Émissions de particules et de COV provenant de sols industriels à base de résine

La Sika Deutschland GmbH a lancé une nouvelle génération de revêtements de sols industriels autonivelants à base de résines époxy bicomposantes. Ils ont été spécialement conçus pour répondre aux exigences en salle blanche. Une réduction des émissions moléculaires ? sans compromis sur la résistance mécanique et chimique ? a été réalisée à un tiers par rapport aux revêtements époxy traditionnels. La compatibilité avec les salles blanches de ces systèmes de revêtement est attestée par des mesures d’émission de particules en fonction de la charge et par une classification ISO correspondante.

1. Salles blanches et zones propres

Les tendances à la miniaturisation des composants techniques d’une part — comme la réduction des largeurs de structure des composants électroniques dans l’industrie des semi-conducteurs — et l’augmentation des exigences en matière de qualité des produits dans la technologie médicale, l’industrie alimentaire et pharmaceutique d’autre part, entraînent des exigences croissantes pour les processus de production et leur environnement. Il en résulte la nécessité de produire dans des conditions « propres », c’est-à-dire en maintenant les contaminations particulaires et moléculaires, qui peuvent nuire au processus de fabrication ou à la qualité du produit, à un niveau généralement très bas. Dans les salles blanches et zones associées, les concentrations de particules en suspension dans l’air et de contaminations moléculaires en suspension dans l’air (contaminations moléculaires volatiles, AMC) sont des facteurs de pureté déterminants, régulés par des mesures constructives. Outre la filtration, la température, l’humidité, la pression et le taux de renouvellement de l’air sont des paramètres importants pour maintenir ces contaminations à un niveau requis. Bien que l’importance relative des différents facteurs de pureté varie selon les secteurs, on observe globalement une importance croissante des matériaux adaptés à la pureté. Un aspect essentiel de la classification des salles blanches dépend de la pureté particulaire de l’air et est indiqué selon la norme DIN EN ISO 14644 [1] par des classes ISO. La quantité et la taille des particules jouent un rôle déterminant. La valeur globale de la concentration moléculaire en suspension dans l’air d’une espèce ou famille de contaminants détermine la classification dans les classes ISO-AMC.

2. Émissions moléculaires des revêtements de sols industriels

Les substances volatiles provenant des matériaux ou de l’environnement de production, y compris les revêtements de sols industriels, peuvent en principe constituer un risque de contamination. Il est connu que la précipitation de composés organophosphorés et d’amines tertiaires sur les wafers peut causer des dommages. Cependant, il existe peu de connaissances sur l’impact d’autres substances. Actuellement, la démarche consiste à réduire au minimum la totalité des émissions, en excluant notamment les émetteurs problématiques connus. Il est donc nécessaire de caractériser les matériaux avec une analytique adaptée à leur émission moléculaire.

2.1 Analytique VOC / AMC

Les méthodes GC/MS ou GC/MS-FID sont établies pour l’analyse des VOC/AMC. Les techniques de mesure des émissions, c’est-à-dire la prise d’échantillons et leur traitement, sont diverses. La norme DIN EN ISO 14644 n’apporte pas de clarté à ce sujet, car elle ne prescrit pas de méthode analytique précise. Souvent, des méthodes internes sont utilisées, spécifiquement adaptées aux questions du processus de production concerné, et peu connues du fournisseur de matériaux pour salle blanche. Voici une brève description de quelques méthodes de mesure : La mesure en chambre d’émission (Fig.1) consiste à placer un échantillon dans une chambre et à mesurer ses émissions sous des paramètres précisément définis et contrôlés, tels que le taux de renouvellement d’air, l’humidité, la vitesse de l’air, la température (habituellement 23°C) et la charge de la pièce. L’atmosphère de la chambre d’émission est collectée sur un adsorbant, puis analysée par thermodésorption-GC/MS (TD-GC/MS). Parallèlement, l’émission totale peut être enregistrée en temps réel avec un FID en ligne, permettant de vérifier les résultats de la TD-GC/MS. La méthode d’extraction thermique (Fig.2), qui consiste à étudier de petites échantillons dans une géométrie définie et un flux d’air contrôlé à température ambiante, est similaire à celle de la chambre d’émission. La thermodésorption pour analyser les dégagements de matériaux est également couramment utilisée. Dans cette méthode, une petite partie de l’échantillon — généralement quelques milligrammes — est analysée directement par thermodésorption-GC/MS (Fig.3). Des températures d’échantillonnage relativement élevées, comme 90°C, sont courantes, notamment dans la norme VDA 278 [2]. Ces méthodes, qui fonctionnent à des températures souvent très supérieures à la température d’utilisation, ne visent pas tant à étudier le comportement d’émission en fonctionnement, mais plutôt le « outgassing total ». L’objectif est de détecter et d’identifier les composants qui, en principe, dégagent d’un matériau et peuvent être nuisibles au processus en tant que contaminants moléculaires en suspension dans l’air. Pour les revêtements de sols, ces méthodes à haute température, où la température d’échantillonnage dépasse largement la température de transition vitreuse du revêtement, constituent une épreuve rigoureuse. La température d’échantillonnage est bien supérieure à la température de transition vitreuse du matériau, ce qui modifie fortement ses propriétés. Lorsqu’un échantillon est prélevé sous forme d’un fragment d’un échantillonneur, la problématique des bords ouverts est importante. Dans ce cas, l’émission se produit sur une surface indéfinie de l’échantillon, alors que dans une installation réelle, l’émission VOC ne peut se faire que par sa surface [3].

