Forsøksprotokoll å etterforske Partikkel forstøvning av et produkt Under Slite og under miljø Forvitring

Summary

I denne artikkelen til en eksperimentell protokoll undersøke partikkelaerosolisering av et produkt i henhold til slitasje og under miljø forvitring er presentert. Resultater på utslipp av konstruerte nanomaterialer, i form av aerosoler er presentert. Den spesifikke eksperimentelle oppsettet er beskrevet i detalj.

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

Med en rask modenhet i nanoteknologi, er dens utvikling drevet av rask kommersialisering av produkter som inneholder Engineered Nanomaterialer (ENM) med bemerkelsesverdige egenskaper. Som beskrevet av Potocnick ¹ i artikkel 18 (5) i forordning 1169/2011, utstedt av EU-kommisjonen, ENM kan defineres som "enhver forsettlig produsert materiale, som inneholder partikler, i en ubundet tilstand eller som et aggregat eller som et agglomerat og hvor, for 50% eller mer av partiklene i antall størrelsesfordelingen, er en eller flere utvendige dimensjoner i størrelsesområdet 1 nm til 100 nm ". Videre er produkter som inneholder ENM, enten i sin solid bulk eller på sine faste overflater eller i sine likvide suspensjoner, kan betegnes som nanostrukturerte produkter. Forskjellige typer av ENM med forskjellige formuleringer og functionalizations benyttes i slike produkter i henhold til arten av anvendelsen og budsjett. Produktene kan være i form av coatiNGS, maling, fliser, huset murstein, concret e osv.

Så langt som forskning er bekymret, kan man også finne enormt antall publikasjoner på innovasjoner som har blitt oppnådd gjennom nanoteknologi. Til tross for denne enorme forskning, de tiltalende trekk av ENM er under sonde for potensiell helse- eller miljømessige farene på grunn av deres tendens til å bli utgitt eller slippes ut i luften i form av aerosoler under bruk eller bearbeiding av nanostrukturer produkter (for eksempel Oberdorster m.fl. . ^2, Le Bihan et al. ³ og Houdy et al. ^4). Kulkarni et al., ⁵ definerer en aerosol som suspensjonen av faste eller flytende partikler i det gassformige medium. Hsu og Chein ⁶ har vist at under bruk eller behandling av et nanostrukturerte produkt, er en nanostrukturerte produkt utsettes for ulike mekaniske påkjenninger og miljø forvitring som letter en slikutslipp.

I henhold til Maynard ^7, etter eksponering, kan disse aerosoler av ENM samhandle med menneskelige organisme via inhalasjon eller dermal kontakt og bli avsatt på innsiden av kroppen som dermed kan føre til ulike skadelige virkninger, også kreftfremkallende seg. Dermed vil en grundig forståelse av ENM utslipp fenomen er av avgjørende betydning gitt enestående bruk av nanostrukturerte produkter, som nevnt av Shatkin et al. ^8. Dette kan ikke bare bidra til å unngå uforutsette helserelaterte komplikasjoner som følge av sin eksponering, men også i å oppmuntre tilliten nanoteknologi.

Likevel har eksponeringen relatert problem nå begynte å få oppmerksomhet av forskersamfunnet og har nylig blitt fremhevet av ulike forskningsenheter over hele verden (for eksempel, Hsu og 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). Tatt i betraktning det store omfanget utrulling av nanostrukturerte produkter i kommersielle markeder, vil den mest effektive tilnærmingen for å takle problemet være en preemptive en. I en slik fremgangsmåte blir et produkt utformet på en slik måte at det er "nanosafe-by-konstruksjon" eller "Design for tryggere nanoteknologi" (Morose ¹⁹⁾ dvs. med liten misjon. Med andre ord, det maksimerer deres fordeler i problemløsning under bruk samtidig som sender ut et minimum av aerosoler i miljøet.

For å teste nanosafety-by-konstruksjon i bruksfasen av et nanostrukturerte produkt, forfatterne presentere et passende eksperimentell metodikkå gjøre det i denne artikkelen. Denne metoden består av to typer anmodninger: (i) mekanisk og (ii) miljø som tjener til å simulere virkelige påkjenninger som det nanostrukturerte produkt, en mur murstein, blir utsatt for under bruken sin fase.

