Emisje cząstek i lotnych związków organicznych z przemysłowych podłóg na bazie żywic

Firma Sika Deutschland GmbH wprowadziła na rynek nową generację samorozlewających się powłok przemysłowych na bazie dwuskładnikowych żywic epoksydowych. Zostały one specjalnie opracowane z myślą o wymaganiach w pomieszczeniach czystych. Przy tym udało się zredukować emisję molekularną ? bez utraty właściwości mechanicznych i chemicznych ? do jednej trzeciej w porównaniu z tradycyjnymi powłokami epoksydowymi. Przydatność tych systemów powłok do pomieszczeń czystych została potwierdzona poprzez pomiary emisji cząstek zależnych od obciążenia oraz na ich podstawie klasyfikację ISO.

1. Pomieszczenia czyste i obszary czyste

Trendy w miniaturyzacji elementów technicznych ? takich jak zmniejszanie szerokości struktur elementów elektronicznych w przemyśle półprzewodnikowym ? oraz rosnące wymagania dotyczące jakości produktów w medycynie, przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, prowadzą do coraz wyższych wymagań wobec procesów produkcyjnych i ich otoczenia. Wynikiem tego jest konieczność produkcji w warunkach „czystych”, czyli utrzymanie poziomu czystości na bardzo niskim poziomie, aby ograniczyć cząstki i cząsteczki molekularne, które mogą negatywnie wpływać na proces produkcji lub jakość produktu. W pomieszczeniach czystych i powiązanych obszarach czystych koncentracje unoszonych w powietrzu cząstek i unoszonych w powietrzu cząsteczek molekularnych (airborne molecular contaminations, AMC) są kluczowymi wskaźnikami czystości, które są regulowane za pomocą środków konstrukcyjnych. Oprócz filtracji, istotne parametry to temperatura, wilgotność, ciśnienie i szybkość wymiany powietrza, aby utrzymać zanieczyszczenia na wymaganym niskim poziomie. Chociaż ważność różnych czynników czystości jest branżowo zróżnicowana, można ogólnie zaobserwować rosnące znaczenie materiałów odpowiednich do warunków czystych. Klasyfikacja pomieszczeń czystych zależy od czystości cząstek w powietrzu i jest określana według DIN EN ISO 14644 [1] w klasach ISO. Kluczową rolę odgrywają liczba i rozmiar cząstek. Całkowita wartość koncentracji unoszonych w powietrzu cząstek molekularnych jednej substancji lub rodziny zanieczyszczeń decyduje o klasyfikacji w klasach ISO-AMC.

2. Emisje molekularne powłok przemysłowych

Lotne substancje pochodzące z materiałów lub z materiałów otoczenia produkcyjnego, w tym także powłoki podłogowe przemysłowe, mogą zasadniczo stanowić ryzyko zanieczyszczenia. Wiadomo, że osadzanie się związków organofosforowych i trzeciorzędowych amin na waflach powoduje uszkodzenia. Jednak praktycznie nie ma dostępnych informacji o wpływie innych substancji. Obecnie dąży się do minimalizacji emisji, oprócz wykluczenia znanych problematycznych emitentów, poprzez ograniczenie całkowitej emisji do minimum. Wynika z tego konieczność charakteryzowania materiałów pod kątem ich emisji molekularnych przy użyciu odpowiednich metod analitycznych dostosowanych do problemu.

