Protocolo experimental para investigar las partículas aerosolización del producto objeto de la abrasión y Bajo El desgaste del Medio Ambiente

Summary

En este artículo, un protocolo experimental para investigar la aerosolización de las partículas de un producto sujeto a la abrasión y bajo la intemperie del medio ambiente se presenta. Los resultados sobre la emisión de nanomateriales artificiales, en forma de aerosoles se presentan. La específica experimental se describe en detalle.

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

Con una madurez rápida en la nanotecnología, su avance es impulsado por la rápida comercialización de productos que contienen nanomateriales Engineered (ENM) con propiedades notables. Según lo descrito por Potocnick ¹ en el artículo 18 (5) del Reglamento 1169/2011, publicado por la Comisión Europea, ENM se puede definir como "cualquier material fabricado intencionalmente, que contiene partículas, en una sueltas o formando un agregado o como un aglomerado y donde, para el 50% o más de las partículas en la granulometría numérica, una o más dimensiones externas se encuentra en el rango de tamaño de 1 nm a 100 nm ". Por otra parte, los productos que contienen ENM, ya sea en su mayor sólida o en sus superficies sólidas o líquidas en sus suspensiones, puede ser denominado como productos nanoestructurados. Los diferentes tipos de ENM con diferentes formulaciones y funcionalizaciones se utilizan en tales productos de acuerdo con la naturaleza de la aplicación y presupuesto. Los productos pueden ser en forma de coatiNGS, pinturas, azulejos, ladrillos de las casas, e concret etc.

En cuanto a la investigación se refiere, también se puede encontrar una enorme cantidad de publicaciones sobre las innovaciones que se han logrado a través de la nanotecnología. A pesar de esta enorme investigación, los rasgos atractivos de ENM están bajo sonda para peligros ambientales potenciales para la salud o debido a su tendencia a ser liberado o emitida en el aire en forma de aerosoles durante el uso o elaboración de los productos de nanoestructuras (por ejemplo Oberdorster y col . ^2, Le Bihan et al. ³ y Houdy et al. ^4). Kulkarni et al. ⁵ define un aerosol como la suspensión de partículas sólidas o líquidas en el medio gaseoso. Hsu y Chein ⁶ han demostrado que durante el uso o la transformación de un producto nanoestructurado, un producto nanoestructurado se somete a diversos esfuerzos mecánicos y corrosión ambiental que facilitan esa unaemisión.

Según Maynard ^7, tras la exposición, estos aerosoles de ENM pueden interactuar con el organismo humano a través de inhalación o absorción cutánea contactos y se depositan en el interior del cuerpo que por lo tanto puede causar diversos efectos perjudiciales, incluyendo los carcinógenos. Por lo tanto, una comprensión completa del fenómeno de emisión ENM es de suma importancia dado el uso sin precedentes de productos nanoestructurados, como se ha mencionado por Shatkin et al. ^8. Esto no sólo puede ayudar a evitar complicaciones imprevistas relacionadas con la salud derivados de su exposición, sino también en el fomento de la confianza pública en las nanotecnologías.

Sin embargo, el problema relacionado con la exposición ya ha comenzado a recibir atención por parte de la comunidad científica y se ha destacado recientemente por varias unidades de investigación en todo el mundo (por ejemplo, Hsu y 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). Teniendo en cuenta el despliegue a gran escala de productos nanoestructurados en los mercados comerciales, el enfoque más eficaz para abordar el problema sería una preventiva. En este enfoque, se diseña un producto de tal manera que es "Nanosafe a través del diseño" o "Diseño de Nanotecnología más seguro" (Taciturnos ^19), es decir, de baja emisividad. En otras palabras, maximiza los beneficios de la resolución de problemas durante su uso mientras que emite una cantidad mínima de aerosoles en el ambiente.

Para probar la nanoseguridad a través del diseño durante la fase de utilización de un producto nanoestructurado, los autores presentan una metodología experimental adecuadapara hacerlo en el presente artículo. Esta metodología se compone de dos tipos de solicitaciones: (i) mecánicas y (ii) del medio ambiente que tienen por objeto simular la vida real tensiones a las que el producto nanoestructurado, un ladrillo de albañilería, se somete a durante su fase de uso.