(I) En lineær slitasje apparat som simulerer mekanisk oppfordring. Sin opprinnelige og kommersiell form, som vist i figur 1A, er referert i en rekke internasjonalt anerkjente teststandarder som ASTM D4060 ^20, ASTM D6037 ²¹ og ASTM D1044 ^22. Ifølge Golanski et al. ^23, på grunn av sin robuste og brukervennlige design, blir allerede brukt sin opprinnelige form mye i bransjer for å analysere resultatene av produkter som maling, belegg, metall, papir, tekstil, etc. Stress være brukt gjennom dette apparatet tilsvarer den typiske en brukt i en nasjonal innstilling, for eksempel å gå medsko og forskyvning av forskjellige objekter i en husholdning (Vorbau et al. ²⁴ og Hassan et al. ^25). I figur 1A, en horisontal forskyvning av tverr beveger standard abradant i en frem og tilbake bevegelse over prøvens overflate. Den friksjonsslitasje skjer på kontaktflaten som følge av friksjonen ved kontakt. Størrelsen av friksjonsslitasje kan varieres ved å variere den normale belastning (F _N) som virker på toppen av abradant. Ved å endre typen av abradant og normal belastning verdi, kan man variere den abrasiveness og dermed mekaniske påkjenninger. Morgeneyer et al. ²⁶ har pekt på at spenningstensoren som skal måles i løpet av slitasje er sammensatt av normale og tangentielle komponenter. Den normale spenning er et direkte resultat av den normale belastning, dvs. av F _N, mens den tangentiale spenning er et resultat av the tangentielt opptrer friksjon prosess, målt som kraften _(F-T), og den fungerer parallelt eller anti-parallelt med den retning i hvilken abrasjon finner sted. I den opprinnelige form av denne slitasje apparat, kan man ikke bestemme F _T. Derfor er rollen til de mekaniske påkjenninger under aerosolisering av ENM kan ikke helt bestemmes. For å utrydde denne begrensningen, slik det er beskrevet i detaljer ved al. Morgeneyer et ^26, har vi (a) modifisert det ved å erstatte den som allerede er installert horisontale stålstang av en replika i aluminium 2024 legering og (b) er montert en strekklapp på toppflaten av dette replikert aluminiumslegering bar. Dette er vist i figur 1B. Denne strekklapp har 1,5 mm av aktiv gittermålelengde og 5,7 mm for å måle gitterbærer lengde. Den er laget av en konstantan folie med 3,8 um tykkelse og 1,95 ± 1,5% av måleren faktor.En korrekt måling av de mekaniske påkjenninger er sikret gjennom en dynamisk strekklapp-forsterker som er koblet i serie til strekkmåleren, og dermed gir en pålitelig måling av den belastning som produseres i måleren. Dataene overføres via forsterkeren er kjøpt ved hjelp av datainnsamling programvare.

Figur 1. Slite Apparater og Strain Gauge. Den kommersielle standard form av Taber slitevern (A) med slite hastighet, varighet og slaglengde kontroller. Den opprinnelig montert stålstang ble erstattet av en aluminium bar og ble videre utstyrt med en strekklapp (B) for å måle den tangentielle kraften (F _T). klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

på <s trong> Figur 2, er hele eksperimentelle oppsettet vist hvor denne modifiserte Taber slitasje apparatet er plassert under overensstemmelsen en nanosecured arbeid innlegg. En partikkel fri luft er stadig sirkulerer inne i dette arbeidet stolpe ved en strømningshastighet på 31 000 l / min. Den har en partikkelfilter virkningsgrad på 99,99%, og har allerede blitt anvendt ved Morgeneyer et al., ²⁷ i ulike nanopartikler 'Støv tester.

