Részecske- és VOC-kibocsátások gyantán alapuló ipari padlókhoz

Partikel- és VOC-kibocsátások gyantán alapuló ipari padlókhoz

A Sika Deutschland GmbH egy új generációs, kétkomponensű ipari padlóbevonatokat vezetett be a piacra, amelyek önterülő epoxidgyantákon alapulnak. Ezeket kifejezetten a tisztatér követelményeihez fejlesztették ki. Ezzel egyidejűleg a molekuláris kibocsátás csökkentése – mechanikai és kémiai terhelhetőség csökkenése nélkül – a hagyományos epoxipadló-bevonatokhoz képest a harmadára, azaz a tizedére csökkent. A tisztatérbe való alkalmasságukat terhelésfüggő részecskekibocsátási mérésekkel és ezek alapján az ISO-osztályozással igazolták.

1. Tisztaterek és tiszta területek

A technikai alkatrészek méretcsökkentésének iránya – például az elektronikus alkatrészek szerkezeti szélességének csökkentése a félvezetőiparban – és a termékminőség iránti növekvő igény az orvostechnika, az élelmiszer- és gyógyszeriparban folyamatosan növekvő követelményeket támaszt a gyártási folyamatok és azok környezete iránt. Ennek eredményeként szükségessé vált „tiszta” körülmények között gyártani, azaz olyan részecske- és molekuláris szennyeződéseket tartani alacsony szinten, amelyek negatívan befolyásolhatják a gyártási folyamatot vagy a termék minőségét. A tisztaterekben és a hozzájuk tartozó tiszta területeken a levegőben szálló részecskék és molekuláris szennyeződések (airborne molecular contaminations, AMC) koncentrációja a tisztaság mérőszámai, melyeket építő jellegű intézkedésekkel szabályoznak. A szűrés mellett releváns paraméterek a hőmérséklet, a páratartalom, a nyomás és a levegőcsere aránya, hogy a szennyeződéseket a szükséges alacsony szinten tartsák. Bár a különböző tisztasági tényezők súlyozása iparáganként változik, általánosságban megfigyelhető a tisztaságra alkalmas anyagok egyre növekvő jelentősége. A tisztaterek osztályozásának egyik alapvető szempontja a levegő részecskementessége, melyet a DIN EN ISO 14644 [1] szerint ISO-osztályokban adnak meg. Ebben a részecskék száma és mérete a döntő. A levegőben szálló molekuláris koncentráció összértéke egy adott szennyező vagy szennyezőcsalád esetében határozza meg az ISO-AMC osztályozást.

2. Molekuláris kibocsátások ipari padlók esetében

A gyártási környezet anyagaiból vagy anyagokból származó illékony anyagok, ideértve az ipari padlókat is, alapvetően szennyezésveszélyt jelenthetnek. Ismert, hogy az organofoszfor vegyületek és tercier aminok lerakódása a szilíciumlapkákon károkat okozhat. Azonban szinte semmilyen információ nem áll rendelkezésre más anyagok hatásairól. Jelenleg az a cél, hogy a ismert problémás kibocsátókat kizárva minimalizálják az összes kibocsátást. Ennek érdekében szükséges olyan anyagokat jellemezni, amelyek molekuláris kibocsátás szempontjából megfelelnek a problémának.

