Elektrisch ableitfähige Keramikbeläge

Wie statische Entladungen verhindert werden können

  • Abb. 1: Elektrisch ableitender Keramikbelag im Laborbereich
  • Abb. 2: Verlegung von Fliesen mit elektrisch leitfähiger Glasur, Dunkelverfärbung des Verlegemörtels durch Zugabe von Graphitdispersion.
  • Abb. 3: Verlegevariante mit leitfähiger Fliese
  • Tab. 1: Regelwerke für leiftähige Fußbodenbeläge

Computer, Handys und Navigationsgeräte sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Gesteuert werden diese technischen Wunderwerke durch Mikroprozessoren mit mehreren Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter. Die winzigen Schaltkreise sind äußerst empfindlich. So kann durch bloßes Berühren mit Fingern der Chip zerstört werden, da die entstehende elektrostatische Entladung die gleiche Energiedichte aufweist wie ein Blitzeinschlag in einen Baum.

Elektrostatische Aufladung entsteht unter anderem durch das Reiben und Trennen ungleicher Werkstoffe. Beispiele hierfür sind das Laufen auf einem Teppich, die Herstellung von Kunststofffolien, das Zerstäuben von Lacken etc. Dabei lädt sich der Isolator mit der größeren Dielektrizitätskonstante positiv auf. Die Ladung verbleibt auf der Oberfläche des Werkstoffs und erzeugt elektrische Spannung.

Statische Entladungen können gefährlich sein

Risiken entstehen erst, wenn sich die statische Ladung entlädt, was mit Energieentwicklung einhergeht und zu Funkenschlag führen kann. Jeder hat schon einmal einen elektrischen Schlag beim Berühren einer Türklinke gespürt, nachdem er über einen Teppich ging. Obwohl dabei Spannungen von mehreren tausend Volt auftreten, ist dies ungefährlich, da auf Grund der geringen elektrischen Kapazität des menschlichen Körpers der resultierende Stromfluss sehr klein ist. Elektrostatische Entladungsvorgänge (electrostatic discharge, ESD) sind in der Halbleiterindustrie oder in explosionsgefährdeten Bereichen (z. B. Lösemittellager, Batterieräume, Munitionsdepots) jedoch gänzlich zu vermeiden.

Deshalb erfolgt die Fertigung von mikroelektronischen Bauteilen in ESD-geschützten Bereichen (electrostatic protected area, EPA). Lösemittel oder Munition werden in explosionsgeschützten Bereichen gelagert. Da das Phänomen der Elektrostatik stets wirkt, muss in EPA-Bereichen und ex-Zonen dafür gesorgt werden, dass durch kontrollierte Ableitung die Aufladung von Bauelementen und Personen festgelegte Schwellen-/Grenzwerte nicht übersteigt. In einschlägigen Normen und Richtlinien werden deshalb Schwellen- und Grenzwerte für den Erdableitwiderstand von Böden RE und für den Personenableitwiderstand RPA (Leitungskette Körper-Kleidung-Schuhwerk-Boden) spezifiziert.

Die Ableitung soll einerseits schnell erfolgen (Limitation durch Grenzwert), um Spannungsspitzen nicht über 100 Volt anwachsen zu lassen, und andererseits langsam genug sein (Limitation durch Schwellenwert für den Standortwiderstand RI), damit in Bereichen, wo beispielsweise an offenen Geräten mit Spannung führenden Teilen hantiert wird, keine gesundheitsgefährdenden Stromschläge auftreten.

In Bereichen, wo Lösemittelfässer gelagert oder Batterien aufgeladen werden, wird neben der Erdableitfähigkeit auch noch die Beständigkeit gegen Säuren, Laugen, Solen etc.

sowie hohe mechanische und thermische Belastbarkeit des Bodens verlangt. Diese kombinierten Anforderungen werden von Keramikböden erfüllt. Allerdings weisen gewöhnliche Keramikfliesen einen Erdableitwiderstand (RE) größer 1010 Ohm auf und sind quasi elektrische Isolatoren. Herkömmliche Keramikbeläge sind somit für EPA-Bereiche ungeeignet.

Wie können die Entladungen verhindert werden?

Prinzipiell gibt es drei Möglichkeiten, elektrisch ableitfähige Keramikbeläge herzustellen:

leitfähige Fliesen verlegt in ableitfähigem Mörtelbett

Fliesen mit leitfähiger Glasur verlegt in ableitfähigem Mörtelbett und verfugt mit ableitfähigem Fugenmörtel

konventionelle Fliesen verlegt in ableitfähigem Mörtelbett und oberflächeneben verfugt mit ableitfähigem Fugenfüller.

Bei allen drei Verlegevarianten wird nach dem Reinigen und Grundieren des Untergrundes auf dem Estrich ein Raster aus Kupferbändern mit einem Maximalabstand von fünf Metern aufgeklebt. Das Kupferbandnetz wird von einem Elektroinstallateur an einem Potentialausgleich angeschlossen, so dass der ganze Belag geerdet ist. Nach den Vorgaben des VDE sind pro 100 m2 Belagsfläche zwei Anschlüsse notwendig.

