Notiziario Aziendale – N.16 – Novembre 2016

Fattori che influenzano l’espressione dei risultati

La pulizia tecnica sta acquisendo un’importanza sempre maggiore in molti ambiti produttivi, partendo dal settore industriale e automobilistico, fino all’idraulica mobile e degli impianti di produzione. Concetti quali la Riduzione e la Prevenzione dei guasti a 0 km, e la problematica dei tempi di garanzia sempre più lunghi mettono sempre più in rilievo la necessità di garantire la purezza dei componenti.

La contaminazione residua derivante dai vari processi produttivi può comportare in alcuni casi costi elevati derivanti da scarti e possibili guasti sul componente finale con conseguente apertura di reclami e relativo aumento dei costi derivante da rilavorazioni e resi.

Come per tutti i tipi di processo ed analisi anche la determinazione del grado di pulizia tecnica è soggetta ad una serie di fattori che possono influenzare la corretta espressione del risultato analitico. In quest’articolo una breve guida per abbattere tali fattori.

L’analisi di pulizia tecnica si può suddividere macroscopicamente in tre fasi: lavaggio e confezionamento, isolamento dei contaminanti residui e determinazione del livello di contaminazione.

Il primo passaggio, lavaggio dei componenti, avviene mediante una macchina lavatrice (Figura 1) che sfrutta un getto di acqua calda in pressione (addizionata o meno di idoneo detergente) alternata a getti d’aria: durante il processo i contaminanti vengono eliminati per effetto dell’attrito dell’acqua sulla superficie degli articoli. Addizionando un opportuno detergente è anche possibile rimuovere sostanze di natura organica presenti a livello superficiale solubili in ambiente anfotero (Figura 2).

I passaggi critici di questa fase sono il trattamento chimico-fisico dell’acqua ed il confezionamento post lavaggio.

Figura 1: Macchina lavatrice

Figura 1: Macchina lavatrice

La pulizia dell’acqua in ingresso viene garantita sia a livello meccanico, mediante presenza di opportuni filtri meccanici in grado di eliminare contaminanti solidi al di sopra di 50 micron, sia attraverso un sistema di deionizzazione dell’acqua mediante l’utilizzo di resine ioniche capaci di eliminare la maggior parte dei Sali normalmente presenti nell’acqua potabile che, se presenti, potrebbero portare a fenomeni di incrostazione e depositarsi quindi sugli articoli lavati (Figura 3). Questo fatto comporta da un lato il rischio di reso per non conformità visiva, dall’altro che tali depositi possano rilasciare contaminanti solidi sul componente finito con possibili danni sul macchinario finale.

Anche la fase confezionamento presenta in se alcune problematiche che potrebbero inficiare la pulizia finale degli articoli. Il problema fondamentale risiede nel ridurre il più possibile la contaminazione crociata tra i campioni appena lavati, l’operatore addetto al lavaggio e confezionamento e l’ambiente esterno: sia l’operatore che i sacchetti per il confezionamento che l’ambiente circostante, privo o meno di macchinari, sono fonti di inquinamento da particelle solide.

Per contenere queste problematiche l’operatore addetto al lavaggio ed al confezionamento indossa speciali indumenti a ridotto rilascio di contaminanti solidi (tuta, mascherina, cuffia ed occhiali e guanti in nitrile), mentre i sacchetti per il confezionamento vengono sottoposti periodicamente ad analisi di pulizia tecnica: affinché l’analisi sia eseguita nel modo corretto è necessario confezionare prima gli articoli e, successivamente, campionarli nuovamente per eseguire l’analisi.

Per ridurre invece i fenomeni di inquinamento crociato ambiente-campioni la zona adibita al processo di lavaggio-confezionamento è stata sottoposta sotto flusso laminare: si tratta di un flusso il cui comportamento è determinato dalle forze di attrito interno.

Figura 2: Spettri IR di un campione prima del lavaggio, dopo lavaggio solo con acqua ed in presenza di detergente: già con il solo lavaggio in acqua uno dei segnali derivante da presenza di residui di burattatura (~ 1011 cm-1) scompare, mentre rimangono ancora evidenti, anche se in minor misura i segnali attribuibili ad impurezze organiche (~1723, 1641, 1555 cm-1). Con lavaggio in acqua in presenza di detergente anche i segnali derivanti da inquinanti organici si riducono considerevolmente.

Figura 2: Spettri IR di un campione prima del lavaggio, dopo lavaggio solo con acqua ed in presenza di detergente: già con il solo lavaggio in acqu uno dei segnali derivante da presenza di residui di burattatura (~ 1011 cm-1) scompare, mentre rimangono ancora evidenti, anche se in minor misura i segnali attribuibili ad impurezze organiche (~1723,1641,1555 cm-1). Con lavaggio in acqua in presenza di detergente anche i segnali derivanti da inquinanti organici si riducono considerevolmente.