2.1 VOC-/AMC-analitika

A GC/MS és a GC/MS-FID módszerek már beváltak a VOC-/AMC-analitikában. A kibocsátásmérés módszerei, vagyis a mintavétel és minták felvétele, sokféle módon történhetnek. A DIN EN ISO 14644 nem ad egyértelmű iránymutatást, mivel nem határoz meg konkrét elemzési módszert. Gyakran saját mérési eljárásokat alkalmaznak, amelyek kifejezetten az adott gyártási folyamat kérdéseire vannak szabva, és a beszállított anyagokra a tisztatérben kevéssé ismertek. Az alábbiakban röviden ismertetünk néhány mérési módszert: A kibocsátási kamrás mérés (1. ábra) során egy próbatestet egy kamrába helyeznek, és annak kibocsátását pontosan meghatározott és ellenőrzött paraméterek mellett mérik, például levegőcsere, páratartalom, sebesség, hőmérséklet (általában 23°C) és a tér légterhelése. A kibocsátási kamra atmoszféráját egy adszorbenssel gyűjtik, majd a feltöltött adszorbenset termodeszorpciós-GC/MS (TD-GC/MS) módszerrel elemzik. Ezzel párhuzamosan a teljes kibocsátás online FID-méréssel rögzíthető, így a TD-GC/MS eredmények ellenőrizhetők. A hőextrakciós módszer (2. ábra), ahol kis mintákat, meghatározott geometriában és ellenőrzött levegőáramban, szobahőmérsékleten vizsgálnak, alapvetően hasonló az emissziós kamrához. A termodeszorpció szintén széles körben alkalmazott módszer anyagok kipárolgásának vizsgálatára. Ebben az esetben egy kis próbatestet – általában néhány milligrammot – közvetlenül termodeszorpciós-GC/MS-sel elemzünk (3. ábra). Viszonylag magas mintahőmérsékletek, például 90°C, gyakoriak, ahogyan a VDA 278 [2] is írja. Az ilyen módszerek, amelyeknél a minta hőmérséklete jelentősen meghaladja a felhasználási hőmérsékletet, kevésbé az anyagok kibocsátási viselkedését vizsgálják, inkább az „összkibocsátást” (total outgassing). Ez azt jelenti, hogy a módszer a kiindulási anyagból kipárolgó összetevőket detektálja és azonosítja, amelyek alapvetően anyagból származnak, és esetleg károsak lehetnek a folyamat szempontjából, mint például az „airborne molecular contaminations”. Az ilyen magas hőmérsékletű módszerek, különösen padlóbevonatok esetében, ahol a vizsgálati hőmérséklet jóval meghaladja a felhasználási hőmérsékletet, szigorú próbát jelentenek. A minta hőmérséklete jóval a bevonat üvegátmeneti hőmérséklete felett van, így a anyag tulajdonságai drasztikusan változnak. Az ilyen módszerekben, ahol a minta egy próbatestből levágott spánként kerül vizsgálatra, fontos kérdés a nyitott élek problémája. Ilyen esetekben a kibocsátás egy meghatározatlan felületről történik, míg a valódi beépítés során a VOC-kibocsátás csak a felületéről történhet [3].

2.2 Fő kibocsátók és kibocsátáscsökkentés

Első pillantásra nehezen érthető, hogy még a technológiailag fejlett, oldószermentes bevonatoknak is növekvő VOC-igényekhez kell igazodniuk. Hiszen egyrészt a oldószer és VOC definíciója nem egyezik meg: a TRGS 610 [4] szerint oldószerként szerves oldószer értendő, amelynek forráspontja (normál nyomáson) 200°C vagy alacsonyabb, míg a VOC definíció alapvetően minden 250°C vagy alacsonyabb forráspontú illékony szerves vegyületet magában foglal [5]. Másrészt gyakran csak a tisztatér üzemeltetője ismeri azokat a kibocsátókat, amelyek zavarhatják a folyamatot. A kétkomponensű epoxipadló-bevonatok VOC-kibocsátását főként a benzil-alkohol határozza meg. Az újraaktiválható oldószerekkel bevezetett szennyeződések a hosszú láncú alkoholokban, valamint az adalékok által behozott „valódi” oldószerek nem számottevőek [3]. A benzil-alkohol kibocsátására ható fő összefüggéseket és befolyásolási lehetőségeket a modellkifejezés rendszeressége mutatja. Itt a benzil-alkohol tartalmat variálták, és a kibocsátásokat TD-GC/MS módszerrel, 90°C-on mérték. Így az ipari alkalmazású kétkomponensű epoxipadló-bevonatok esetében lineáris összefüggés figyelhető meg a benzil-alkohol tartalom, az üvegátmeneti hőmérséklet és a benzil-alkohol kibocsátás között (4. ábra). A célzott újrafogalmazások révén lehetőség nyílik a benzil-alkohol tartalom csökkentésére, és olyan, kibocsátáscsökkentett, piacképes kétkomponensű epoxipadló-bevonatok fejlesztésére, amelyek alkalmazási tulajdonságai megőrzése mellett a teljes kibocsátás a korábbiak harmadára vagy akár tizedére csökkenhet.

