Emise částic a VOC z průmyslových podlah na bázi pryskyřice

Emise částic a VOC z průmyslových podlah na bázi pryskyřice

Společnost Sika Deutschland GmbH uvedla na trh novou generaci samonivelačních průmyslových podlahových nátěrů na bázi dvousložkových epoxidových pryskyřic. Ty byly speciálně vyvinuty pro požadavky v čistých prostorách. Přitom bylo dosaženo snížení molekulárních emisí ? bez ztráty mechanické a chemické odolnosti ? na třicetinu ve srovnání s běžnými epoxidovými nátěry. Čistě prostorová vhodnost těchto systémů nátěrů je doložena měřením emisí částic závislých na zatížení a na jejich základě ISO-klasifikací.

1. Čisté místnosti a čisté zóny

Trend miniaturizace technických komponentů na jedné straně ? například snižování šířky struktur elektronických součástek v polovodičovém průmyslu ? a rostoucí požadavky na kvalitu výrobků v medicíně, potravinářství a farmaceutickém průmyslu na straně druhé, vedou k neustále rostoucím požadavkům na výrobní procesy a jejich okolí. Z toho vyplývá nutnost vyrábět za „čistých“ podmínek, tj. aby částicové i molekulární nečistoty, které by mohly negativně ovlivnit výrobní proces nebo kvalitu výrobku, byly udržovány na velmi nízké úrovni. V čistých místnostech a přidružených čistých zónách jsou koncentrace vzdušných částic a vzdušných molekulárních nečistot (airborne molecular contaminations, AMC) klíčovými faktory čistoty, které jsou regulovány pomocí konstrukčních opatření. Kromě filtrace jsou důležitými parametry teplota, vlhkost, tlak a rychlost výměny vzduchu, které pomáhají udržet kontaminace na požadované nízké úrovni. Přestože váha různých faktorů čistoty je závislá na odvětví, lze obecně pozorovat rostoucí význam materiálů vhodných pro čisté prostory. Klíčovým aspektem klasifikace čistých místností je čistota vzduchu z hlediska částic a je určována podle DIN EN ISO 14644 [1] v ISO-klasách. Hlavními faktory jsou počet a velikost částic. Celková hodnota vzdušných molekulárních koncentrací určitého druhu nebo kontaminantu pak určuje klasifikaci do ISO-AMC tříd.

2. Molekulární emise průmyslových podlah

Prchavé látky z materiálů nebo z materiálového prostředí výroby, kam patří i průmyslové podlahy, mohou v zásadě představovat riziko kontaminace. Je známo, že usazování organofosforových sloučenin a terciárních amínů na waferech způsobuje poškození. Nicméně téměř neexistují informace o vlivu jiných látek. V současnosti se proto postupuje tak, že kromě vyloučení známých problematických emitentů se celková emise minimalizuje. To vyžaduje charakterizaci materiálů s analytikou přizpůsobenou danému problému z hlediska jejich molekulárních emisí.

