Experimenteel Protocol te onderzoeken Particle Aërosolvorming van een Product Under Schuring en Under Milieu Weathering

Summary

In dit artikel, een experimenteel protocol te onderzoeken deeltje verstuiving van een product in het kader van slijtage en in het kader van het milieu verwering wordt gepresenteerd. Resultaten op de emissie van gemanipuleerde nanomaterialen in de vorm van aërosolen worden gepresenteerd. De specifieke experimentele set-up wordt in detail beschreven.

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

Met een snelle volwassenheid in de nanotechnologie, is de vooruitgang gedreven door een snelle commercialisering van producten die synthetische nanomaterialen (ENM) met opmerkelijke eigenschappen. Zoals beschreven door Potocnick ¹ in het artikel 18 (5), van Verordening 1169/2011, uitgegeven door de Europese Commissie, ENM kan worden gedefinieerd als "elke doelgericht gefabriceerd materiaal bevattende deeltjes, in een ongebonden toestand of als een aggregaat of een agglomeraat en waarvan minstens 50% van de deeltjes in de gekwantificeerde grootteverdeling een of meer externe dimensies bezitten binnen het groottebereik 1 nm tot 100 nm ". Bovendien zijn de producten die ENM, hetzij in de vaste massa of op de vaste oppervlakken of in hun vloeibare suspensies, kunnen worden aangeduid als nanogestructureerde producten. Verschillende soorten ENM met verschillende formuleringen en funtionaliseringen worden gebruikt in dergelijke producten volgens de aard van de toepassing en budget. De producten kunnen worden in de vorm van coatings, verf, tegels, stenen huis, beton e etc.

Wat het onderzoek betreft, kan men ook enorm aantal publicaties over de innovaties hebben bereikt door nanotechnologie. Ondanks deze enorme onderzoek, de aantrekkelijke eigenschappen van ENM onder probe voor potentiële gezondheids- of milieugevaren vanwege hun neiging om te vrijgegeven of uitgestoten lucht in de vorm van aërosolen tijdens het gebruik of de verwerking van de nanostructuren (bij voorbeeld Oberdörster c.s. . ^2, Le Bihan et al. ³ en Houdy et al. ^4). Kulkarni et al. ⁵ definieert een aerosol als suspensie van vaste of vloeibare deeltjes in het gasvormige medium. Hsu Chein en ⁶ is gebleken dat tijdens het gebruik of de verwerking van nanogestructureerde product, een nanogestructureerde product wordt onderworpen aan verschillende mechanische spanningen en milieu verwering die een dergelijke vergemakkelijkenemissie.

Volgens Maynard ^7, bij blootstelling, deze aërosolen van ENM kunnen interageren met menselijk organisme bij inademing of via de huid contacten en krijgen gestort in het lichaam die bijgevolg verschillende nadelige effecten, waaronder de kankerverwekkende batterijen kunnen veroorzaken. Dus een grondig begrip van de emissie ENM fenomeen is van groot belang gezien de ongekende gebruik van nanogestructureerde producten, zoals door Shatkin et al. ^8. Dit kan niet alleen helpen bij het ​​voorkomen van onvoorziene gezondheid gerelateerde complicaties als gevolg van hun blootstelling, maar ook in het publieke vertrouwen in nanotechnologie bemoedigend.

Niettemin heeft de blootstelling gerelateerd probleem is nu begonnen om aandacht van de onderzoeksgemeenschap en is onlangs benadrukt door verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld (bijvoorbeeld Hsu en 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). Gezien de grootschalige inzet van nanogestructureerde producten op de commerciële markten, zou de meest effectieve aanpak van het probleem aan te pakken een preventieve één zijn. In een dergelijke aanpak, is een product dat is ontworpen op een zodanige wijze dat het "nanosafe-by-design 'of' Design for veiliger Nanotechnology" (Morose ¹⁹⁾ dat wil zeggen, geringe emissie. Met andere woorden, maximaliseert hun voordelen probleemoplossing bij gebruik tijdens het uitzenden van een minimale hoeveelheid aerosolen in het milieu.

Om de Nanosafety-by-design te testen tijdens de gebruiksfase van een nanostructuur product, de auteurs presenteren een geschikte experimentele methodologieom dat te doen in dit artikel. Deze methode bestaat uit twee soorten verzoeken: (i) mechanisch en (ii) milieu die gericht zijn op het simuleren van echte spanningen waaraan de nanogestructureerde product, een gemetselde bakstenen, is onderworpen aan tijdens de gebruiksfase.