3. Részecskekibocsátás és mérésük

Amikor mechanikus igénybevétel hatására kopás keletkezik anyagokon vagy alkatrészeken, azok részecskekibocsátás forrásává válnak. Ez természetesen igaz az ipari padlókra is, ahol például targonca vagy székek görgői által okozott kopás részecskék kialakulásához vezet. Egyelőre nincs világszerte egységes szabványos módszer az anyagok tisztaságának mérésére. Az Cleanroom Suitable Materials (CSM) ipari konzorcium, amelyet a Fraunhofer Ipartechnológiai és Automatizálási Intézet – röviden Fraunhofer IPA – hozott létre, ezekkel a kérdésekkel foglalkozik [6]. A Sika Deutschland GmbH 2005 óta tagja a CSM-nek. A Fraunhofer IPA kifejlesztette az Material Inspec mérőberendezést (6. ábra), amellyel különböző anyagpárosítások részecskekibocsátási tesztjei végezhetők egységes módon. Ennek segítségével értékelhető az anyagok tisztaságának megfelelősége, és összehasonlíthatók különböző anyagpárosítások. A mérési eredmények alapján megállapítható a részecskekibocsátás értékelése az EN ISO 14644-1 szerinti levegőtisztasági osztályok szerint. Padlóanyagok vizsgálatára különösen alkalmas a szerep-kerék teszt (7. ábra), amely szimulálja a padlóbevonatok vagy -burkolatok terhelését gördülő járművekkel. Az alaptest alumíniumlemez, amelyet a vizsgált padlóanyag borít. A másik test egy poliamid kerék, amely egy meghatározott normál erővel nyomódik a forgó lemezre. A terhelés alatt keletkező részecskéket folyamatosan mérik optikai részecskeszámlálóval. A kísérletekből következtetéseket lehet levonni a részecskekibocsátási viselkedés, a kibocsátott részecskék méreteloszlása és az abszolút részecskeszám tekintetében, amelyek alapján az ISO-osztályozás elvégezhető.

4. Összegzés

A célzott fejlesztések révén építőanyagok, például padlóbevonatok is hozzájárulhatnak a levegőben szálló molekuláris szennyeződések és részecskekibocsátás csökkentéséhez. Különösen kihívást jelent a kibocsátásmentes kétkomponensű epoxipadló-bevonatok fejlesztése, mivel a formulálás szempontjából rendkívül fontos nyersanyag, a benzil-alkohol, mint fő kibocsátó, kerülendő. További fejlesztések már megvalósultak, és piacképes termékekké váltak, teljesen új technológiák alkalmazásával. Az Cleanroom Suitable Materials (CSM) konzorcium által kidolgozott, szabványosított módszer a részecskekibocsátás mérésére alkalmazható padlóbevonatrendszerek esetében is. Ezáltal először lehetőség nyílik a padlóbevonatok részecskekibocsátásának vizsgálatára és terhelésfüggő jellemzésére. A részecskekibocsátási eredmények lehetővé teszik az anyagok közvetlen besorolását az ISO-osztályok szerint. Ez átláthatóságot teremt, amely lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy objektív mérési eredmények alapján összehasonlítsák különböző anyagokat és termékeket. A Sikafloor 266 CR új fejlesztést már sikeresen vizsgálták ki a kipárolgás és részecskekibocsátás szempontjából, és a Fraunhofer IPA által tisztatérbe való alkalmasságát tanúsították.

Források
[1] DIN EN ISO 14644: Tisztaterek és hozzájuk tartozó tisztatérterületek
[2] VDA 278 (2002-09 kiadás): Szerves anyagok termikus deszorpciós elemzése nemfémes járműipari anyagok jellemzésére
[3] C. Zilg, J. Grötzinger: „VOC-csökkentés gyantán alapuló ipari padlókban: fő kibocsátók, azok meghatározása és elkerülése”; 6. Nemzetközi Ipari Padló Kollokvium ’07; Technikai Akadémia ESSLingen
[4] Technikai Szabályzat a veszélyes anyagokra 610 – Szerek és eljárások helyettesítése a magas oldószertartalmú alapozók és ragasztók helyett a padló területén, március 1998 BArGBl. 5/1998
[5] Seifert, B. (1999): Belső tér levegőjének irányértékei: TVOC. Bundesgesundheitsblatt 42(3), 270-278
[6] Dr.-Ing. Udo Gommel, Fraunhofer IPA; Reinst- és Mikrogyártás Osztály, Telefon: +49(0)711/970-1633, E-mail: udo.gommel@ipa.fraunhofer.de