Wpływ odzieży na czystość techniczn�

Rysunek 2a: Układ eksperymentalny; rama i stopień w Body-Box

Rysunek 2b: Naciąganie taśmy analitycznej

Rysunek 2c: Badanie przeprowadza sekwencję ruchu na taśmie analitycznej

Przedstawienie nowej metody

Systemy odzieżowe

Właściwy wybór: Systemy odzieży w czystości technicznej – pierwsze badanie Body-Box z pomiarem zakresu wielkości cząstek ≥ 0,5 µm do > 3 000 µm

Prezentacja nowej metody
W dalszej części przedstawiona zostanie nowa metoda. Opiera się ona na metodzie pomiaru Body-Box, która jest inspirowana IEST-RP-CC003.4 i została wdrożona w Dastex w 2004 roku [6]. Obecnie jest to jedyna metoda pomiarowa, za pomocą której można testować systemy odzieży w czystości w warunkach zbliżonych do praktyki. W czystym obszarze o wymiarach około 1,20 x 1,20 x 2,40 m, próbka z badanym systemem odzieży wykonuje określone ruchy. Generowane podczas tego procesu cząstki są wykrywane za pomocą optycznych liczników cząstek (OPZ) i odpowiednio analizowane.

W obszarach czystych, człowiek odgrywa dużą rolę jako źródło kontaminacji [8]. Nie można również lekceważyć jego wagi, szczególnie w obszarach czystości przemysłu motoryzacyjnego [11]: personel może wprowadzać krytyczne, częściowo funkcjonalne lub bezpieczeństwa istotne zanieczyszczenia, nie tylko podczas produkcji, ale także w końcowym produkcie. Zarówno w obszarach czystych, jak i w czystości, odpowiednio dobrany system odzieży, dostosowany do procesu i jego specyfikacji, znacząco przyczynia się do zapobiegania takim zanieczyszczeniom. Dotychczas nie istniały do tego metody pomiarowe ani dane. W wewnętrznym dziale badawczo-rozwojowym Dastex od 2004 roku przeprowadzane są badania Body-Box [6]. Dotyczą one pytań wewnętrznych lub są realizowane na zlecenie klientów. Dotychczas dotyczyły tematów takich jak np. jednorazowa vs. wielokrotnego użytku [7], odzież pośrednia, pomiary mikroorganizmów [9] i badania starzenia [10]. Dotychczas skupiały się na zakresie wielkości cząstek ≥ 0,5 µm do ≥ 10 µm (wg DIN EN ISO 14644) oraz w niektórych badaniach na pomiarze liczby mikroorganizmów za pomocą BioTrak i liczników mikroorganizmów (wg wytycznych GMP). W nowej metodzie, wprowadzanej we współpracy z firmą CleanControlling GmbH, zakres wielkości cząstek został rozszerzony do ≥ 3 000 µm, zamykając tym samym lukę badawczą (patrz rysunek 1). Metoda pomiaru Body-Box dla zakresu czystości technicznej wg VDA Band 19 została pomyślnie wdrożona w pierwszym badaniu. Wyniki wyraźnie pokazują, które systemy odzieży w czystości powinny być stosowane w zakresie czystości technicznej.

Dobór odpowiedniej metody pomiaru cząstek:

Wykrywanie cząstek za pomocą optycznych liczników cząstek jest wiarygodne i możliwe tylko do pewnego zakresu wielkości cząstek.

Przyczyny tego obejmują między innymi:

– Różne właściwości fizyczne. Siły ciężkości, np. mogą powodować sedymentację cząstek ≥ 5 µm [3]. Efekt ten znacznie się nasila przy zwiększaniu długości przewodu lub średnicy cząstek. Ponadto, z powodu sił bezwładności i turbulencji, mogą wystąpić straty cząstek [3]. Cząstki > 100 µm sedymentują na drodze do OPZ i nie są uwzględniane w wynikach liczenia.

– Dodatkowo, technika rozpraszania światła nie pozwala na wykrycie tak dużych cząstek. Dostępne na rynku urządzenia mogą wykrywać cząstki maksymalnie do 500 µm (np. Luftpartikelzähler Abakus® mobil air LDS 2/2; 5 – 500 µm firmy Markus Klotz GmbH [5]), pod warunkiem, że cząstki dotrą do komory pomiarowej mimo wcześniejszych warunków. W urządzeniach firmy Klotz komora pomiarowa jest umieszczona bezpośrednio za sondą pobierającą próbkę, co umożliwia bezpośredni przepływ cząstek do komory bez konieczności przechodzenia przez długi przewód.

