Punti chiave di questo articolo
- La carica elettrostatica è una causa rilevante, ma spesso sottovalutata, di inceppamenti, adesioni e arresti inspiegabili nei processi roll-to-roll (R2R).
- La carica si accumula quando materiali secchi entrano in contatto con i rulli, soprattutto ad alte velocità di produzione.
- Un basso contenuto di umidità riduce la conduttività, favorendo l’accumulo di carica e causando instabilità della banda, attrazione di polvere e persino rischi per la sicurezza, come la formazione di scintille.
- Il ripristino dell’umidità è la soluzione più efficace: la re-umidificazione migliora la conduttività e consente la dissipazione della carica elettrostatica.
- L’applicazione di un additivo fluido antistatico rafforza e prolunga la conduttività superficiale.
- Contiweb offre test su linea dimostrativa per valutare come l’applicazione di fluidi migliori il comportamento di specifici substrati in condizioni reali di produzione.
Quando le macchine si fermano senza una causa apparente
Negli ambienti di produzione roll-to-roll (R2R) ad alta velocità, piccole forze invisibili possono avere effetti sorprendentemente rilevanti. Materiali che dovrebbero scorrere in modo uniforme lungo la linea iniziano a comportarsi in modo anomalo: i fogli tendono ad aderire tra loro, le bande si arricciano improvvisamente oppure i prodotti finiti mostrano problemi di movimentazione imprevedibili. Questi sintomi spesso si manifestano in modo apparentemente casuale e tendono a ripresentarsi spontaneamente, anche dopo interventi correttivi temporanei, rendendo complessa l’individuazione della causa. In molti casi, tuttavia, l’origine del problema non è di natura meccanica, né è legata alla qualità del materiale o alle impostazioni dell’operatore. Si tratta di un fattore meno visibile, ma altrettanto determinante.
Poche criticità di produzione risultano tanto frustranti quanto arresti improvvisi e inspiegabili della linea. Quando fogli o bande si incollano tra loro, si arricciano o non si separano correttamente, anche i sistemi più automatizzati possono subire rallentamenti significativi. In processi come il converting, l’impressione a rilievo, il rivestimento o la laminazione, questo comportamento porta spesso a inceppamenti del materiale, errori di alimentazione, disallineamenti o persino danni a componenti sensibili dell’impianto. Gli operatori possono tentare interventi immediati, come la pulizia dei rulli, la regolazione della tensione o la sostituzione dei lotti di substrato. Tuttavia, la causa reale passa frequentemente inosservata: la carica elettrostatica.
Comprendere la carica elettrostatica
Sebbene la maggior parte dei team di produzione riconosca l’importanza della re-umidificazione (come illustrato nel nostro precedente blog), i meccanismi che portano all’accumulo di carica elettrostatica non sono sempre pienamente compresi. Eppure, la carica elettrostatica influisce in modo silenzioso su quasi tutti i processi di movimentazione dei materiali secchi e rappresenta quindi un problema costoso in numerosi ambiti della produzione industriale.
La carica elettrostatica è definita come uno squilibrio di cariche elettriche sulla superficie di un materiale o di un oggetto. Si genera ogni volta che due superfici a bassa conduttività elettrica entrano in contatto e successivamente si separano: durante questo processo avviene un trasferimento di elettroni, che lascia una superficie caricata positivamente e l’altra negativamente. Nei materiali igroscopici come carta, cartone, nonwoven, tessuti di cotone o film plastici, questo squilibrio di carica si accumula sulla superficie. Di conseguenza, entrambe le superfici risultano elettricamente cariche, dando origine a un accumulo di elettricità statica su ciascun materiale. Più il materiale è secco, più marcato diventa l’effetto. Il termine “statica” (non mobile) indica proprio il fatto che la carica rimane intrappolata sulla superficie fino a quando non può essere condotta e dissipata. Questo processo dipende dall’area superficiale e dalle condizioni ambientali, ma anche dalle proprietà del materiale, come illustrato nella Figura 1. I materiali collocati più verso sinistra tendono a cedere elettroni e sviluppano quindi una carica elettrostatica positiva, mentre quelli situati più verso destra tendono ad attrarre elettroni e diventano pertanto caricati negativamente.
Figura 1: Panoramica dei diversi materiali. I materiali situati sul lato sinistro tendono a caricarsi più facilmente e in modo positivo quando entrano in contatto con un altro materiale. Procedendo verso destra, i materiali diventano progressivamente più neutri e, ulteriormente verso destra, tendono a caricarsi facilmente in modo negativo.
