Selezione sistematica dei materiali per applicazioni in ambienti sterili

Figura 1: Vista della camera di prova aperta del PET con sonda integrata (©: Materiales GmbH)

Tabella 1: Panoramica settoriale delle tipologie di contaminazione critiche, adattata da [1]

Figura 2: Risultati di una misurazione dell'inquinamento da particelle di un campione di PEEK utilizzando il tribometro per l'emissione di particelle (qui a titolo di esempio con le particelle di dimensione > 0,3 μm)

La selezione dei materiali è uno dei passaggi decisivi nell'ingegneria. In un'epoca in cui applicazioni sempre più complesse e impegnative pongono requisiti sempre più elevati sui materiali impiegati, la loro scelta accurata diventa una sfida complessa. Il processo di selezione dei materiali comprende un'analisi sistematica, nella quale inizialmente si elabora una panoramica completa delle condizioni a cui il materiale sarà sottoposto durante l'uso. Nel Requirements Engineering, oltre agli aspetti tecnici, giocano un ruolo centrale anche fattori ecologici ed economici. Sulla base di questo documento di requisiti, vengono ricercati e identificati materiali idonei, che presentino sia un'adeguatezza tecnica sia la possibilità di una produzione economica dei componenti. Da questa vasta preselezione, attraverso test sui materiali selezionati, emergono i candidati più promettenti che si qualificano infine in prove applicative o test sul campo.

Mentre funzionalità, economicità e sostenibilità dei materiali rappresentano i fattori determinanti per le applicazioni ingegneristiche tradizionali, la purezza dei materiali rappresenta un requisito aggiuntivo e imprescindibile per applicazioni sensibili alle contaminazioni. Perciò, deve essere considerata nei processi di selezione.

Le serie ISO 14644 e VDI 2083 descrivono requisiti e regole per il funzionamento delle camere bianche. In particolare, la pagina 17 della VDI 2083 descrive procedure standardizzate per garantire diversi aspetti della compatibilità con la purezza dei materiali. [1] I parametri considerati includono il comportamento di emissione di particelle, il rilascio di gas, lo scarico elettrostatico (ESD), la resistenza chimica e alla corrosione, nonché la facilità di pulizia. In Tabella 1 è presentata una panoramica delle esigenze settoriali relative ai tipi di contaminazione e alla loro importanza relativa.

I seguenti paragrafi descrivono i diversi tipi di contaminazione, i metodi e le possibilità di loro valutazione nel quadro della selezione dei materiali.

Emissione di particelle

La qualità dell'aria secondo DIN EN ISO 14644-1 definisce le classi di camere bianche in funzione del contenuto di particelle nell'aria. I materiali possono generalmente ospitare particelle sulla loro superficie, provenienti dalla produzione o dall'aria circostante. In particolare nel caso di componenti in cui le superfici si trovano relativamente tra loro, si verifica l'emissione di nuove particelle. L'entità della formazione di particelle dipende da vari fattori, tra cui la combinazione di materiali, la conformazione superficiale, o il carico, il tipo e la velocità del movimento.

Una possibilità di confronto relativo dell'emissione di particelle sotto carichi e velocità definiti è offerta dal tribometro per emissione di particelle (PET), sviluppato dalla Materiales GmbH in collaborazione con il Centro di Competenza Tribologia di Mannheim (vedi Figura 1). Questa apparecchiatura tribologica può essere utilizzata in configurazione ball-on-disc o pin-on-disc. La semplicità geometrica dei campioni permette di confrontare teoricamente qualsiasi combinazione di materiali. Il principio di prova semplice consente di variare carico e velocità per avvicinarsi a condizioni di carico reali. Le particelle vengono generate in un ambiente sigillato e convogliate tramite aria compressa in un contatore di particelle, che registra sei diverse dimensioni di particelle (>0,3 μm, >0,5 μm, >1,0 μm, >3,0 μm, >5,0 μm e >10 μm). Dalla totalità delle particelle trasportate in un determinato intervallo di tempo attraverso un volume d'aria prefissato, si può determinare la classificazione in una classe di camera bianca.

Figura 2 mostra un esempio di risultati di misurazione di un campione in polietereterchetone (PEEK) per particelle con diametro > 0,3 μm. Si vede la misurazione di riferimento registrata e la formazione di particelle della misurazione effettiva, una combinazione di materiali composta da PEEK e acciaio inossidabile 1.4125, con un carico di 25 N e una velocità di 30 rpm.

