Protocole expérimental pour enquêter sur des particules Aérosolisation d'un produit sous Abrasion et sous Weathering environnementale

Summary

Dans cet article, un protocole expérimental pour étudier aérosolisation des particules d'un produit sous l'abrasion et sous l'altération de l'environnement est présenté. Résultats sur l'émission des nanomatériaux manufacturés, sous la forme d'aérosols sont présentés. Le dispositif expérimental spécifique est décrit en détail.

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

Avec une maturité rapide de la nanotechnologie, son avancement est entraîné par la commercialisation rapide des produits contenant Engineered Nanomatériaux (ENM) avec des propriétés remarquables. Comme décrit par Potocnick ¹ dans l'article 18 (5) du règlement 1169/2011, publié par la Commission européenne, ENM peut être définie comme "tout matériau fabriqué intentionnellement, contenant des particules, dans un état ​​non lié ou comme un agrégat ou sous forme d'agglomérat et où, pour 50% ou plus des particules dans la distribution granulométrique en nombre, une ou plusieurs dimensions externes se situe dans la plage de taille de 1 nm à 100 nm ". En outre, les produits contenant de l' ENM, soit dans leur vrac solide ou sur leurs surfaces solides ou dans leurs suspensions liquides, peuvent être qualifiées de produits nanostructurés. Différents types d'ENM avec différentes formulations et fonctionnalisations sont utilisés dans de tels produits en fonction de la nature de l'application et du budget. Les produits peuvent être sous forme de coatings, peintures, tuiles, briques de maison, etc e concret.

En ce qui concerne la recherche, on peut également trouver très grand nombre de publications sur les innovations qui ont été accomplis grâce à la nanotechnologie. Malgré cette énorme recherche, les traits attrayants de l' ENM sont sous sonde pour dangers environnementaux potentiels pour la santé ou en raison de leur tendance à se libérer ou émis dans l' air sous la forme d'aérosols lors de l'utilisation ou de la transformation des produits de nanostructures (par exemple Oberdorster et al . ^2, Le Bihan et al. ³ et Houdy et al. ^4). Kulkarni et al. , ⁵ définit un aérosol de la suspension de particules solides ou liquides dans le milieu gazeux. Hsu et Chein ⁶ ont démontré que , lors de l'utilisation ou transformation d'un produit nanostructuré, un produit nanostructuré est soumis à diverses sollicitations mécaniques et aux intempéries de l' environnement qui facilitent une telleémission.

Selon Maynard ^7, lors de l' exposition, ces aérosols de l' ENM peuvent interagir avec l' organisme humain par inhalation ou par voie cutanée contacts et se dépose à l' intérieur du corps qui peut par conséquent provoquer divers effets néfastes, y compris ceux cancérigènes. Ainsi, une compréhension approfondie du phénomène ENM d'émission est d' une importance capitale étant donné l'utilisation sans précédent des produits nanostructurés, comme mentionné par Shatkin et al. ^8. Cela peut non seulement aider à éviter les complications liées à la santé imprévues découlant de leur exposition , mais aussi pour encourager la confiance du public dans les nanotechnologies.

Néanmoins, le problème de l' exposition liée a commencé à recevoir l' attention par la communauté de recherche et a été récemment mis en évidence par différentes unités de recherche à travers le monde (par exemple, Hsu et 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). Compte tenu du déploiement à grande échelle des produits nanostructurés dans les marchés commerciaux, l'approche la plus efficace pour lutter contre le problème serait une préemption. Dans une telle approche, un produit est conçu de telle manière qu'il est "Nanosafe-by-design» ou «Design for Nanotechnology plus sûr" (Morose ¹⁹⁾ c. -à- bas émissif. En d'autres termes, il maximise leurs prestations en résolution de problèmes lors de son utilisation tout en émettant une quantité minimale d'aérosols dans l'environnement.

Pour tester le nanosécurité par la conception au cours de la phase d'utilisation d'un produit nanostructuré, les auteurs présentent une méthodologie expérimentale appropriéede le faire dans le présent article. Cette méthodologie se compose de deux types de sollicitations: (i) mécaniques et (ii) l' environnement qui visent à simuler la vie réelle souligne à laquelle le produit nanostructuré, une brique de maçonnerie, est soumis à au cours de sa phase d'utilisation.

