Защитные эпоксидные покрытия в чистых помещениях – современный подход к обеспечению качества.

В нашей стране вплоть до 90-х годов техника чистых помещений была связана исключительно с электронной, оптической и атомной промышленностью. Масштабы внедрения их значительно отставали и отстают от других стран. В медицине и в производстве лекарственных средств первые чистые помещения появились сравнительно недавно. В пищевой промышленности внедрение чистых помещений находится на стадии первичной заинтересованности.

Лидерами в строительстве чистых помещений являются США и Япония. В этих странах вводится более половины площадей чистых помещений в мире. В последние годы наибольший прирост темпов строительства чистых помещений приходится на страны Восточной Азии, включая Корею, Таиланд, Малайзию, Сингапур и Гонконг, а также штаты Орегон, Нью-Мексико и Аризона в Америке.

Показателем технического и культурного уровня развития страны в настоящее время считается число квадратных метров чистых помещений на одного человека. В Скандинавии, например, на 1000 чел. приходится 20 кв. метров чистых помещений, значительную долю которых занимают чистые помещения для пищевой промышленности и больниц. Нашей стране предстоит большая работа на этом пути.

Как известно, чистым помещением называется помещение, в котором счетная концентрация аэрозольных частиц и, при необходимости, число микроорганизмов в воздухе поддерживаются в определенных пределах. Этим они отличаются от обычных помещений, в которых чистота воздуха оценивается по массовой концентрации загрязнений в воздухе.

Различают 9 классов чистых помещений согласно международному стандарту ИСО 14644-1. [ 2 ]

Окружающий нас воздух содержит большое количество как живых, так и неживых частиц, отличающихся по своей природе и размерам.

Микрозагрязнения выделяются персоналом (~70-80%), ограждающими конструкциями (15-20%), оборудованием, проникают в чистое помещение из окружающей среды (5-10%). Таким образом, проблема чистых помещений носит комплексный характер. В первую очередь необходимо создать собственно чистое помещение, которое обеспечивает нужный класс чистоты при отсутствии технологического оборудования и персонала. Далее необходимо применять оборудование, выделяющее минимум загрязнений, одеть людей в «непылящую» одежду и т.д.

Сфера использования чистых помещений широка, и к настоящему времени охватывает многие области техники, жизни и деятельности человека.
Микроэлектроника – наиболее строгие требования к чистоте воздуха в производственных помещениях предъявляют электронная промышленность, широкое развитие субмикронных, нана-технологий. Если размер частицы, осевшей на микросхему, превышает 0,01-0,2 минимального технологического размера, то это может привести к браку. Частицы металлов, ионы, бактерии и пр. приводят к браку. То же самое можно сказать и о космической промышленности, приборостроении, вычислительной технике, оптике и лазерам, точной механике, гидравлике, пневматике, автомобильной промышленности и др. Так, например, шведский автомобильный концерн «VOLVO» уделяет внимание чистоте воздуха и поверхностей при изготовлении и сборке деталей, имеющих углубления и труднодоступные полости, например, внутренние поверхности валов. С соблюдением требований чистоты производится также высококачественная окраска поверхностей автомобилей.

Чистые помещения нашли широкое применение в здравоохранении при производстве лекарственных средств, изделий медицинского назначения, в больницах (операционных, палатах интенсивной терапии и др.). Они являются надежным средством предупреждения внутригоспитальной инфекции и послеоперационных осложнений. Такие методы профилактики и лечения инфекции как антибиотики, иммунные и гормональные препараты, различные сыворотки, влажная уборка помещений с антисептическими растворами, ультрафиолетовое облучение и пр. не дают должного эффекта. Чистые помещения по сравнению с этими методами имеют принципиальные отличия. Они направлены не на борьбу и уничтожение уже имеющихся микроорганизмов, а предотвращают их попадание в помещение. Микроорганизмы, исходящие от больных или медицинского персонала, немедленно удаляются из помещений потоком воздуха.

Чистые помещения нашли применение в парфюмерной промышленности и косметике, при производстве продуктов питания. Проблема безопасности продуктов питания для потребления волнует человечество с давних времен. Проведенные исследования по влиянию находящихся в воздухе загрязнений на качество продуктов питания и эффективности современных систем вентиляции и кондиционирования, защищающих воздушную среду помещений от микрозагрязнений, позволили определить типы бактерий, содержащихся в продуктах питания и вызывающие их порчу и отравление человека. Одним из путей проникновения микробов в продукты питания при их переработке и приготовлении является воздух. Естественный способ устранения этого источника микроорганизмов – создание чистой воздушной среды. Мировая пищевая промышленность только подходит к широкому внедрению чистых технологий. Идет накопление опыта и постепенный охват чистыми технологиями различных отраслей производства пищи. Случаи массовых отравлений продуктами питания в разных странах заставляют искать новые эффективные пути борьбы с этой бедой.