Figura 3: O-ring lavato con acqua demineralizzata (sinistra) e con acqua di rete (destra). Con acqua di rete si nota un maggior numero di particolato.

Figura 3: O-ring lavato con acqua demineralizzata (sinistra) e con acqua di rete (destra). Con acqua di rete si nota un maggior numero di particolato.

L’attrito interno rappresenta la forza che agisce sull’unità di volume del fluido e risulta proporzionale alla velocità attraverso il parametro viscosità.

Figura 6: Classi di pulizia secondo ISO 14644-1

Figura 6: Classi di pulizia secondo ISO 14644-1.

Figura 7: Calcolo del Numero di Reynolds

Figura 7: Calcolo del Numero di Reynolds che definisce le caratteristiche di turbolenza o di laminarità dei moti:

  • r è la densità del fluido (Kg/m3)
  • d è il diametro del contenitore
  • n è la velocità del fluido (m/s)
  • h è la viscosità del fluido (10-3 Pa * s)

 

Dove la velocità minima lineare per superare il valore di Re di 2300 (passaggio da moto laminare a turbolento) è espressa dalla formula:

formula

dove:

 

  • µ è la viscosità cinematica del fluido (mm2/s)
Figura 8a: Cabina per estrazione in flusso laminare

Figura 8a: Cabina per estrazione in flusso laminare

Figura 8b: Zona di estrazione: ultrasuoni e cannula per getto in pressione.

Figura 8b: Zona di estrazione: ultrasuoni e cannula per getto in pressione.

Figura 4: Flusso laminare

Figura 4: Flusso laminare.

Nel flusso laminare (Figura 4), a differenza del flusso turbolento (Figura 5), gli strati infinitesimi di fluido, in questo caso aria filtrata con filtri HEPA classe 7 (Figura 6) scorrono velocemente uno sopra l’altro senza che avvenga nessun rimescolamento. La velocità e l’accelerazione delle particelle del fluido risultano completamente descritte da due parametri: l’attrito interno ed il gradiente di pressione.

Figura 5: Flusso turbolento

Figura 5: Flusso turbolento.

In poche parole la funzione del flusso laminare è quella di formare una barriera protettiva tra l’ambiente esterno e l’area di lavoro (anche grazie alla presenza di bandelle in PVC) e di abbattere il particolato presente nella zona di lavoro: nel caso di un moto laminare (Figura 4) le particelle vengono veicolate verso il basso rimanendo a livello del pavimento senza possibilità di rimescolamento nella zona di lavoro. Nel caso di un moto turbolento (Figura 5) invece, le particelle non vengono veicolate in un’unica direzione, ma in più direzioni e ad altezze differenti costituendo una possibile fonte di contaminazione crociata.
Bisogna comunque specificare che, nonostante la presenza di flusso laminare affinché si lavori correttamente la cabina va accesa almeno un’ora prima delle operazioni di lavaggio e che gli operatori eseguano movimenti lenti per non correre il rischio di generare moti vorticosi in contrapposizione al regime laminare.

La fase di isolamento dei contaminanti residui (post lavaggio) avviene all’interno di una cabina a flusso laminare (figura 8a e 8b), (che sfrutta i principi appena enunciati per la zona di lavaggio) posizionata, come pure il microscopio ottico per la lettura successiva all’isolamento, in un laboratorio ad ambiente controllato posto, precedentemente e durante l’analisi ad una sovra pressione rispetto ai locali adiacenti: in questo modo l’apertura della porta fa si che l’aria fuoriesca dal laboratorio impedendo in questo modo ai contaminanti presenti nei locali adiacenti di entrare costituendo in questo modo fonte di possibile contaminazione.
Come anticipato precedentemente i campioni per il controllo del grado di pulizia devono essere prelevati solo dopo insacchettamento in modo che l’analisi valuti la contaminazione globale campione-sacchetto.
All’interno della cabina di estrazione gli articoli vengono posizionati all’interno di una vasca riempita con un liquido adatto (non deve intaccare il materiale dell’articolo, avere determinati valori di viscosità, specialmente in cui si opti per un metodo di isolamento mediante agitazione (Figura 7) e possibilmente avere una bassa tossicità ed infiammabilità), ultrasuonati e sottoposti a successivo lavaggio mediante liquido in pressione in modo da raggiungere più agevolmente zone con punti ciechi difficilmente raggiungibili solamente per immersione o che potrebbero causare ristagno di contaminanti non determinabili in seguito durante l’analisi (Figura 8a ed 8b).