2.1 Analiza VOC / AMC

Metody GC/MS oraz GC/MS-FID są ustalonymi metodami analizy VOC / AMC. Metody pomiaru emisji, rozumiane szerzej jako pobieranie próbek i ich analiza, są różnorodne. Również DIN EN ISO 14644 nie precyzuje konkretnej metody analizy, ponieważ nie wskazuje konkretnego schematu badawczego. Często przeprowadza się własne, wewnętrzne metody pomiarowe, dostosowane do specyfiki danego procesu produkcyjnego i materiału dostarczanego do pomieszczeń czystych, które są dla dostawcy materiałów często nieznane. Poniżej krótko opisano niektóre metody pomiarowe: W pomiarze komory emisji (rys. 1) próbka jest umieszczana w komorze, a jej emisja jest mierzona w ściśle określonych i kontrolowanych warunkach, takich jak szybkość wymiany powietrza, wilgotność, prędkość powietrza, temperatura (zwykle 23°C) i obciążenie pomieszczenia. Atmosfera w komorze emisji jest zbierana na adsorbencie, który następnie jest analizowany za pomocą termodesorpcji-GC/MS (TD-GC/MS). Równocześnie można rejestrować całkowitą emisję podczas pomiaru w komorze za pomocą online-FID, co pozwala na weryfikację wyników analizy TD-GC/MS. Metoda termicznej ekstrakcji (rys. 2), polegająca na badaniu małych próbek w określonej geometrii i kontrolowanym przepływie powietrza w temperaturze pokojowej, jest zasadniczo podobna do pomiaru w komorze emisji. Termodesorpcja do analizy emisji z materiałów jest również szeroko stosowana. W tej metodzie niewielka próbka próbki, zwykle kilka miligramów, jest analizowana bezpośrednio za pomocą TD-GC/MS (rys. 3). Temperatura próbki często sięga 90°C, co jest zgodne z opisem w VDA 278 [2]. W przypadku takich metod analitycznych, które pracują przy znacznie podwyższonych temperaturach, głównym celem jest wykrycie i identyfikacja składników odgazowujących z materiału, które mogą być szkodliwe jako zanieczyszczenia molekularne w procesie. Dla powłok podłogowych, w których temperatura próbki jest znacznie wyższa od temperatury użytkowania, stanowi to poważne wyzwanie. Temperatura próbki, przy której przeprowadza się pomiary, jest znacznie wyższa od temperatury przejścia szklistego powłoki, co powoduje drastyczne zmiany właściwości materiału. W przypadku prób pobieranych w formie pręta z próbki, istotne jest zagadnienie otwartych krawędzi. Emisja w takich przypadkach zachodzi przez nieokreśloną powierzchnię próbki, podczas gdy w rzeczywistych warunkach instalacji powłoki podłogowej emisja VOC odbywa się tylko przez jej powierzchnię [3].

2.2 Główni emitenci i redukcja emisji

Na pierwszy rzut oka może wydawać się niezrozumiałe, dlaczego nawet bezrozpuszczalnikowe powłoki, które stanowią obecnie technologię wiodącą, muszą być rozwijane w kierunku spełniania coraz wyższych wymagań dotyczących VOC. Po pierwsze, definicje rozpuszczalników i VOC nie są identyczne: zgodnie z TRGS 610 [4], rozpuszczalnik to lotna związek organiczny o temperaturze wrzenia (w warunkach normalnych) do 200°C, podczas gdy definicja VOC obejmuje zasadniczo wszystkie lotne związki organiczne o temperaturze wrzenia do 250°C [5]. Po drugie, często tylko operator pomieszczeń czystych zna emitentów, którzy mogą zakłócać proces. Emisja VOC z dwuskładnikowych powłok epoksydowych jest głównie determinowana przez benzylowy alkohol. Zanieczyszczenia wprowadzone do systemu przez reaktywne rozcieńczalniki zawierające długie łańcuchy alkoholowe oraz ilości „prawdziwych” rozpuszczalników dodawanych jako dodatki, nie mają decydującego znaczenia [3]. Kluczowe zależności i możliwości wpływu na emisję benzylowego alkoholu pokazuje charakterystyka systemowa modelowej formulacji. W tym przypadku zmieniano zawartość benzylowego alkoholu i określano emisje przy 90°C za pomocą TD-GC/MS. W ten sposób dla przemysłowych dwuskładnikowych powłok epoksydowych można wyznaczyć liniową zależność między zawartością benzylowego alkoholu, temperaturą przejścia szklanego i emisją benzylowego alkoholu (rys. 4). Dzięki celowym reformulacjom możliwe jest zmniejszenie zawartości benzylowego alkoholu i opracowanie emisjowo zredukowanych, gotowych do sprzedaży dwuskładnikowych powłok epoksydowych. Przy zachowaniu właściwości aplikacyjnych, jak dotychczas, całkowita emisja tych nowych produktów może zostać obniżona do jednej trzeciej lub nawet jednej trzydziestej w porównaniu z obecnymi standardowymi produktami.

