Экспериментальный протокол по расследованию частиц аэрозолизация продукта Под истирания и по охране окружающей среды выветривания
Summary
В этой статье экспериментальный протокол для исследования аэрозолизацию частиц продукта под истирания и под экологической выветривание представлена. Результаты по эмиссии наноматериалов, в виде аэрозолей представлены. Конкретный экспериментальная установка описана подробно.
Abstract
The present article presents an experimental protocol to investigate particle aerosolization of a product under abrasion and under environmental weathering, which is a fundamental element to the approach of nanosafety-by-design of nanostructured products for their durable development. This approach is basically a preemptive one in which the focus is put on minimizing the emission of engineered nanomaterials’ aerosols during the usage phase of the product’s life cycle. This can be attained by altering its material properties during its design phase without compromising with any of its added benefits. In this article, an experimental protocol is presented to investigate the nanosafety-by-design of three commercial nanostructured products with respect to their mechanical solicitation and environmental weathering. The means chosen for applying the mechanical solicitation is an abrasion process and for the environmental weathering, it is an accelerated UV exposure in the presence of humidity and heat. The eventual emission of engineered nanomaterials is studied in terms of their number concentration, size distribution, morphology and chemical composition. The purpose of the protocol is to study the emission for test samples and experimental conditions which are corresponding to real life situations. It was found that the application of the mechanical stresses alone emits the engineered nanomaterials’ aerosols in which the engineered nanomaterial is always embedded inside the product matrix, thus, a representative product element. In such a case, the emitted aerosols comprise of both nanoparticles as well as microparticles. But if the mechanical stresses are coupled with the environmental weathering, the experimental protocol reveals then the eventual deterioration of the product, after a certain weathering duration, may lead to the emission of the free engineered nanomaterial aerosols too.
Introduction
С быстрой зрелости в области нанотехнологий, его продвижение приводится в движение быстрой коммерциализации продуктов , содержащих наноматериалы (Engineered ENM) с замечательными свойствами. Как описано Potocnick 1 в статье 18 (5) Регламента 1169/2011, выданного Европейской комиссией, ENM может быть определен как "любой преднамеренно производимого материала, содержащий частицы в свободном состоянии или в виде агрегата или в виде агломерата и где, на 50% или более частиц в Количественное распределение по размеру, один или более внешние размеры находится в диапазоне размеров 1 нм до 100 нм ". Кроме того, продукты , содержащие ENM, либо в их твердой массе или на их поверхности твердых тел или в их жидких суспензий, можно назвать как продукты наноструктурированных. Различные типы ENM с разными формулировками и функционализации используются в таких продуктах, в соответствии с характером применения и бюджета. Продукты могут быть в форме коатиNGS, краски, плитки, кирпича дома, и т.д. для бетона э.
Что касается исследований, то, можно также найти огромное количество публикаций на инновации, которые были достигнуты с помощью нанотехнологий. Несмотря на это огромное исследования, привлекательному черты ENM находятся под зондом для потенциального здоровья или экологической опасности , из – за их склонности к освобождается от блокировки или испускается в воздухе в виде аэрозолей во время использования или переработки продуктов наноструктуры (например Обердостер др . 2, Ле Бихан и др. 3 и Houdy и др. 4). Кулькарни и др. 5 определяет аэрозоль в виде суспензии твердых или жидких частиц в газовой среде. Хсу и Чейн 6 показали , что во время использования или переработки наноструктурного продукта, наноструктурного продукт подвергается различным механическим нагрузкам и атмосферным воздействиям окружающей среды , которые облегчают такоевыбросов.
По словам Maynard 7, при воздействии, эти аэрозоли ENM могут взаимодействовать с человеческим организмом через вдыхание или кожными контактов и получить на хранение внутри тела , которые , следовательно , могут вызывать различные вредные эффекты, в том числе канцерогенными. Таким образом, глубокое понимание феномена эмиссии ENM имеет первостепенное значение , учитывая беспрецедентное использование наноструктурных продуктов, как было упомянуто Shatkin и др. 8. Это может не только помочь избежать непредвиденных осложнений , связанных со здоровьем , связанных с их воздействием , но и в стимулировании общественного доверия к нанотехнологиям.