(I) Een lineair slijtage inrichting die de mechanische verzoek simuleert. De originele en handelsvorm, zoals getoond in figuur 1A, wordt verwezen in talrijke internationaal erkende test standaarden zoals ASTM D4060 ^20, ASTM D6037 en ASTM D1044 ^{21 22.} Volgens Golański et al. ^23, als gevolg van de robuuste en gebruiksvriendelijke ontwerp, zijn originele vorm wordt al op grote schaal gebruikt in de industrie voor het analyseren van de prestaties van producten, zoals verf, coating, metaal, papier, textiel, enz. De stress wordt aangebracht door deze inrichting overeenkomt met het typische ene toegepast in een huiselijke omgeving, bijvoorbeeld wandelen metschoenen en verplaatsing van verschillende objecten in een huishouden (Vorbau et al. ²⁴ en Hassan et al. ^25). In figuur 1A, een horizontaal verplaatsen bar beweegt de norm schuurmiddel in een heen en weer beweging over het monster oppervlak. De slijtage slijtage optreedt op het contactoppervlak als gevolg van de wrijving bij het contact. De omvang van de slijtage slijtage kan worden gevarieerd door de normale belasting _(FN), die werkt op de bovenzijde van het schuurmiddel. Door de aard van het schuurmiddel en normale belasting, kan men de abrasiviteit en daarmee de spanning variëren. Morgeneyer et al. ²⁶ hebben erop gewezen dat de stress tensor wordt gemeten tijdens schuren bestaat uit normale en tangentiële componenten. De normale stress is het directe gevolg van de normale belasting, dat wil zeggen, van F _N, terwijl de tangentiële spanning is het resultaat van the tangentieel wrijving werkende werkwijze, gemeten als kracht (F _T) en werkt parallel of anti-parallel aan de richting waarin de slijtage plaatsvindt. In de oorspronkelijke vorm van deze schuren apparaat, kan men F _T niet bepalen. Daarom is de rol van de mechanische spanningen tijdens de aërosolvorming van ENM kan niet volledig worden bepaald. Om deze beperking te roeien, in detail beschreven door Morgeneyer et al. ²⁶ hebben we (a) gemodificeerd door het vervangen van de reeds geïnstalleerde horizontale stalen staaf met een replica van aluminium 2024 legering en (b) die een rekstrookje op het bovenoppervlak van deze gerepliceerde aluminiumlegering bar. Dit is weergegeven in figuur 1B. Deze spanningsmeter is 1,5 mm actieve meetrooster lengte en 5,7 mm voor het meten rooster carrier lengte. Het is gemaakt van een constantaandraad folie met 3,8 urn dikte en 1,95 ± 1,5% van vliegtuigtype factor.Een juiste meting van de mechanische spanningen worden gegarandeerd door dynamische rekstrookje versterker die in serie is verbonden met de spanningsmeter, waardoor een betrouwbare meting van de spanning die in de meter. De verzonden via versterker data wordt verkregen met behulp van data-acquisitie software.

Figuur 1. Schuring Apparatuur en Strain Gauge. De commerciële standaardformulier van de Taber schuren apparaat (A) met slijtage snelheid, de duur en de slaglengte controles. De oorspronkelijk gemonteerde stalen staaf werd vervangen door een aluminium staaf en is verder uitgerust met een spanningsmeter (B) aan de tangentiaalkracht (F _T) te meten. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In de <s Trong> Figuur 2, wordt de complete experimentele opstelling getoond, waar deze gewijzigde Taber schuren apparaat onder de conformiteit van een nanosecured werkpost wordt geplaatst. Een deeltje vrije lucht is voortdurend circuleert binnen dit werk post op een debiet van 31.000 l / min. Het heeft een roetfilter rendement van 99,99% en is al met succes in dienst van Morgeneyer et al. ²⁷ in stoffigheid testen verschillende nanodeeltjes '.

Figuur 2. Experimentele Set-up (Shandilya et al. ^31). Een nanosecured werk faciliteit voor het uitvoeren van de slijtage tests en real time karakterisering (zowel kwalitatief en Kwantitatieve) van de gegenereerde aerosol deeltjes. Een klein deel van het deeltje lucht passeert door een sleuf in de emissiekamer te elimineren de achtergrond deeltjes aantal concentratie.Pbelasting / 53496 / 53496fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