Anche la scelta del filtro è di fondamentale importanza per una corretta espressione dei dati: il filtro deve essere costituito in un materiale resistente al solvente di estrazione, mentre la sua porosità dovrebbe essere generalmente di 1/3 rispetto alla particella più piccola determinabile. Per fare un esempio pratico, avendo come specifica particelle minime determinabili di 15 micron, il filtro dovrebbe avere porosità massima pari a 5 micron.
Altro fattore importante legato ai filtri, soprattutto quando viene richiesta una determinazione gravimetrica degli inquinanti è la presenza di umidità presente nel filtro stesso che, se non fosse eliminata porterebbe a degli errori di determinazione.
Per eliminare l’umidità residua il filtro viene condizionato riscaldandolo in stufa fino a peso costante. La temperatura di esercizio varia da materiale a materiale per cui bisogna ricondursi alle specifiche tecniche della casa che li fornisce. E’ buona regola non eccedere troppo nella temperatura di essiccamento in quanto, oltre a fenomeni di degradazione termica si può verificare una allargamento della porosità del filtro sottoposto a riscaldamento con il rischio che la porosità nominale non venga più mantenuta con conseguente passaggio di particolato attraverso le maglie. E’ possibile mantenere una temperatura più bassa aumentando il tempo di permanenza in forno.
Avendone la possibilità si suggerisce di filtrare una certa quantità di liquido di estrazione attraverso il filtro e, successivamente porlo in essiccamento. In questo modo il materiale risulterà perfettamente condizionato e libero da eventuali residui organici presenti nello stesso con temperature di evaporazione superiori a quelle impiegate nel condizionamento. La verifica di questa fase avviene per pesata fino a peso costante. Una volta tolto dal forno il filtro va mantenuto per almeno un’ora in essiccatore con gel di silice (non è mai buona prassi pesare oggetti caldi, per cui è necessario un certo periodo di raffreddamento; il gel di silice evita che il materiale possa assorbire umidità).

Un riguardo particolare va alla bilancia che deve presentare determinate caratteristiche di costruzione e posizionamento in grado di consentire una misurazione il più precisa possibile.
Oltre al discorso della verifica di accuratezza, risoluzione ed affidabilità bisogna tenere conto anche di altri fattori:

– Accensione bilancia: a causa della loro meccanica e grado di precisione le bilance analitiche dovrebbero sempre rimanere accese od accese almeno un paio di ore prima della determinazione.
– Banco di pesata: non deve flettersi sotto il peso della strumentazione e deve essere privo di vibrazioni, antimagnetico ed antistatico quindi, materiali come vetro, plastica ed acciaio andrebbero evitati, i primi due soprattutto per un discorso di resistenza, ma anche per la possibile presenza di cariche elettrostatiche che interferirebbero con l’apparecchiatura. Quest’ultimo problema può essere contenuto con l’applicazione di masse a terra.
Il banco di pesata deve essere posizionato sul pavimento o fissato a parete; è buona regola non utilizzare un doppio fissaggio in quanto il banco sarebbe sottoposto a doppia vibrazione. Altro accorgimento legato al banco di lavoro sta nella sua stabilità: la bilancia non dovrebbe rilevare variazioni di peso operando delle pressioni sul banco su cui poggia e la bilancia andrebbe posizionata in prossimità delle game del banco, punto in cui il fenomeno delle vibrazioni è minimizzato.
– Area di lavoro: deve essere dedicata alla bilancio e comunque essere in una zona priva di vibrazioni, lontano da zone di passaggio e correnti d’aria.
– Temperatura: deve essere mantenuta costante, possibilmente in una fascia ideale compesa tra i -5°C ed i 30°C a seconda delle applicazioni.
– Umidità: Il valore di umidità relativa ideale è compreso tra 45% e 60%. La dove non sia possibile mantenere questo range si consiglia comunque di rimanere all’interno di valori compresi tra 20% ed 80%.
– Luce: la bilancia va posizionata lontano da finestre e luci in generale a causa dell’emissione di calore con formazione di correnti convettive o gradienti di temperatura non stabili nel tempo.

La determinazione del livello di contaminazione avviene mediante microscopia ottica (sono possibili altri sistemi di lettura come ACP, SEM, ecc che non verranno presi in considerazione in questa sede.
Durante le fasi estrattive il liquido passa attraverso il filtro precedentemente condizionato che verrà poi posto nuovamente in forno per eliminare il solvente di analisi e successivamente letto mediante stereo microscopio (Figura 9).

Figura 9: Stereo Microscopio AXIO ZOOM V16 con lettura in automatico.

Figura 9: Stereo Microscopio AXIO ZOOM V16 con lettura in automatico

Figura 10: Grafico ideale per la validazione del metodo di analisi di pulizia tecnica.

Figura 10: Grafico ideale per la validazione del metodo di analisi di pulizia tecnica.

