Emisiones de partículas y VOC de suelos industriales a base de resinas

Emisiones de partículas y VOC de suelos industriales a base de resinas

La Sika Deutschland GmbH lanzó una nueva generación de recubrimientos industriales para suelos autoadhesivos a base de resinas epoxi bicomponentes. Fueron desarrollados específicamente para los requisitos en salas limpias. Se ha logrado reducir las emisiones moleculares en un factor de treinta en comparación con los recubrimientos epoxi tradicionales, sin comprometer la resistencia mecánica ni química. La aptitud para salas limpias de estos sistemas de recubrimiento está demostrada mediante mediciones de emisión de partículas dependientes de la carga y su clasificación ISO basada en ello.

1. Salas limpias y áreas libres de contaminación

Las tendencias hacia la miniaturización de componentes técnicos, como la reducción de las anchuras de estructura de los componentes electrónicos en la industria de semiconductores, y las crecientes demandas de calidad en la industria médica, alimentaria y farmacéutica, conducen a requisitos cada vez mayores en los procesos de producción y su entorno. Esto resulta en la necesidad de fabricar bajo condiciones "libres de partículas", es decir, mantener las contaminaciones particuladas y moleculares, que afectan negativamente al proceso de producción o a la calidad del producto, en niveles muy bajos. En salas limpias y áreas relacionadas, las concentraciones de partículas en el aire y de contaminantes moleculares transportados por el aire (contaminaciones moleculares en el aire, AMC) son factores clave de pureza, regulados mediante medidas constructivas. Además de la filtración, parámetros relevantes como temperatura, humedad, presión y tasa de renovación del aire son esenciales para mantener las contaminaciones en niveles bajos requeridos. Aunque la ponderación de estos factores de pureza varía según la industria, se observa en general una creciente importancia de materiales adecuados para entornos limpios. Una clasificación esencial de las salas limpias depende de la pureza de partículas en el aire y se indica según la norma DIN EN ISO 14644 [1] en clases ISO. La cantidad y tamaño de las partículas son determinantes. La concentración total de moléculas transportadas por el aire de una especie o familia de contaminantes determina la clasificación en clases ISO-AMC.

2. Emisiones moleculares de suelos industriales

Las sustancias volátiles de los materiales o del entorno de producción, incluyendo los suelos industriales, pueden representar un riesgo de contaminación. Es conocido que la deposición de compuestos organofosforados y aminas terciarias en obleas puede causar daños. Sin embargo, hay casi ningún conocimiento sobre el impacto de otras sustancias. Actualmente, se busca reducir las emisiones totales a un mínimo, además de excluir los emisores problemáticos conocidos. Esto hace necesario caracterizar los materiales con técnicas analíticas adaptadas a la problemática respecto a sus emisiones moleculares.

2.1 Análisis de VOC-/AMC

Los métodos GC/MS y GC/MS-FID están establecidos para el análisis de VOC/AMC. Los procedimientos para la medición de emisiones, en un sentido más amplio, incluyendo la toma y preparación de muestras, son diversos. La norma DIN EN ISO 14644 no especifica un método analítico concreto. Frecuentemente, se realizan mediciones internas específicas para cada proceso de producción y material, que son en gran medida desconocidas para el proveedor del material en salas limpias. A continuación, se describen brevemente algunos métodos de medición: La medición en cámara de emisión (Fig. 1) consiste en colocar una muestra en una cámara y medir su emisión bajo parámetros controlados y definidos, como tasa de renovación del aire, humedad, velocidad del aire, temperatura (normalmente 23°C) y carga del recinto. La atmósfera de la cámara de emisión se recoge en un adsorbente, que posteriormente se analiza mediante termodesorción-GC/MS (TD-GC/MS). Paralelamente, se puede registrar la emisión total durante la medición en la cámara con un FID en línea, verificando así los resultados del análisis TD-GC/MS. El método de extracción térmica (Fig. 2), en el que pequeñas muestras con geometría definida y flujo de aire controlado se analizan a temperatura ambiente, es similar en principio a una cámara de emisión. La termodesorción para analizar emisiones de gases de materiales también es ampliamente utilizada. En este método, una pequeña parte de la muestra (normalmente unos pocos miligramos) se analiza directamente mediante thermodesorción-GC/MS (Fig. 3). Temperaturas de muestra relativamente altas, como 90°C, son comunes, por ejemplo, según la norma VDA 278 [2]. Estos métodos, que a veces operan a temperaturas elevadas, no se centran tanto en el comportamiento de emisión durante el uso, sino en el "total outgassing". Se busca detectar e identificar componentes que puedan emitir de un material y, potencialmente, ser dañinos en procesos como contaminantes moleculares en el aire. Para recubrimientos de suelos, estos métodos de alta temperatura, en los que la temperatura de prueba supera ampliamente la temperatura de uso, representan una prueba rigurosa. La temperatura de la muestra en la medición está muy por encima de la temperatura de transición vítrea del recubrimiento, lo que altera significativamente sus propiedades. En estos procedimientos, donde la muestra se obtiene en forma de una espiga de un espécimen, la problemática de los bordes abiertos es importante. La emisión en estos casos ocurre sobre una superficie indefinida de la muestra, mientras que en la instalación real de un suelo, la emisión de VOC solo puede ocurrir desde su superficie [3].