Auf der Baustelle wird dem zementären Dünnbettmörtel eine Graphitdispersion zugemischt, wodurch der Klebemörtel leitfähig wird. Eine Überdosierung der Graphitdispersion ist zu vermeiden, da sonst der Haftverbund zu den Fliesen abnimmt. Andererseits muss genügend Graphit vorhanden sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Falls leitfähiger Fugenmörtel benötigt wird, wird ebenfalls ein Teil des Anmachwassers durch Graphitdispersion ersetzt.
Die einfachste und sicherste Ausführungsvariante eines elektrisch ableitfähigen Keramikbodens ist die Verlegung von elektrisch leitfähigen Keramikfliesen. Da der gesamte Scherben elektrisch leitfähig ist, erfolgt die Ableitung elektrostatischer Ladungen unmittelbar über den Fliesenkörper in den leitfähigen Verlegemörtel zum Kupferbandnetz. Bei dieser Verlegevariante reicht ein herkömmlicher Fugenmörtel aus.

Spaltplatten mit einer elektrisch ableitfähigen Glasur stellen eine weitere Ausführungsvariante dar. Der Fliesenkörper besteht aus herkömmlicher Keramik, nur die Glasur ist elektrisch leitend. Solche Fliesen werden in Bereichen eingesetzt, wo neben der Ableitfähigkeit auf eine reinigungsfreundliche Oberfläche Wert gelegt wird, wie in Produktionsräumen für elektronische Geräte, Operationssälen etc. Bei dieser Ausführung muss ein elektrisch ableitender Fugenmörtel verwendet werden.

Die handwerklich schwierigste Variante stellt die Erstellung sogenannter pseudoleitfähiger Keramikbeläge aus nicht ableitfähigen Keramikfliesen dar. Dabei werden die Fliesen in einen leitfähig eingestellten Dünnbettkleber gebettet und anschließend mit einem elektrisch leitfähigen Fugenmörtel verfugt. Da die Fliese nichts zur elektrischen Ableitfähigkeit beiträgt, erfolgt die Ableitung elektrischer Ladungen ausschließlich über das ableitfähig eingestellte Fugenraster. Damit zwischen Schuhsohle und Fuge stets Kontakt besteht, müssen zwei Randbedingungen zwingend erfüllt werden:

Das Fliesenformat darf nicht größer als 24 x 11,5 oder 15 x 15 cm sein.

Die Fugen müssen ohne Wenn und Aber oberflächeneben ausgeführt werden.

Problematisch ist die handwerkliche Ausführung der oberflächenebenen Fugen. Durch das Waschen der frisch eingebrachten Fuge wird Material ausgetragen, so dass eine konkave Fugenform entsteht und keine Oberflächenebenheit mehr gegeben ist. Dadurch besteht kein Kontakt zwischen Schuhsohle und ableitfähiger Fuge, so dass sich Personen unkontrolliert aufladen können. In der Praxis werden deshalb die Fugen mit Mörtel überfüllt und die erhärteten Fugen abgeschliffen, so dass eine planebene Keramik-/Fugenfläche entsteht.

Da dies nur von absoluten Spezialisten beherrscht wird, muss bereits in der Planungsphase sorgfältig überlegt werden, welches der drei Verlegeverfahren zur Anwendung kommen soll. Gerade im Falle der pseudoleitfähigen Beläge liegt die Verantwortung beim Verarbeiter.

Anschließend wird der Belag vom Bauherrn abgenommen, wobei der Nachweis der Funktionsfähigkeit, d. h. die elektrische Leitfähigkeit des Belags, ein zentrales Kriterium darstellt. Um Überraschungen zu vermeiden, müssen im Vorfeld einzuhaltende Schwellenwerte (RE, Ri…), Messmethode inklusive Messelektrode (Typ, Gewicht, Größe) und Zeitpunkt der Messung im Leistungsverzeichnis spezifiziert werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass ordnungsgemäß ausgeführte elektrisch ableitfähige Keramikbeläge in der Elektronikindustrie und in Chemieanlagen wirksam vor elektrostatischer Aufladung schützen. Allerdings ist der ableitfähige Keramikbelag nur eine Komponente. Kleider, Schuhwerk, Werkzeuge, Möbel, Transportwagen, Reinigung der Beläge, Reinigungsmittel etc. müssen in die Betrachtung einbezogen werden.

Autor
J. Felixberger

Kontakt 
Prof. Dr. Josef Felixberger

Technischer Direktor
PCI Augsburg GmbH
Augsburg, Deutschland

Normenwerke

  1. DIN EN 61340-5-1, „Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene – Allgemeine Anforderungen“, 2008, Beuth Verlag Berlin.
  2. DIN EN 61340-4-1, „Standard-Prüfverfahren für spezielle Anwendungen - Elektrischer Widerstand von Bodenbelägen und verlegten Fußböden“, 2016, Beuth Verlag Berlin.
  3. DIN EN 61340-4-5, „Standard-Prüfverfahren für spezielle Anwendungen - Verfahren zur Charakterisierung der elektrostatischen Schutzwirkung von Schuhwerk und Boden in Kombination mit einer Person“, 2016, Beuth Verlag Berlin.
  4. ANSI ESD STM 97.2, „Floor Materials and Footwear Voltage Measurement in Combination with a Person“, 1999.
  5. TRGS 727 (Ersatz für TRBS 2153 resp. BGR 132), „Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen“, Ausschuss für Gefahrstoffe – AGS-Geschäftsführung, 2016, BauA – www.baua.de/ags.
  6. DIN VDE 0100-410, „Einrichtung von Niederspannungsanlagen - Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag“, 2007, Beuth Verlag Berlin.
  7. AGI S 30, „Elektrisch ableitfähige Bodenbeläge (Säureschutzbau)“, 2005, Beuth Verlag Berlin.

 

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