Emissioni di particelle e VOC di rivestimenti industriali a base di resina

Emissioni di particelle e VOC da pavimenti industriali a base di resina

La Sika Deutschland GmbH ha lanciato una nuova generazione di rivestimenti autolivellanti per pavimenti industriali a base di resine epossidiche bicomponenti. Sono stati sviluppati appositamente per le esigenze in ambienti di sala pulita. È stato realizzato un abbassamento delle emissioni molecolari – senza compromessi sulla resistenza meccanica e chimica – fino a un terzo rispetto ai rivestimenti epossidici tradizionali. La compatibilità con le sale pulite di questi sistemi di rivestimento è comprovata attraverso misurazioni delle emissioni di particelle dipendenti dal carico e classificazioni ISO basate su tali dati.

1. Sale pulite e aree pure

Le tendenze verso la miniaturizzazione dei componenti tecnici – come ad esempio la riduzione delle larghezze di struttura dei componenti elettronici nell’industria dei semiconduttori – e l’aumento delle richieste di qualità del prodotto in campo medico, alimentare e farmaceutico, portano a requisiti sempre più elevati nei processi di produzione e nei loro ambienti. Ne deriva la necessità di operare in condizioni di “purezza”, cioè di mantenere le concentrazioni di contaminanti particellari e molecolari, che possono influire negativamente sul processo produttivo o sulla qualità del prodotto, a livelli molto bassi. In sale pulite e aree correlate, le concentrazioni di particelle aerotrasportate e di contaminanti molecolari aerotrasportati (airborne molecular contaminations, AMC) sono fattori chiave di purezza regolati mediante misure costruttive. Oltre alla filtrazione, parametri come temperatura, umidità, pressione e tasso di ricambio dell’aria sono rilevanti per mantenere le contaminazioni a livelli richiesti. Sebbene l’importanza relativa dei vari fattori di purezza possa variare tra i settori, si osserva in generale un crescente interesse per materiali compatibili con ambienti di alta purezza. Una classificazione fondamentale delle sale pulite dipende dalla purezza dell’aria in termini di particelle e viene indicata secondo DIN EN ISO 14644 [1] in classi ISO. La quantità e la dimensione delle particelle sono decisive. Il valore complessivo della concentrazione di contaminanti molecolari aerotrasportati di una singola specie o famiglia di contaminanti determina la classificazione nelle classi ISO-AMC.

2. Emissioni molecolari da rivestimenti per pavimenti industriali

Sostanze volatili provenienti da materiali o dall’ambiente di produzione, inclusi i rivestimenti per pavimenti industriali, possono rappresentare un rischio di contaminazione. È noto che la deposizione di composti organofosforici e ammine terziarie sui wafer può causare danni. Tuttavia, sono poche le conoscenze sugli effetti di altre sostanze. Attualmente si procede riducendo le emissioni complessive al minimo, oltre a escludere i principali emettitori problematici. È quindi necessario caratterizzare i materiali con analisi adeguate riguardo alle loro emissioni molecolari, in relazione alle problematiche specifiche.

2.1 Analisi VOC-/AMC

Le tecniche GC/MS e GC/MS-FID sono consolidate per l’analisi VOC/AMC. Le metodologie di misurazione delle emissioni, intese come campionamento e analisi, sono molteplici. Anche la norma DIN EN ISO 14644 non chiarisce questa questione, non specificando procedure analitiche precise. Spesso si utilizzano metodi di misurazione interni, altamente specializzati e poco noti ai fornitori di materiali per sale pulite. Di seguito vengono brevemente descritte alcune tecniche di misurazione: nella prova con camera di emissione (Fig.1), si inserisce un campione in una camera e si misura la sua emissione sotto parametri controllati come tasso di ricambio dell’aria, umidità, velocità dell’aria, temperatura (solitamente 23°C) e carico ambientale. L’atmosfera della camera di emissione viene raccolta su un adsorbente, che viene poi analizzato tramite termodesorbimento-GC/MS (TD-GC/MS). Contestualmente, si può monitorare l’emissione totale durante la prova con un FID online, per verificare i risultati della analisi TD-GC/MS. Il metodo di estrazione termica (Fig.2), che analizza piccole porzioni di campione in geometrie definite e con flusso d’aria controllato a temperatura ambiente, è simile a quello della camera di emissione. La termodesorbimento per l’analisi delle emissioni di gas da materiali è molto diffusa. In questo procedimento, una piccola quantità di campione – di solito pochi milligrammi – viene analizzata direttamente tramite TD-GC/MS (Fig.3). Temperature di campionamento elevate, come 90°C descritte in norme come VDA 278 [2], sono comuni. In tali analisi, che operano a temperature elevate, l’obiettivo non è tanto valutare il comportamento di emissione durante l’uso, quanto il “total outgassing”. Si tratta di individuare e identificare le componenti che, in linea di principio, possono fuoriuscire da un materiale e causare contaminazioni molecolari aerotrasportate dannose per il processo. Per rivestimenti di pavimenti, tali tecniche ad alta temperatura, che operano a temperature ben superiori a quelle di utilizzo, rappresentano una sfida. La temperatura di campionamento supera di molto la temperatura di transizione vetrosa del rivestimento, modificandone le proprietà. Quando si preleva un campione sotto forma di spanna da un supporto, il problema delle superfici aperte è rilevante: l’emissione avviene su superfici non definite del campione, mentre in condizioni reali di installazione di un pavimento l’emissione VOC avviene solo dalla superficie.