Figur 2. Forsøks Set-up (Shandilya et al. ^31). En nanosecured arbeid innretning for å gjennomføre Slitasjetesten og sanntid karakteristikk (både kvalitativ og quantitavive) av de genererte aerosolpartiklene. En liten brøkdel av partikkel fri luft passerer gjennom et spor på innsiden av utslippskammeret for å eliminere dens bakgrunn partikler nummer konsentrasjon.pload / 53496 / 53496fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Motoren av den slitasje anordningen er holdt utenfor, og dens lineært glidende del er holdt inne i et selvlaget utslipp testkammer, med dimensjoner 0,5 m x 0,3 m x 0,6 m, (detaljer i Le Bihan et al. ^28). Det hjelper i å hindre slitasje apparatets motorutslipp fra å blande seg i testresultatene. Samplingen av de genererte aerosolpartiklene er gjort inne i nærhet av en radial symmetrisk hette (volum av 713 cm ^3). Ved anvendelse av en slik hette, kan aerosolpartiklene tap på grunn av deres avsetning på overflatene bli minimalisert. Den andre fordelen omfatter økning av aerosolpartiklene antall konsentrasjonen på grunn av en forholdsvis lavere volum av hetten med hensyn til utslipp testkammeret. Takket være dette satt opp, en sanntid karakterisering og analyse av partikkel aerosols å bli dannet under slitasje slitasje kan gjøres eksperimentelt i form av deres tallkonsentrasjoner, størrelsesfordelinger, elementære sammensetninger og former. I henhold til Kulkarni et al. ^5, antallet konsentrasjonen av ENM aerosoler partiklene kan bli definert som "antall ENM til stede i enhet kubikkcentimeter luft". Tilsvarende størrelsesfordelingen av ENM aerosoler er "forholdet uttrykker mengden av en ENM eiendom (vanligvis tall og massekonsentrasjonene) forbundet med partikler i et gitt størrelsesområde".

En partikkel Counter (målbar størrelse Område: 4 nm til tre mikrometer) måler aerosol partikler nummer konsentrasjon (PNC). Partikkel sizers (målbar størrelse Område: 15 nm – 20 nm) måle partikkelstørrelsesfordelingen (PSD). En aerosol partikler sampler (beskrevet i detaljer av R'mili et al. <sup> 30) blir brukt for den partikkelmasse gjennom filtreringsteknikk på en porøs kobber mesh gitter som kan anvendes senere i transmisjonselektronmikroskop (TEM) for forskjellige kvalitative analyser av de frigjorte partikler.

(ii) Miljø oppfordring kan simuleres ved akselereres kunstig værpåvirkning i en forvitring kammer, vist i figur 3. Som vist ved Shandilya et al. ^31, forvitrings betingelser kan holdes i overensstemmelse med internasjonale standarder eller bli tilpasset avhengig av type simulering. UV-eksponering er levert via xenon arc lampe (300-400 nm) installert med en optisk stråling filter. Virkningen av regn simuleres ved sprøyting avionisert og renset vann på dem. Et reservoar er plassert under testprøver for å samle opp overvann. De innsamlede vann eller sigevann kan brukes senere til å utføre ENM utlekking analyse.

<imgalt = "Figur 3" src = "/ files / ftp_upload / 53496 / 53496fig3.jpg" />
Figur 3. Forvitring Chamber. Den kommersielle formen av Suntest XLS + forvitring kammer inneholder en rustfritt stål hette inne som nanocoated prøvene er plassert. Vannbeholderen er plassert under panseret som er kilden til vann som skal sprayes på innsiden av hetten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

NB: Den teknikk som presenteres i protokollen her er ikke bare begrenset til de som er presentert testprøvene, men kan brukes for andre prøver i tillegg. 1. Kunstig Forvitring [CEREGE Platform, Aix en Provence] Ta en 250 ml prøve av avionisert og renset vann som skal sprøytes i et begerglass. Dyppes spissen av vannkonduktivitetsmåler i vannet. Legg merke til vannets ledningsevne. Gjenta prosessen og merke vannets ledningsevne hver gang. MERK: I henhold til ISO 16474 32,…

Representative Results

test Prøver Protokollene som er presentert i artikkelen ble påført på tre forskjellige kommersielle nanostrukturerte produkter. Fokus er satt her på detaljene i den eksperimentelle tilnærming: (a) aluminium-silikat murstein forsterket med TiO 2 nanopartikler, (11 cm x 5 cm x 2 cm). Den finner sin hyppige bruk i bygging av fasader, husvegger, veggfliser, fortau etc. Som materialegenskaper sammen med en scanning elektronmikroskopbild…

Discussion

I denne artikkelen, er en eksperimentell undersøkelse av nanosafety-by-design av kommersielle nanostrukturerte produkter presentert. Den nanosafety-by-design av et produkt kan studeres i form av sin PNC og PSD når det utsettes for mekaniske påkjenninger og miljø forvitring. De valgte for studiet produkter er aluminium-silikat murstein forsterket med TiO ₂ nanopartikler, glasur med konsernsjef ₂ nanopartikler og photocatalytic Nanobelegg med TiO ₂ nanopartikler. Disse produktene er le…

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