2.1 Analytika VOC / AMC

Metody GC/MS a GC/MS-FID jsou zavedené jako analytické metody pro VOC / AMC. Postupy měření emisí, tedy odběr vzorků a jejich zpracování, jsou však rozmanité. Také norma DIN EN ISO 14644 zde nepřináší jasno, protože neukládá konkrétní analytickou metodu. Často jsou prováděny interní měřicí metody, které jsou speciálně přizpůsobeny otázkám daného výrobního procesu a jsou výrobcům materiálů pro čisté prostory do značné míry neznámé. Následující jsou stručně popsány některé metody měření: Při měření v emisní komoře (Obr.1) je vzorek umístěn do komory a jeho emise jsou měřeny za přesně definovaných a kontrolovaných parametrů, jako je rychlost výměny vzduchu, vlhkost, rychlost proudění, teplota (obvykle 23°C) a zatížení místnosti. Atmosféra v emisní komoře je zachycena na adsorbentu a následně analyzována pomocí termodesorpční GC/MS (TD-GC/MS). Současně lze během měření zaznamenat celkovou emisi pomocí online-FID, čímž je možné ověřit výsledky TD-GC/MS. Termoextrakční metoda (Obr.2), při níž jsou malé vzorky ve stanovené geometrii a za řízeného proudění vzduchu při pokojové teplotě zkoumány, je z principu podobná emisní komoře. Termodesorpce pro analýzu uvolňování z materiálů je také široce používaná. Při této metodě je malý vzorek vzorku ? obvykle několik miligramů ? přímo analyzován pomocí TD-GC/MS (Obr.3). Poměrně vysoké teploty vzorku, například popsané v normě VDA 278 [2], jsou běžné. U těchto metod, které často pracují při výrazně zvýšených teplotách vzorku, je méně důraz kladen na emisní chování jednotlivých materiálů při používání, ale spíše na „celkové uvolňování plynů“. Cílem je detekce a identifikace složek, které mohou z materiálu uvolňovat a případně být škodlivé jako airborne molecular contaminations. Pro podlahové nátěry představují takové vysokoteplotní metody, při nichž je měřicí teplota výrazně vyšší než teplota použití, tvrdou zkoušku v několika ohledech. Teplota vzorku, při níž se měří, je výrazně vyšší než skoková teplota přechodu skla nátěru, což může dramaticky měnit vlastnosti materiálu. U metod, při nichž je vzorek odebrán ve formě pásku z vzorku, hraje velkou roli problém otevřených hran. Emise v takových případech probíhá přes neurčitý povrch vzorku, zatímco při reálném použití podlahy je emise VOC možná pouze přes její povrch [3].

2.2 Hlavní emitenti a snižování emisí

Na první pohled je nevysvětlitelné, že i bezrozpouštědlové nátěry, které odpovídají technickým normám, musí být vyvíjeny tak, aby splňovaly rostoucí požadavky na VOC. Protože jednak definice rozpouštědel a VOC nejsou shodné: v TRGS 610 [4] je rozpouštědlo definováno jako prchavá organická sloučenina s bodem varu (za normálního tlaku) do 200°C, zatímco definice VOC zahrnuje všechny prchavé organické sloučeniny s bodem varu do 250°C [5]. Dále často pouze provozovatel čistého prostoru ví, které emitenty jsou v jeho procesu problematické. Emise VOC z dvousložkových epoxidových nátěrů je určována především benzylalkoholem. Kontaminace přidanými reaktivními rozpouštědly v dlouhých řetězcích alkoholů a přidanými látkami, které obsahují „skutečná“ rozpouštědla, není významná [3]. Klíčové souvislosti a možnosti ovlivnění emisí benzylalkoholu ukazuje systémová charakteristika modelové formulace. V ní byl variabilní obsah benzylalkoholu a emise byly určovány pomocí TD-GC/MS při 90°C. Tak lze u průmyslově běžných dvousložkových epoxidových podlahových nátěrů nalézt lineární vztah mezi obsahem benzylalkoholu, skokovou teplotou přechodu skla a emisemi benzylalkoholu (Obr. 4). Díky cíleným reformulacím je možné snížit obsah benzylalkoholu a vyvinout emise snižující, na trhu dostupné dvousložkové epoxidové podlahové nátěry. Při zachování vlastností aplikace je celková emise těchto nových výrobků ve srovnání s dosavadními standardními produkty snížena na třetinu až na třicetinu.

