De invloed van kleding op de technische netheid

Figuur 2a: Opstelling; frame en voetplaat in Body-Box

Figuur 2b: Spanningsanalyse doek

Figuur 2c: De proefpersoon voert het bewegingsproces uit over het analysetoestel

Voorstelling van de nieuwe methode

Kledingssystemen

De juiste keuze: Bekledingssystemen in de Technische Zuiverheid – eerste Body-Box studie met vastlegging van een deeltjesgroottebereik ≥ 0,5 µm tot > 3.000 µm

Introductie van de nieuwe methode
In het volgende wordt de nieuwe methode gepresenteerd. Deze is gebaseerd op de Body-Box-meetmethode, die is afgestemd op de IEST-RP-CC003.4 en in 2004 bij Dastex is geïmplementeerd [6]. Deze methode is momenteel de enige meetmethode waarmee cleanroombekledingssystemen onder praktijkgerichte omstandigheden kunnen worden getest. In een pure ruimte met afmetingen van circa 1,20 x 1,20 x 2,40 m voert een proefpersoon met het te onderzoeken bekledingssysteem gedefinieerde bewegingspatronen uit. De daarbij gegenereerde deeltjes worden gedetecteerd met optische deeltjeszeters (OPZ) en dienovereenkomstig geëvalueerd.

In cleanroomomgevingen speelt de mens als bron van contaminatie een grote rol [8]. Het gewicht van de persoon mag niet worden onderschat, vooral in de zuiverheidsgebieden van de automobielindustrie [11]: het personeel kan niet alleen voor de productie, maar ook voor het eindproduct kritische, deels functionele of veiligheidsrelevante verontreinigingen veroorzaken. Zowel in cleanroom- als in zuiverheidsgebieden draagt een correct gekozen, op het proces en de specificaties afgestemd bekledingssysteem aanzienlijk bij aan het voorkomen van dergelijke verontreinigingen. Tot nu toe was er hiervoor noch een meetmethodiek, noch gegevens. In de interne onderzoeks- en ontwikkelingsafdeling van Dastex worden sinds 2004 Body-Box-studies uitgevoerd [6]. Deze worden gedaan voor interne vraagstukken of op verzoek van klanten. Tot nu toe betroffen deze onderwerpen zoals bijvoorbeeld wegwerp versus herbruikbaar [7], tussenbekleding, via kiemmetingen [9] en verouderingsstudies [10]. De focus lag tot nu toe op een deeltjesgroottebereik van ≥ 0,5 µm tot ≥ 10 µm (volgens DIN EN ISO 14644) en bij enkele studies op het vastleggen van de kiemgetallen met BioTrak en kiemzuilen (volgens GMP-richtlijn). Met de nu in samenwerking met CleanControlling GmbH ingevoerde methode wordt het deeltjesgroottebereik uitgebreid tot een deeltjesgrootte van ≥ 3.000 µm, waarmee een onderzoekskloof wordt gedicht (zie figuur 1). De Body-Box-meetmethode voor het gebied van Technische Zuiverheid volgens VDA Band 19 is in een eerste studie succesvol geïntroduceerd. De resultaten tonen duidelijk aan welke cleanroombekledingssystemen in de sector van de technische zuiverheid ingezet moeten worden.

Keuze van de geschikte deeltjesmeetmethode:

De detectie van deeltjes met optische deeltjeszeters is slechts betrouwbaar en toepasbaar tot een bepaalde deeltjesgrootte.

Redenen hiervoor zijn onder andere:

– Diverse fysische eigenschappen. Zwaartekrachtsinvloeden kunnen bij deeltjes ≥ 5 µm leiden tot sedimentatie [3]. Dit effect neemt onder andere toe bij toenemende leidinglengte of grotere deeltjesdiameters. Daarnaast kunnen door traagheid en turbulentie deeltjes verloren gaan [3]. Deeltjes > 100 µm sedimenteren op weg naar de OPZ en worden niet meegenomen in de telling.