Тем не менее, проблема экспозиции , связанные в настоящее время начали привлекать внимание научно – исследовательским сообществом и был недавно выделен различными исследовательскими подразделениями по всему миру (например, Хсу и Чейн 6, Göhler и др. 9, Аллен и др. <suр> 10, Аллен и др. 11, Al-Каттан и др. 12, Кеги и др. 13, Хирт и др. 14, Shandilya и др. 15, 31, 33, Wohlleben и др. 16, Bouillard и др. 17, Ounoughene и др. 18). Учитывая крупномасштабное развертывание наноструктурных продуктов в коммерческих рынках, наиболее эффективный подход к решению этой проблемы была бы упреждающая один. При таком подходе, продукт разработан таким образом , что это "NanoSafe-по-дизайн" или "дизайн для более безопасного нанотехнологий" (Morose 19) , то есть, низкая эмиссионная. Другими словами, оно максимизирует их преимущества в решении проблем в процессе ее использования при испускании минимальное количество аэрозолей в окружающую среду.
Для проверки нанобезопасности, заложенной в конструкции во время фазы использования наноструктурированной продукта, авторы представляют соответствующую экспериментальную методологиюсделать это в настоящей статье. Эта методика состоит из двух типов: домогательствах (I) и механические (II) окружающей среды , которые направлены на имитации реальной жизни напряжения, которым продукт наноструктурного, кладки кирпича, подверженного во время его фазы использования.
(I) линейный истирания устройство, которое имитирует механическое вымогательство. Его оригинальная и коммерческая форма, как показано на рисунке 1А, упоминается в многочисленных международно признанных стандартов испытаний , как ASTM D4060 20, ASTM D6037 21 и ASTM D1044 22. Согласно Голяньски и др. 23, благодаря своей надежной и удобной для пользователя дизайн, его оригинальная форма уже широко используется в промышленности для анализа производительности продуктов , таких как краски, покрытия, металла, бумаги, текстиля и т.д. Стресс является применяется через этот аппарат соответствует типичному, прикладываемое в домашней обстановке, например, ходьба собувь и перемещение различных предметов в домашнем хозяйстве (Vorbau и др. 24 и Хасан и др. 25). На рисунке 1А, горизонтально вытесняя бар перемещает стандартный абразивный Не на взад и вперед , движение по поверхности образца. Износ истирание происходит на поверхности контакта из-за трения в контакте. Величина износа абразивной может изменяться путем изменения нормальной нагрузки (F N) , который действует в верхней части абразив. Изменяя тип абразив и нормальной величины нагрузки, можно варьировать абразивность и, следовательно, механические нагрузки. Morgeneyer и др. 26 указали , что тензор напряжений измеряется во время истирания состоит из нормальных и тангенциальных составляющих. Нормальное напряжение является прямым результатом нормальной нагрузки, то есть из F N , тогда как касательное напряжение является результатом гое тангенциально действующий процесс трения, измеренный как сила (F T) , и он действует параллельно или антипараллельно направлению , в котором происходит истирание. В первоначальном виде этого аппарата к истиранию, не может определить , F T. Таким образом, роль механических напряжений во время аэрозолизация из ENM может не быть полностью определено. Для того, чтобы искоренить это ограничение, как описано в деталях с помощью Morgeneyer и др. 26, мы (а) модифицировали его путем замены уже установленной горизонтальный стальной стержень точной копией в алюминиевую 2024 сплава и (б) , установленный тензометр на верхней поверхности этого реплицированную бара из алюминиевого сплава. Это показано на фигуре 1В. Этот тензодатчик имеет 1,5 мм длины активной измерительной сетки и 5,7 мм для измерения длины несущей сетки. Он изготовлен из константан фольги, имеющей 3,8 мкм толщиной и 1,95 ± 1,5% от коэффициента датчика.Правильное измерение механических напряжений обеспечивается с помощью динамического тензодатчика усилителя, который соединен последовательно с тензодатчика, что позволяет надежное измерение напряжения, полученного в калибровке. Данные, передаваемые через усилитель приобретается с использованием программного обеспечения для сбора данных.
Рисунок 1. истирание Устройство и тензометрических. Коммерческий стандартная форма абразивной аппарата Табер (А) со скоростью истирания, продолжительность и длина хода управления. Первоначально установлен стальной стержень был заменен бар алюминия и дополнительно оснащен тензодатчика (в) для измерения тангенциальной силы (F T). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
в <s Чонг> Рисунок 2, полная экспериментальная установка , где показана эта модифицированная истирания устройство Табер помещается под соответствие занимаемой должности nanosecured работы. Частица свободный воздух постоянно циркулирует внутри этой рабочей должности при расходе 31000 л / мин. Он имеет эффективность фильтра частиц 99,99% и уже с успехом использована Morgeneyer и др. 27 в запыленность испытаний различных наночастиц.