Figura 11: Grafico reale per la validazione del metodi di analisi di pulizia tecnica.

Figura 11: Grafico reale per la validazione del metodi di analisi di pulizia tecnica.

Figura 12: Grafico non ideale per la validazione del metodo di analisi di pulizia tecnica.

Figura 12: Grafico non ideale per la validazione del metodo di analisi di pulizia tecnica.

Figura 15: integrazione erronea

Figura 15: integrazione erronea (linea rossa): il software ha elaborato anche le zone d’ombra e particelle minori.

Figura 16: verifica integrazione

Figura 16: verifica della corretta integrazione da parte del software.

Anche in questa fase, analogamente per i passaggi di lavaggio e confezionamento, la contaminazione ambientale ricopre un ruolo di prima importanza per fornire un risultato attendibile.

Prima di poter eseguire il test è fondamentale accertarsi e valutarne l’idoneità: per questo motivo si esegue una validazione del metodo analitico. Sullo stesso campione, costituito a sua volta da un certo numero di articoli, vengono eseguiti fino a sei lavaggi. Ogni lavaggio viene raccolto su un filtro differente che verrà letto successivamente al microscopio ottenendo sei punti di lettura (Figura 10).

Dal grafico si può notare un certo andamento esponenziale a decrescere del numero di particelle estratte. Bisogna tuttavia notare che normalmente l’andamento del grafico in figura 7 è un andamento ideale e che normalmente si possono notare degli scostamenti a decrescere che non rispettano questa esponenzialità come si può notare in figura 11.

Il fatto è dovuto a differenti fattori: manualità dell’operatore, ovvero l’introduzione di particelle estranee al campione durante la fase di estrazione (contaminazione crociata) e tipologia di materiale (in questo caso polimero elastomerico vulcanizzato).

In particolare per tipologia di materiale ci si riferisce alla possibilità che si possano verificare delle micro abrasioni durante il trattamento con ultrasuoni o la presenza di bave di piccola entità che si possono staccare in fase di estrazione.

Grafici in cui l’andamento di estrazione non rispetta una certa regolarità (aumenti di particelle durante le fasi) fanno si che il metodo analitico venga scartato (Figura 12).

Affinchè il metodo analitico sia considerato valido è che, all’interno dei sei punti, venga rispettata la formula:

valori_

Dove il risultato dell’ultimo valore estratto, diviso per la somma dei punti precedenti deve risultare inferiore od uguale al 10% (Figura 13).

Per quanto riguarda la lettura dei campioni, una delle prime cosa di cui tener conto è la risoluzione dei pixel (espressa in mm/pixel) ed in generale tale valore dovrebbe essere ≤ 10 della particella più piccola da determinare od almeno 1/5 della particella più piccola determinabile. La spiegazione risiede nell’errore che si commette nella ricostruzione dell’immagine (Figura 14).

 

Figura 13: Andamento % di estrazione dei contaminanti in fase di validazione del metodo di analisi.

Figura 14: risoluzione pixel

Figura 14: risoluzione pixel.

Come è facilmente intuibile dalla figura 14, maggiore è il numero di pixel utilizzati per la ricostruzione dell’immagine (più piccoli), maggiore sarà l’accuratezza nella ricostruzione della stessa e minore, di conseguenza, sarà l’errore apportato.

Altro fattore fondamentale sta nella correzione della scala dei grigi (l’analisi non va compiuta in “modalità colore” sia a causa della maggior memoria impiegata, con conseguente rallentamento dei tempi di elaborazione, sia a causa della difficoltà di interpolare correttamente i punti in policromia rispetto al campo dei grigi.

Una buona calibrazione (o la presenza di adeguati filtri) di tale scala permette di discriminare correttamente zone d’ombra dovute alla proiezione della schermatura di una certa quantità di luce da parte delle particelle (si tratta di oggetti tridimensionali) leggibile come facente parte della particella stessa aumentando in questo modo l’errore e portando a letture di valori non reali (Figura 15).

Per questo motivo è possibile per l’operatore, controllare e modificare manualmente eventuali errori di integrazione eseguiti in automatico dal software (Figura 16).

 

Conclusione: l’analisi di pulizia tecnica è un metodo analitico per la determinazione della quantità di inquinanti presenti sugli articoli che risente di una serie di fattori che contribuiscono al rilascio di un risultato attendibile.

Come per tutte le analisi anche in questo caso, escludendo errori casuali da parte dell’analista ed una campionatura di pezzi da sottoporre ad analisi non congrua al numero totale di articoli stampati, ci sono una serie di accorgimenti da mettere in atto per far si che il risultato ottenuto sia il più possibile corrispondente alla reale situazione.

Vladimiro A. Guindani

RDAC - Chemical and Technical Cleanliness Analysis Dept.