Deeltjes- en VOC-emissies van op hars gebaseerde industriële vloeren

De Sika Deutschland GmbH bracht een nieuwe generatie zelfverloopende industriële vloercoatings op de markt, gebaseerd op tweedelige epoxyharsen. Ze zijn speciaal ontwikkeld voor de eisen in cleanrooms. Daarbij is een vermindering van de moleculaire emissie – zonder in te boeten aan mechanische en chemische belastbaarheid – gerealiseerd tot een derde ten opzichte van conventionele epoxyharscoatings. De geschiktheid voor cleanrooms van deze coatingsystemen is bewezen door belastingsafhankelijke deeltjesemissiemetingen en daarop gebaseerde ISO-classificatie.

1. Cleanrooms en schone ruimtes

De trends naar miniaturisering van technische componenten – zoals bijvoorbeeld de verkleining van de structuurbreedte van elektronische onderdelen in de halfgeleiderindustrie – en de toenemende eisen aan productkwaliteit in medische technologie, voedsel- en farmaceutische industrie leiden tot voortdurend groeiende eisen aan productieprocessen en hun omgeving. Hieruit volgt de noodzaak om onder ‘schone’ omstandigheden te produceren, dat wil zeggen dat partikulaire en moleculaire verontreinigingen, die een negatieve invloed kunnen hebben op het productieproces of de productkwaliteit, op een meestal zeer laag niveau gehouden moeten worden. In cleanrooms en daaraan gekoppelde schone gebieden zijn de concentraties van zwevende deeltjes en zwevende moleculaire verontreinigingen (airborne molecular contaminations, AMC) belangrijke reinheidsfactoren, die door middel van constructieve maatregelen gereguleerd worden. Naast filtering zijn temperatuur, vochtigheid, druk en luchtverversingssnelheid relevante parameters om contaminaties op het vereiste lage niveau te houden. Hoewel de prioriteit van de verschillende reinheidsfactoren afhankelijk is van de branche, is een toenemende betekenis van materialen die geschikt zijn voor reinheid algemeen waarneembaar. Een belangrijk aspect van de classificatie van cleanrooms hangt af van de deeltjesreinheid van de lucht en wordt volgens DIN EN ISO 14644 [1] weergegeven in ISO-klassen. Hierbij spelen het aantal en de grootte van de deeltjes de doorslaggevende rol. De totale waarde van de zwevende moleculaire concentratie van een enkele soort of een contaminantfamilie bepaalt de classificatie in ISO-AMC-klassen.

2. Moleculaire emissies van industriële vloeren

vluchtige stoffen uit materialen of uit materialen van de productieomgeving, waaronder ook industriële vloeren, kunnen in principe een contaminatierisico vormen. Het is bekend dat de afzetting van organofosforverbindingen en tertiaire amines op wafers schade veroorzaakt. Echter, bijna geen kennis is er over de effecten van andere stoffen. Momenteel wordt daarom geprobeerd, naast het uitsluiten van bekende problematische emissiebronnen, de totale emissie tot een minimum te beperken. Dit maakt het noodzakelijk om materialen te karakteriseren op moleculaire emissies met analytische methoden die aansluiten bij de probleemstelling.