Le interazioni meccaniche ripetute costituiscono la forza trainante di questo effetto invisibile. In un ambiente di produzione ad alta velocità, ogni rullo, così come ogni operazione di taglio, svolgimento o avvolgimento, diventa un generatore di carica, aumentando il potenziale elettrico a ogni rotazione o punto di contatto. Quanto più elevata è la velocità del processo, tanto più rapidamente la carica si accumula sul prodotto. La Figura 2 mostra una banda di materiale che entra nel processo dal lato sinistro e viene a contatto con il primo rullo. Nel momento di contatto tra la banda e il rullo si verifica un trasferimento di elettroni tra le superfici. In funzione della conduttività del materiale, della sua energia superficiale e del contenuto di umidità, la banda cede elettroni al rullo. Questo squilibrio genera una carica superficiale: l’elettricità statica. Man mano che la banda prosegue su rulli successivi, la carica continua ad accumularsi, aumentando sia l’instabilità del processo sia il rischio di scariche.
Figura 2: Spiegazione schematica dell’accumulo di carica elettrostatica dovuto alla frizione in un processo R2R.
In condizioni normali, le molecole d’acqua presenti nel substrato agiscono come minuscoli conduttori, consentendo il movimento degli ioni e la neutralizzazione delle differenze di carica. Quando il contenuto di umidità diminuisce e/o aumentano le sollecitazioni meccaniche, la conduttività superficiale si riduce drasticamente e la carica non trova una via di dissipazione. Ne derivano fenomeni come adesioni, inceppamenti, attrazione di polvere e altre interruzioni di processo “misteriose” ben note a operatori, ingegneri e responsabili di produzione.
Dal punto di vista della scienza dei materiali, questo fenomeno è direttamente collegato all’energia superficiale. Una superficie secca presenta un potenziale elettrico più elevato, il che facilita l’attrazione di cariche opposte o di materiali polari. Questo spiega perché la carta secca tende ad aderire ai rulli, perché le bande di nonwoven possono improvvisamente incollarsi tra loro o perché una banda di film può addirittura sollevarsi da un rullo guida e avvolgersi attorno a sorgenti di carica statica. In casi estremi, la carica elettrostatica può superare diverse decine di kilovolt, generando non solo instabilità di processo ma anche rischi per la sicurezza. La scintilla prodotta da una scarica elettrostatica può persino innescare esplosioni, un rischio ben noto in processi come la stampa flessografica o le operazioni di rivestimento.
Assumere il controllo e governare il processo
La domanda più evidente è: come si può prevenire la carica elettrostatica? In linea di principio, la contromisura più efficace è semplice: ripristinare la conduttività superficiale aumentando il contenuto di umidità del materiale. In breve e con chiarezza: aggiungere acqua. La re-umidificazione controllata consente agli ioni di muoversi nuovamente liberamente, permettendo la dissipazione della carica sulla superficie. Quando l’umidità viene reintrodotta in modo uniforme, il potenziale elettrico si riequilibra naturalmente e la carica elettrostatica scompare. Tuttavia, per materiali particolarmente poco conduttivi o a rapida essiccazione — come nonwoven sintetici, carte patinate, film o laminati multistrato — l’acqua da sola potrebbe non essere sufficiente. In questi casi, Contiweb mette a disposizione un applicatore di fluidi per l’applicazione di un additivo fluido antistatico, che migliora e prolunga la conduttività superficiale. Applicato con o senza il film d’acqua della re-umidificazione, questo additivo crea uno strato conduttivo temporaneo ma stabile, impedendo l’accumulo di carica elettrostatica anche in condizioni di elevata velocità di produzione o di bassa umidità ambientale.
Una volta neutralizzata la carica elettrostatica, l’intero flusso produttivo si stabilizza. I fogli si separano correttamente, le bande scorrono in modo regolare e le apparecchiature di finitura — come piegatrici, spalmatrici o laminatrici — possono funzionare in modo continuo senza arresti imprevisti. Nei processi di stampa e finitura in linea, un migliore controllo dell’elettricità statica garantisce che fogli o bande non si aderiscano né si respingano tra loro, con il risultato di un impilaggio e di un taglio più uniformi. Nei processi fuori linea, i benefici sono altrettanto evidenti: minori tempi di fermo, maggiore produttività e una riduzione dell’usura di componenti sensibili, come sensori o azionamenti sensibili alle scariche elettrostatiche. Anche in applicazioni non legate alla stampa — come la lavorazione dei nonwoven, il finissaggio tessile o il packaging flessibile — la carica elettrostatica può deformare bande leggere o attrarre particelle di polvere sospese nell’aria. La gestione dell’umidità e il controllo dell’elettricità statica procedono quindi di pari passo, garantendo sia la stabilità dimensionale del prodotto sia l’affidabilità del processo, in tutte le fasi produttive, dallo svolgimento all’avvolgimento.
In Contiweb non consideriamo la carica elettrostatica come un inconveniente inevitabile, ma come un parametro di processo controllabile. I nostri sistemi di applicazione dei fluidi offrono una re-umidificazione precisa, con un potenziamento antistatico opzionale, progettati per ripristinare la conduttività esattamente dove è più importante per la stabilità del processo.
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Per discutere le opzioni di test o i requisiti tecnici, puoi contattare Irene Eggink (Application Engineer) utilizzando i dettagli forniti insieme a questo articolo.
