פרוטוקול ניסוי לחקור חלקיקי Aerosolization של מוצרים תחת שחיקה תחת בלית הסביבה

Summary

במאמר זה, פרוטוקול ניסוי לחקור aerosolization חלקיקים של מוצר תחת שחיקה ותחת בליה סביבתית הוצג. תוצאות על הפליטה של ​​ננו המהונדס, בצורת אירוסולים מוצגות. הסט-אפ הניסוי הספציפי מתואר בפירוט.

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

עם בגרה מהירה ננוטכנולוגיה, בקידומו הוא מונע על ידי מסחור מהיר של מוצרים המכילים ננו Engineered (ENM) עם תכונות מדהימות. כפי שתואר על ידי Potocnick ¹ במאמר 18 (5) של תקנה 1169/2011, שהונפקו על ידי הנציבות האירופית, ENM יכולה להיות מוגדרת כ "וכל חומר המיוצר בכוונה, המכיל חלקיקים, במצב מאוגד או כמצבור או כקובץ מצבר והיכן, עבור 50% או יותר של חלקיקי התפלגות גודל המספר, אחד או יותר ממדים חיצוניים נמצאים ננומטר גודל הטווח -1 עד 100 ננומטר ". יתר על כן, המוצרים המכילים ENM, גם בכמויות הגדולות המוצקות שלהם או על המשטחים המוצקים שלהם או ההשעיות הנוזליות שלהם, ניתן לכנות כמוצרים Nanostructured. סוגים שונים של ENM עם פורמולציות functionalizations שונים משמשים במוצרים כגון בהתאם לאופי של יישום ותקציב. את המוצרים ניתן להיות בצורה של הקואטיNGS, צבעים, אריחים, לבני בית, בטון דואר וכו.

ככל שהמחקר הוא מודאג, ניתן גם למצוא מספר עצום של פרסומים על החידושים הושגו באמצעות ננוטכנולוגיה. למרות המחקר העצום הזה, את התכונות המפתות של ENM נמצאות תחת בדיקה עבור בריאותי או סכנות סביבתיות בשל נטייתם להשתחרר או נפלטים אוויר בצורה אירוסולים במהלך השימוש או העיבוד של מוצרי ננו (למשל Oberdorster ואח . ^2, Le ביחאן et al. ³ ו Houdy et al. ^4). קולקרני et al. ⁵ מגדיר בתרסיסים כמו ההשעיה של חלקיקים מוצקים או נוזלים במדיום הגזים. הסה חן ⁶ הוכיחו כי במהלך השימוש או העיבוד של מוצר nanostructured, מוצר nanostructured הוא נתון ללחצים מכאניים שונים בליה סביבתית המאפשרים כזהפְּלִיטָה.

לדברי מיינרד ^7, בחשיפה, אירוסולים אלה של ENM עלול ליצור אינטראקציה עם האורגניזם האנושי באמצעות אנשי הקשר משאיפת או עורי לקבל שהופקדו בתוך הגוף אשר כתוצאה מכך עלול לגרום השפעות מזיקות שונים, כולל אלה מסרטנים. לפיכך, הבנה מעמיקה של תופעת פליטת ENM הוא בעל חשיבות עליונה בהתחשב שימוש חסר תקדים של מוצרים nanostructured, כפי שהוזכר על ידי Shatkin et al. ^8. זה לא יכול לעזור רק הימנעות סיבוכים הקשורים לבריאות צפויה הנובעים מהחשיפה שלהם אלא גם בעידוד אמון ציבור ננוטכנולוגיה.

אף על פי כן, את הבעיה הקשורה לחשיפה החלה חברה מקבלת תשומת לב על ידי קהילת המחקר כבר מסומן לאחרונה על ידי יחידות מחקר שונות ברחבי העולם (למשל, הסה חן ^6, Göhler et al. ^9, Allen et al. <sup> 10, אלן et al. ^11, אל-Kattan et al. ^12, Kaegi et al. ^13, קיבלה אחרי שנולדה et al. ^14, Shandilya et al. ^{15, 31, 33,} Wohlleben et al. ^16, Bouillard ^{et al. 17,} Ounoughene et al. ^18). בהתחשב הפריסה בקנה מידה הגדולה של מוצרי nanostructured בשווקים המסחריים, הגישה היעילה ביותר כדי להתמודד עם הבעיה תהיה אחד מנע. בגישה כזו, מוצר מעוצב בצורה כזאת שזה "nanosafe-ידי-עיצוב" או "עיצוב לננוטכנולוגיה בטוחה" (חמוץ-סבר ¹⁹⁾ כלומר, emissive נמוך. במילים אחרות, זה מגדיל את היתרונות שלהם בפתרון בעיות במהלך השימוש בו בזמן שהם פולטים כמות מינימלית של אירוסולים לסביבה.