(I) Un aparato de abrasión lineal que simula la solicitación mecánica. Su forma original y comercial, como se muestra en la Figura 1A, se hace referencia en numerosas normas de ensayo reconocidos internacionalmente como ASTM D4060 ^20, ASTM D6037 ASTM D1044 ²¹ y ^22. De acuerdo con Golanski et al. ^23, debido a su diseño robusto y fácil de usar, su forma original ya está siendo utilizado ampliamente en las industrias para analizar el rendimiento de productos como pintura, revestimiento, metal, papel, textil, etc. Siendo el estrés aplicada a través de este aparato corresponde a la típica aplicado en un entorno doméstico, por ejemplo, caminando conzapatos y desplazamiento de diferentes objetos en una casa (Vorbau et al. ²⁴ y Hassan et al. ^25). En la figura 1A, una barra horizontal desplazando mueve el abrasivo estándar en un movimiento de un lado a otro sobre la superficie de la muestra. El desgaste por abrasión se produce en la superficie de contacto debido a la fricción en el contacto. La magnitud de la desgaste por abrasión se puede variar mediante la variación de la carga normal (F _N), que actúa en la parte superior de la abradant. Al cambiar el tipo del valor de carga abrasivo y normal, se puede variar la abrasividad y por lo tanto la tensión mecánica. Morgeneyer et al. ²⁶ han señalado que el tensor de tensión que se mide durante la abrasión se compone de componentes normal y tangencial. La tensión normal es el resultado directo de la carga normal, es decir, de F _N mientras que la tensión tangencial es el resultado de THe tangencialmente actuando proceso de fricción, medida como la fuerza (F _T) y actúa en paralelo o anti-paralelo a la dirección en la que tiene lugar la abrasión. En la forma original de este aparato a la abrasión, no se puede determinar _FT. Por lo tanto, el papel de las tensiones mecánicas durante la aerosolización de ENM puede no completamente determinada. Para erradicar esta limitación, como se describe en detalles por Morgeneyer et al. ^26, hemos (a) modificado mediante la sustitución de la barra de acero horizontal ya instalado por una réplica en aleación de aluminio 2024 y (b) montado en un medidor de deformación en la superficie superior de esta barra de aleación de aluminio replicado. Esto se muestra en la Figura 1B. Este medidor de tensión tiene 1,5 mm de ancho trama de medición activa y 5,7 mm de medida de longitud de soporte de rejilla. Está hecho de una lámina de constantan tener 3,8 m de espesor y 1,95 ± 1,5% de factor de galga.Una medida adecuada de los esfuerzos mecánicos se garantiza a través de un amplificador calibrador de tensión dinámica que está conectado en serie con el medidor de tensión, lo que permite una medición fiable de la deformación producida en el manómetro. Los datos transmitidos a través del amplificador se adquiere utilizando el software de adquisición de datos.

Figura 1. El aparato de abrasión y Strain Gauge. La forma estándar comercial del aparato de abrasión Taber (A) con controles de velocidad a la abrasión, duración y longitud de carrera. La barra de acero montado originalmente fue sustituido por una barra de aluminio y estaba equipado además con un indicador de tensión (B) para medir la fuerza tangencial (F _T). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En el <s trong> Figura 2, se muestra la completa puesta en marcha experimental donde este aparato a la abrasión Taber modificado se coloca debajo de la conformidad de un puesto de trabajo nanosecured. Un aire libre de partículas circula constantemente dentro de este puesto de trabajo a un caudal de 31.000 l / min. Tiene una eficiencia de filtración de partículas de 99,99% y que ya se ha empleado con éxito por Morgeneyer et al. ²⁷ en las pruebas de pulverulencia diversas nanopartículas.