De motor van de schuren apparatuur wordt buiten gehouden en zijn lineair schuivende deel wordt bewaard in een zelf ontworpen emissie testkamer, met afmetingen 0,5 mx 0,3 mx 0,6 m, (details in Le Bihan et al. ^28). Het helpt bij het voorkomen van het schuren apparaat "motor uitstoot van inmenging in de testresultaten. De bemonstering van de gegenereerde aerosol deeltjes wordt uitgevoerd in de nabijheid van een radiaal symmetrische kap (volume 713 ^cm3). Door gebruik van een dergelijke kap, kan de aërosoldeeltjes verliezen als gevolg van hun afzetting op de oppervlakken worden geminimaliseerd. Het andere voordeel omvat verhoging van de aërosoldeeltjes aantal concentraties als gevolg van een relatief lagere volume van de kap ten opzichte van de emissie testkamer. Dankzij deze set-up, een real-time karakterisering en analyse van het deeltje aerosols krijgen die tijdens het schuren slijtage kan experimenteel worden gedaan qua aantal concentraties grootteverdelingen, elementaire samenstellingen pt vormen. Volgens Kulkarni et al. ^5, het aantal concentratie van ENM aerosols deeltjes kan worden gedefinieerd als "het aantal ENM aan unit kubieke centimeter lucht". Ook de grootteverdeling van ENM aërosolen is "de verhouding uitdrukt van de hoeveelheid van een ENM (doorgaans aantal en massaconcentraties) geassocieerd met deeltjes in een bepaald groottebereik".

Een deeltje Counter (meetbare maten: 4 nm tot 3 micrometer) meet de aerosol deeltjes aantal concentratie (PNC). Het deeltje sizers (meetbare maten: 15 nm – 20 pm) meet de deeltjesgrootteverdeling (PSD). Een aërosol deeltjes sampler (in detail beschreven door R'mili et al. <sup> 30) wordt gebruikt voor het deeltje verzamelen door filtreren techniek op een poreuze koperen rooster die later kan worden gebruikt Transmission Electron Microscope (TEM) van verschillende kwalitatieve analyse van de vrijgemaakte deeltjes.

(ii) het milieu verzoek kan worden gesimuleerd door versnelde kunstmatige verwering in een verwering kamer, zie figuur 3. Zoals uit Shandilya et al. ^31, de verweringsomstandigheden kan overeenkomstig worden gehouden met de internationale normen of worden aangepast, afhankelijk van type simulatie. De UV-belichting wordt geleverd via xenon booglamp (300 – 400 nm) geïnstalleerd met een optische straling filter. De actie van de regen wordt gesimuleerd door het sproeien gedemineraliseerd en gezuiverd water op hen. Een reservoir is geplaatst onder de proefmonsters van de afvoer water op te vangen. Het opgevangen water of percolaat kan later worden gebruikt om de ENM uitloging analyses uit te voeren.

<imgalt = "Figuur 3" src = "/ files / ftp_upload / 53496 / 53496fig3.jpg" />
Figuur 3. Weathering Kamer. De commerciële vorm van de SUNTEST XLS + verwering kamer is voorzien van een RVS afzuigkap waarbinnen de nanocoating monsters worden geplaatst. Het waterreservoir is geplaatst onder de kap die de bron van het water te worden gespoten in de kap. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

OPMERKING: De techniek die in het protocol hier is niet beperkt tot de gepresenteerde testmonsters maar kan worden gebruikt voor andere samples. 1. Kunstmatige verwering [CEREGE Platform, Aix en Provence] Neem een ​​monster van 250 ml gedeïoniseerd en gezuiverd water te sproeien in een bekerglas. Dompel de punt van het water geleidbaarheid meter in het water. Let op het water geleidbaarheid. Herhaal dit proces en let op het water geleidbaarheid elke keer. LET OP: Volgens de ISO 16474</…

Representative Results

testmonsters De protocollen die in het artikel zijn aangebracht op drie verschillende commerciële nanogestructureerde producten. Een focus is hier gelegd op de details van de experimentele benadering: (a) alumino-silicaat bakstenen versterkt met TiO 2 nanodeeltjes, (11 cm x 5 cm x 2 cm). Het vindt zijn veelvuldige toepassing bij de bouw van gevels, huiswanden, wandtegels, trottoirs etc. De materiaaleigenschappen langs beeld een rasterel…

Discussion

In dit artikel wordt een experimenteel onderzoek naar de Nanosafety-by-design van de commerciële nanostructuur producten gepresenteerd. De Nanosafety-by-design van een product kan worden bestudeerd in termen van de PNC en PSD wanneer het wordt blootgesteld aan mechanische spanningen en milieu verwering. De gekozen voor de studie producten zijn aluminosilicaat bakstenen versterkt met TiO ₂ nanodeeltjes, glazuur met CeO ₂ nanodeeltjes en fotokatalytische nanocoatings met TiO ₂ nanodeeltje…

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