(I) Un appareil d'abrasion linéaire qui simule la sollicitation mécanique. Sa forme originale et commerciale, comme le montre la figure 1A, est référencé dans de nombreuses normes d'essai internationalement reconnues comme la norme ASTM D4060 ^20, ASTM D6037 ²¹ et ASTM D1044 ^22. Selon Golanski et al. ^23, en raison de sa conception robuste et facile à utiliser, sa forme originale est déjà largement utilisé dans les industries pour analyser la performance des produits comme la peinture, le revêtement, le métal, le papier, le textile, etc. La contrainte étant appliquée à travers cet appareil correspond à celui appliqué typique dans un cadre domestique, par exemple, la marche avecchaussures et déplacement de différents objets dans un ménage (Vorbau et al. ²⁴ et Hassan et al. ^25). Sur la figure 1A, un bar déplacement horizontal déplace le abradant standard dans un mouvement de va et vient sur ​​la surface de l' échantillon. L'usure à l'abrasion se produit à la surface de contact du fait du frottement au niveau du contact. L'ampleur de l'usure par abrasion peut être modifiée en faisant varier la charge normale (F _N) qui agit sur ​​la partie supérieure de l'abrasif. En changeant le type de la valeur de charge et abradant normale, on peut faire varier l'abrasivité et par conséquent la contrainte mécanique. Morgeneyer et al. ²⁶ ont fait remarquer que le tenseur des contraintes à mesurer lors de l' abrasion est composé de composantes normale et tangentielle. La contrainte normale est le résultat direct de la charge normale, soit de F _N alors que la contrainte tangentielle est le résultat de the agissant tangentiellement processus de friction, mesurée comme la force (F _T) , et elle agit en parallèle ou anti-parallèle à la direction dans laquelle se déroule l' abrasion. Dans la forme originale de cet appareil à l'abrasion, on ne peut pas déterminer F _T. Par conséquent, le rôle des contraintes mécaniques lors de l'aérosolisation des ENM ne peut pas être complètement déterminée. Pour éliminer cette limitation, comme décrit dans les détails par Morgeneyer et al. ^26, nous avons (a) elle a été modifiée par le remplacement de la barre d'acier horizontal déjà installé par une réplique en aluminium alliage 2024 et (b) monté une jauge de contrainte sur la surface supérieure de cette barre d'alliage d'aluminium répliqué. Ceci est représenté sur la figure 1B. Cette jauge de contrainte a 1,5 mm de longueur active de la grille de mesure et de 5,7 mm de mesurer la longueur de support de grille. Il est constitué d'une feuille de constantan ayant 3,8 um d'épaisseur et de 1,95 ± 1,5% du facteur de jauge.Une mesure correcte des contraintes mécaniques sont assurées par l'intermédiaire d'un amplificateur de jauge de contrainte dynamique qui est connecté en série avec la jauge de contrainte, permettant ainsi une mesure fiable de la déformation produite dans la jauge. Les données transmises par l'intermédiaire de l'amplificateur est acquis en utilisant un logiciel d'acquisition de données.

Figure 1. Abrasion Appareillage et jauge de contrainte. La forme standard commerciale de l'appareil d'abrasion Taber (A) avec la vitesse de l' abrasion, la durée et la longueur de la course de contrôle. La barre d'acier monté à l' origine a été remplacé par une barre en aluminium et a été en outre équipé d'une jauge de contrainte (B) pour mesurer la force tangentielle (F _T). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

dans le <s trong> Figure 2, le dispositif expérimental complet est indiqué lorsque cet appareil d'abrasion Taber modifié est placé sous la conformité d'un poste de travail nanosecured. Un air de particule libre circule constamment à l'intérieur de ce poste de travail à un taux de 31.000 l / min de débit. Il dispose d' un filtre à particules d' efficacité de 99,99% et a déjà été utilisé avec succès par Morgeneyer et al. ²⁷ dans les tests de dustiness diverses nanoparticules de.

