Protocollo sperimentale per Indagare particelle aerosol di un prodotto in base alle abrasioni e Under atmosferici ambientale

Summary

In questo articolo, un protocollo sperimentale per indagare aerosol di particelle di un prodotto sotto all'abrasione e alle intemperie ambientale è presentato. Risultati sulla emissione di nanomateriali ingegnerizzati, sotto forma di aerosol sono presentati. Lo specifico set-up sperimentale è descritta in dettaglio.

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

Con una rapida maturità nella nanotecnologia, suo avanzamento è guidato da una rapida commercializzazione di prodotti contenenti nanomateriali ingegnerizzati (ENM), con notevoli proprietà. Come descritto da Potocnick ¹ nell'articolo 18 (5), del regolamento 1169/2011, emanato dalla Commissione Europea, ENM può essere definita come "qualsiasi materiale intenzionalmente fabbricato, contenente particelle, allo stato libero o come un aggregato o come un agglomerato e dove, per il 50% o più delle particelle nella distribuzione dimensionale numerica, una o più dimensioni esterne siano comprese fra 1 nm e 100 nm ". Inoltre, i prodotti contenenti ENM, sia nella loro massa solida o sulle loro superfici solide o nelle loro sospensioni liquide, può essere definito come nanostrutturati prodotti. Diversi tipi di ENM con diverse formulazioni e funzionalizzazioni vengono usati in tali prodotti secondo la natura dell'applicazione budget. I prodotti possono essere sotto forma di coatings, vernici, piastrelle, mattoni delle case, concret e ecc.

Per quanto riguarda la ricerca è interessato, si può anche trovare un enorme numero di pubblicazioni sulle innovazioni che sono state compiute attraverso nanotecnologie. Nonostante questa enorme di ricerca, i tratti interessanti di ENM sono in fase di sonda per il potenziale di salute o pericoli per l'ambiente a causa della loro tendenza a ottenere rilasciato o emesso in aria sotto forma di aerosol durante l'uso o la trasformazione dei prodotti nanostrutture (ad esempio Oberdorster et al . ^2, Le Bihan et al. ³ e Houdy et al. ^4). Kulkarni et al. ⁵ definisce un aerosol come la sospensione di particelle solide o liquide nel mezzo gassoso. Hsu e Chein ⁶ hanno dimostrato che, durante l'utilizzo o la lavorazione di un prodotto nanostrutturato, un prodotto nanostrutturato è sottoposto a varie sollecitazioni meccaniche e agli agenti atmosferici ambientale che facilitano un taleemissioni.

Secondo Maynard ^7, dopo l'esposizione, questi aerosol di ENM possono interagire con l'organismo umano per inalazione o cutanea contatti e ottenere depositati all'interno del corpo che di conseguenza possono causare vari effetti negativi, tra cui quelle cancerogene. Così, una conoscenza approfondita del fenomeno delle emissioni ENM è di fondamentale importanza dato l'uso senza precedenti di prodotti nanostrutturati, come detto da Shatkin et al. ^8. Questo potrebbe non solo aiutare a evitare le complicazioni impreviste relativi alla salute derivanti dalla loro esposizione, ma anche per favorire la fiducia del pubblico nelle nanotecnologie.

Tuttavia, il problema legato all'esposizione ora ha iniziato a ricevere attenzione da parte della comunità di ricerca ed è stato recentemente evidenziato da varie unità di ricerca in tutto il mondo (ad esempio, Hsu e Chein ^6, Göhler et al. ^9, Allen et al. <sup> 10, Allen et al. ^11, Al-Kattan et al. ^12, Kaegi et al. ^13, Hirth et al. ^14, Shandilya et al. ^{15, 31, 33,} Wohlleben et al. ^16, Bouillard ^{et al. 17,} Ounoughene et al. ^18). Considerando la diffusione su larga scala di prodotti nanostrutturati nei mercati commerciali, l'approccio più efficace per affrontare il problema sarebbe stata una preventiva. In un tale approccio, un prodotto è concepito in modo tale che sia "Nanosafe-by-design" o "Design for Nanotechnology sicuro" (Morose ¹⁹⁾ Per esempio, basso emissivo. In altre parole, massimizza loro benefici nella soluzione dei problemi durante il suo utilizzo mentre emette una quantità minima di aerosol nell'ambiente.

Per testare l'Nanosafety by design durante la fase di utilizzo di un prodotto nanostrutturato, gli autori presentano una metodologia sperimentale adeguatoa farlo nel presente articolo. Questa metodologia consiste di due tipi di sollecitazioni: (i) meccaniche e (ii) ambientale che mirano a simulare la vita reale sollecitazioni alle quali il prodotto nanostrutturato, un mattone muratura, è sottoposto a durante la sua fase di utilizzo.

