ГОСТ 20214-74: электропроводящие пластмассы и сопротивление

Удельное объёмное сопротивление по ГОСТ 20214 нужно, когда пластмасса должна проводить ток или отводить заряд: проводящие ролики, корпуса, прокладки экранов, детали в зонах, где статический разряд недопустим.

Стандарт 1974 года работает с проводящими пластмассами ниже 10⁶ Ом·см

ГОСТ 20214-74 «Пластмассы электропроводящие. Метод определения удельного объёмного электрического сопротивления при постоянном напряжении» введён с 1 января 1976 года, переиздан в 1991 году с изменением № 1 и по карточке стандарта действует. В него введён ISO 3915:1981. Ячеистые пластмассы стандарт не охватывает.

Граница 10⁶ Ом·см отделяет этот метод от методов для изоляционных материалов, где сопротивления на много порядков выше и измеряют их иначе. Проводящими пластмассы делают наполнители: технический углерод, графит, углеродное волокно, металлические порошки. Испытание проводят при 15–35 °C и влажности 45–75 %.

Четыре электрода убирают сопротивление контактов

Четырёхэлектродная схема ГОСТ 20214-74 убирает из результата сопротивление контактов: в ней работают источник постоянного напряжения, амперметр, образец и электрометр. Токовые электроды зажимают концы образца, ток идёт по всей длине. Электроды напряжения лежат внутри, на заданном расстоянии друг от друга, и электрометр меряет падение напряжения только между ними. Через электрометр с входным сопротивлением не меньше 10¹⁰ Ом ток почти не течёт, поэтому переходное сопротивление на электродах напряжения не искажает показания.

К приборам стандарт предъявляет конкретные требования: нестабильность и пульсации источника не больше 1 %, изоляция источника от земли не меньше 10¹² Ом, погрешность электрометра не больше 5 %, амперметр класса не ниже 0,5 с погрешностью ±2 %. Сопротивление электродов и проводов должно быть ниже сопротивления образца в 100 раз и больше. Изоляция электродного устройства делается из материала с ρv не меньше 10¹³ Ом·см, например из фторопласта или полистирола.

Четыре типа образцов закрывают литьё, лист, плёнку и пасты

Образцов типа 1, 3 и 4 берут не меньше трёх, типа 2 не меньше шести: три вырезают вдоль вытяжки листа и три поперёк. Эта деталь важна для листов с волокном или вытянутым наполнителем, у которых сопротивление в двух направлениях может заметно различаться. Плёнки и пасты наносят на подложку из диэлектрика с очень высоким удельным сопротивлением, чтобы подложка не шунтировала образец.

Электроды выбирают из пяти вариантов таблицы 2

Токовые электроды делают из нержавеющей стали, меди, латуни, серебра или золота и зажимают ими концы образца винтовым прессом, для листового образца типа 2 давлением 9,8 кПа. Электроды напряжения прижимают к образцу их весом около 100 г, если документ на материал не задаёт давление. Есть вариант с алюминиевой или оловянной фольгой 0,006–0,020 мм, прижатой через резину, вариант с горячей запрессовкой металла и вариант с напылённым серебром, проводящим клеем или пастой.

Выбор электрода задаёт документ на конкретную пластмассу. Для жёсткого образца с шероховатой поверхностью нажимной металлический электрод даёт плохой контакт, и напылённый слой надёжнее. Для мягкой плёнки сильный нажим может её продавить. Когда два протокола расходятся, первым делом сравнивают тип электродов.

Подготовка: 48 часов выдержки и замер в пяти точках

Наполненный углеродом пластик чувствителен к влаге меньше полиамида, но стандарт всё равно требует выдержать образцы не меньше 48 часов при 15–35 °C и влажности 45–75 %, если документ на материал молчит. Сечение образца входит в формулу ρv дважды, через h и b, поэтому толщину меряют в пяти местах с погрешностью ±0,01 мм, ширину ±0,05 мм, а плёнку тоньше 0,1 мм с точностью ±0,001 мм. Ошибка толщины 0,1 мм на образце 3 мм уже сдвигает ρv на 3 %. Атмосферу, принятую для испытаний пластмасс, описывает ГОСТ 12423.

