CSM – Materiali idonei per ambienti controllati

Fig. 1: Test tribologico compatibile con ambienti di camere bianche presso il Fraunhofer IPA per determinare le classi di emissione di particelle delle superfici dei materiali. La macchina di prova è installata in una camera bianca di classe ISO 1 per evitare contaminazioni incrociate.

Fig. 2: Camera a emissioni micro presso Fraunhofer IPA per determinare le classi di emissione di VOC delle superfici dei materiali.

Fig. 3: Classificazioni del comportamento di fuoriuscita di composti organici volatili (VOC) di alcuni rivestimenti e rivestimenti testati.

Fig. 4: Valutazione della resistenza chimica di un campione di materiale secondo ISO 2812-1 e ISO 4628-1 fino a -5. Esempio di estratto di due sostanze chimiche testate.

Fig. 5: Valutazione esemplificativa della resistenza chimica di un campione di materiale secondo VDI 2083 Foglio 17.

Fig. 6: Verifica del rivestimento del pavimento Sikafloor 390 secondo le procedure ISO 846 A e C. A sinistra il campione di partenza, al centro e a destra dopo 4 settimane di incubazione.

Fig. 7: A sinistra: Crepe in una superficie di materiale ingrandita 50 volte. A destra: Simulatore di sfregamento lineare.

Fig. 8: Contaminazione di prova su una rivestimento del suolo essiccato per oltre due ore, tre pulizie consecutive.

Fig. 9: Classificazioni della stabilità chimica e biologica, delle proprietà antimicrobiche e della facilità di pulizia basate sul test del riboflavina.

Fig. 10: Esempio di sigillo di verifica CSM.

1. Introduzione

Molti materiali e materiali da costruzione, a causa delle loro proprietà, possono contaminare un ambiente di produzione puro e sono quindi un fattore essenziale per il raggiungimento e il mantenimento di una purezza richiesta.

Le emissioni di particelle microscopiche da un giunto di un'unità di manipolazione possono contaminare sensibilmente l'ambiente di produzione circostante. Molte di queste particelle microscopiche rimangono come aerosol trasportato dall'aria per lungo tempo e possono sedimentare su superfici critiche alla contaminazione lontano dalla sorgente di emissione. Una particella sedimentata di 500 nm di diametro può rendere un wafer nella produzione di semiconduttori completamente inutilizzabile per i processi successivi.

Le contaminazioni chimiche trasportate dall'aria possono adsorbirsi sulle superfici e danneggiarle in modo duraturo. Ad esempio, se plastificanti condensano sui wafer, cambia il loro comportamento di bagnabilità per i passaggi di incisione successivi. Composti contenenti azoto (ammine trasportate dall'aria e ammoniaca) attaccano anche in tracce le vernici fotosensibili, portando a passaggi di esposizione difettosi. Composti organici volatili (VOC) trasportati dall'aria condensano sui sistemi di lenti, causando errori di immagine durante i passaggi di esposizione.

Se l'acqua di processo si accumula in una fessura del pavimento sigillata con un materiale di tenuta di scarsa qualità, le poche spore di muffa eventualmente presenti possono stabilirsi bene grazie alle condizioni di crescita favorevoli locali (umidità, temperatura, nutrienti) e diventare così una forte fonte di infezione. Se un materiale si corrode a causa dell'azione di un detergente aggressivo, non solo perde le sue proprietà materiali richieste, ma può anche diventare una fonte pericolosa di emissione di particelle.

Le influenze chimiche possono anche indurre la sporcizia di un materiale. In seguito a un'azione meccanica, si può verificare la formazione di crepe, che già a livello microscopico possono rappresentare una fonte di pericolo, poiché i microrganismi eventualmente presenti nelle crepe possono sfuggire a una pulizia e sterilizzazione efficaci.

Nei sistemi di pavimenti e pareti, deve essere garantita una pulibilità sufficiente con i metodi e i prodotti di pulizia usuali. In particolare, nei sistemi di pavimenti, non si deve trascurare la resistenza allo scivolamento richiesta dalle associazioni professionali per la protezione contro gli incidenti.

Il regolamento sui materiali biologici prescrive, ad esempio nell'allegato 2, superfici impermeabili all'acqua e facili da pulire per tutti i livelli di protezione. Inoltre, il regolamento sui materiali biologici raccomanda, a partire dal livello 2, una resistenza sufficiente contro acidi, basi, disinfettanti e solventi. Nei sistemi reattivi (come i pavimenti in resina epossidica), si deve prestare attenzione a un basso comportamento di emissione di contaminanti organici per rispettare la protezione delle persone e, in processi critici, anche quella del prodotto. Quando si verifica un carico tribologico di un materiale (cuscinetti a rotolamento, usura del pavimento, ...), non devono essere generate contaminazioni critiche di particelle trasportate dall'aria a causa di tale carico.