Figure 2. Experimental Set-up (Shandilya et al. ^31). Une installation de travail nanosecured pour effectuer les tests d'abrasion et la caractérisation en temps réel ( à la fois qualitative et quantitavive) des particules d'aérosols générés. Une petite fraction de l'air de particule libre passe à travers une fente à l'intérieur de la chambre d'émission pour éliminer l'arrière-plan particules concentration en nombre.pload / 53496 / 53496fig2large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Le moteur de l'appareil à l'abrasion est gardé à l' extérieur et sa partie coulissante linéaire est maintenue dans une chambre d'essai d'émission auto-conçu, avec des dimensions de 0,5 m × 0,3 m × 0,6 m, (détails dans Le Bihan et al. ^28). Il aide à prévenir les émissions de moteur de l'appareil à l'abrasion d'interférer dans les résultats du test. L'échantillonnage des particules d'aérosol générées est fait à l' intérieur de la proximité d'une hotte à symétrie radiale (volume de 713 ³ cm). En utilisant un tel capot, les pertes de particules d'aérosol en raison de leur dépôt sur les surfaces peuvent être réduites au minimum. L'autre avantage comprend l'augmentation de la concentration en nombre de particules d'aérosol en raison d'un volume relativement faible de la hotte par rapport à la chambre d'essai d'émission. Merci de cette mise en place, une vraie caractérisation du temps et de l'analyse de l'aérosol de particuless se produit au cours de l'usure par abrasion peut être faite expérimentalement en fonction de leur concentration en nombre, la distribution de taille, les compositions élémentaires et des formes. Selon Kulkarni et al. ^5, la concentration de l' ENM de nombre d' aérosols particules peuvent être définies comme "le nombre d'ENM présente dans l' unité centimètre cube d'air". De même, la distribution de taille des aérosols est ENM "la relation exprimant la quantité d'une propriété d'ENM (généralement le nombre et la masse des concentrations) associés à des particules dans une gamme de taille donnée".

Un compteur de particules (gamme de taille mesurable: 4 nm à 3 pm) mesure l'aérosol particules concentration en nombre (PNC). Les calibreurs de particules (mesurable de la gamme de taille: 15 nm – 20 um) mesurent la distribution granulométrique (PSD). Une particules d'aérosol échantillonneur (décrit en détail par R'mili et al. <sup> 30) est utilisé pour la collecte des particules par la technique de filtration sur une grille de maille de cuivre poreuse qui peut être utilisée plus tard dans la microscopie électronique à transmission (MET) pour diverses analyses qualitatives des particules libérées.

(ii) La sollicitation de l' environnement peut être simulé par vieillissement artificiel accéléré dans une enceinte climatique, représentée sur la figure 3. Comme le montre Shandilya et al. ^31, les conditions de vieillissement peuvent être conservés en conformité avec les normes internationales ou être personnalisés en fonction de la type de simulation. L'exposition aux UV est fournie par une lampe à arc au xénon (300 – 400 nm) installé avec un filtre de rayonnement optique. L'action de la pluie est simulée par pulvérisation déminéralisée et eau purifiée sur eux. Un réservoir est placé au-dessous des échantillons d'essai pour recueillir les eaux de ruissellement. L'eau recueillie ou de lixiviat peuvent être utilisés plus tard pour effectuer l'analyse ENM de lixiviation.

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Figure 3. Chambre Weathering. La forme commerciale du XLS Suntest + chambre intempéries contient une hotte en acier inoxydable à l' intérieur de laquelle les échantillons nanorevêtement sont placés. Le réservoir d'eau est placé sous le capot qui est la source de l'eau à pulvériser à l' intérieur du capot. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Protocol

REMARQUE: La technique présentée dans le protocole ici ne se limite pas à des échantillons d'essai présentés, mais peut être utilisé pour d'autres échantillons aussi bien. 1. Artificial Weathering [Plateforme CEREGE, Aix en Provence] Prélever un échantillon de 250 ml d'eau déminéralisée et purifiée à pulvériser dans un bêcher. Immerger la pointe du compteur de conductivité de l'eau dans l'eau. Notez la conductivité de l'eau. Répétez le processus et notez l…

Representative Results

Les échantillons d'essai Les protocoles présentés dans l'article ont été appliqués aux trois produits différents nanostructurés commerciaux. Un accent est mis ici sur les détails de la démarche expérimentale: (a) la brique silico-alumineux renforcé avec nanoparticules de TiO 2, (11 cm x 5 cm x 2 cm). Elle trouve son application fréquente dans la construction de façades, murs de la maison, carreaux de mur, des trottoirs , <em…

Discussion

Dans le présent article, une étude expérimentale de l'nanosécurité par la conception de produits nanostructurés commerciaux est présenté. Le nanosécurité par la conception d'un produit peut être étudié en termes de PNC et PSD lorsqu'il est soumis à des contraintes mécaniques et aux intempéries de l'environnement. Les produits choisis pour l'étude sont en briques silico-alumineux renforcé avec nanoparticules de TiO _2, glaçure avec CeO ₂ nanoparticules et nanore…

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