– Bovendien is het met lichtverstrooiingstechniek niet mogelijk om dergelijke grote deeltjes te detecteren. De beschikbare apparaten op de markt kunnen maximaal deeltjes tot 500 µm (Luchtdeeltjeszeter Abakus® mobiel air LDS 2/2; 5 – 500 µm van Markus Klotz GmbH [5]) detecteren, mits de deeltjes ondanks de eerder genoemde invloeden in de meetkamer aankomen. Bij de apparaten van de heer Klotz is de meetkamer bijvoorbeeld direct achter de monstersonde geplaatst. Hierdoor hoeven de deeltjes niet eerst door een lange monsterslang, maar worden ze rechtstreeks in de meetkamer geleid.

– Optische deeltjeszeters worden over het algemeen gekalibreerd met monodisperse polystyrol-latexdeeltjes (PSL). PSL-deeltjes zijn ideaal rond. "Dat wil zeggen, alle aantallen en deeltjesgroottes die met een dergelijk gekalibreerd apparaat worden gemeten, verwijzen allemaal naar de diameter van PSL-deeltjes." [3]. Dit komt echter niet overeen met de natuurlijke vorm en voorkomen van deeltjes. Vooral vanaf een bepaalde grootte kunnen deeltjes duidelijk verschillende lengte- en breedte-uitbreidingen vertonen. De optische deeltjeszeter detecteert de deeltjes dan afhankelijk van de uitlijning en lichtinval en niet naar hun werkelijke grootte.

In de automobielindustrie wordt via de langste uitzetting (Feretmax) van een deeltje ook het "Worst Case-schadingspotentieel" gedefinieerd [12]. Daarom is de juiste meting van de deeltjes > 100 µm van groot belang.

Een meting met optische deeltjeszeters is daarom niet geschikt voor de detectie van deeltjes tot ≥ 3000 µm in de meetopstelling.

Bij de metingen met optische deeltjeszeters in de Body-Box werd de luchtstroom zodanig ingericht dat "een representatieve monstersampling wordt gegarandeerd" [6]. Dit geldt echter alleen voor de detectie van de kleine deeltjes. Redenen hiervoor (fysische eigenschappen) zijn reeds elders toegelicht. Bij de metingen van de kleinere deeltjes met OPZ is het daarom voldoende slechts een deelstroom te meten en het aantal dienovereenkomstig te extrapoleren naar het totale volume. Vanwege de natuurlijke grootteverdeling van deeltjes wordt een aanzienlijk lager aantal grote deeltjes verwacht. Bovendien zullen de grote deeltjes niet homogeen in de luchtstroom verdeeld zijn. Daarom wordt het onderzoeken van een deelstroom als niet voldoende beschouwd en wordt de totale hoeveelheid luchtstroom gefilterd, opgevangen en geëvalueerd. Om deeltjesverlies zoveel mogelijk te voorkomen, wordt de deeltjesfiltratie dicht bij en direct onder de deeltjesvorming geplaatst. Om rekening te houden met de eisen van de technische zuiverheid in de automobielindustrie, bestaat de analysemethode uit de deeltjesextractie van het filterdoek en de evaluatie volgens de standaard van de VDA19 deel 1.