2.2 Principaux émetteurs et réduction des émissions

Il peut sembler incompréhensible que même des revêtements sans solvant, qui représentent l’état de l’art, doivent être développés pour répondre à des exigences croissantes en VOC. En effet, d’une part, les définitions de solvant et de VOC ne sont pas identiques : selon la TRGS 610 [4], un solvant est défini comme une substance organique volatile ayant un point d’ébullition (à pression normale) inférieur ou égal à 200°C, tandis que la définition de VOC inclut généralement toutes les substances organiques volatiles ayant un point d’ébullition inférieur ou égal à 250°C [5]. D’autre part, seuls les exploitants de salles blanches connaissent souvent précisément les émetteurs problématiques dans leur processus. La VOC émise par les revêtements époxy bicomposants est principalement déterminée par le benzylalcool. Les impuretés introduites par des réactifs de durcissement à longue chaîne d’alcool et par des additifs contenant de véritables solvants ne sont pas significatives [3]. La relation principale entre la composition et l’émission de benzylalcool est illustrée par la courbe caractéristique d’une formulation type. En faisant varier la teneur en benzylalcool, on a mesuré ses émissions à 90°C par TD-GC/MS. Il en ressort une relation linéaire entre la teneur en benzylalcool, la température de transition vitreuse et l’émission de benzylalcool (Fig. 4). Grâce à une reformulation ciblée, il est possible de réduire la teneur en benzylalcool et de développer des revêtements de sols époxy bicomposants à faibles émissions, prêts pour le marché. En conservant globalement les propriétés d’application habituelles, l’émission totale de ces nouveaux produits peut être réduite à un tiers, voire un trente-millième par rapport aux produits standards actuels.

3. Émission de particules et leur mesure

Chaque fois qu’un usure mécanique des matériaux ou composants génère des particules, ceux-ci constituent une source d’émission particulaire. Cela est également vrai pour les revêtements de sols industriels, où des scénarios de charge typiques comme le passage de chariots élévateurs ou le frottement des roulettes de chaises entraînent la production de particules. Jusqu’à présent, il n’existait pas de méthode standardisée mondiale pour déterminer la compatibilité de matériaux avec la pureté requise. Le consortium industriel Cleanroom Suitable Materials (CSM), lancé par l’Institut Fraunhofer pour la production et l’automatisation, s’intéresse à ces questions [6]. La Sika Deutschland GmbH est membre de CSM depuis 2005. L’Institut Fraunhofer IPA a développé le banc d’essai Material Inspec (Fig.6), permettant de réaliser des tests standardisés d’émission particulaire pour diverses combinaisons de matériaux. Cela permet d’évaluer la compatibilité avec les salles blanches et de comparer différentes paires de matériaux. Sur la base des résultats, il est possible d’évaluer l’émission particulaire en relation avec les classes de pureté de l’air selon EN ISO 14644-1. Pour l’étude des matériaux de revêtement de sol, le test appelé « rouleau-disque » (Fig. 7) est particulièrement adapté. Ce test simule la charge exercée par des équipements roulants sur les revêtements ou couches de sol. La pièce de référence est une plaque en aluminium recouverte du matériau à tester. La contre-partie est une roue en polyamide appliquée avec une force normale définie sur la plaque tournante. Les particules générées sous la charge sont continuellement mesurées dans un compteur optique de particules. Les résultats permettent de caractériser le comportement d’émission particulaire, la distribution en taille des particules émises, ainsi que le nombre absolu de particules émises, ce qui sert à la classification ISO.

4. Conclusion

Grâce à des développements ciblés, même des matériaux de construction tels que les revêtements de sols peuvent contribuer à réduire la contamination moléculaire en suspension dans l’air et l’émission particulaire. Le développement de revêtements de sols époxy bicomposants à faibles émissions est particulièrement difficile, car il faut éviter le principal émetteur, le benzylalcool, qui est un composant crucial dans la formulation. D’autres avancées ont permis de créer des revêtements époxy bicomposants presque exempts de VOC, qui ont été transformés en produits commercialisables, en utilisant des technologies entièrement nouvelles. La méthode standardisée pour la mesure des émissions particulaires, développée par le consortium Cleanroom Suitable Materials (CSM), est également applicable aux systèmes de revêtement de sols. Cela permet pour la première fois d’étudier et de caractériser de manière dépendante de la charge l’émission particulaire des revêtements de sols. Les résultats de ces mesures permettent une classification directe des matériaux dans les classes ISO. Ainsi, une transparence est instaurée, offrant à l’utilisateur la possibilité de comparer différents matériaux et produits sur la base de résultats objectifs. La nouvelle formulation Sikafloor 266 CR a déjà été évaluée avec succès en termes d’émission de gaz et de particules, et certifiée par le Fraunhofer IPA comme revêtement de sol compatible salle blanche.

Références
[1] DIN EN ISO 14644 : Salles blanches et zones associées
[2] VDA 278 (version 2002-09) Analyse thermodésorptive des émissions organiques pour la caractérisation des matériaux automobiles non métalliques
[3] C. Zilg, J. Grötzinger : « Réduction VOC dans les revêtements de sols industriels à base de résines : principaux émetteurs, leur détermination et leur prévention » ; 6e Colloque international sur les sols industriels ’07 ; Académie technique d’Esslingen
[4] Règlement technique sur les substances dangereuses 610 – Substituts et procédés de substitution pour les sous-couches fortement solvantées et colles pour le revêtement de sol, édition mars 1998 BArGBl. Heft 5/1998
[5] Seifert, B. (1999) : Valeurs de référence pour l’air intérieur : TVOC. Bundesgesundheitsblatt 42(3), 270-278
[6] Dr.-Ing. Udo Gommel, Fraunhofer IPA ; Département Microproduction et Microfabrication, téléphone : +49(0)711/970-1633, e-mail : udo.gommel@ipa.fraunhofer.de