Рисунок 2. Экспериментальная установка (Shandilya и др. 31). Nanosecured работы объекта для проведения испытаний истиранию и в реальном масштабе времени характеристику (как качественные , так и quantitavive) генерируемых частиц аэрозоля. Небольшая доля частиц воздуха, не проходит через щель внутри камеры излучения для устранения его фоновых частиц концентрации число.pload / 53496 / 53496fig2large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Мотор для абразивной аппарата хранится снаружи и его линейно Скользящая часть удерживается внутри собственной разработки испытательной камеры, с размерами, 0,5 м × 0,3 м × 0,6 м, (подробности в Le Bihan и др. 28). Это помогает в предотвращении выбросов двигателя истирания устройство »от вмешательства в результаты испытаний. Отбор проб из образовавшихся частиц аэрозоля осуществляется внутри вблизи радиального симметричного колпака (объемом 713 3 см). Используя такую вытяжку, потери аэрозольных частиц за счет их осаждения на поверхности могут быть сведены к минимуму. Другое преимущество включает увеличение концентрации числа частиц аэрозоля из-за сравнительно небольшой объем колпака относительно испытательной камеры. Благодаря этому установить, реальную характеристику времени и анализа частиц аэрозоляОпускается генерируется во время износа абразивной можно сделать экспериментально с точки зрения их концентраций чисел, распределения по размерам, элементного состава и форм. Согласно Кулкарни и др. 5, концентрация количество ENM аэрозолей частицы могут быть определены как "числа ENM , присутствующего в единичной кубическом сантиметре воздуха". Аналогичным образом, распределение по размерам ENM аэрозолей "отношения, выражающее количество в ENM собственности (как правило, количество и массовых концентраций), связанных с частицами в заданном диапазоне размеров".
Счетчика частиц (диапазон измерения размер: 4 нм до 3 мкм) измеряет концентрацию частиц аэрозоля номер (PNC). В Sizers частиц (диапазон измерения размер: 15 нм – 20 мкм) измерения распределения частиц по размерам (PSD). Аэрозольные частицы пробоотборник (подробно описано с помощью R'mili и др. <sup> 30) используется для сбора частиц с помощью метода фильтрации на пористой сетке медной сетки , которую можно использовать позже в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) для различных качественных анализов выделенных частиц.
(II) Экологический вымогательство может быть смоделировано за счет ускоренного искусственного выветривания в ЗМС камере, показанной на рисунке 3. Как было показано Shandilya и др. 31, условия выветривания могут быть сохранены в соответствии с международными стандартами или быть настроены в зависимости от тип моделирования. Воздействие УФ-излучением обеспечивается с помощью ксеноновой дуговой лампы (300 – 400 нм), установленного с фильтром оптического излучения. Действие дождя моделируется путем распыления деионизированной и очищенной воды на них. Резервуар помещается ниже тестовых образцов для сбора поверхностного стока воды. Собранную воду или щелок можно использовать в дальнейшем для проведения анализа ENM выщелачивания.
<imgAlt = "Рисунок 3" SRC = "/ файлы / ftp_upload / 53496 / 53496fig3.jpg" />
Рисунок 3. Выветривание палата. Коммерческая форма XLS SUNTEST + выветривание камеры содержит кожух из нержавеющей стали , внутри которого nanocoated образцы помещаются. Резервуар для воды находится под капотом , который является источником воды для распыления внутри капота. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
В настоящей статье, экспериментальное исследование нанобезопасности-по-дизайн коммерческих продуктов наноструктурированных представлена. Нанобезопасности-по-дизайн любого продукта могут быть изучены с точки зрения его PNC и PSD, когда он подвергается механическим нагрузкам и атмосфе?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was carried out in the framework of the Labex SERENADE (ANR-11-LABX-0064) and the A*MIDEX Project (ANR-11-IDEX-0001-02), funded by the French Government program, Investissements d’Avenir, and managed by the French National Research Agency (ANR). We thank the French Ministry of Environment (DRC 33 and Program 190) and ANSES (Nanodata Project 2012/2/154, APR ANSES 2012) for financing the work. We are equally grateful to Olivier Aguerre-Chariol, Patrice Delalain, Morgane Dalle, Laurent Meunier, Pauline Molina, and Farid Ait-Ben-Ahmad for their cooperation and advice during the experiments.