3. Měření emisí částic a jejich sledování

Vždy, když při mechanickém namáhání materiálů nebo dílů vzniká oděrek, jsou tyto zdrojem emisí částic. To platí i pro průmyslové podlahy, u nichž běžné zatížení jako přejezd paletovým vozíkem nebo tření koleček židlí vede ke vzniku částic. Dosud neexistoval na celosvětové úrovni standardizovaný postup pro stanovení vhodnosti materiálů pro čisté prostory. Výrobní konsorcium Cleanroom Suitable Materials (CSM), založené Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung ? zkráceně Fraunhofer IPA ?, se těmito otázkami zabývá [6]. Společnost Sika Deutschland GmbH je členem CSM od roku 2005. Fraunhofer IPA vyvinul testovací zařízení Material Inspec (Obr.6), které umožňuje provádět standardizované testy emisí částic různých kombinací materiálů. Tím je možné hodnotit vhodnost materiálů pro čisté prostory a porovnávat různé kombinace materiálů. Na základě výsledků měření je pak možné hodnotit emise částic s ohledem na třídy čistoty vzduchu podle EN ISO 14644-1. Pro zkoumání podlahových materiálů je zvlášť vhodný tzv. test válečkového disku (Obr.7). Tento test simuluje zatížení podlahových nátěrů nebo krytin pohyblivými zařízeními. Základní součástí je hliníkový disk, potažený zkoušeným podlahovým materiálem. Protiválec tvoří polyamidové kolo, které je s definovanou normální silou přitlačeno k rotujícímu disku. Částice vzniklé při zatížení jsou kontinuálně měřeny optickým detektorem částic. Z výsledků lze získat poznatky o charakteristice emisí částic, velikostní distribuci emitovaných částic a jejich absolutním počtu, na základě čehož je možné provést klasifikaci podle ISO.

4. Závěr

Pomocí cílených nových vývojů mohou i stavební materiály, jako jsou podlahové nátěry, přispět ke snižování vzdušných molekulárních kontaminantů a emisí částic. Vývoj nízkoemisních dvousložkových epoxidových podlahových nátěrů je zvláštní výzvou, protože je nutné se vyhnout hlavnímu emitentu, kterým je extrémně důležitá surovina benzylalkohol. Další kroky vývoje směrem k téměř VOC-free dvousložkovým epoxidovým podlahovým nátěrům již byly realizovány a uvedeny na trh, přičemž byly použity zcela nové technologie. Standardizovaná metoda měření emisí částic z materiálů, vyvinutá v rámci výrobního konsorcia Cleanroom Suitable Materials (CSM), je rovněž aplikovatelná na systémy podlahových nátěrů. Díky tomu je poprvé možné zkoumat emise částic z podlahových nátěrů a jejich zatížitelnost. Výsledky měření emisí částic umožňují přímé zařazení materiálů do tříd ISO. Tím je vytvořena transparentnost, která uživateli umožňuje porovnávat různé materiály a produkty na základě objektivních měření. Nový vývoj Sikafloor 266 CR byl již úspěšně testován z hlediska emisí plynů a částic a certifikován Fraunhofer IPA jako vhodný pro prostory s přísnými požadavky na čistotu.

Literatura
[1] DIN EN ISO 14644: Čisté místnosti a s nimi související prostory
[2] VDA 278 (vydání 2002-09) Analýza organických emisí pomocí termodesorpce pro charakterizaci nekovových dílů pro automobilový průmysl
[3] C. Zilg, J. Grö tzinger: „Snížení VOC u pryskyřicových průmyslových podlah: hlavní emitenti, jejich stanovení a prevence“; 6. Mezinárodní kolokvium průmyslových podlah ’07; Technická akademie Esslingen
[4] Technická pravidla pro nebezpečné látky 610 – Náhradní látky a postupy pro silně rozpouštědlové nátěry a lepidla pro podlahové použití, vydání březen 1998 BArGBl. Heft 5/1998
[5] Seifert, B. (1999): Referenční hodnoty pro vnitřní ovzduší: TVOC. Bundesgesundheitsblatt 42(3), 270-278
[6] Dr.-Ing. Udo Gommel, Fraunhofer IPA; Oddělení Reinst- und Mikroproduktion, telefon: +49(0)711/970-1633, e-mail: udo.gommel@ipa.fraunhofer.de