Nieuw, geïntegreerd testproces in de Body-Box

Na zorgvuldige overweging van verschillende concepten werd uiteindelijk een aanpak verder verfijnd en geïmplementeerd. Zoals te zien in figuur 2a is een frame geïntegreerd in de Body-Box. Hierin wordt onder strenge zuiverheidseisen een gedefinieerd analysetuch gespannen (figuur 2b). Dit dient als vangfilter voor de deeltjes die door de proefpersoon/bekleding worden afgegeven. Het is zo ontworpen dat de luchtstroom slechts gering wordt beïnvloed en tegelijkertijd de deeltjes ≥ 15 µm betrouwbaar worden tegengehouden. De proefpersoon voert op een boven het analysetuch geplaatste trede de vereiste bewegingspatronen uit (figuur 2c). De proef wordt identiek uitgevoerd als bij andere studies. De proefpersoon betreedt de Body-Box en staat eerst vijf minuten, daarna loopt hij vijf minuten op de plaats. Vervolgens wordt de procedure herhaald en afgesloten met een stilstandfase van vijf minuten. Een gedetailleerde analyse van de loop- en staande fasen is met deze proefopzet niet mogelijk. Dit kan echter worden aangepast. Om te voorkomen dat deeltjes verloren gaan bij het verwijderen uit het analysetuch, wordt een vooraf vastgestelde vouwtechniek toegepast bij het losmaken. Daarna wordt het in een schone zak verpakt. Na duidelijke markering wordt het monster naar CleanControlling gestuurd voor extractie en evaluatie.

Na zorgvuldige verzending per koerier naar het Technische Zuiverheidslaboratorium van CleanControlling wordt het teststuk via de materiaalschleuse in de cleanroom ISO klasse 6 geïntroduceerd en voorbereid voor extractie.

Voor de deeltjesextractie van het uitgeklapte doek wordt een daarvoor geschikte grote extractiekamer gebruikt, die in de automobielindustrie wordt ingezet voor vrachtwagencilinderblokken. De extractiekamer heeft een via de nulmeting gedefinieerde en bekende zuiverheidsstatus. De beoordeling van de nulwaarde gebeurt volgens de voorschriften van VDA19 deel 1. Het filterdoek wordt dwars in de kamer gehangen en aan beide zijden gespoten met elk 20 liter koelreinigingsmiddel en een vastgesteld volumestroom. De testvloeistof wordt via een opvangtrechter naar de filterplaats geleid, waarin een maasfilter met een maaswijdte van 1 µm is geplaatst. Met behulp van vacuüm wordt de filtratie ondersteund. Na een spoelprocedure van de kamer kan het filter worden overgedragen voor microscopische analyse.

De microscopische analyse van de deeltjes op het analyzefilter wordt uitgevoerd met een stereolichtmicroscoop met automatische xy-voortgangtafel en de deeltjestellersoftware van JOMESA. Dit systeem is geparametreerd volgens de standaard evaluatie zoals voorgeschreven in VDA19 deel 1. De focus ligt op deeltjes > 50 µm en het meten van de deeltjeslengte volgens Feretmax om de grootste uitzetting van de deeltjes te kunnen bepalen. Metallische en niet-metallische deeltjes worden geteld en gemeten via een polarisatiefilter, evenals vezels die worden meegenomen op basis van lengte/breedte-factor.

Bij het richten op de grote deeltjes worden deze handmatig door de operator gecontroleerd via het livebeeld en indien nodig bewerkt. Vervolgens worden de grootste deeltjes visueel vastgelegd in het protocol. Het protocol met alle analysetoetsen wordt naar Dastex gestuurd voor verdere evaluatie.

Verwerking van de resultaten:

Voor de gehele studie wordt, vergelijkbaar met andere studies, gelijktijdig een optische deeltjeszeter gebruikt voor de detectie van deeltjes ≥ 0,5 – ≥ 10 µm. Voor de evaluatie en presentatie van de resultaten worden de deeltjesaantallen uit de extractie- en microscopische analyse, evenals die van de optische deeltjeszeters, eenduidig omgerekend naar deeltjes per minuut.

Een gedetailleerde beschrijving van de deeltjessoorten wordt in de resultaten van deze studie niet gegeven, omdat bij deze opzet niet met metallische deeltjes wordt gerekend. Bij toekomstige opdrachtstudies is dit echter zeer wel denkbaar, vooral wanneer reeds gedragen kleding wordt getest.

Resultaten en discussie:

Tabel 2 geeft een overzicht van de gedetecteerde deeltjesaantallen. De deeltjesgroottekanalen ≥ 0,5 – ≥ 10 µm werden gedetecteerd met het optische deeltjeszeters. De bereiken 15 – > 1.500 µm werden geëvalueerd via extractie en lichtoptisch proces.