(I) Un apparato di abrasione lineare che simula la sollecitazione meccanica. La sua forma originale e commerciale, come mostrato in Figura 1A, viene fatto riferimento in numerosi test standard riconosciuti a livello internazionale come ASTM D4060 ^20, ASTM D6037 ²¹ e ASTM D1044 ^22. Secondo Golanski et al. ^23, grazie al suo design robusto e user-friendly, la sua forma originale è già utilizzato ampiamente nelle industrie per analizzare le prestazioni dei prodotti come vernici, rivestimenti, metallo, carta, tessile, ecc Lo stress di essere applicato attraverso questo apparecchio corrisponde alla tipica applicata in un ambiente domestico, per esempio, camminare conscarpe e lo spostamento di oggetti diversi in una famiglia (Vorbau et al. ²⁴ e Hassan et al. ^25). Nella Figura 1A, un bar spostando orizzontalmente sposta l'abrasivo standard in un avanti e indietro il movimento sulla superficie del campione. L'usura abrasione si verifica alla superficie di contatto per attrito al contatto. L'entità dell'usura abrasione può essere variato variando il carico normale (F _N) che agisce nella parte superiore della abradant. Cambiando il tipo del valore di carico abrasivo e normale, si può variare l'abrasività e quindi la sollecitazione meccanica. Morgeneyer et al. ²⁶ hanno sottolineato che il tensore stress per essere misurato durante l'abrasione è composto da componenti normali e tangenziali. La tensione normale è il risultato diretto del carico normale, cioè, di F _N che lo sforzo tangenziale è il risultato di the tangenzialmente agendo processo attrito, misurata come forza (F _T) ed atti paralleli o anti-parallela alla direzione in cui si svolge l'abrasione. Nella forma originale di questo apparato all'abrasione, non si può determinare F _T. Pertanto, il ruolo delle sollecitazioni meccaniche durante l'aerosol di ENM non può completamente essere determinato. Per sradicare questa limitazione, come descritto in dettaglio da Morgeneyer et al. ^26, abbiamo (a) modificata sostituendo la barra orizzontale in acciaio già installato da una replica in alluminio 2024 lega e (b) montato un estensimetro sulla superficie superiore di questa barra in lega di alluminio replicato. Ciò è mostrato nella Figura 1B. Questo strain gauge ha 1,5 mm di lunghezza attiva griglia di misurazione e 5,7 mm di corsa utile del vettore griglia. Esso è formato da una lamina costantana avente 3,8 um di spessore e 1,95 ± 1,5% del fattore di taratura.Una misurazione corretta delle sollecitazioni meccaniche sono assicurati attraverso un amplificatore estensimetrico dinamica che è collegato in serie al estensimetro, consentendo una misurazione affidabile della deformazione prodotta nel misuratore. I dati trasmessi attraverso l'amplificatore viene acquisito utilizzando il software di acquisizione dati.

Figura 1. abrasione Apparecchi e Strain Gauge. La forma standard commerciale dell'apparato abrasione Taber (A) con controlli di velocità all'abrasione, durata e lunghezza della corsa. La barra di acciaio montato in origine è stato sostituito da una barra di alluminio ed è stato inoltre dotato di un estensimetro (B) per misurare la forza tangenziale (F _T). clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Nel <s Trong> Figura 2, il completo set-up sperimentale è mostrato in cui questo apparato di abrasione Taber modificato è posto sotto la conformità di un posto di lavoro nanosecured. Un aereo particella libera è costantemente in circolazione all'interno di questo posto di lavoro a una portata di 31.000 l / min. Ha una efficienza del filtro particella di 99,99% ed è già stato impiegato con successo da Morgeneyer et al. ²⁷ in test polverosità varie nanoparticelle.