2.1 VOC-/AMC-analyse

De methoden GC/MS en GC/MS-FID zijn vastgesteld als analysemethoden voor VOC-/AMC-analyse. De procedures voor emissiemeting, in bredere zin dus het bemonsteren en het toedienen van monsters, zijn echter divers. Ook de DIN EN ISO 14644 biedt hierin geen duidelijkheid, omdat geen concreet analyseproces wordt voorgeschreven. Vaak worden interne meetmethoden gebruikt die specifiek afgestemd zijn op vragen uit het productieproces en voor de materiaalleverancier voor de cleanroom grotendeels onbekend zijn. Hieronder worden enkele meetmethoden kort beschreven: Bij de emissiekamermeting (Fig.1) wordt een proefstuk in een kamer geplaatst en de emissie onder precies gedefinieerde en gecontroleerde parameters gemeten, zoals luchtverversingssnelheid, -vochtigheid, -snelheid, temperatuur (meestal 23°C) en kamerlading. De atmosfeer in de emissiekamer wordt verzameld op een adsorptiemiddel en vervolgens geanalyseerd met thermodesorptie-GC/MS (TD-GC/MS). Tegelijkertijd kunnen de totale emissie tijdens de testkamermeting worden geregistreerd met een online FID, waarmee de resultaten van de TD-GC/MS-analyses kunnen worden geverifieerd. Het thermische extractieproces (Fig.2), waarbij kleine monsters in een gecontroleerde geometrie en met gecontroleerde luchtstroom bij kamertemperatuur worden onderzocht, is qua principe vergelijkbaar met een emissiekamer. Thermodesorptie voor de analyse van materiaaluitgasingen is eveneens algemeen toegepast. Bij deze methode wordt een klein deel van het proefstuk – gewoonlijk enkele milligrammen – direct geanalyseerd met thermodesorptie-GC/MS (Fig.3). Relatief hoge monster temperaturen van 90°C, zoals beschreven in bijvoorbeeld VDA 278 [2], komen vaak voor. Bij dergelijke analysemethoden, die deels bij sterk verhoogde temperaturen werken, ligt de focus minder op het emissiegedrag van materialen tijdens gebruik, maar meer op de ‘total outgassing’. Hierbij worden de componenten gedetecteerd en geïdentificeerd die in principe uit het materiaal uitgassen en mogelijk processchadelijk kunnen zijn als ‘airborne molecular contaminations’. Voor vloercoatings vormen dergelijke hoge-temperatuurprocedures, waarbij de testtemperatuur ver boven de gebruikstemperatuur ligt, een zware test. De monsters worden bij temperaturen die ver boven de glasovergangstemperatuur van de coating liggen, gemeten, waardoor de materiaaleigenschappen drastisch veranderen. Bij deze methoden, waarbij het monster wordt genomen in de vorm van een span uit een proefstuk, speelt de problematiek van open randen een grote rol. De emissie vindt in dergelijke gevallen plaats via een ongedefinieerd oppervlak van het proefstuk, terwijl in de praktijk bij ingebruikname van een vloercoating de VOC-emissie alleen via het oppervlak kan plaatsvinden [3].

2.2 Hoofdemittenten en emissiereductie

Het lijkt aanvankelijk onbegrijpelijk dat zelfs oplosmiddelvrije coatings, die de stand van de techniek vertegenwoordigen, ontwikkeld moeten worden om te voldoen aan toenemende VOC-eisen. Want enerzijds zijn de definities van oplosmiddel en VOC niet gelijk: in TRGS 610 [4] wordt een oplosmiddel gedefinieerd als een vluchtige organische verbinding met een kookpunt (bij normale druk) van ≤ 200°C, terwijl de VOC-definitie in principe alle vluchtige organische verbindingen met een kookpunt van ≤ 250°C omvat [5]. Anderzijds kent vaak alleen de cleanroombeheerder zelf de emissiebronnen die storend zijn in zijn proces. De VOC-emissie van tweedelige epoxyharscoatings wordt vooral bepaald door benzylalcohol. Verontreinigingen die via reactieve verdunners in lange-keten alcoholen worden ingebracht en door additieven geïntroduceerde hoeveelheden ‘echte’ oplosmiddelen zijn niet doorslaggevend [3]. De belangrijkste verbanden en invloedsmogelijkheden op de emissie van benzylalcohol worden weergegeven door de systeemkenlijn van een modelformulering. Hier werd de benzylalcoholgehalte variërend en de emissies telkens bij 90°C bepaald met TD-GC/MS. Zo kan voor industriële tweedelige epoxyharsvloercoatings een lineair verband worden vastgesteld tussen benzylalcoholgehalte, glasovergangstemperatuur en benzylalcoholemissie (Fig. 4). Door gerichte herformuleringen is het mogelijk om het benzylalcoholgehalte te verminderen en emissiereducerende, marktklare tweedelige epoxyharsvloercoatings te ontwikkelen. Met behoud van de gebruikelijke applicatie-eigenschappen kan de totale emissie van deze nieuwe producten worden teruggebracht tot een derde tot een derde van de huidige standaardproducten.