כדי לבדוק את nanosafety-ידי עיצוב בשלב השימוש של מוצר nanostructured, המחברים מציגים מתודולוגיה ניסויית המתאיםכדי לעשות זאת במאמר הנוכחי. מתודולוגיה זו מורכבת משני סוגים של לפניות: (i) מכאני (ii) סביבתי אשר מכוון לדמות את החיים האמיתיים מדגיש שאליו מוצר nanostructured, לבנה ובנייה, הוא נתון במהלך שלב השימוש בו.

(ט) מנגנון שחיקה ליניארי המדמה שידול מכני. טופס המקורי ומסחרי, כפי שמוצג באיור 1 א ', נזכר תקני בדיקה רב להכרה בינלאומית כמו ASTM D4060 ^20, ASTM D6037 ²¹ ו ASTM D1044 ^22. לדברי Golanski et al. ^23, בשל עיצובו חזק וידידותי למשתמש, בצורתו המקורית כבר נמצאה בשימוש נרחב בתעשיות לניתוח הביצועים של מוצרים כמו צבע, ציפוי, מתכת, נייר, טקסטיל וכו 'הלחץ להיות מיושם באמצעות מנגנון זה תואם את אחד טיפוסי יישום במצבים מקומיים, למשל, הליכה עםנעליים ותזוזה של חפצים שונים במשק בית (Vorbau et al. ²⁴ וחסן et al. ^25). באיור 1 א ', בר לעקירתם אופקית מעביר את abradant הסטנדרטי הלוך ושוב תנועה על פני השטח המדגם. שחיקת שחיקה מתרחשת על פני שטח המגע בשל החיכוך בעת המגע. סדר הגודל של ללבוש שחיקה ניתן לשנות על ידי שינוי העומס הרגיל (F _N) הפועל בחלק העליון של abradant. על ידי שינוי סוג של ערך עומס abradant ונורמלי, ניתן לגוון את abrasiveness ומכאן הלחץ המכני. Morgeneyer et al. ²⁶ הצביעו כי טנזור המאמץ כדי להימדד במהלך שחיקה מורכב מרכיבים נורמלים משיקים. הלחץ הנורמלי הוא התוצאה הישירה של העומס הרגיל, כלומר, של F _N ואילו המתח המשיק הוא התוצאה של הדואר בעקיפין מתנהג תהליך החיכוך, כפי שהיא נמדדת בכוח (F _T) והיא פועלת במקביל או אנטי במקביל לכיוון שבו שחיקה מתרחש. בטופס המקורי של מנגנון שחיקה זו, אי אפשר לקבוע F _T. לכן תפקידו של המכנים מדגישים במהלך aerosolization של ENM לא ניתן לקבוע לחלוטין. כדי למגר מגבלה זו, כמתואר מפורט לפי Morgeneyer et al. ^26, יש לנו (א) לשנות אותו על ידי החלפת מוט פלדה אופקית כבר מותקן על ידי העתק מסגסוגת אלומיניום 2024 ו- (ב) רכוב מד לחץ על המשטח העליון של בר סגסוגת אלומיניום משוכפל זה. זה מוצג באיור 1B. יש מד לחץ זה 1.5 מ"מ באורך רשת מדידה פעיל ו -5.7 מ"מ של מדידת אורך המוביל לרשת. הוא עשוי רדיד constantan שיש 3.8 מיקרומטר של עובי 1.95 ± 1.5% של גורם מד.מדידה נכונה של מכני המדגיש הם הבטיחו דרך מגבר מד לחץ דינמי אשר מחובר בסדרה על מד הלחץ, ובכך מאפשר מדידה אמינה של הזן המיוצר המד. הנתונים מועברים באמצעות מגבר נרכש באמצעות תוכנת רכישת נתונים.

איור 1. Apparatus שחיקה טען תאים. הטופס הסטנדרטי המסחרי של מנגנון שחיקה Taber (א) עם מהירות שחיקה, משך ואורך שבץ שולט. בר הפלדה הרכוב במקור הוחלף בר אלומיניום היה מצויד נוסף עם מד לחץ (ב) כדי למדוד את הכח המשיק (F _T). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

ב <s טרונג> איור 2, ניסוי ההגדרה המלאה מוצגת שם שונה זה מנגנון שחיקה Taber מושם תחת קונפורמיות של פוסט עבודה nanosecured. אווירת חלקיק חופשי זורמת כל זמן בתוך פוסט עבודה זו בקצב זרימה של 31,000 ליטר / דקה. יש לו יעילות מסנן חלקיקים של 99.99% ו כבר מועסק בהצלחה על ידי Morgeneyer et al. ²⁷ בבדיקות אבק 'חלקיקים שונים.