Figura 2. set-up sperimentale (Shandilya et al. ^31). Una struttura di lavoro nanosecured di effettuare i test di abrasione e in tempo reale caratterizzazione (sia qualitative e quantitavive) delle particelle di aerosol generati. Una piccola frazione dell'aria particella libera passa attraverso un'asola all'interno della camera di emissione di eliminare il suo fondo particelle concentrazione del numero.PLOAD / 53496 / 53496fig2large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Il motore dell'apparato abrasione viene tenuto fuori e la sua parte linearmente scorrevole è mantenuto all'interno di una camera di prova emissioni auto-progettato, con dimensioni 0,5 m × 0,3 m × 0,6 m, (dettagli Le Bihan et al. ^28). Aiuta a prevenire le emissioni del motore l'apparato di abrasione 'di interferire nei risultati del test. Il campionamento delle particelle di aerosol prodotte avviene all'interno della vicinanza di una cappa simmetrica radiale (volume di 713 cm ^3). Impiegando tale cappa, le particelle di aerosol perdite dovute alla loro deposizione sulle superfici possono essere minimizzati. L'altro vantaggio comprende aumento della concentrazione di particelle di aerosol numero a causa di un volume relativamente inferiore della cappa rispetto alla camera di prova di emissione. Grazie a questa configurazione, una vera caratterizzazione tempo e l'analisi di aerosol di particelles sempre generato durante l'usura abrasione può essere fatto in via sperimentale in termini di concentrazioni numero, distribuzioni di dimensioni, composizioni e forme elementari. Secondo Kulkarni et al. ^5, la concentrazione numero di ENM aerosol particelle possono essere definiti come "il numero di ENM presente nell'unità centimetro cubo d'aria". Analogamente, la distribuzione dimensionale degli aerosol ENM è "il rapporto corrispondente al quantitativo di una proprietà ENM (solitamente numero e massa concentrazioni) associati con particelle in un dato intervallo di dimensioni".

Un contatore di particelle (intervallo di grandezza misurabile: 4 nm a 3 micron) misura l'aerosol particelle concentrazione numerica (PNC). I sizers particelle (misurabile misure: 15 nm – 20 micron) misurano la distribuzione delle dimensioni delle particelle (PSD). Un campionatore particelle di aerosol (descritto in dettaglio da R'mili et al. <sup> 30) viene utilizzato per la raccolta di particelle attraverso la tecnica di filtrazione su una griglia di maglia di rame poroso che può essere utilizzato in seguito a Transmission Electron Microscope (TEM) per varie analisi qualitative delle particelle rilasciate.

(ii) La sollecitazione ambientale può essere simulato attraverso invecchiamento artificiale accelerato in una camera atmosferici, illustrata in figura 3. Come mostrato da Shandilya et al. ^31, le condizioni atmosferiche possono essere tenuti in conformità alle norme internazionali o essere personalizzati a seconda della tipo di simulazione. L'esposizione UV viene fornita tramite lampada allo xeno (300 – 400 nm) installato con un filtro radiazione ottica. L'azione di pioggia simulata spruzzando deionizzata e acqua purificata su di loro. Un serbatoio è disposto sotto i campioni di prova per raccogliere l'acqua di deflusso. L'acqua raccolta o il percolato può essere utilizzato successivamente per eseguire l'analisi ENM lisciviazione.

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Figura 3. atmosferici Camera. La forma commerciale del XLS Suntest + camera atmosferici contiene una cappa in acciaio inox all'interno del quale sono collocati i campioni nanocoated. Il serbatoio dell'acqua è posizionato sotto il cofano che è la fonte di acqua da spruzzare all'interno della cappa. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Protocol

NOTA: La tecnica presentata nel protocollo qui non si limita ai campioni presentati ma può essere utilizzato per altri campioni pure. 1. artificiale atmosferici [Platform CEREGE, Aix en Provence] Prelevare un campione di 250 ml di acqua deionizzata e purificata da spruzzare in un becher. Immergere la punta di un contatore dell'acqua di conducibilità in acqua. Nota la conducibilità dell'acqua. Ripetere il processo e annotare la conducibilità acqua ogni volta. NOTA: In base alla n…

Representative Results

I campioni di prova I protocolli presentati in questo articolo sono stati applicati a tre differenti prodotti nanostrutturati commerciali. Un focus è messo qui sui dettagli del metodo sperimentale: (a) mattoni allumino-silicati rinforzati con nanoparticelle di TiO2, (11 cm x 5 cm x 2 cm). Essa trova la sua applicazione frequente nella costruzione di facciate, muri di casa, piastrelle, pavimenti, ecc Le proprietà del materiale lungo un&…

Discussion

Nel presente articolo, un'indagine sperimentale della Nanosafety-by-design di prodotti nanostrutturati commerciali è presentato. Il Nanosafety by design di qualsiasi prodotto può essere studiata in termini di PNC e PSD quando è sottoposto a sollecitazioni meccaniche e agli agenti atmosferici ambientale. I prodotti scelti per lo studio sono allumino-silicato di mattoni rinforzato con _{nanoparticelle} di TiO2, smalto con il CEO ₂ nanoparticelle e nanorivestimenti fotocatalitici con _nanopart…

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