Materiali idonei devono quindi essere resistenti ai detergenti chimici e ai disinfettanti impiegati in ambienti di produzione critici per la contaminazione. In condizioni di carico tribologico previsto, le coppie di materiali non devono portare a un'eccessiva emissione di particelle indesiderate. In molti settori di produzione, devono essere impiegati solo materiali a bassa emissione di vapori. In ambienti di produzione igienici, i materiali utilizzati non devono essere colonizzati e metabolizzati da microrganismi. La superficie deve essere progettata in modo che la pulizia possa essere effettuata senza problemi.

Per una selezione comparativa dei materiali, a seconda del caso d'uso, devono essere determinati e classificati confrontando le caratteristiche di emissione di vapori e particelle sotto carico tribologico, le proprietà chimiche e microbiologiche e la pulibilità mediante apposite prove standardizzate per vari materiali. A tal fine, l'Istituto Fraunhofer IPA ha sviluppato, nell'ambito della rete industriale CSM – materiali standardizzati adatti alle camere bianche, metodi di prova standardizzati, che saranno illustrati di seguito.

2. Test sui materiali CSM per classificazioni comparabili dei materiali

2.1 Emissione di particelle

Quando un materiale viene sottoposto a uno sforzo meccanico dovuto all'attrito con un altro materiale, si verifica l'usura del materiale sotto forma di particelle. Questo può avvenire tramite attrito di scorrimento, ad esempio nei cuscinetti a rotolamento, o tramite attrito di adesione, come può succedere camminando con scarpe su un pavimento. Per poter fare una valutazione comparativa tra diversi materiali riguardo alla loro emissione di particelle sotto carico tribologico, l'Istituto Fraunhofer IPA utilizza un apposito banco di prova chiamato Material-Inspec. Questo viene gestito in una camera bianca di riferimento di classe ISO 1 per eliminare errori di misura dovuti a particelle estranee presenti nell'aria circostante. Per la classificazione comparativa, si considera a seconda del gruppo di materiali esaminati l'attrito di scorrimento o di rotolamento. Il controcorpo nelle prove di attrito di rotolamento è un rullo standardizzato in poliammide-6, per simulare il rotolamento di ruote di trasporto. Nelle prove di attrito di scorrimento, si preme una sfera in acciaio inossidabile standardizzata contro il materiale da esaminare. La pressione di contatto e la velocità angolare vengono mantenute costanti. Durante il test, il flusso laminare di aria a v = 0,45 m/s, proveniente dal soffitto della camera bianca attraverso il pavimento perforato, trasporta verticalmente verso il basso le particelle generate durante la prova, direttamente verso la sonda di misura delle particelle trasportate dall'aria installata in modo aströmico. L'aria in uscita dalla copertura del filtro viene arricchita con ioni positivi e negativi tramite ionizzatori coronarici bipolari, che neutralizzano la carica generata dall'attrito tribologico sulle coppie di materiali esaminate. In questo modo, le particelle generate non si attaccano alle superfici dei materiali per effetto elettrostatico, ma vengono trasportate direttamente al contatore di particelle con il flusso d'aria turbolento ridotto.

Il contatore di particelle a luce diffusa installato rileva tutte le particelle con diametro > 0,2 µm e classifica il numero di particelle in canali di dimensione predefiniti. La misurazione viene effettuata per almeno un'ora, per considerare anche eventi singoli. Come risultato, dopo una cumulazione e una trasformazione delle coordinate dei dati, si ottiene una valutazione specifica del materiale riguardo all'usura di particelle sotto carico tribologico. La procedura è dettagliatamente descritta e standardizzata nella direttiva aggiornata pubblicata nel giugno 2013, VDI 2083 Foglio 17. La caratteristica di materiale ISOm-Classe ottenuta permette un confronto diretto tra diversi materiali, in termini di quanto possano contribuire, sotto carico tribologico, a un possibile inquinamento di particelle dell'ambiente di camera bianca. (vedi Fig. 1)

