Versuchsprotokoll Particle Aerosolisierung eines Produktes unter Abrieb und unter Umwelt Verwitterung zur Untersuchung

Summary

In diesem Artikel zu einem Versuchsprotokoll Partikel Vernebelung eines Produkts unter Abrieb und unter Umwelt Verwitterung untersuchen vorgestellt. Die Ergebnisse für die Emission von Nanomaterialien in Form von Aerosolen werden vorgestellt. Die spezifische Versuchsaufbau wird im Detail beschrieben.

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

Mit einer schnellen Reife in der Nanotechnologie, wird ihr Fortschritt durch eine schnelle Vermarktung von Produkten mit Nanomaterialien (ENM) mit bemerkenswerten Eigenschaften angetrieben. Wie durch Potocnick ¹ in dem Artikel 18 (5) der Verordnung 1169/2011, die von der Europäischen Kommission erhalten hat, eine ENM als "jedes absichtlich hergestelltes Material definiert werden, enthält Partikel, in einem ungebundenen Zustand oder als ein Aggregat oder als Agglomerat und bei dem mindestens 50% oder mehr der Teilchen in der Anzahl Größenverteilung, eine oder mehrere Außenabmessungen ist im Größenbereich von 1 nm bis 100 nm. " Darüber hinaus sind die Produkte , die ENM, entweder in ihrem festen Masse oder auf ihren festen Oberflächen oder in ihrer flüssigen Suspensionen, können als Nanostrukturierte Produkte bezeichnet werden. Verschiedene Arten von ENM mit verschiedenen Formulierungen und Funktionalisierungen sind in solchen Produkten je nach der Art der Anwendung und Budget verwendet. Die Produkte können in Form von Nasenbär seinNGS, Farben, Fliesen, Haus Ziegel, concret e etc.

Was die Forschung betrifft, so kann man auch enorme Anzahl von Publikationen zu den Neuerungen finden, die durch Nanotechnologie erreicht wurden. Trotz dieser enormen Forschung sind die ansprechenden Züge von ENM unter Sonde für mögliche Gesundheits- oder Umweltgefahren aufgrund ihrer Neigung in Form von Aerosolen während der Verwendung oder Verarbeitung der Nanoprodukte (zB Oberdörster et al in Luft freigesetzt oder emittiert zu erhalten . ^2, al et Le Bihan. ³ und Houdy et al. ^4). Kulkarni et al. ⁵ definiert ein Aerosol als Suspension von festen oder flüssigen Teilchen in dem gasförmigen Medium. Hsu und Chein ⁶ haben gezeigt , dass bei der Verwendung oder Verarbeitung eines nanostrukturierten Produkt wird eine nanostrukturierte Produkt zu verschiedenen mechanischen Belastungen und Umwelt Verwitterung ausgesetzt, erleichtern eine solcheEmission.

Gemäß Maynard ^7, bei Einwirkung interagieren diese Aerosole ENM können mit menschlichen Organismus durch Kontakte Inhalation oder dermal und erhalten im Inneren des Körpers abgeschieden , die folglich verschiedene nachteilige Wirkungen, einschließlich der karzinogenen diejenigen verursachen. Somit ist ein gründliches Verständnis der ENM Emissionsphänomen von größter Bedeutung der beispiellose Verwendung von nanostrukturiertem Produkte gegeben, wie durch Shatkin erwähnt et al. ^8. Dies kann nicht nur bei der Vermeidung von unerwarteten gesundheitlichen Komplikationen helfen , von ihrer Exposition entstehen , sondern auch das Vertrauen der Öffentlichkeit in die Nanotechnologien bei der Förderung.

Dennoch hat sich die Belichtungsproblem nun begonnen , die Aufmerksamkeit von der Forschungsgemeinschaft bekommen und von verschiedenen Forschungseinrichtungen in der ganzen Welt (zum Beispiel Hsu und Chein ^6, Göhler et al. ^9, Allen et al kürzlich hervorgehoben wurde. <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). In Anbetracht der großflächigen Einsatz von nanostrukturierten Produkte in den kommerziellen Märkten, der wirksamste Ansatz zur Bewältigung des Problems wäre ein preemptives sein. Bei einem solchen Ansatz wird ein Produkt in einer solchen Weise , dass es "Nanosafe-by-Design" oder "Design for sicherer Nanotechnologie" (Morose ¹⁹⁾ dh niedrige Emissions ist. Mit anderen Worten, maximiert sie ihre Vorteile in Problem bei seiner Verwendung zu lösen, während eine minimale Menge von Aerosolen in die Umgebung emittiert.

Um zu testen, die Nanosicherheit-by-Design während der Nutzungsphase eines nanostrukturierten Produkt präsentieren die Autoren eine geeignete experimentelle Methodikso in diesem Artikel zu tun. Diese Methode besteht aus zwei Arten von Ansuchen: (i) mechanische und (ii) Umwelt , die an das wirkliche Leben zu simulieren Ziel betont , auf die sich die Nanostruktur Produkt, ein Mauerziegel, wird während seiner Nutzungsphase unterzogen.