– Liczniki optyczne są zazwyczaj kalibrowane za pomocą monodyspersyjnych cząstek polistyrenu-lateksu (PSL). Cząstki PSL są idealnie okrągłe. „Oznacza to, że wszystkie liczby i wielkości cząstek mierzone za pomocą tak skalibrowanego urządzenia odnoszą się do średnicy cząstek PSL” [3]. Jednakże, nie odzwierciedla to naturalnej formy i występowania cząstek. Zwłaszcza od pewnego rozmiaru, cząstki mogą mieć znacznie różne wydłużenia w długości i szerokości. Licznik optyczny wykrywa cząstki w zależności od ich ustawienia i padania światła, a nie według ich rzeczywistego rozmiaru.

W przemyśle motoryzacyjnym, poprzez najdłuższe wydłużenie (Feretmax) cząstki, definiuje się również „najgorszy potencjał uszkodzeń” [12]. Dlatego prawidłowy pomiar cząstek > 100 µm jest bardzo istotny.

W związku z tym, pomiar za pomocą optycznych liczników cząstek jest nieodpowiedni do wykrywania cząstek do ≥ 3000 µm.

Podczas pomiarów za pomocą optycznych liczników cząstek w Body-Box, przepływ powietrza został zaprojektowany tak, aby zapewnić reprezentatywną próbę [6]. Jednak dotyczy to tylko wykrywania małych cząstek. Przyczyny (właściwości fizyczne) zostały już omówione wcześniej. Podczas pomiarów mniejszych cząstek za pomocą OPZ wystarczy zmierzyć tylko część strumienia powietrza i odpowiednio przeskalować wynik na całość objętości. Ze względu na naturalny rozkład wielkości cząstek, oczekuje się znacznie mniejszej liczby dużych cząstek. Duże cząstki nie będą również równomiernie rozłożone w strumieniu powietrza. Dlatego badanie tylko części strumienia jest uważane za niewystarczające, a cała ilość powietrza jest filtrowana, przechwytywana i analizowana. Aby zminimalizować straty cząstek, filtracja cząstek jest umieszczona blisko i bezpośrednio pod źródłem powstawania cząstek. W celu uwzględnienia wymagań czystości technicznej przemysłu motoryzacyjnego, metoda analizy opiera się na ekstrakcji cząstek z filtra oraz ocenie zgodnej z normą VDA19 część 1.

Nowa, zintegrowana w Body-Box metoda testowa

Po dokładnym rozważeniu różnych koncepcji, wybrano i udoskonalono jeden z podejść. Jak widać na rysunku 2a, w Body-Box wbudowano ramę. Do niej naciągnięto pod najwyższymi wymaganiami czystości określoną tkaninę analityczną (rysunek 2b). Służy ona jako filtr zbierający cząstki emitowane przez badanego/odzież systemową. Jest tak zaprojektowana, aby przepływ powietrza był minimalnie zakłócony, a jednocześnie cząstki ≥ 15 µm były skutecznie zatrzymywane. Badany porusza się na stopniu umieszczonym nad tkaniną analityczną, wykonując wymagane ruchy (rysunek 2c). Przebieg badania jest taki sam jak w innych badaniach. Badany wchodzi do Body-Box i najpierw stoi przez pięć minut, następnie przez pięć minut chodzi w miejscu. Proces powtarza się, kończąc pięciominutową fazą stania. Nie jest możliwe szczegółowe rozróżnienie faz chodzenia i stania w tym schemacie. Jednak można go dostosować. Aby zapobiec utracie cząstek podczas zdejmowania tkaniny analitycznej, stosuje się wcześniej ustaloną technikę składania. Następnie próbka jest pakowana do czystego woreczka, odpowiednio oznaczona i wysyłana do CleanControlling do ekstrakcji i analizy.

Po ostrożnym transporcie kurierem filtra do laboratorium czystości technicznej w CleanControlling, próbka jest wprowadzana przez materiałową klapę do pomieszczenia czystego klasy ISO 6 i przygotowywana do ekstrakcji.

Do ekstrakcji cząstek z rozwiniętego filtra używa się odpowiednio dużej komory ekstrakcyjnej, stosowanej w przemyśle motoryzacyjnym do obudów silników ciężarówek. Komora ta ma ustalony i znany status czystości, określony pomiarem zerowym. Ocena wartości zerowej odbywa się zgodnie z wytycznymi VDA19 część 1. Filtr jest umieszczany poprzecznie w komorze i spryskiwany z obu stron 20 litrami chłodnych rozpuszczalników i określonym przepływem. Płyn do próby jest kierowany przez zbiornik do filtra, w którym znajduje się filtr siatkowy o oczkach 1 µm. Filtracja wspomagana jest przez podciśnienie. Po przepłukaniu komory, filtr jest przekazywany do mikroskopowej analizy.