Materials
| Photocal Masonry | Nanofrance Technologies | Test sample | |
| Masonry brick (ref. 901796) | Castorama | Support for test sample | |
| Optical microscope (model Imager.M1m) | Carl Zeiss MicroImaging GmbH |
For microcopic analysis | |
| Energy-dispersion spectroscope (model X-max) | Oxford Instruments | For elemental composition analysis | |
| Transmission Electron Microscope (model CM12) |
Philips | For microcopic analysis | |
| Weathering chamber (model Suntest XLS+) | Atlas | For accelerated artificial weathering | |
| Xenon arc lamp (model NXE 1700) | Ametek SAS | UV rays source | |
| Inductively Coupled Plasma Mass spectrometer (model 7500cx) | Agilent Technologies | For leachate water samples analysis |
|
| Taber linear abraser (model 5750) | Taber Inc. | For abrasion | |
| Taber H38 abradant | Taber Inc. | For abrasion | |
| Condensation Particle Counter 3775 | TSI | For counting number concentration of aerosol particles | |
| Aerodynamic Particle Sizer 3321 | TSI | For measuring the size of aerosol particles | |
| Differential Mobility Analyzer 3081 | TSI | For measuring the size of aerosol particles | |
| Mini Particle Sampler | Ecomesure | For sampling the aerosol particles | |
| Gilian LFS-113 Low Flow Personal Air Sampling Pump | Sensidyne | For sampling the aerosol particles |
References
- Potocnick, J. . European Commission Recommendation on the definition of nanomaterial (2011/696/EU). , (2011).
- Oberdorster, G., Oberdorster, E., Oberdorster, J. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environ Health Persp. 113 (7), 823-839 (2005).
- Le Bihan, O., Shandilya, N., Gheerardyn, L., Guillon, O., Dore, E., Morgeneyer, M. Investigation of the Release of Particles from a Nanocoated Product. Adv Nanoparticles. 2 (1), 39-44 (2013).
- Houdy, P., Lahmani, M., Marano, F. . Nanoethics and Nanotoxicology. , (2011).
- Kulkarni, P., Baron, P. A., Willeke, K. . Aerosol Measurement: Principle, Techniques and Applications. , (2011).
- Hsu, L. Y., Chein, H. M. Evaluation of nanoparticle emission for TiO2 nanopowder coating materials. J Nanopart Res. 9 (1), 157-163 (2007).
- Maynard, A. D. Safe handling of nanotechnology. Nature. 444 (1), 267-269 (2006).
- Shatkin, J. A., et al. Nano risk analysis: advancing the science for nanomaterials risk management. Risk Anal. 30 (11), 1680-1687 (2011).
- Göhler, D., Nogowski, A., Fiala, P., Stintz, M. Nanoparticle release from nanocomposites due to mechanical treatment at two stages of the life-cycle. Phys Conf Ser. 429, 012045 (2013).
- Allen, N. S., et al. Ageing and stabilisation of filled polymers: an overview. Polym Degrad Stabil. 61 (2), 183-199 (2004).
- Allen, N. S., et al. Degradation and stabilisation of polymers and coatings: nano versus pigmentary titania particles. Polym Degrad Stabil. 85 (3), 927-946 (2004).
- Al-Kattan, A., et al. Release of TiO2 from paints containing pigment-TiO2 or nano-TiO2 by weathering. J Environ Monitor. 15 (12), 2186-2193 (2013).
- Kaegi, R., et al. Synthetic TiO2 nanoparticle emission from exterior facades into the aquatic environment. Environ Pollut. 156 (2), 233-239 (2008).
- Hirth, S., Cena, L., Cox, G., Tomovic, Z., Peters, T., Wohlleben, W. Scenarios and methods that induce protruding or released CNTs after degradation of nanocomposite materials. J Nanopart Res. 15 (2), 1504-1518 (2013).
- Shandilya, N., Le Bihan, O., Morgeneyer, M. A review on the study of the generation of (nano-) particles aerosols during the mechanical solicitation of materials. J Nanomater. 2014, 289108 (2014).
- Wohlleben, W., et al. On the lifecycle of nanocomposites: comparing released fragments and their in vivo hazards from three release mechanisms and four nanocomposites. Small. 7 (16), 2384-2395 (2011).
- Bouillard, J. X., et al. Nanosafety by design: risks from nanocomposite/nano waste combustion. J Nanopart Res. 15 (1), 1519-1529 (2013).
- Ounoughene, G., et al. Behavior and fate of Halloysite Nanotubes (HNTs) when incinerating PA6/HNTs nanocomposite. Environ Sci Technol. 49 (9), 5450-5457 (2015).