Alleen al een blik op de analysefilters laat duidelijk het resultaat zien dat met cijfers kan worden onderbouwd: Het dragen van een overall boven straatkleding is niet voldoende. Hierdoor wordt, bij beschouwing van het gehele deeltjesgroottebereik, weliswaar een reductie van 63 % bereikt, maar de grote deeltjes vallen nog steeds eenvoudig uit het overall naar beneden. Dit verklaart de verbetering van slechts 4 – 17 % bij de deeltjesgroottebereiken > 100 µm en > 400 µm.

Wordt de straatkleding vervangen door een cleanroomtussenbekleding, dan wordt een veel hogere reductie tot wel 99 % bereikt. Een vergelijkbare reductie van de deeltjeswaarden wordt verkregen wanneer een overall van ION-NOSTAT LS Light 125.2 wordt gedragen boven de straatkleding. Bij dit zeer lage aantal deeltjes kan geen uitspraak worden gedaan over welke van de twee bekledingssystemen "beter" is. Beide tonen zeer goede resultaten, welk systeem in de betreffende productie moet worden ingezet, hangt af van verdere factoren die hier niet nader worden besproken.

Uit de beelden van de filterbezetting is bovendien af te leiden dat bij de microscopische analyse en controle de bijzondere uitdaging lag in het bewerken van de vele vezelvormige deeltjes, die deels in elkaar verstrengeld waren, zodat de telresultaten in de studie konden worden gebruikt voor betrouwbare zuiverheidsvergelijkingen.

In tabel 3 worden de deeltjesaantallen van de nieuwe toestand (nieuw) en de verouderingssimulatie (60x) tegenover elkaar gezet. De resultaten tonen aan dat de textielen na 60 decontaminatierondes net zo goed als in de nieuwe toestand het grootste deel van de deeltjes vasthouden, soms zelfs meer.

Zoals de kledingranglijst (Fig. 3) illustreert, werden met 0 – 6 deeltjes/minuut (afhankelijk van het deeltjesgroottebereik) bij gebruik van een overall van ION-NOSTATVI.2 in combinatie met een cleanroomtussenbekleding de minste deeltjes gedetecteerd. Dicht gevolgd door de waarden van het ION-NOSTAT LS Light 125.2 overall met 5 – 48 deeltjes/minuut (afhankelijk van het deeltjesgroottebereik). Tegelijkertijd biedt het textiel een zeer hoog draagcomfort. De straatkleding geeft zoals verwacht de meeste deeltjes af, met 59 resp. 198 deeltjes/minuut. Hierbij moet worden vermeld dat het hier gaat om een pas gewassen katoenen joggingpak dat alleen in de Body-Box werd gedragen. Bij normale straatkleding wordt een veel hogere partikelcontaminatie verwacht. Hier komen straatvuil, contaminaties van bijvoorbeeld huisdieren en vele andere factoren bij. Al deze deeltjes vallen onder het overall en de straatkleding, waardoor de deeltjeswaarden van straatkleding + overall met ca. 32 – 165 deeltjes/minuut ondanks het hoogwaardige textiel ION-NOSTAT VI.2 hoog blijven. Contaminaties die naar beneden vallen sedimenteren niet automatisch op de vloer en blijven daar zeker niet onbeweeglijk liggen. Afhankelijk van het type deeltje zweven deeltjes lang in de lucht. Door bewegingen (loopbewegingen van personeel, luchtstromen etc.) worden de deeltjes met de luchtstromen opgewerveld en kunnen zich op werkplekken en dus op de producten afzetten. Het gebruik van een straatkleding + overall-variant wordt daarom vanaf een bepaalde gewenste zuiverheid sterk afgeraden.