2.2 Emissione di gas

Il comportamento di emissione di materiali idonei per ambienti di camera bianca, oltre alla generazione di particelle sotto carico meccanico, assume un ruolo sempre più importante. Quando si utilizzano materiali appropriati, devono essere rispettati i limiti di legge per l'esposizione sul posto di lavoro (valori MAK). D'altra parte, composti critici e classi di composti che si vaporizzano possono portare a effetti indesiderati in processi di produzione critici per la contaminazione. Le componenti che vaporizzano dai materiali (come plastificanti, solventi, altri componenti volatili del materiale) giocano un ruolo decisivo nell'inquinamento dell'aria di ambienti di produzione attraverso contaminanti molecolari trasportati dall'aria (contaminazione aeriforme da sostanze chimiche, ACC). Tra questi, i composti organici volatili (VOC) rappresentano la categoria più importante. Questi inquinanti molecolari trasportati dall'aria sono stati identificati come una delle principali cause del cosiddetto "Sick Building Syndrome".

Il metodo descritto permette di confrontare diversi materiali riguardo alla loro emissione di composti organici volatili e di creare una classifica per la selezione e la classificazione. La quantità di composti organici volatili emessi dipende dalla loro superficie, dal tempo di emissione, dall'età e dalla temperatura di prova. Il tasso di emissione superficiale specifico del materiale (SERa) si basa su questi parametri ed è espresso come massa per superficie e tempo a temperatura ambiente. Come metodo di prova comparabile e standardizzato, si effettuano misurazioni con una microcamera. La determinazione dell'emissione avviene tramite raccolta e arricchimento di composti volatili su un adsorbente, seguita da analisi tramite termodesorbimento e gascromatografia accoppiata con spettrometro di massa (TD-GC/MS).

I campioni vengono scelti in modo rappresentativo in base alla geometria e alla finitura superficiale, corrispondendo all'uso finale del materiale. La stratificazione nei sistemi multistrato deve essere conforme all'applicazione prevista. Si utilizzano come supporti privi di VOC vasi di vetro in vetro borosilicato. La precondizionamento dei campioni avviene per 30 giorni in condizioni climatiche controllate (temperatura ambiente 22 +/- 1 °C, umidità relativa 45%). La contaminazione incrociata durante lo stoccaggio viene evitata utilizzando un microambiente con filtrazione VOC. La qualità ambientale ridotta in VOC dovrebbe essere almeno di una classe migliore rispetto alla valutazione VOC prevista per il campione.
Dopo l'accumulo, i campioni di materiale vengono riscaldati in una microcamera di prova a pressione atmosferica a una temperatura standard di 22 °C +/- 1 °C per un'ora. I composti organici volatili emessi dal campione vengono spinti in un tubo di assorbimento tramite un gas di lavaggio e adsorbiti. L'analisi dei tubi di assorbimento viene effettuata tramite termodesorbimento e gascromatografia accoppiata con spettrometro di massa, secondo quanto previsto dalla norma VDA 278. Dai valori ottenuti si determina il tasso di emissione superficiale specifico del materiale SERa, che può essere rappresentato come una classe di materiale ISO-ACCm standardizzata x (VOC). La procedura è anch'essa standardizzata nella nuova direttiva VDI 2083 Foglio 17. (vedi Fig. 2)

La Fig. 3 mostra un esempio della gamma di classi ISO-ACCm (VOC) raggiunte da alcuni rivestimenti di pavimenti e rivestimenti testati.

2.3 Resistenza chimica

Per la verifica della resistenza chimica esistono diversi standard di prova riconosciuti a livello internazionale. In particolare, per le prove sui materiali si sono affermate le indagini tramite immersione secondo DIN EN ISO 2812-1 o il metodo modificato del punto secondo VDI 2083 Foglio 18. Poiché non si può conoscere in anticipo lo spettro chimico dei detergenti o disinfettanti finali, è necessario testare uno spettro rappresentativo delle possibili classi di sostanze chimiche alla concentrazione massima prevista. Questo approccio consente di fare una valutazione fondamentale sulla resistenza chimica del materiale, ma non può fornire una risposta definitiva riguardo a un detergente o disinfettante specifico. Questo metodo è stato anch'esso sviluppato e standardizzato nell'ambito della rete industriale CSM, in VDI 2083 Foglio 17 e Foglio 18. Nel metodo CSM, si verifica la resistenza chimica rispetto a dieci reagenti rappresentativi, in funzione della concentrazione massima prevista in prodotti di pulizia e disinfezione:

Sostanze chimiche per sterilizzazioni gassate:
• Formalina (37%)
• Perossido di idrogeno (30%)
• Acido peraceticodico (15%)

Alcoli per pulizia e disinfezione:
• Isopropanolo (100%)

Basi come componenti di detergenti alcalini:
• Soda caustica (5%)
• Ammoniaca (25%)

