Una proprietà, non una famiglia di materiali
Antistatico descrive un materiale, o un trattamento applicato a un materiale, che limita l’accumulo di cariche elettrostatiche. Ci arriva per due strade che spesso convivono: generandone meno nel contatto e nella separazione, oppure lasciandole defluire man mano che si formano. La parola dice quindi che cosa succede alle cariche, non di che cosa è fatto l’oggetto.
La prima confusione da togliere di mezzo riguarda il rapporto con la conduzione. Antistatico non è sinonimo di conduttivo, e la differenza non è di grado. Un conduttore collegato a terra svuota la carica in un tempo brevissimo, e proprio quella rapidità produce una scarica energetica; un materiale dissipativo la lascia andare adagio, tenendo bassa sia la quantità accumulata sia la corrente di picco quando si scarica; un isolante la trattiene e non si può nemmeno mettere a terra. Nei programmi di controllo elettrostatico le superfici che le persone toccano sono dissipative apposta.
Da dove viene la carica: l’effetto triboelettrico
Quando due materiali vengono a contatto e poi separati, una parte degli elettroni resta dalla parte sbagliata e i due corpi si ritrovano carichi di segno opposto. Le serie triboelettriche ordinano i materiali secondo la tendenza a cedere o a prendere elettroni: quello più in alto nella serie assume segno positivo, e più i due sono distanti nell’ordine più carica si genera. Chi pubblica quelle serie avverte che valgono come guida generale, perché area di contatto, pressione, velocità di separazione e stato della superficie cambiano il risultato e la prova non è ripetibile in senso stretto.
Le tensioni in gioco sono più alte di quanto suggerisca l’esperienza quotidiana, perché il corpo umano se ne accorge solo oltre qualche migliaio di volt. Le tabelle di riferimento dell’associazione che si occupa di scariche elettrostatiche riportano, per aria secca al 10-25% di umidità relativa, 35.000 V camminando su un tappeto, 12.000 V su un pavimento in vinile, 20.000 V nel sollevare un sacchetto di plastica dal banco e 6.000 V per un operatore seduto che lavora.
Le fasce di resistenza che separano conduttivo, dissipativo e isolante
La grandezza con cui si classifica un materiale è la resistenza misurata fra due elettrodi appoggiati alla superficie, in ohm; da quella si ricava la resistività superficiale moltiplicando per un fattore geometrico che dipende dagli elettrodi, e che nel metodo europeo per gli indumenti vale 19,8.
La classificazione più usata mette tre fasce: conduttivo sotto 1,0 per 10 alla quarta ohm, dissipativo da lì fino a 1,0 per 10 all’undicesima, isolante da 1,0 per 10 all’undicesima in su. I confini però non sono una costante fisica e le fonti non coincidono: la stessa associazione, in documenti diversi, colloca la soglia del conduttivo a 10 alla terza invece che a 10 alla quarta, e documenti più vecchi tenevano una fascia separata chiamata proprio antistatica, fra 10 alla nona e 10 alla quattordicesima. Un numero senza il metodo e la norma che lo hanno prodotto non è confrontabile con un altro.
Le norme sui luoghi di lavoro fissano invece soglie operative: il riferimento internazionale per le aree protette dalle scariche chiede che un piano di lavoro abbia verso terra meno di 1,0 per 10 alla nona ohm, e che una persona con il suo bracciale ne abbia meno di 3,5 per 10 alla settima.
Perché l’umidità cambia il risultato di una prova antistatica
Il meccanismo di gran parte degli additivi si regge sull’acqua. Le loro molecole hanno una coda idrofoba che si ancora al materiale e una testa idrofila rivolta all’aria, che richiama umidità e forma sulla superficie una pellicola sottilissima: è quella pellicola a condurre, non l’additivo in sé. Sotto una certa umidità relativa la pellicola non si forma e la proprietà semplicemente scompare.
Da qui la scelta di provare all’asciutto. Il metodo europeo per la resistenza superficiale degli indumenti di protezione, nell’edizione del 2006, condiziona i provini per almeno 24 ore e li misura a 23 gradi con 25% di umidità relativa, con tolleranze di un grado e di cinque punti: un’aria volutamente secca, perché una prova fatta in ambiente umido darebbe buoni voti a quasi tutto. La stessa tabella delle tensioni citata sopra, letta al 65-90% di umidità, scende a 1.500 V sul tappeto e a 100 V per l’operatore al banco: circa un ventesimo, a parità di gesto.
Additivi antistatici, cariche conduttive e fibre
Le vie per rendere antistatica una plastica o un tessuto sono tre e hanno durate diverse. L’additivo interno viene miscelato nella massa e migra col tempo verso la superficie, dove viene consumato e rimpiazzato da quello che sta sotto. L’additivo esterno si applica sopra, per spruzzo o per immersione, e se ne va con il primo lavaggio o con una passata di panno. Le famiglie chimiche ricorrenti sono ammine alifatiche a catena lunga, sali di ammonio quaternario, esteri fosforici ed esteri del glicole polietilenico.
La terza via non passa dall’umidità: si carica la matrice con nerofumo, fibre di carbonio, particelle metalliche o polimeri intrinsecamente conduttivi, oppure si tessono nel filato fibre conduttive. Il comportamento diventa stabile al variare del clima, ma cambiano colore, aspetto e proprietà meccaniche del materiale, e il costo sale.
Che cosa certifica una norma su un indumento
Per gli indumenti che dissipano le cariche la norma prestazionale europea è la EN 1149-5, edizione 2018, e i requisiti si soddisfano per due strade alternative. La prima è la resistenza superficiale misurata secondo la parte 1 della stessa serie, che deve stare a 2,5 per 10 alla nona ohm o al di sotto su almeno una delle due facce. La seconda è il decadimento della carica misurato secondo la parte 3, con un tempo di dimezzamento sotto i 4 secondi o un fattore di schermatura superiore a 0,2.
Resta la clausola che conta più dei numeri: l’indumento vale come parte di un sistema di messa a terra, non da solo. Un capo dissipativo indossato da una persona isolata da terra sposta il problema, non lo chiude, perché la carica che il tessuto raccoglie non ha dove andare.