Гибкие образцы хранят и переносят на жёсткой диэлектрической подложке, чтобы не изгибать. Изгиб нарушает контакты между частицами наполнителя, и сопротивление после него бывает выше исходного.

Напряжение берут из ряда, а мощность ограничивают 0,1 Вт

Испытательное напряжение выбирают из ряда 100, 50, 10, 5, 1, 0,5 и 0,1 В так, чтобы показания электрометра были устойчивыми. Ток подбирают так, чтобы образец рассеивал не больше 0,1 Вт: проводящая пластмасса нагревается током, а с нагревом её сопротивление меняется. На образцах типов 1 и 3 замер делают три раза, сдвигая электроды напряжения вдоль образца, на образцах типов 2 и 4 один раз.

Удельное сопротивление считают по участку между электродами

Сначала считают сопротивление участка R = U / I, где U падение напряжения по электрометру, I ток через образец. По всем замерам на образце берут среднее Rср. Затем ρv = Rср · h · b / l, где h толщина, b ширина образца в сантиметрах, l расстояние между электродами напряжения в сантиметрах. Результат испытания, среднее по всем образцам, выражают в Ом·см.

Пример: образец типа 1 толщиной 3,0 мм и шириной 10,0 мм, электроды напряжения через 20 мм. При токе 2,0 мА электрометр показал 0,85 В, R = 0,85 / 0,002 = 425 Ом. ρv = 425 · 0,30 · 1,0 / 2,0 = 63,8 Ом·см, или 0,64 Ом·м. Если источник даёт 10 В, мощность на всей цепи не больше 10 · 0,002 = 0,02 Вт, условие стандарта выполнено с запасом.

Как определяют удельное объёмное сопротивление электропроводящей пластмассы?

Удельное объёмное сопротивление электропроводящей пластмассы по ГОСТ 20214-74 определяют четырёхэлектродным методом на постоянном токе: через концы бруска или полосы пропускают ток, электрометром меряют падение напряжения между двумя внутренними электродами и считают ρv = R · h · b / l. Метод применяют при ρv ниже 10⁶ Ом·см, испытание ведут при 15–35 °C и влажности 45–75 % после выдержки не меньше 48 часов.

Сопротивление образца не переносят на деталь без проверки

Протокол описывает образец, сделанный способом из документа на материал. У литой детали из наполненного пластика на поверхности бывает слой с меньшим содержанием наполнителя, у точёной детали его нет, и сопротивление между двумя точками детали получается другим. Для листа важно направление вытяжки, для экструдированного прутка ориентация волокна. Поэтому при заказе проводящей детали записывают не только марку, но и способ контроля на готовой детали: между какими точками, каким прибором, при каком напряжении.

Классы антистатических и проводящих материалов задают другие стандарты, в единицах Ом·м, и для резин граница рассеивающего класса лежит на 10⁹ Ом·м, как у антистатической резины. Протокол по ГОСТ 20214 даёт исходную цифру материала, а соответствие классу и требованиям к оборудованию во взрывоопасной зоне оценивают по стандартам на это оборудование и только после отдельной технической оценки.

Электропроводность детали без замера мы не обещаем

Проводящий ролик, направляющая или корпус из инженерных пластиков получает в нашем КП строку с сопротивлением в том виде, в каком его даёт паспорт полуфабриката: величина, единицы, стандарт метода. Если паспорт называет поверхностное сопротивление в Ом, а в чертеже стоит объёмное в Ом·см, мы так и пишем: величины разные, объёмное для этой марки не подтверждено.

При мехобработке проводящих марок снимается поверхностный слой, и это учитываем в КП: контрольный замер на первой детали партии оговаривается до запуска. Без такого замера электрические свойства готовой детали остаются предположением.

Данные для расчёта проводящей детали

Для подбора материала проводящей детали нужны три вещи сверх чертежа. Первая: какое сопротивление задано и где, объёмное, поверхностное или сопротивление детали до заземлённого металла, с единицами и номером документа. Вторая: напряжение и ток в узле, если деталь работает как токопровод, а не только отводит заряд. Третья: протокол на прежнюю деталь, если он есть, с типом образца и электродов.