Analiza mikroskopowa cząstek na filtrze analitycznym jest przeprowadzana na systemie stereoskopowego mikroskopu świetlnego z automatycznym stołem XY i oprogramowaniem do liczenia cząstek firmy JOMESA. System ten został skonfigurowany zgodnie z wytycznymi standardowej analizy wg VDA19 część 1. Skupia się on na cząstkach > 50 µm oraz pomiarze długości cząstek wg Feretmax, aby zmierzyć największe wydłużenie cząstek. Za pomocą filtra polaryzacyjnego liczone są i mierzone cząstki metaliczne i niemataliczne, a także włókna uwzględniane na podstawie długości i szerokości.

Podczas skupienia na dużych cząstkach, operator ręcznie kontroluje je na żywo w obrazie mikroskopu i w razie potrzeby edytuje. Na koniec największe cząstki są wizualnie dokumentowane w protokole.

Protokół ze wszystkimi wynikami analizy jest wysyłany do Dastex do dalszej oceny.

Przygotowanie wyników:

W całym badaniu, podobnie jak we wszystkich innych, równolegle używany jest optyczny licznik cząstek do wykrywania cząstek od ≥ 0,5 do ≥ 10 µm. Do analizy i prezentacji wyników liczba cząstek z ekstrakcji i mikroskopowej analizy, a także z liczników optycznych, jest konwertowana na cząstki na minutę.

Szczegółowy podział rodzajów cząstek nie jest przedstawiany w wynikach tego badania, ponieważ w tym układzie nie przewiduje się obecności cząstek metalicznych. Jednak w przyszłych badaniach zleconych, jest to możliwe, zwłaszcza jeśli testowana jest odzież już noszona.

Wyniki i dyskusja:

Tabela 2 przedstawia podsumowanie wykrytych liczb cząstek. Kanały wielkości cząstek ≥ 0,5 – ≥ 10 µm zostały wykryte za pomocą optycznego licznika cząstek. Zakres 15 – > 1 500 µm został oceniony metodami ekstrakcji i optycznego pomiaru światła.

Sam widok na obciążenie filtrów analitycznych wyraźnie pokazuje wynik, który można potwierdzić liczbami: samo noszenie fartucha ponad odzieżą uliczną nie wystarczy. W tym przypadku, biorąc pod uwagę cały zakres wielkości cząstek, uzyskuje się redukcję o 63%, jednak duże cząstki nadal spadają z fartucha. To wyjaśnia, dlaczego poprawa wynosi jedynie od 4 do 17% w zakresach cząstek > 100 µm i > 400 µm.

Jeśli odzież uliczna zostanie zastąpiona odzieżą pośrednią w czystości, można osiągnąć znacznie wyższą redukcję, nawet do 99%. Podobne wyniki redukcji cząstek uzyskuje się, gdy na odzież uliczną założy się kombinezon z ION-NOSTAT LS Light 125.2. Przy tak niskiej liczbie cząstek nie można jednoznacznie stwierdzić, które z systemów odzieży jest „lepsze”. Oba dają bardzo dobre wyniki, a wybór zależy od innych czynników, które tutaj nie będą omawiane.

Na podstawie zdjęć obciążenia filtrów można zauważyć, że podczas mikroskopowej analizy i kontroli szczególnym wyzwaniem było edytowanie wielu włóknistych cząstek, które częściowo były splecione, tak aby wynik liczenia był wiarygodny i mógł służyć do porównań czystości w badaniu.

W tabeli 3 zestawiono liczbę cząstek w stanie nowym (nowy) i po symulacji starzenia (60x). Wyniki pokazują, że tekstylia po 60 cyklach dekontaminacji zatrzymują większość cząstek, a czasem nawet więcej niż w stanie nowym.