Acidi come componenti di detergenti acidi:
• Acido solforico (5%)
• Acido cloridrico (5%)
• Acido fosforico (30%)

Detergenti contenenti cloro:
• Ipoclorito di sodio (5%)

L'intera provetta viene inserita in un contenitore riempito con la sostanza chimica corrispondente, che viene quindi sigillato ermeticamente. Se si desidera verificare un rivestimento applicato su un supporto, bisogna assicurarsi che tutte le superfici e i bordi del supporto siano sigillati con il rivestimento appropriato. Nel metodo del punto modificato secondo VDI 2083-18, la sostanza di prova viene inserita in un vaso di vetro. La guarnizione del vaso e la superficie di prova vengono posizionate, bloccate in una apparecchiatura e sigillate ermeticamente. Successivamente, il sistema di prova viene ruotato di 180°, in modo che la sostanza di prova possa entrare in contatto con la superficie del campione.

I campioni vengono sottoposti a esposizione ai reagenti per un periodo di 1, 3, 6 e 24 ore a temperatura ambiente e successivamente controllati per eventuali alterazioni visibili. La valutazione viene effettuata visivamente con ingrandimento dieci volte, considerando i seguenti criteri: variazione della brillantezza, scolorimento o ingiallimento, formazione di bolle, quantità di danni riscontrati, dimensione dei danni e intensità delle alterazioni.

Per l'analisi vengono assegnati indicatori di qualità univoci secondo ISO 4628-1 fino a -5. La peggiore delle classificazioni di ogni sostanza chimica dopo 24 ore viene utilizzata per la valutazione comparativa. La media di tutte e dieci le classificazioni fornisce il valore di valutazione classificante e comparabile nel metodo CSM. (vedi Fig. 4 e Fig. 5)

2.4 Resistenza biologica

Per lo studio della resistenza biologica, ovvero la capacità dei materiali impiegati di essere inerti rispetto a batteri e muffe, si è affermato lo standard internazionale di prova ISO 846. Questa prova serve a valutare se il materiale di prova si comporta in modo inerte rispetto a muffe (metodo A) e batteri (metodo C) secondo le condizioni di prova previste dallo standard, o se i materiali esaminati possono essere metabolizzati dai microrganismi. Le prove vengono incubate a 24 °C e 95% di umidità relativa e valutate visivamente dopo quattro settimane. La valutazione numerica ISO di entrambi i metodi A e C viene associata a un indice di valutazione basato su una "valutazione del peggior caso" di entrambi i metodi. (vedi Fig. 6)

2.5 Proprietà microbicide

Una possibile proprietà microbicida di un materiale può essere suddivisa in efficacia battericida (azione contro i batteri) e fungicida (azione contro i funghi).

La determinazione dell'efficacia battericida avviene tramite ISO 22196. In questa, la superficie dotata di proprietà battericide e la superficie corrispondente senza proprietà battericide vengono incubate con i batteri Staphylococcus aureus ed Escherichia coli. Dopo 24 ore di incubazione, si determinano le unità formanti colonie (UFC) delle provette trattate e non trattate tramite metodo di impressione e si calcola il fattore di riduzione R = log(UFC non trattato / UFC trattato). Nel metodo di impressione, si preme una piastra di agar in caseina-soia (circa 50 cm2) contro una superficie piana con una pressione definita per un tempo definito (cinque secondi, con una pressione tale da garantire il contatto di tutta la superficie con il mezzo senza formare bolle d'aria; si utilizza un peso di 1 kg). L'incubazione avviene secondo le procedure di altri metodi di coltura.

La determinazione di un'efficacia fungistatica o fungicida può essere effettuata secondo il metodo B di ISO 846. A seconda della formazione di una zona di inibizione (inibizione della crescita) dopo aver posizionato un campione di materiale su una piastra di Petri completamente colonizzata, si può valutare la proprietà fungistatica o fungicida.

2.6 Pulibilità - Test con Riboflavina

Una pulibilità sufficiente è generalmente necessaria dal punto di vista igienico per garantire un processo igienicamente sicuro e prodotti di lunga durata. La pulibilità di un materiale può essere verificata tramite un metodo di prova standardizzato basato sul test con la riboflavina.