При проектировании и строительстве чистых помещений огромное внимание уделяется в первую очередь конструктивным решениям ограждающих конструкций и полов. Ограждающие конструкции чистого помещения и его элементов должны обеспечивать выполнение основных требований чистоты. В первую очередь, они должны:

• обеспечивать герметичность;
• не выделять загрязнений;
• не иметь выступающих частей, острых углов, труднодоступных для очистки мест, выемок, ложбин и др.;
• иметь гладкую поверхность;
• не создавать бликов на поверхностях, быть окрашенными в благоприятные для глаза цвета;
• иметь антистатические или электропроводные свойства поверхностей, если это необходимо;
• быть прочными и долговечными;
• иметь износостойкую поверхность;
• быть влагостойкими и устойчивыми к образованию плесени;
• быть устойчивыми к воздействию моющих дезинфицирующих и других веществ;
• обеспечивает удобство эксплуатации и технического обслуживания;
• предусматривать удобство монтажа и при необходимости, демонтажа и перепланировок помещения.

Полы должны быть гладкими, без раковин и пор, нескользкими, легко мытья и дезинфицироваться, быть износостойкими, устойчивыми к воздействию случайно пролитых или рассыпанных агрессивных веществ, обладать необходимыми антистатическими или электропроводными свойствами. Они не должны сами выделять загрязнений. Пол должен выдерживать требуемое статическое и динамическое воздействие требуемой продолжительности, не допускать трещин и изломов.

В каждом конкретном случае определяется комплекс необходимых требований к материалам конструкций и в соответствии с ними подбирается наиболее экономичное решение. В атмосфере чистых помещений содержаться частицы, заряженные как положительно, так и отрицательно. Они совершают беспорядочное броуновское движение и сталкиваются с поверхностями ограждающих конструкций. Поэтому отделка ограждающих элементов должна защищать их от коррозии, подавлять генерацию пыли и предотвращать накопление пыли на поверхностях. Наименьшей адгезией частиц обладают ровные, гладкие легко полируемые лакокрасочные покрытия с высокой твердостью, водостойкостью и химической стойкостью. Именно эти свойства обеспечивают высокую грибостойкость поверхностей и легкость смываемости микроорганизмов.

Для оценки антистатических свойств поверхностей в чистых помещениях существует следующая оценка по величине удельного поверхностного электрического сопротивления РS(Ом):

• <10¹⁰ Ом –превосходная
• 10¹⁰ – 10¹² Ом – хорошая
• 10¹²- 10¹⁴ Ом – умеренная
• 10¹⁴ – 10¹⁵ Ом – слабая

Большинство полимерных лакокрасочных материалов благодаря высокому содержанию пигментов и наполнителей, которыми являются окислы металлов и их соли имеют РS – 10¹³-10¹⁴ Ом, т.е. обладают умеренными или слабыми антистатическими свойствами. Однако при окраске ограждающих конструкций слоями всего в несколько десятков микрон по металлу или бетону можно считать, что эти отделочные покрытия условно не принимают статическую нагрузку вне отсутствия заряжения. Вопрос о применении антистатичных полимерных материалов возникает только при выборе покрытия пола.

Алкидные и пентафталевые эмали при всех своих достоинствах имеют невысокую химическую стойкость, и в чистых помещениях, где требуется частая обработка дезинфицирующими растворами покрытия на их основе сравнительно недолговечны.

В настоящее время рынок лакокрасочных материалов предлагает широкий ассортимент воднодисперсных материалов на различных смолах. Они лучше в плане экологии, поскольку в качестве разбавителя содержат воду, однако по сравнению с эмалями на растворителях они гораздо более пористы и менее водо- и химически стойки. Их рекомендуется применять только в коридорах, складских помещениях и помещениях, не подвергающихся периодической обработке дезинфицирующими средствами. [ 3 ]

Как показал опыт эксплуатации чистых помещений, для ограждающих конструкций и покрытий полов из всех типов материалов наиболее часто применяются эпоксидные материалы.

При устройстве окрасочных покрытий ограждающих конструкций большое внимание уделяется подготовке поверхностей. Окрасочные работы должны производиться только по высококачественной штукатурке (отклонение по вертикали должно составлять не более 1 мм на 1 м), должны строго соблюдаться требования по влажности основания, наличию неровностей, пятен, высолов и загрязнений.

Как известно, традиционно применяемые эпоксидные эмали содержат два компонента и очень чувствительны к нарушению пропорции между основой и отвердителем. При этом покрытие отверждается медленно или вовсе не отверждается либо получается хрупким, имеет склонность к образованию трещин. Кроме того, многие эпоксидные покрытия характеризуются пониженной стойкостью к окислителям, нетрещинностойкостью при действии отрицательных температур и др.