2.2 Principali emettitori e riduzione delle emissioni

Può sembrare sorprendente che anche rivestimenti privi di solventi, considerati all’avanguardia, debbano essere sviluppati per rispondere a requisiti crescenti di VOC. La definizione di solvente e VOC non è identica: secondo TRGS 610 [4], un solvente è una sostanza organica volatile con punto di ebollizione (a pressione normale) ≤ 200°C, mentre la definizione di VOC comprende tutte le sostanze organiche volatili con punto di ebollizione ≤ 250°C [5]. Inoltre, spesso solo il gestore della sala pulita conosce quali siano gli emettitori problematici nel suo processo. La emissione di VOC da rivestimenti epossidici bicomponenti è principalmente influenzata dal benzilalcool. Le impurità introdotte come reattivatori, come alcoli a catena lunga, e le quantità di “veri” solventi introdotte tramite additivi, non sono determinanti [3]. Le principali correlazioni e possibilità di controllo delle emissioni di benzilalcool sono illustrate dalla curva di sistema di una formulazione modello, in cui si varia il contenuto di benzilalcool e si misura l’emissione a 90°C tramite TD-GC/MS. È stato riscontrato che esiste una relazione lineare tra contenuto di benzilalcool, temperatura di transizione vetrosa e emissione di benzilalcool (Fig. 4). Con una riformulazione mirata, è possibile ridurre il contenuto di benzilalcool e sviluppare rivestimenti a emissioni ridotte, pronti per il mercato. Con mantenimento pressoché invariato delle caratteristiche di applicazione, le nuove formulazioni possono ridurre le emissioni totali a un terzo o meno rispetto ai prodotti standard.

3. Emissione di particelle e misurazione

Quando si verifica usura sotto sollecitazione meccanica di materiali o componenti, si generano particelle. Questo vale anche per i rivestimenti di pavimenti industriali, soggetti a sollecitazioni come il transito di carrelli elevatori o l’attrito di rotelle di sedie. Finora, nel mondo non esisteva un metodo standardizzato per valutare la compatibilità di materiali con ambienti di sala pulita. Il consorzio industriale Cleanroom Suitable Materials (CSM), promosso dall’Istituto Fraunhofer per la produzione e automazione, si occupa di queste problematiche [6]. La Sika Deutschland GmbH è membro di CSM dal 2005. L’Istituto Fraunhofer IPA ha sviluppato il banco di prova Material Inspec (Fig.6), che consente di eseguire test standardizzati di emissione di particelle da diverse combinazioni di materiali. In questo modo si può valutare la compatibilità di materiali per ambienti di sala pulita e confrontare diverse coppie di materiali. Dai risultati si può trarre una valutazione delle emissioni di particelle in relazione alle classi di purezza dell’aria secondo EN ISO 14644-1. Per lo studio dei materiali di rivestimento di pavimenti, è particolarmente utile il cosiddetto test rotella-dischetto (Fig. 7), che simula il carico di superfici di pavimenti o rivestimenti da parte di veicoli mobili. La prova utilizza una piastra di alluminio rivestita con il materiale da testare, contro cui si preme una ruota in poliammide con forza normale definita. Le particelle generate sotto carico vengono misurate continuamente con un conta-particelle ottico. Dai test si ottengono informazioni sulla caratterizzazione del comportamento di emissione, sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle emesse e sul numero assoluto di particelle, utili per la classificazione ISO.

4. Conclusioni

Attraverso sviluppi mirati, anche materiali da costruzione come i rivestimenti per pavimenti possono contribuire a ridurre le contaminazioni molecolari aerotrasportate e le emissioni di particelle. In particolare, lo sviluppo di rivestimenti a basse emissioni di epoxidi bicomponenti rappresenta una sfida, poiché il componente più critico dal punto di vista formulativo, il benzilalcool, deve essere evitato come principale fonte di emissione. Sono stati già realizzati ulteriori progressi verso rivestimenti di epoxidi bicomponenti quasi privi di VOC, che sono stati portati sul mercato grazie a tecnologie completamente nuove. Il metodo standardizzato per la misurazione delle emissioni di particelle da materiali, sviluppato dal consorzio Cleanroom Suitable Materials (CSM), è applicabile anche ai sistemi di rivestimento per pavimenti. Per la prima volta, è possibile studiare e caratterizzare in modo oggettivo le emissioni di particelle di rivestimenti per pavimenti. I risultati delle misurazioni consentono di classificare direttamente i materiali secondo le classi ISO. Ciò garantisce trasparenza e permette agli utenti di confrontare diversi materiali e prodotti sulla base di dati oggettivi. Il nuovo rivestimento Sikafloor 266 CR è già stato testato con successo per emissioni e fuoriuscite di particelle, ricevendo la certificazione di compatibilità con ambienti di sala pulita dal Fraunhofer IPA.

Bibliografia
[1] DIN EN ISO 14644: Ambienti controllati e aree correlate
[2] VDA 278 (edizione 2002-09) Analisi di termodesorbimento delle emissioni organiche per la caratterizzazione di materiali non metallici per autoveicoli
[3] C. Zilg, J. Grötzinger: “Riduzione VOC nei rivestimenti industriali per pavimenti a base di resine: principali emettitori, loro individuazione e prevenzione”; 6° Colloquio Internazionale sui Rivestimenti Industriali ’07; Accademia Tecnica di Esslingen
[4] Regola tecnica per le sostanze pericolose 610 – Sostituti e metodi alternativi per primer e adesivi a base di solventi forti per il settore pavimenti, edizione marzo 1998 BArGBl. Heft 5/1998
[5] Seifert, B. (1999): Valori di riferimento per l’aria interna: TVOC. Bundesgesundheitsblatt 42(3), 270-278
[6] Dott. Ing. Udo Gommel, Fraunhofer IPA; Dipartimento di microproduzione e produzione pulita, Telefono: +49(0)711/970-1633, E-mail: udo.gommel@ipa.fraunhofer.de