Rilascio di gas („Outgassing“)

Oltre alle contaminazioni particellari, anche le contaminazioni chimiche possono essere causa di mancanza di compatibilità con ambienti di camere bianche. Il termine "Outgassing" indica il rilascio di sostanze volatili, spesso organiche (VOC), da materiali, come ad esempio i ftalati, silossani o ammine, frequentemente usati come additivi e plastificanti. L'outgassing riguarda spesso materiali organici come colle, sigillanti o rivestimenti. Anche l'outgassing può contaminare sistemi tecnici e danneggiarli. Le sostanze rilasciate possono depositarsi sulle superfici, compromettendo, ad esempio, la funzionalità di apparecchiature sensibili e in particolare di sistemi ottici. Inoltre, l'outgassing può causare inquinamento atmosferico in ambienti interni o aumenti di pressione in camere bianche e ambienti sottovuoto, influendo negativamente sulla qualità e sulla produttività dei prodotti. [2, 3]

A seconda del settore e dell'applicazione, variano i metodi di indagine impiegati. La VDA 278 [4] è una norma sviluppata dall'Associazione dell'Industria Automobilistica per determinare la quota di sostanze volatili condensabili e non condensabili rilasciate da materiali non metallici. Essa rappresenta, nella sua forma originale, un metodo standard per garantire la qualità dell'aria negli interni dei veicoli. Durante il test, un campione viene riscaldato in un tubo di desorbimento per un periodo definito. La temperatura e la durata sono definite dalla VDA 278, ma possono essere adattate a requisiti specifici. Un flusso di gas portatore trasporta le sostanze volatili in una trappola refrigerante, dove si concentrano. Successivamente, la trappola viene riscaldata: le sostanze evaporano e vengono sottoposte a separazione gascromatografica accoppiata a uno spettrometro di massa (GC-MS). Questo metodo permette non solo di determinare la quantità di sostanze rilasciate, ma anche di identificare le singole sostanze chimiche. La norma ASTM E595 è una norma del Comitato ASTM per la simulazione spaziale e le applicazioni della tecnologia spaziale. Requisiti simili sono riportati anche dalla European Cooperation for Space Standardization (ECSS) sotto ECSS-Q-ST-70-02C. La strumentazione di misura, specificamente calibrata, riscalda i materiali da analizzare in vuoto a 125 °C per 24 ore, registrando la perdita di massa. Inoltre, determina la quota di specie condensabili e non condensabili e l'assorbimento di vapore acqueo da parte del materiale analizzato.

Un terzo metodo di valutazione dell'outgassing è rappresentato dall'analisi delle tracce di gas residui (RGA).

Questo metodo di misura determina l'outgassing di un materiale a temperatura ambiente e in vuoto tramite ionizzazione delle sostanze rilasciate. Il rilevatore di ioni identifica gli ioni e i loro schemi di frammentazione, consentendo di riconoscere le sostanze neutre. Conoscendo la composizione del materiale, si possono applicare coefficienti di calibrazione per determinare la composizione relativa. La soglia di rilevabilità è di 3 ng/cm³.

Scarica elettrostatica (ESD)

Ovunque le contaminazioni particellari rappresentino un problema, è essenziale conoscere le proprietà elettrostatiche dei materiali impiegati. Se in un'applicazione si verifica attrito tra materiali o un campo elettrico agisce sui materiali, può verificarsi un accumulo elettrostatico. Ciò porta all'adesione di particelle sulla superficie del materiale e, successivamente, alla loro emissione incontrollata durante l'uso. A seconda dell'applicazione, è necessario distinguere tra materiali antistatici, conduttivi, dissipativi ed isolanti elettrostaticamente. A tal fine, si determinano parametri come la resistenza superficiale o la resistenza di passaggio secondo DIN EN 61340-5-1, DIN EN 1081 o SEMI E78-0309.

Resistenza chimica e alla corrosione

Nei vari processi svolti in camere bianche o per la pulizia di prodotti o assemblaggi, i materiali sono sottoposti a diversi media e sostanze. Perciò, la VDI 2083 foglio 17 considera l'aspetto della resistenza chimica e del comportamento alla corrosione dei materiali. Per il test, i materiali vengono immersi in una sostanza chimica per un tempo definito e successivamente esaminati per eventuali variazioni. La valutazione si basa generalmente su caratteristiche visive secondo DIN EN ISO 2812-1 o DIN EN. Possono essere valutate anche variazioni delle proprietà del materiale, come durezza o resistenza alla trazione. La definizione delle condizioni di prova non segue una norma specifica, ma viene stabilita in base alle esigenze applicative.

Reinseribilità