Il metodo si basa sul test con la riboflavina dell'Associazione dei costruttori tedeschi di macchinari e impianti (VDMA). L'obiettivo di questa indagine è la prova qualitativa di quanto una contaminazione di prova fluorescente possa essere ridotta tramite una procedura di pulizia rappresentativa. A tale scopo, si crea una contaminazione di prova fluorescente, che viene utilizzata per contaminare il campione. Il vantaggio della contaminazione di prova fluorescente è la soglia di rilevamento molto bassa e una documentazione visiva altamente dettagliata. La contaminazione di prova viene lasciata asciugare per due ore. Successivamente, la superficie del materiale viene pulita umidamente con un simulatore di strofinamento in tre passaggi (prima: rimozione dello sporco; seconda: pulizia della contaminazione di prova; terza: rimozione di eventuali tracce di sporco). Dopo la pulizia, eventuali residui rimasti vengono rilevati tramite eccitazione fluorescente con documentazione fotografica dettagliata. Per garantire una sufficiente affidabilità statistica, vengono effettuati tre tentativi ripetuti. La valutazione del test avviene secondo ISO 4628-2 "Valutazione dei danni alle verniciature". Qui, i residui fluorescenti vengono valutati in base alla quantità e alle dimensioni e assegnati a un indice secondo ISO 4628-1. Questa valutazione considera anche le aree non pulibili a causa di difetti superficiali del materiale (fessure, fori, ecc.) e della texture superficiale (rugosità, microstrutturazione, ...). Successivamente, si effettua una classificazione secondo VDI 2083 Foglio 17. (vedi Fig. 7)

In Fig. 8 viene mostrata un esempio di documentazione fotografica di un'indagine sulla pulibilità di una superficie di materiale.

2.7 Classificazione CSM

La procedura di classificazione CSM riguardo all'emissione di particelle di coppie di materiali è descritta in modo dettagliato e standardizzato nella direttiva VDI 2083 Foglio 17. Il risultato della classificazione viene indicato come classe ISOm. Per la classificazione CSM del comportamento di emissione di gas dei materiali, il tasso di emissione superficiale specifico SERa viene convertito nella classe ISO-ACCm corrispondente x (VOC) tramite una semplice operazione di logaritmo del valore SERa. La classificazione CSM della resistenza chimica e biologica, della microbicidità e della pulibilità, sulla base del test con la riboflavina, viene effettuata secondo lo schema mostrato in Fig. 9.

3. Sommario

La considerazione di diversi aspetti di purezza in ambienti di produzione sensibili alla contaminazione richiede una vasta conoscenza nella selezione di materiali appropriati. Procedure affidabili per la verifica e la valutazione della compatibilità con la purezza dei materiali consentono un confronto oggettivo tra materiali. La procedura è standardizzata nella direttiva VDI 2083 Foglio 17. La standardizzazione ISO a livello internazionale si basa su questa direttiva VDI. Attraverso numerosi test sui materiali, si crea una vasta banca di conoscenze sulla compatibilità dei materiali con ambienti di produzione sensibili alla contaminazione. Sul sito www.tested-device.com e www.ipa-csm.com sono state create le prime banche dati pubbliche di materiali e utensili idonei alle camere bianche e all'igiene, sviluppate dall'Istituto Fraunhofer IPA. I materiali e i risultati disponibili al pubblico possono essere consultati in qualsiasi momento. La selezione mirata di materiali per ambienti di produzione sensibili alla contaminazione è così già possibile nella fase di progettazione dell'ambiente di produzione. (vedi Fig. 10)

4. Bibliografia aggiuntiva

- Keller, Markus (2010): Emissioni di materiali idonei alle camere bianche. ReinRaumTechnik (Nr.3), pp. 14–17.

- Keller, Markus (2011): Resoconto incontro CSM 2011. ReinRaumTechnik 13 (Nr.2), p. 10.

- Keller, Markus (2012): Il tipo emergente di contaminazione. Inquinamento molecolare in camere bianche. ReinRaumTechnik 14 (Nr.3), pp. 24–26

- Keller, Markus; Gommel, Udo (2012): Ricerca sui sistemi di pavimentazione per camere bianche. TechnoPharm 2 (Nr.1), pp. 30–41.

- Keller, Markus; Gommel, Udo; Verl, Alexander (2012): Procedura di prova per determinare i tassi di emissione di VOC specifici del materiale e modello predittivo dei livelli di VOC in ambienti di produzione controllati. Chemical Engineering Transactions 30, pp. 301–306.

- Keller, Markus; Gommel, Udo (2013): Ricerca sui sistemi di pavimentazione igienici - emissione di particelle e VOC, resistenza chimica e biologica e pulibilità. In: EHEDG European Hygienic Engineering & Design Group (Hg.): EHEDG Yearbook 2013/2014. Francoforte: VDMA Verlag GmbH, pp. 30–41.