Conclusie en vooruitblik

De resultaten van de eerste studie tonen duidelijk aan welke bekledingssystemen voor welke gebieden moeten worden gekozen. Daarnaast wordt duidelijk welke invloed het textiel en de snit hebben op de zuiverheid. Afhankelijk van de specificatie van de individuele eisen kunnen verschillende bekledingssystemen de menselijke bron van contaminatie in clean- en cleanroomomgevingen beperken.

De ingevoerde meetmethode sluit de tot nu toe ontbrekende schakel en maakt het praktijkgericht bepalen van deeltjeswaarden tot een grootte van ≥ 3.000 µm mogelijk. Uit de gebruikte meetmethode volgt niet alleen een kwantitatieve evaluatie, maar indien nodig en zinvol ook een onderverdeling in de verschillende deeltjessoorten. Als een gebruiker besluit een studie uit te voeren met reeds gedragen kleding uit de productie, kunnen mogelijk conclusies worden getrokken over het verwijderen van metallische deeltjes door de decontaminatie. Het is goed mogelijk dat metallische deeltjes in de vezels blijven hangen en pas door beweging van de medewerker worden losgemaakt. Via zo'n studie kunnen bijvoorbeeld maximale draagcycli worden vastgesteld of het bekledingssysteem worden geoptimaliseerd op de meer belaste plekken.

________________________
Studie gepubliceerd in oktober 2022, issue 10 in het Tijdschrift voor Oppervlaktetechniek
link.springer.com/journal/35144/volumes-and-issues

________________________
Bronnen
[1] Dastex Reinraumzubehör GmbH & Co. KG (2019). ION-NOSTAT VI.2.
https://www.dastex.com/produktportfolio/oberbekleidung/gewebe-der-oberbekleidung-auf-einen-blick/ion-nostat-vi2/ [Geraadpleegd: 11.01.2021]
[2] Dastex Reinraumzubehör GmbH & Co. KG. (2019). ION-NOSTAT LS Light 125.2
https://www.dastex.com/produktportfolio/oberbekleidung/gewebe-der-oberbekleidung-auf-einen-blick/ion-nostat-ls-light-1252/ [Geraadpleegd: 11.01.2021]
[3] Hauptmann & Hohmann (1999). Handboek van de Reinraumpraktijk III – 2 Procesbewaking in Reinruimtes; Reinraumtechnologie S.18ff
[4] Jost, J. (2020). Implementatie en controle van een Bodybox-testmethode voor de detectie van deeltjes in het groottebereik van ≥ 15 tot ≥ 3.000 µm. Bachelor Thesis, Hochschule Albstadt-Sigmaringen, Fakultät Life Sciences.
[5] Markus Klotz GmbH. Technisch gegevensblad Luchtdeeltjeszeter Abakus® mobiel air. https://www.fa-klotz.de/partikelzaehler-wAssets/docs/abakus-mobil-air-de.pdf [Geraadpleegd: 11.01.2021]
[6] Moschner, C. & von Kahlden, T. (2004). Body-Box-Test: Een testmethode op de testbank. ReinRaumTechnik, 02, 38-39
[7] Moschner, C. (2006). Wegwerpbekleding – Werkelijk een alternatief voor wasbare textiele cleanroombekleding? ReinRaumTechnik 3, 28-31
[8] Moschner, C. (2010). Mens als contaminatiebron – Deeltjesemissie door mensen. ReinRaumTechnik, 01, 30-33
[9] Moschner, C. (2015). Kiembepalingen in de Body-Box. reinraum online, 04, 4-6
[10] Moschner, C. & Gaza, S. (2017). Verouderingsverschijnselen van steriele cleanroomkleding. ReinRaumTechnik, 1, 52-54
[11] Verband der Automobilindustrie e. V. (2010). Kwaliteitsmanagement in de automobielindustrie – Band 19 Deel 2 Technische Zuiverheid in de montage
[12] Verband der Automobilindustrie e. V. (2015). Kwaliteitsmanagement in de automobielindustrie – Band 19 Deel 1 Onderzoek naar de technische zuiverheid – Deeltjesverontreiniging van functioneel relevante automobielonderdelen