Наши исследования были направлены на изыскание эпоксидных композиций, обладающих высокими физико-механическими свойствами, требуемой антистатичностью, химической стойкостью к воздействию различных агрессивных сред кислотного и щелочного характера, солевых и дезинфицирующих растворов, стойкостью к действию отрицательных температур, атмосферных колебаний и перепадов температур. Большое внимание уделялось также отверждающим системам, обеспечивающим полимеризацию покрытий в неблагоприятных условиях при пониженных температурах и высокой влажности окружающей среды.

Химическая стойкость защитных покрытий определяется, главным образом, свойствами пленкообразующего. Скорость проникновения агрессивного агента к поверхности бетона и металла, защищенного химстойким покрытием, определяется химической природой связующего и толщиной покрытия, обеспечивающей создание диффузионного барьера на пути движения ионов к защищаемой поверхности.

Как известно, любые лакокрасочные и полимерные покрытия проницаемы для кислорода и воды. Для уменьшения проницаемости пленок и их сорбции газов и жидкостей необходимо увеличение степени сшивания сетчатых полимеров, т.е. необходимо применение таких модификаторов эпоксидных композиций, которые бы образовывали с эпоксидными смолами гомогенные или микрогетерогенные системы требуемой деформативности и прочности. Помимо минимальной проницаемости защитные покрытия должны обладать эластичностью и адгезией к защищаемой поверхности.

Весьма эффективными эластификаторами полимерных композиций являются каучуки. Изучение свойств эпоксидно-каучуковых композиций показало, что в большинстве из них каучук находится в виде отдельной фазы, при этом образуются как полностью, так и частично совместимые системы; при формировании гетерогенной системы эпоксидно-каучукового связующего структура образующегося сетчатого полимера изменяется не только в зоне контакта, но и во всем объеме в целом, причем эти изменения касаются, в основном, технологического уровня структурной организации полимера. Степень совместимости каучуков с эпоксидными смолами увеличивается введением полярных групп, при этом микрогетерогенность системы обеспечивается технологическими параметрами приготовления композиций (температура, режим перемешивания).

Для чистых помещений весьма важной характеристикой защитного покрытия является отсутствие миграции вводимых в эпоксидные композиции пластификаторов, модификаторов и специальных добавок, например, антистатических, с низкой молекулярной массой, мигрирующих на поверхность пластика и испаряющихся в атмосферe чистого помещения, не только загрязняя её, но и накапливаясь на чувствительных элементах, например, оптических. Под воздействием различных эксплуатационных факторов этот слой загрязнений полимеризуется и наносит вред работе оборудования.

Наличие активных функциональных групп в модификаторах и пластифицирующих добавок способствует созданию химически связанных структур полимерной матрицы, её непроницаемости и химической стойкости. Проникновение агрессивных сред на границы раздела «Основание – покрытие» снижает адгезию защитного покрытия. Установившееся значение адгезионной прочности в конечном итоге зависит от наличия более прочных химических связей с поверхностью основания, обеспечиваемой специальными добавками – промоторами адгезии [ 4 ].

В проведенных исследованиях варьировались модификаторы различной природы, их количество, а также технологические параметры приготовления композиций.

Варьирование видов вводимых модификаторов, их количества в комплексе со специальными добавками и технологическими приемами изготовления позволило получить модифицированные эпоксидные композиции, характеризующиеся высокими физико-механическими свойствами: прочностью при сжатии – от 15 до 140 МПа, при изгибе – от 6 до 80 МПа, теплостойкостью – от 100 до 200ºС, химической стойкостью в растворах кислот, в том числе в концентрированных, щелочей, сильвинита, органических кислот таких как молочная, уксусная и др., в моющих дезинфицирующих растворах, маслах и т.д.

Однако, как известно, химическая (коррозионная) стойкость полимерных материалов, например, для покрытий полов, является необходимым условием долговечности, но ещё недостаточным, так как пригодность материалов для монолитных полов в промышленных зданиях с воздействием агрессивных сред определяется сроком выполнения ими защитных функций по отношению к основанию, т.е. практическим отсутствием агрессивной среды на границе «покрытие пола – основание». Непроницаемость полимерного покрытия в конечном итоге определяется поровой структурой полимерного покрытия, его толщиной, реакционной активностью по отношению к ингридиентам агрессивной среды и наличием дефектов в покрытии [4]. Этот показатель контролируется определением диффузионной проницаемости покрытия. Коэффициент диффузии полимерных защитных покрытий зависит от множества факторов: химического состава композиции, условий приготовления и технологии нанесения покрытия, времени выдерживания в агрессивных средах, при этом он может меняться в значительных пределах.

Рис.1. Зависимость коэффициента диффузии эпоксидной от времени выдерживания в агрессивных среде.

Рис.2. Зависимость коэффициента диффузии от степени наполнения эпоксидной композиции.