- Morose, G. The 5 principles of "Design for Safer Nanotechnology". J Clean Prod. 18 (3), 285-289 (2010).
- ASTM International. . ASTM D4060: Standard test method for the abrasion of organic coatings by the Taber abradant. , (2007).
- ASTM International. . ASTM D6037: Standard test methods for dry abrasion mar resistance of high gloss coatings. , (1996).
- ASTM International. . ASTM D1044: Standard test method for resistance of transparent plastics to surface abrasion. , (2008).
- Golanski, L., Guiot, A., Pras, M., Malarde, M., Tardif, F. Release-ability of nano fillers from different nanomaterials (toward the acceptability of nanoproduct). J Nanopart Res. 14 (1), 962-970 (2012).
- Vorbau, M., Hillemann, L., Stintz, M. Method for the characterization of the abrasion induced nanoparticle release into air from surface coatings. J Aerosol Sci. 40 (3), 209-217 (2009).
- Hassan, M. M., Dylla, H., Mohammad, L. N., Rupnow, T. Evaluation of the durability of titanium dioxide photocatalyst coating for concrete pavement. Constr Build Mater. 24 (8), 1456-1461 (2010).
- Morgeneyer, M., Shandilya, N., Chen, Y. M., Le Bihan, O. Use of a modified Taber abrasion apparatus for investigating the complete stress state during abrasion and in-process wear particle aerosol generation. Chem Eng Res Des. 93 (1), 251-256 (2015).
- Morgeneyer, M., Le Bihan, O., Ustache, A., Aguerre Chariol, O. Experimental study of the aerosolization of fine alumina particles from bulk by a vortex shaker. Powder Technol. 246 (1), 583-589 (2013).
- Le Bihan, O., Morgeneyer, M., Shandilya, N., Aguerre Chariol, O., Bressot, C., Vogel, U., Savolainen, K., Wu, Q., Van Tongeren, M., Brouwer, D., Berges, M. Chapter 7. Handbook of Nanosafety: Measurement, Exposure and Toxicology. , (2014).
- Göhler, D., Stintz, M., Hillemann, L., Vorbau, M. Characterization of nanoparticle release from surface coatings by the simulation of a sanding process. Ann Occup Hyg. 54 (6), 615-624 (2010).
- R’mili, B., Le Bihan, O., Dutouquet, C., Aguerre Charriol, O., Frejafon, E. Sampling by TEM grid filtration. Aerosol Sci Tech. 47 (7), 767-775 (2013).
- Shandilya, N., Le Bihan, O., Bressot, C., Morgeneyer, M. Emission of Titanium Dioxide Nanoparticles from Building Materials to the Environment by Wear and Weather. Environ Sci Technol. 49 (4), 2163-2170 (2015).
- AFNOR. . ISO 16474-1: Paints and varnishes − Methods of exposure to laboratory light sources − Part 1: General guidance. , (2012).
- Shandilya, N., Le Bihan, O., Bressot, C., Morgeneyer, M. Evaluation of the particle aerosolization from n-TiO2 photocatalytic nanocoatings under abrasion. J Nanomater. 2014, 185080 (2014).
- Shandilya, N., Le Bihan, O., Morgeneyer, M. Effect of the Normal Load on the release of aerosol wear particles during abrasion. Tribol Lett. 55 (2), 227-234 (2014).
- White, L. R. Capillary rise in powders. J Colloid Interf Sci. 90 (2), 536-538 (1982).
- Dufresne, E. R., et al. Flow and fracture in drying nanoparticle suspensions. Phys Rev Lett. 91, 224501 (2003).
- Hare, C. H. The degradation of coatings by ultraviolet light and electromagnetic radiation. JPCL. , (1992).
- Tirumkudulu, M. S., Russel, W. B. Cracking in drying latex films. Langmuir. 21 (11), 4938-4948 (2005).
- Shandilya, N., Morgeneyer, M., Le Bihan, O. First development to model aerosol emission from solid surfaces subjected to mechanical stresses: I. Development and results. J Aerosol Sci. 89, 43-57 (2015).
- Shandilya, N., Morgeneyer, M., Le Bihan, O. First development to model aerosol emission from solid surfaces subjected to mechanical stresses: II. Experiment-Theory comparison, simulation and sensibility analysis. J Aerosol Sci. 89, 1-17 (2015).
- Bressot, C., et al. Environmental release of engineered nanomaterials from commercial tiles under standardized abrasion conditions. J Hazardous Materials. , (2016).