Figura 2. Estructura del ensayo (Shandilya et al. ^31). Un centro de trabajo nanosecured para llevar a cabo los ensayos de abrasión y caracterización en tiempo real (tanto cualitativa y quantitavive) de las partículas de aerosol generadas. Una pequeña fracción del aire libre de partículas pasa a través de una ranura dentro de la cámara de las emisiones para eliminar su background particles número de partículas.pload / 53496 / 53496fig2large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El motor del aparato de abrasión se mantiene fuera y su parte linealmente deslizante se mantiene en el interior de una cámara de prueba de emisiones de diseño propio, con dimensiones, 0,5 m x 0,3 m x 0,6 m, (detalles en Le Bihan et al. ^28). Ayuda en la prevención de las emisiones del motor del aparato de abrasión 'de interferir en los resultados de las pruebas. El muestreo de las partículas de aerosol generadas se realiza dentro de la proximidad de una campana simétrica radial (volumen de 713 cm ^3). Mediante el empleo de una campana de este tipo, las pérdidas de partículas de aerosol debido a su deposición en las superficies pueden ser minimizados. La otra ventaja incluye aumento en la concentración del número de partículas de aerosol debido a un volumen relativamente inferior de la campana con respecto a la cámara de prueba de emisiones. Gracias a esta configuración, una caracterización en tiempo real y análisis de la partícula de aerosolestá poniendo generado durante el desgaste por abrasión se puede hacer de forma experimental en términos de sus concentraciones número, distribuciones de tamaño, composiciones y formas elementales. De acuerdo con Kulkarni et al. ^5, la concentración de número de partículas ENM aerosoles pueden definirse como "el número de ENM incluido en la unidad centímetro cúbico de aire". Del mismo modo, la distribución del tamaño de los aerosoles ENM es "la relación que expresa la cantidad de una propiedad de ENM (generalmente en número y peso concentraciones) asociados con las partículas en un intervalo de tamaño dado."

Un contador de partículas (rango de tamaño medible: 4 nm a 3 micras) mide el aerosol partículas concentración del número (PNC). Los medidores de partículas (medible rango de tamaño: 15 nm – 20 micras) miden la distribución de tamaño de partícula (PSD). Un muestreador de partículas de aerosol (que se describe en detalle por R'mili et al. <sup> 30) se utiliza para la recogida de partículas a través de técnica de filtración en una cuadrícula de malla de cobre poroso que se puede utilizar más adelante en microscopio electrónico de transmisión (TEM) para diversos análisis cualitativos de las partículas liberadas.

(ii) La solicitud del medio ambiente puede ser simulado mediante la intemperie artificial acelerado en una cámara de intemperie, que se muestra en la Figura 3. Como se muestra por Shandilya et al. ^31, las condiciones de intemperie se pueden mantener en conformidad con las normas internacionales o pueden personalizar dependiendo de la tipo de simulación. La exposición a rayos UV se proporciona a través de la lámpara de arco de xenón (300 a 400 nm) se instala con un filtro de radiación óptica. La acción de la lluvia se simula mediante pulverización desionizada y agua purificada en ellos. Un depósito se coloca debajo de las muestras de ensayo para recoger el agua de escorrentía. El agua recogida de lixiviados o se pueden utilizar más adelante para realizar el análisis ENM lixiviación.

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Figura 3. Cámara intemperie. La forma comercial de la XLS Suntest + cámara de intemperie contiene una campana de acero inoxidable dentro de la cual se colocan las muestras nanocoated. El depósito de agua se coloca debajo de la capucha que es la fuente del agua a pulverizar dentro de la campana. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

NOTA: La técnica presentada en el Protocolo aquí no sólo se limita a las muestras de ensayo presentados pero puede ser utilizado para otras muestras también. 1. intemperismo artificial [Plataforma CEREGE, Aix en Provence] Tomar una muestra de 250 ml de agua desionizada y se purifica a pulverizar en un vaso de precipitados. Sumergir la punta de la metro conductividad del agua en el agua. Tenga en cuenta la conductividad del agua. Repetir el proceso y tomar nota de la conductividad del agua cada vez…

Representative Results

Las muestras de prueba Los protocolos presentados en el artículo se aplicaron a tres productos comerciales diferentes nanoestructurados. Un enfoque se pone aquí en los detalles de la aproximación experimental: (a) de ladrillo de silicato de aluminio reforzado con TiO 2 nanopartículas, (11 cm x 5 cm x 2 cm). Encuentra su aplicación frecuente en la construcción de fachadas, muros de las casas, azulejos, pavimentos, etc. Sus propiedad…

Discussion

En el presente artículo se presenta una investigación experimental de la nanoseguridad mediante el diseño de productos nanoestructurados comerciales. El nanoseguridad mediante el diseño de cualquier producto puede ser estudiada en términos de su PNC y PSD cuando se somete a esfuerzos mecánicos y corrosión ambiental. Los productos seleccionados para el estudio son de ladrillos de silicato de aluminio reforzado con nanopartículas _{de TiO2,} esmalte con _CeO2 nanopartículas y nano-recubrimientos…

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