3. Deeltjesemissie en de meting daarvan

Wanneer onder mechanische belasting van materialen of onderdelen slijtage ontstaat, vormen deze een bron voor deeltjesemissies. Dit geldt uiteraard ook voor industriële vloeren, waarbij typische belastingscenario’s zoals het rijden met heftrucks of slijtage door stoelwielen leiden tot de vorming van deeltjes. Tot nu toe was er wereldwijd geen gestandaardiseerde methode beschikbaar om de reinheidsgeschiktheid van materialen te bepalen. Het industriële consortium Cleanroom Suitable Materials (CSM), opgericht door het Fraunhofer Institut voor Productietechniek en Automatisering – kortweg Fraunhofer IPA – houdt zich bezig met deze vraagstukken [6]. De Fraunhofer IPA heeft de testopstelling Material Inspec (Fig.6) ontwikkeld, waarmee gestandaardiseerde deeltjesemissietests voor diverse materiaalpaarcombinaties kunnen worden uitgevoerd. Hiermee kan de geschiktheid van materialen voor cleanrooms worden beoordeeld en kunnen verschillende materiaalpaarcombinaties worden vergeleken. Op basis van de meetresultaten is dan een beoordeling van de deeltjesemissie mogelijk in relatie tot de luchtkwaliteitsklassen volgens EN ISO 14644-1. Voor de studie van vloermaterialen is de zogenaamde rol-schijf-test (Fig. 7) bijzonder geschikt. Deze test simuleert de belasting van vloercoatings of -bedekkingen door rijdend materieel. Het basisstuk bestaat uit een aluminium schijf die is bedekt met het te onderzoeken vloeroppervlak. Het tegenstuk bestaat uit een polyamidewiel dat met een vaste normalkracht op de roterende schijf wordt gedrukt. De onder belasting gegenereerde deeltjes worden continu gemeten met een optische deeltjescounter. Uit de tests kunnen inzichten worden verkregen over het deeltjesemissiegedrag, de grootteverdeling van de geëmitteerde deeltjes en het absolute aantal geëmitteerde deeltjes, waarmee de ISO-classificatie wordt bepaald.

4. Conclusie

Gerichte nieuwe ontwikkelingen kunnen er ook voor bouwmaterialen zoals vloercoatings aan bijdragen om de luchtgedragen moleculaire contaminatie en deeltjesemissie te verminderen. Vooral de ontwikkeling van emissiearme tweedelige epoxyharsvloercoatings vormt een bijzondere uitdaging, omdat daarbij de formuleringstechnisch uiterst belangrijke grondstof benzylalcohol als hoofdemittent vermeden moet worden. Verdere ontwikkelingsstappen richting bijna VOC-vrije tweedelige epoxyharsvloercoatings zijn al gerealiseerd en in marktklare producten omgezet, waarbij volledig nieuwe technologieën werden toegepast. De in het industriële consortium Cleanroom Suitable Materials (CSM) ontwikkelde gestandaardiseerde methode voor deeltjesemissiemeting van materialen is ook toepasbaar op vloercoatingsystemen. Hierdoor is het voor het eerst mogelijk om de deeltjesemissie van vloercoatings te onderzoeken en belastingsafhankelijk te karakteriseren. De resultaten van de deeltjesemissiemeting maken een directe indeling van materialen in ISO-klassen mogelijk. Hiermee wordt transparantie gecreëerd, waardoor de gebruiker de mogelijkheid krijgt om verschillende materialen en producten op basis van objectieve meetresultaten met elkaar te vergelijken. De nieuwe Sikafloor 266 CR is al succesvol onderzocht op uitgasvorming en deeltjesemissie en door het Fraunhofer IPA gecertificeerd als cleanroomgeschikte vloercoating.

Literatuur
[1] DIN EN ISO 14644: Cleanrooms en aangrenzende reinruimtegebieden[2] VDA 278 (uitgave 2002-09) Thermodesorptieanalyse van organische emissies ter karakterisering van niet-metallische auto-onderdelen[3] C. Zilg, J. Grötzinger: ‘VOC-reductie in harsgebaseerde industriële vloercoatings: hoofdemittenten, bepaling en voorkomen’; 6e Internationale Kolloquium Industriële Vloeren ’07; Technische Akademie Esslingen[4] Technische Regel voor Gevaarlijke Stoffen 610 – Vervangingsstoffen en vervangingsmethoden voor sterk oplosmiddelhoudende voorstrijklagen en lijmen voor de vloer, uitgave maart 1998 BArGBl. Heft 5/1998[5] Seifert, B. (1999): Richtwaarden voor binnenlucht: TVOC. Bundesgesundheitsblatt 42(3), 270-278[6] Dr.-Ing. Udo Gommel, Fraunhofer IPA; afdeling Reine en Mikroproductie, Telefoon: +49(0)711/970-1633, E-mail: udo.gommel@ipa.fraunhofer.de 

Als dochteronderneming van de wereldwijd opererende Sika AG, Baar/ Zwitserland, behoort de Sika Deutschland GmbH tot de toonaangevende leveranciers van bouwchemische productensystemen en industriële afdichtings- en lijmstoffen.