Jak ilustruje ranking systemów odzieży (rys. 3), najwięcej cząstek, od 0 do 6 na minutę (w zależności od zakresu wielkości cząstek), wykryto przy użyciu fartucha z ION-NOSTATVI.2 w połączeniu z odzieżą pośrednią w czystości. Tuż za nim plasują się wartości kombinezonu ION-NOSTAT LS Light 125.2 z 5–48 cząstek/min (w zależności od zakresu wielkości cząstek). Jednocześnie tkanina ta zapewnia bardzo wysoki komfort noszenia. Odzież uliczna, jak można się spodziewać, emituje najwięcej cząstek – od 59 do 198 na minutę. Należy jednak dodać, że jest to świeżo wyprany bawełniany dres, który był noszony tylko w Body-Box. Przy zwykłej odzieży ulicznej, można się spodziewać znacznie wyższej kontaminacji cząstkami. W tym przypadku cząstki spadają z fartucha, a wartości cząstek odzieży ulicznej + fartucha, wynoszące od około 32 do 165 na minutę, są wysokie mimo użycia wysokiej jakości tekstyliów czystości technicznej ION-NOSTAT VI.2. Kontaminacje, które opadają na dół, nie sedymentują automatycznie na podłogę i nie pozostają tam nieruchomo. W zależności od rodzaju cząstek, mogą długo unosić się w powietrzu. Ruchy (np. chodzenie personelu, przepływy powietrza) unoszą cząstki i mogą osadzać się na stanowiskach pracy i produktach. Dlatego odradza się stosowanie odzieży ulicznej + fartucha w warunkach wymagających określonego poziomu czystości.

Podsumowanie i perspektywy

Przedstawione wyniki z pierwszego badania jasno pokazują, które systemy odzieży powinny być wybierane dla poszczególnych obszarów. Ponadto ukazuje się, jaki wpływ mają tekstylia i kroje na czystość. W zależności od indywidualnych wymagań, różne systemy odzieży mogą ograniczać źródło kontaminacji – człowieka – w czystych i czystych pomieszczeniach.

Wprowadzona metoda pomiarowa wypełnia dotychczasową lukę i umożliwia praktyczne określenie wartości cząstek do rozmiaru ≥ 3 000 µm. Metoda ta zapewnia nie tylko ilościową ocenę, ale w razie potrzeby i uzasadnienia, także rozbicie na poszczególne rodzaje cząstek. Jeśli użytkownik zdecyduje się na przeprowadzenie badania odzieży już noszonej w produkcji, można wyciągnąć wnioski dotyczące usuwania cząstek metalicznych poprzez dekontaminację. Jest to możliwe, ponieważ cząstki metaliczne mogą przylegać do włókien i być uwalniane dopiero podczas ruchu pracownika. Taka analiza pozwoli na określenie maksymalnych cykli noszenia lub optymalizację systemu odzieży w najbardziej obciążonych miejscach.

________________________
Badanie opublikowane w październiku 2022, numer 10 w czasopiśmie Surface Technology
link.springer.com/journal/35144/volumes-and-issues

________________________
Źródła
[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/ [Dostęp: 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/ [Dostęp: 11.01.2021]
[3] Hauptmann & Hohmann (1999). Podręcznik praktyki czystości w pomieszczeniach czystych III – 2 Monitorowanie procesu w pomieszczeniach czystych; Technologia pomieszczeń czystych s. 18 i dalsze
[4] Jost, J. (2020). Wdrożenie i weryfikacja metody testowej Bodybox do wykrywania cząstek w zakresie ≥ 15 do ≥ 3 000 µm. Praca licencjacka, Hochschule Albstadt-Sigmaringen, Wydział Nauki o Życiu.
[5] Markus Klotz GmbH. Specyfikacja techniczna licznika cząstek powietrza Abakus® mobil air. https://www.fa-klotz.de/partikelzaehler-wAssets/docs/abakus-mobil-air-de.pdf [Dostęp: 11.01.2021]
[6] Moschner, C. & von Kahlden, T. (2004). Test Body-Box: Metoda testowa na stanowisku pomiarowym. ReinRaumTechnik, 02, 38-39
[7] Moschner, C. (2006). Odzież jednorazowa – czy naprawdę jest alternatywą dla wielokrotnego użytku odzieży czystej? ReinRaumTechnik 3, 28-31
[8] Moschner, C. (2010). Źródło kontaminacji człowiek – emisja cząstek przez człowieka. ReinRaumTechnik, 01, 30-33
[9] Moschner, C. (2015). Pomiary mikroorganizmów w Body-Box. reinraum online, 04, 4-6
[10] Moschner, C. & Gaza, S. (2017). Zjawiska starzenia się sterylnej odzieży czystej. ReinRaumTechnik, 1, 52-54
[11] Związek Przemysłu Motoryzacyjnego (2010). Zarządzanie jakością w przemyśle motoryzacyjnym – tom 19 część 2 Czystość techniczna w montażu
[12] Związek Przemysłu Motoryzacyjnego (2015). Zarządzanie jakością w przemyśle motoryzacyjnym – tom 19 część 1 Kontrola czystości technicznej – Zanieczyszczenia cząstkami funkcjonalnych części samochodowych