(I) Eine lineare Abriebvorrichtung, die die mechanische Aufforderung simuliert. Seine ursprüngliche und kommerzielle Form, wie in 1A gezeigt ist , ist in zahlreichen international anerkannten Prüfnormen wie ASTM D4060 ^20, ASTM D6037 ²¹ und ASTM D1044 ²² verwiesen. Nach Golanski et al. ^23, durch seine robuste und benutzerfreundliches Design, ist seine ursprüngliche Form bereits für die Analyse der Leistung von Produkten wie Farben, Beschichtungen, Metall, Papier, Textil weit verbreitet in der Industrie verwendet wird, usw. Der Stress wird durch diese Vorrichtung angewendet entspricht dem typischen einem in einer häuslichen Umgebung angewendet wird, beispielsweise mit WanderSchuhe und Verschiebung von verschiedenen Objekten in einem Haushalt (Vorbau et al. ²⁴ und Hassan et al. ^25). In 1A bewegt sich ein horizontales Verschieben der Bar den Standard abradant in einem hin und her Bewegung über die Probenoberfläche. Die Abriebverschleiß auftritt, an der Kontaktfläche durch die Reibung an der Kontakt. Der Betrag des Abriebverschleiß kann durch Variation der normalen Last (F _N) , die an der Oberseite des abradant wirkt variiert werden. Durch Ändern des Typs des abradant und normalen Belastungswert kann man die Abrasivität variieren und damit die mechanische Belastung. Morgeneyer et al. ²⁶ haben darauf hingewiesen , dass der Stress Tensor während Abrieb zu messen ist , die aus normalen und tangentialen Komponenten. Die normale Belastung ist das direkte Ergebnis der normalen Last, das heißt von F _N während die tangentiale Spannung das Ergebnis der the tangential wirkenden Reibungsprozess, gemessen als Kraft (F _T) und es wirkt parallel oder antiparallel zu der Richtung , in der Abrieb stattfindet. In der ursprünglichen Form dieser Abriebsvorrichtung kann man nicht F _T bestimmen. Daher kann die Rolle der mechanischen Spannungen während der Aerosolisierung ENM nicht vollständig bestimmt werden. Um diese Einschränkung zu beseitigen, wie al in Details von Morgeneyer et. ²⁶ beschrieben, haben wir (a) geändert durch die bereits installierte horizontale Stahlstange ersetzt durch eine Nachbildung aus Aluminium Legierung 2024 und (b) angebracht , um einen DMS auf der Oberseite dieser replizierten Aluminiumlegierung bar. Dies ist in 1B gezeigt. Diese Dehnmessstreifen hat 1,5 mm aktive Messgitterlänge und 5,7 mm Raster Trägerlänge zu messen. Es besteht aus einer Konstantan-Folie 3,8 um Dicke und 1,95 ± 1,5% der Dehnungsfaktor aufweist.Eine korrekte Messung der mechanischen Spannungen werden durch einen dynamischen Dehnungsmessverstärker gewährleistet, die in Reihe mit dem Dehnungsmeßstreifen verbunden ist, wodurch eine zuverlässige Messung der in dem Sensor erzeugten Belastung ermöglicht. Die Daten über den Verstärker übertragen wird unter Verwendung von Datenerfassungs-Software erworben.

Abbildung 1. Abrieb Geräte und DMS. Die kommerzielle Standardform des Taber – Abriebgerät (A) mit abrieb Geschwindigkeit, Dauer und Hublänge steuert. Die ursprünglich montierten Stahlstab wurde durch eine Aluminiumstange ersetzt und wurde weiter mit einem Dehnungsmesser ausgestattet (B) die Tangentialkraft (F _T) zu messen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

In dem <s trong> 2 ist die komplette Versuchsaufbau gezeigt wird , in dem Taber – Abrieb modifizierte Vorrichtung unter der Konformität eines nanosecured Arbeit Post platziert wird. Ein partikelfreie Luft wird innerhalb dieser Arbeit Post mit einer Flussrate von 31.000 l / min zirkuliert ständig. Es verfügt über einen Partikelfilter Effizienz von 99,99% und wurde bereits von Morgeneyer erfolgreich eingesetzt worden , et al. ²⁷ in Staubigkeit Tests "verschiedene Nanopartikel.