Полимерное покрытие пола находится в сложном напряженном состоянии, обусловленном возникновением при структурообразовании покрытия усадочных напряжений, дополняемых напряжениями, вызванными температурными колебаниями, воздействием механических нагрузок, а также воздействием агрессивных сред. Весьма важным моментом в снижении внутренних напряжений полимерного покрытия пола является установление равновесия системы «полимерное покрытие – бетонное основание». Для полимерных покрытий толщиной более 3 мм допускаемые напряжения (G) определяются неравенством:

[G] < Raд,

где Raд – величина адгезии полимерного покрытия к бетонному основанию.

Адгезия полимерного покрытия к бетонному основанию как известно определяется видом применяемого полимерного материала и характеристиками основания: его прочностью, шероховатостью, отсутствием влаги, жировых и масляных пятен, снижающих адгезию.

Согласно СНиП 2.03.13-88 основание должно иметь прочность не ниже 20 МПа, но для покрытий полов с агрессивными средами эта величина прочности недостаточна. Исходя из отечественного и зарубежного опыта устройства полимерных покрытий полов, прочность бетонного основания должна составлять 30-40 МПа.

Система «полимерное покрытие – бетонное основание», как мы видим, подвергается в процессе эксплуатации комплексу механических, физико-механических и химических воздействий. Разрушение покрытия происходит тогда, когда хотя бы один из параметров свойств системы выходит за допускаемые пределы. Комплекс исследований в этой области и промышленная апробация показали, что один из наиболее надежных путей повышения долговечности покрытий полов на предприятиях с агрессивными средами – применение двух – трехслойных конструкций полимерного покрытия, в котором разделены по слоям функции сопротивления различным видам воздействий и, прежде всего, ударным нагрузкам и действию агрессивных сред. Полимерная композиция для верхнего лицевого слоя выбирается из условия обеспечения максимальной химстойкости и минимальной проницаемости, а материал нижнего слоя – из условия максимальной ударостойкости. Таким образом, нижний слой выполняется из полимерной композиции с модулем упругости более низким, чем у композиции верхнего слоя, благодаря чему обеспечивается высокая трещинностойкость низкомодульного слоя и его демпфирующее действие при механических нагрузках.

Теоретическое рассмотрение этого вопроса и практическая апробация двух- и трехслойной конструкции пола на основе композиций защитных модифицированных эпоксидных марки МЭП показали, что такой нижний слой «выравнивает» механическую нагрузку от эксплуатационных воздействий, воспринимаемых верхним слоем, и основание, чаще всего с недостаточной прочностью (бетонная, цементно-песчаная стяжки), не испытывает напряжений, превышающих его предел прочности. Установлено соотношение модулей упругости верхнего и нижнего слоев полимерного покрытия, при котором сохраняется монолитность конструкции пола в целом, создается достаточный барьер для передачи напряжений к бетонному основанию, т.е. обеспечивается равновесие системы «полимерное покрытие – бетонное основание».

На основании проведенных исследований прошли промышленную апробацию и применяются системы эпоксидных модифицированных композиций марки МЭП (СТБ 1466-2004) для ограждающих конструкций и покрытий полов, в том числе для чистых помещений. Композиции МЭП выпускаются в виде грунтовок, шпатлевок, красок и мастик. Проведенные испытания антистатических свойств показали, что при введении соответствующих наполнителей их удельное электрическое сопротивление равно 1,14•105…1,27•105 ОМ•м, что удовлетворяет самые высокие требования к чистым помещениям [ 3 ].

По санитарно-гигиеническим и токсикологическим испытаниям композиции МЭП соответствуют требованиям, предъявляемым к чистым помещениям, в особенности это касается композиции МЭП-4, разрешенной для применения в контакте с питьевой водой.

Опыт применения композиций МЭП для устройства покрытий полов и защиты ограждающих конструкций чистых помещений (ПРУП «Минскинтеркапс», СП «Фармлэнд», РУП «Гродненский завод медпрепаратов» г. Скидель и др) показывает, что они обеспечивают необходимые требования, предъявляемые к чистым помещениям и их применение в будущем не только в фармацевтической, но и в других отраслях промышленности эффективно.

Литература:

1. «Чистые помещения», под ред. А.Е. Федотова М, издание «Асинком», 576 с, 2003г.
2. ГОСТ ИСО 14644-1 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. «Классификация чистоты воздуха» (межгосударственный стандарт)
3. О.Ф. Алексашина «Основные требования к отделке поверхностей», АО «Экопроект», «Чистые помещения» под. ред. А.Б. Федотова, М, «Асинком», с 197-213.
4. L. J. Lavrega “Performance Properfies of Polimer Composites” Procedings of the International Conference, held at the University of Dandee, Сsotland UK in 11-13 September, 1990.