3. Emisja cząstek i jej pomiar

Za każdym razem, gdy pod wpływem mechanicznego obciążenia materiałów lub elementów powstaje ścieranie, stanowią one źródło emisji cząstek. Dotyczy to również powłok podłogowych przemysłowych, w których typowe scenariusze obciążenia, takie jak przejazd wózków widłowych czy ścieranie przez kółka krzeseł, prowadzą do powstawania cząstek. Dotychczas na świecie nie istniał ustandaryzowany sposób oceny czystości materiałów pod kątem ich przydatności do pomieszczeń czystych. Konsorcjum przemysłowe Cleanroom Suitable Materials (CSM), założone przez Fraunhofer Institut Produktionstechnik und Automatisierung ? krótko Fraunhofer IPA ?, zajmuje się tymi zagadnieniami [6]. Firma Sika Deutschland GmbH od 2005 roku jest członkiem CSM. Fraunhofer IPA opracowało stanowisko Material Inspec (rys. 6), które umożliwia przeprowadzanie standardowych testów emisji cząstek różnych par materiałów. Dzięki temu można ocenić przydatność materiałów do pomieszczeń czystych i porównać różne pary materiałów. Na podstawie wyników pomiarów można ocenić emisję cząstek w odniesieniu do klas czystości powietrza według EN ISO 14644-1. Do badania materiałów podłogowych szczególnie przydatny jest tzw. test rolek-tarczy (rys. 7), który symuluje obciążenie powłok podłogowych przez pojazdy poruszające się po nich. Podstawą jest aluminiowa tarcza pokryta badanym materiałem podłogowym. Przedmiotem jest koło z poliamidu, które jest dociskane do obracającej się tarczy z określoną siłą nacisku. Cząstki powstające pod obciążeniem są ciągle mierzone w optycznym liczniku cząstek. Wyniki tych prób pozwalają na charakterystykę emisji cząstek, rozkład wielkości emitowanych cząstek oraz ich liczbę, co umożliwia klasyfikację w klasach ISO.

4. Podsumowanie

Poprzez celowe nowatorskie rozwiązania można, także w przypadku materiałów budowlanych, takich jak powłoki podłogowe, przyczynić się do ograniczenia unoszonych w powietrzu cząstek molekularnych i emisji cząstek. Szczególnie wyzwaniem jest opracowanie niskoemisyjnych dwuskładnikowych powłok epoksydowych, w których konieczne jest unikanie surowca o kluczowych właściwościach formulacyjnych, jakim jest benzylowy alkohol, będący głównym emitentem. Kolejne kroki rozwojowe w kierunku niemal VOC-free dwuskładnikowych powłok epoksydowych zostały już zrealizowane i wprowadzone na rynek, korzystając z zupełnie nowych technologii. Standardowa metoda pomiaru emisji cząstek opracowana w ramach konsorcjum Cleanroom Suitable Materials (CSM) jest również stosowana do systemów powłok podłogowych. Dzięki temu po raz pierwszy możliwe jest badanie emisji cząstek z powłok podłogowych i ich charakterystyka w zależności od obciążenia. Wyniki pomiarów emisji cząstek pozwalają na bezpośrednią klasyfikację materiałów w klasach ISO. Tym samym zapewniona jest przejrzystość, co umożliwia użytkownikom porównanie różnych materiałów i produktów na podstawie obiektywnych wyników pomiarów. Nowa powłoka Sikafloor 266 CR została już pomyślnie przebadana pod kątem emisji i odgazowania, a jej przydatność do pomieszczeń czystych została potwierdzona certyfikatem Fraunhofer IPA jako powłoka podłogowa odpowiednia do pomieszczeń czystych.

Literatura
[1] DIN EN ISO 14644: Pomieszczenia czyste i przyległe obszary czyste[2] VDA 278 (wydanie 2002-09) Analiza termodesorpcji emisji organicznych do charakteryzacji materiałów niemetalowych w motoryzacji[3] C. Zilg, J. Grötzinger: „Redukcja VOC w powłokach przemysłowych opartych na żywicach: główni emitenci, ich identyfikacja i unikanie”; 6. Międzynarodowy Kolokwium o Powłokach Przemysłowych ’07; Techniczna Akademia Esslingen[4] Techniczne przepisy dotyczące substancji niebezpiecznych 610 – Zamienniki i metody zamienne dla silnie rozpuszczalnikowych podkładów i klejów do podłóg, wydanie marzec 1998 BArGBl. Heft 5/1998[5] Seifert, B. (1999): Wartości graniczne dla powietrza wewnętrznego: TVOC. Bundesgesundheitsblatt 42(3), 270-278[6] Dr-inż. Udo Gommel, Fraunhofer IPA; Dział Reinst i Mikroprodukcji, telefon: +49(0)711/970-1633, e-mail: udo.gommel@ipa.fraunhofer.de

Firma Sika Deutschland GmbH, będąca spółką córką globalnie działającej Sika AG z Baar w Szwajcarii, jest jednym z wiodących na świecie dostawców systemów produktów chemii budowlanej oraz przemysłowych klejów i uszczelniaczy.