Abbildung 2. Versuchsaufbau (Shandilya et al. ^31). Eine nanosecured Arbeit Möglichkeit , die Abriebtests und Echtzeit – Charakterisierung durchzuführen (sowohl qualitative als auch quantitavive) der erzeugten Aerosolpartikel. seinen Hintergrund Ein kleiner Teil der partikelfreie Luft strömt innerhalb der Abgabekammer durch einen Schlitz Partikel Konzentration Nummer zu beseitigen.pload / 53496 / 53496fig2large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Der Motor der Abriebvorrichtung gehalten außerhalb und dessen linear gleitenden Teil ist in einem selbst entworfenen Emissionsmesskammer mit den Abmessungen 0,5 m × 0,3 m × 0,6 m, (Details in Le Bihan et al. ²⁸⁾ gehalten. Es hilft bei der Verhinderung der Motoremissionen "Abriebgerät aus in den Testergebnissen zu stören. Die Abtastung der erzeugten Aerosolpartikel innerhalb der Nähe einer radial symmetrischen Haube (Volumen 713 cm ³⁾ durchgeführt. Durch Verwendung einer solchen Haube, die Aerosolpartikel Verluste aufgrund ihrer Ablagerung auf den Oberflächen minimiert werden. Der andere Vorteil beinhaltet Erhöhung der Aerosolteilchen Anzahlkonzentration aufgrund eines relativ geringeren Volumens der Haube in Bezug auf die Emissionsmesskammer. Dank dieser Einrichtung, eine Echtzeit-Charakterisierung und Analyse der Partikelaerosols immer während der Abrieb erzeugbar experimentell hinsichtlich ihrer Anzahl Konzentrationen Größenverteilungen, Elementzusammensetzungen und Formen durchgeführt werden. Nach Kulkarni et al. ^5, Aerosole die Anzahlkonzentration von ENM können Teilchen als "die Anzahl der ENM in Einheit Kubikzentimeter Luft" definiert werden. In ähnlicher Weise wird die Größenverteilung der ENM Aerosolen "das Verhältnis der Menge eines ENM Eigenschaft (gewöhnlich Anzahl und Massenkonzentrationen), die mit Teilchen in einem bestimmten Grßenbereich exprimierenden".

Ein Partikelzähler (messbare Größe Bereich: 4 nm bis 3 & mgr; m) misst die Aerosolteilchen Anzahlkonzentration (PNC). Die Particle Sizer (messbare Größenbereich: 15 nm – 20 & mgr; m) messen die Partikelgrößenverteilung (PSD). Eine Aerosolpartikel sampler (in Einzelheiten von R'mili et al. <sup> 30) für die Partikelsammlung durch Filtrationstechnik auf einer porösen Kupfermaschengitter verwendet werden , die später im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) für verschiedene qualitative Analyse der freigesetzten Teilchen verwendet werden können.

(ii) Die Umwelt Aufforderung kann in einer Bewitterungskammer durch beschleunigte künstliche Bewitterung simuliert werden, in Abbildung 3 gezeigt. Wie durch Shandilya gezeigt et al. ^31, können die Witterungsbedingungen in Übereinstimmung mit den internationalen Standards gehalten werden oder auf die je individuell angepasst werden Art der Simulation. (- 400 nm 300) mit einer optischen Strahlungsfilter installiert, um die UV-Belichtung wird über Xenon-Bogenlampe zur Verfügung gestellt. Die Wirkung der regen durch Besprühen entsalztem und gereinigtes Wasser auf sie simuliert. Ein Reservoir wird unter den Testproben angeordnet, um die Abflusswasser zu sammeln. Das gesammelte Wasser oder Sickerwasser können später die ENM Auslaugung Analyse durchzuführen verwendet werden.

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Abbildung 3. Bewitterungskammer. Die kommerzielle Form der Suntest XLS + Bewitterungskammer enthält eine Edelstahlhaube innerhalb dessen die nano – beschichteten Proben platziert werden. Das Wasserreservoir ist unter der Haube angeordnet , die die Quelle des Wassers im Inneren der Kapuze aufgesprüht werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Protocol

HINWEIS: Die Technik, die in dem Protokoll vorgestellt wird hier nicht nur auf die dargestellten Testproben beschränkt, sondern kann auch für andere Proben verwendet werden. 1. künstliche Bewitterung [CEREGE Plattform, Aix en Provence] Nehmen Sie eine 250 ml Probe des deionisierten und gereinigten Wassers in ein Becherglas gesprüht werden. Tauchen Sie die Spitze des Wasserleitfähigkeit Meter ins Wasser. Beachten Sie die Wasserleitfähigkeit. Wiederholen Sie den Vorgang, und beachten Sie jedes Mal…

Representative Results

Testproben Die Protokolle in dem Artikel vorgestellt wurden auf drei verschiedene kommerzielle Produkte nanostrukturierten angewendet. Ein Fokus liegt hier auf die Einzelheiten des experimentellen Ansatzes: (a) Alumosilikat brick verstärkt mit TiO 2 -Nanopartikel (11 cm x 5 cm x 2 cm). Sie findet ihre häufige Anwendung Fassaden in den Bau, Hauswände, Wandbekleidungen, Bodenbeläge usw. Die Materialeigenschaften zusammen mit einem Rast…

Discussion

Im vorliegenden Artikel, eine experimentelle Untersuchung der Nanosicherheits-by-Design von kommerziellen Produkte nanostrukturierten vorgestellt. Die Nanosicherheit-by-Design jedes Produkt kann in Bezug auf seine PNC und PSD untersucht werden, wenn es um die mechanischen Belastungen und Umwelt Bewitterung ausgesetzt ist. Die Produkte für die Studie ausgewählt sind Alumosilikat Ziegel mit TiO ₂ Nanopartikel verstärkt, Glasur mit CeO ₂ Nanopartikeln und Nanobeschichtungen mit photokatalytischer T…

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