2.2 Principales emisores y reducción de emisiones

Al principio, puede parecer incomprensible que incluso recubrimientos sin disolventes, considerados tecnología avanzada, deban desarrollarse para cumplir con requisitos crecientes de VOC. Esto se debe a que las definiciones de disolventes y VOC no son iguales: según la TRGS 610 [4], un disolvente se define como una sustancia orgánica volátil con un punto de ebullición (a presión normal) ≤ 200°C, mientras que la definición de VOC incluye todas las sustancias orgánicas volátiles con un punto de ebullición ≤ 250°C [5]. Además, a menudo solo el operador de la sala limpia conoce los emisores problemáticos en su proceso. La emisión de VOC de recubrimientos epoxi bicomponentes está principalmente determinada por el alcohol bencílico. Las impurezas introducidas por reactivadores de reactividad en alcoholes de cadena larga y las cantidades de "verdaderos" disolventes añadidos mediante aditivos no son relevantes [3]. La relación principal y las posibilidades de influir en la emisión de alcohol bencílico se muestran en la curva característica del sistema de una formulación modelo. Aquí, se varió el contenido de alcohol bencílico y se determinaron las emisiones mediante TD-GC/MS a 90°C. De esta forma, se encontró una relación lineal entre el contenido de alcohol bencílico, la temperatura de transición vítrea y la emisión de alcohol bencílico en recubrimientos de suelo de uso industrial (Fig. 4). Mediante reformulaciones específicas, es posible reducir el contenido de alcohol bencílico y desarrollar recubrimientos de suelo de epoxi bicomponentes con emisiones reducidas y en estado de mercado. Manteniendo en gran medida las propiedades de aplicación habituales, las emisiones totales de estos nuevos productos pueden reducirse a un tercio o incluso a un treintaavo en comparación con productos estándar anteriores.

3. Emisión de partículas y su medición

Siempre que la fricción mecánica de materiales o componentes genere desgaste, estos constituyen una fuente de emisiones de partículas. Esto también aplica a los suelos industriales, donde escenarios típicos de carga, como el paso de carretillas elevadoras o el desgaste por ruedas de sillas, conducen a la generación de partículas. Hasta ahora, no existía en todo el mundo un método estandarizado para determinar la aptitud de los materiales en salas limpias. El consorcio industrial Cleanroom Suitable Materials (CSM), creado por el Instituto Fraunhofer de Producción y Automatización (Fraunhofer IPA), se ocupa de estas cuestiones [6]. Desde 2005, Sika Deutschland GmbH es miembro de CSM. El Fraunhofer IPA ha desarrollado el banco de pruebas Material Inspec (Fig. 6), que permite realizar pruebas estandarizadas de emisión de partículas en diferentes combinaciones de materiales. Esto permite evaluar la aptitud para salas limpias y comparar diferentes combinaciones de materiales. Los resultados de las mediciones permiten evaluar la emisión de partículas en relación con las clases de pureza del aire según EN ISO 14644-1. Para estudiar materiales de suelos, es especialmente útil la prueba de rodillo-disco (Fig. 7), que simula la carga de recubrimientos o revestimientos de suelos por equipos móviles. La muestra base consiste en un disco de aluminio recubierto con el material a estudiar. La contraparte es una rueda de poliamida que presiona con una fuerza normal definida sobre el disco giratorio. Las partículas generadas bajo carga se miden continuamente con un contador óptico de partículas. Los experimentos permiten caracterizar el comportamiento de emisión de partículas, el tamaño de las partículas emitidas y el número absoluto de partículas emitidas, lo que permite clasificar en las clases ISO correspondientes.

4. Conclusión

Mediante desarrollos específicos, incluso materiales de construcción como recubrimientos de suelos pueden contribuir a reducir la contaminación molecular en el aire y la emisión de partículas. La formulación de recubrimientos de epoxi bicomponentes con bajas emisiones es un reto especial, ya que se debe evitar el componente principal, el alcohol bencílico, que es un emisor extremadamente importante. Ya se han logrado avances en el desarrollo de recubrimientos de epoxi bicomponentes casi libres de VOC, que han sido convertidos en productos comerciales, empleando tecnologías completamente nuevas. La metodología estandarizada para la medición de emisiones de partículas en materiales, desarrollada por el consorcio Cleanroom Suitable Materials (CSM), también puede aplicarse a sistemas de recubrimiento de suelos. Esto permite por primera vez estudiar y caracterizar en función de la carga la emisión de partículas de recubrimientos de suelos. Los resultados de estas mediciones permiten clasificar directamente los materiales en clases ISO. Así, se aporta transparencia, facilitando a los usuarios la comparación de diferentes materiales y productos basándose en resultados objetivos. La nueva formulación Sikafloor 266 CR ya ha sido evaluada con éxito en cuanto a emisiones y partículas, y ha sido certificada por el Fraunhofer IPA como recubrimiento de suelo apto para salas limpias.

Bibliografía
[1] DIN EN ISO 14644: Salas limpias y áreas relacionadas
[2] VDA 278 (edición 09/2002) Análisis de termodesorción de emisiones orgánicas para caracterización de componentes no metálicos en vehículos
[3] C. Zilg, J. Grötzinger: “Reducción de VOC en suelos industriales a base de resinas: principales emisores, su determinación y evitación”; 6º Coloquio Internacional de Suelos Industriales ’07; Academia Técnica de Esslingen
[4] Norma técnica para sustancias peligrosas 610 – Sustitutos y procedimientos sustitutorios para imprimaciones y adhesivos con alto contenido de disolventes para suelos, edición marzo 1998 BArGBl. Heft 5/1998
[5] Seifert, B. (1999): Líneas de referencia para la calidad del aire interior: TVOC. Bundesgesundheitsblatt 42(3), 270-278
[6] Dr.-Ing. Udo Gommel, Fraunhofer IPA; Departamento de Microproducción y Reproducción Limpia, Teléfono: +49(0)711/970-1633, Correo electrónico: udo.gommel@ipa.fraunhofer.de