten mehrere Effekte zusammen auf: Das Produkt reibt an der Verpackungsfolie, die Folie reibt an Formschultern, Abzugsriemen und Umlenkrollen und das Paket wird gleichzeitig oft mit hohen Taktzahlen bewegt. Dies fördert hohe Ladungspegel. Typische Erscheinungen sind:

• Anhaftung von Pulverpartikeln an Folie und Sichtfenstern,
• „Fliegen” leichter Partikel beim Öffnen,
• Schwierigkeiten beim exakten Dosieren, weil das Produkt an Wänden, Schweißnähten oder Sensoren hängenbleibt.
• Außerdem kann es zu einer unerwünschten Anziehung oder Abstoßung von Beuteln oder Trays kommen.

Zur technischen Beeinflussung elektrostatischer Aufladung stehen mehrere Stellgrößen zur Verfügung.

• Werkstoffwahl: - Einsatz von leitfähigen oder ableitfähigen Materialien für produktberührte Teile,
• geeignete Erden 
• Potentialausgleich.
• Klimakonditionierung: Eine Erhöhung der Luftfeuchte im Prozessraum reduziert typischerweise die maximal mögliche Aufladung.
• Prozessführung: Begrenzung von Fallhöhen, Geschwindigkeiten und Aufprallenergien sowie Gestaltung von Umlenkungen, Einläufen und Ausläufen.
• Aktive Entladung: Ionisationsstäbe, Gebläseionisatoren oder Ableitsysteme werden im Bereich von Abfüll- und Verpackungsmaschinen eingesetzt, besonders im Einzugsbereich der Folie.