איור 2. ניסיוני Set-up (Shandilya et al. ^31). מתקן עבודה nanosecured לבצע את בדיקות שחיקה ואפיון בזמן אמת (הן איכותית quantitavive) של חלקיקים, שנוצר. חלק קטן מן אוויר החלקיק חופשי עובר דרך חריץ בתוך חדר הפליטה לחסל הרקע שלה חלקיקי ריכוז מספר."Target =" pload / 53,496 / 53496fig2large.jpg _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

המנוע של המנגנון שחיקה נשמר מחוץ ובגין חלקיו הזזה באופן ליניארי נשמר בתוך חדר בדיקת פליטה נועד עצמית, עם ממדים, 0.5 מ '× 0.3 מ' × 0.6 מ ', (פרטי Le ביחאן et al. ^28). זה עוזר במניעת פליטת המנוע 'מנגנון שחיקה מלהתערב תוצאות הבדיקה. הדגימה של חלקיקים, שנוצר נעשית בתוך הקרבה של ברדס סימטרי רדיאלי (נפח של 713 ס"מ ^3). על ידי העסקת ברדס כזה, ההפסדים חלקיקי אירוסול בשל בתצהיר שלהם על משטחים ניתן למזער. היתרון השני כולל גם מעלייה בריכוז מספר חלקיקי אירוסול בשל נפח יחסית נמוך של מכסה המנוע ביחס לתא בדיקת פליטה. הודות לכך להגדיר, אפיון בזמן אמת וניתוח של אירוסול החלקיקיםמתחיל להיות שנוצר במהלך ללבוש שחיקה יכול להיעשות באופן ניסיוני מבחינת ריכוזי מספרם, הפצות גודל, קומפוזיציות וצורות יסודות. לדברי קולקרני et al. ^5, ריכוז מספר ENM אירוסולים חלקיקים יכולים להיות מוגדרים כ "מספר נוכחי ENM ב סנטימטר מעוקב יחידת האוויר". בדומה לכך, חלוקת גודל של אירוסולים ENM הוא "היחסים המבטא את כמות נכס ENM (בדרך כלל בריכוזים מספר ומסה) הקשורים חלקיקים במגוון בגודל נתון".

מונה חלקיקים (טווח גודל מדיד: 4 ננומטר ל -3 מיקרומטר) מודד את תרסיס חלקיקי ריכוז מספר (מל"פ). Sizers החלקיקים (טווח גודל מדיד: 15 ננומטר – 20 מיקרומטר) למדוד את התפלגות גודל החלקיקים (PSD). סמפלר חלקיקי אירוסול (תיאר בפרטים על ידי אל R'mili et. <sup> 30) משמש לאיסוף החלקיקים באמצעות טכניקת סינון על רשת רשת נחושת נקבובית אשר ניתן להשתמש בם מאוחר יותר הילוכי אלקטרונים מיקרוסקופים (TEM) עבור ניתוחים איכותיים שונים של החלקיקים שוחררו.

(ii) השידול הסביבתי ניתן לדמות באמצעות בליה מלאכותית מואצת בתא בליה, שמוצגת באיור 3. כפי שמוצג על ידי Shandilya et al. ^31, תנאי הבליה יכולים להישמר בהתאם לסטנדרטים הבינלאומיים או להיות מותאמים אישית בהתאם סוג של סימולציה. חשיפת UV מסופקת באמצעות מנורת קשת קסנון (300 – 400 ננומטר) מותקנת עם מסנן קרינה אופטי. הפעולה של גשם היא מדומה על ידי ריסוס ללא יונים ומים מטוהרים על אותם. מאגר מושם מתחת דגימות הבדיקה כדי לאסוף את מי הנגר. המים שנאספו או תשטיפים ניתן להשתמש מאוחר יותר כדי לבצע את הניתוח שטיפת ENM.

<imgalt = "איור 3" src = "/ files / ftp_upload / 53,496 / 53496fig3.jpg" />
לשכת איור 3. בליה. הצורה המסחרית של XLS Suntest + תא בליה מכילה ברדס נירוסטה שבתוכה דגימות nanocoated ממוקמות. מאגר המים מושם מתחת למכסה המנוע המהווה את מקור המים להיות מרוסס בתוך מכסה המנוע. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Protocol

הערה: הטכניקה מוצגת לפרוטוקול כאן אינה מוגבלת רק על דגימות הבדיקה הציגו אבל יכולה לשמש דוגמאות אחרות גם כן. 1. מלאכותית בליה [פלטפורמת CEREGE, אקס און פרובאנס] קח מדגם 250 מיליליטר של מים ללא יונים ?…

Representative Results

דוגמאות מבחן הפרוטוקולים שהוצגו במאמר יושמו שלושה מוצרי nanostructured מסחריים שונים. מוקד לשים כאן על הפרטים של הגישה הניסויית: (א) לבנים סיליקט alumino מחוזק עם חלקיקים 2 Tio, (11 ס"מ x 5 ס"מ X 2 ס"מ). זה ממצא היישום התכוף שלה בבניית חזי?…

Discussion

במאמר הנוכחי, חקירה ניסויית של nanosafety-ידי עיצוב של מוצרי nanostructured מסחריים מוצגת. Nanosafety-ידי עיצוב של כל מוצר ניתן ללמוד מבחינת PNC שלה PSD כאשר הוא נתון ללחצים מכאניים בליה סביבתית. המוצרים שנבחרו למחקר הם alumino סיליקט לבנים מחוזקים עם חלקיקי ₂ Tio, זיגוג עם חלקיקי מנכ"…

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