使用腔室系统检测含纳米材料复合物中纳米颗粒的释放

摘要

采用包含冷凝粒子计数器、光学粒子计数器以及用于收集滤膜样品以进行显微镜分析的采样口的腔室系统来测试纳米颗粒的释放。该腔室系统可有效用于纳米材料释放的测试，获得可重复且一致的数据范围。

摘要

随着纳米技术作为21世纪最重要技术之一的快速发展^st 21世纪，人们对含有纳米材料的消费品的安全性日益关注。评估含纳米材料产品中纳米材料的释放情况，是判断这些产品安全性的关键步骤，这也促使国际上多项努力致力于开发一致且可靠的检测技术，以标准化纳米材料释放的评估方法。本研究采用一种包含凝结粒子计数器、光学粒子计数器以及用于收集滤膜样品以进行电子显微镜分析的采样口的舱室系统，对含纳米材料产品中纳米材料的释放情况进行评估。该舱室系统通过使用摩擦装置和盘状纳米复合材料试样进行测试，以确定纳米材料释放是否在可接受范围内具有重复性和一致性。测试结果表明，经过多次试验后，每次测试的总粒子数与平均值的偏差均在20%以内，释放趋势相似，重复性良好。因此，所提出的舱室系统可有效用于含纳米材料产品的纳米材料释放检测。

引言

关于纳米材料暴露的研究主要集中于从事纳米材料生产、操作、加工和包装等工作的场所中的工作人员，而对消费者暴露的研究尚不充分。国际纳米技术委员会（ICON）创建的环境与健康文献数据库的最新分析也表明，大多数纳米材料安全性研究集中于危害性（83%）和潜在暴露（16%），而来自纳米复合材料的释放（代表消费者暴露）仅占0.8%¹。因此，目前对消费者接触纳米材料的情况知之甚少。

在模拟研究中，已采用纳米颗粒释放来评估消费者暴露情况，包括纳米复合材料的磨损和风化、纺织品洗涤，或采用旋转鼓法、涡旋振荡法及其他振荡法等粉尘测试方法^2-3。此外，已有多项国际性努力，例如国际生命科学研究院（ILSI，International Life Science Institute）的纳米释放项目和欧盟NanoReg项目，致力于开发技术以理解消费品中所用纳米材料的释放行为。ILSI于2011年启动的纳米释放消费品项目，代表了一种从消费品全生命周期角度评估纳米材料释放的方法，其中第一阶段为纳米材料筛选，第二阶段涵盖评估方法，第三阶段实施实验室间比对研究。此外，还发表了多部关于消费品中纳米材料安全性的专著和出版物^4-6。

与此同时，NanoReg 代表了欧洲在人造纳米材料监管测试方面的共同方法，并提供了一套可用于模拟消费品中纳米物质释放的方案2。ISO/TC 229 也正致力于制定与消费者安....

方案

1. 仪器与标本的准备

1. Abrasor
   1. 基于磨耗测试仪，使用配备一个试样旋转台（直径 140 mm）、两个磨轮夹具、转速为 30 - 80 rpm 的磨耗装置。
   2. 使用配重将磨轮固定在磨轮夹具上，该配重同时对测试试样施加负载。
   3. 安装额外的进气口，以更好地悬浮磨削产生的颗粒，如图 3所示。进气口采用直径为 1/8" 的管子，位于试样中心上方 15 mm、水平距离 40 mm 处。
2. Abrasion wheel
   1. 将砂纸（粒度 100，全新）包裹在磨轮（直径 55 mm，厚度 13 mm）上。
3. Specimen
   1. 试样为用于磨耗测试的含纳米材料的复合材料。为安装至磨耗装置，试样应制备成直径 140 mm。
4. Chamber
   1. 采用不锈钢作为腔体壁，以避免因静电作用导致颗粒沉积。将磨耗装置置于腔体内（体积 1 m³）（表 1），进气口和出气口分别位于腔体的上部和下部。在出气口处设置由三块穿孔板组成的混合器，以实现颗....

结果

使用腔室系统进行磨损测试的重复性

8 次磨损测试中的总颗粒数保持一致，如表 3所示。CPC 测得的平均颗粒数为 3.67 × 10⁹，而 OPC 计数的平均颗粒数为 1.98 × 10⁹（> 0.3 µm）。偏差在 20% 以内，表明在磨损过程中颗粒释放具有一致性。

纳米复合材料的纳米释放

如图5所示，含有0%和2%碳纳米管（CNTs）的纳米复合材料在磨损后，距中心40 mm处出现划痕圆环。磨损后，原始测试样品质量损失约0.6 g（1.56%）（表4）。与对照复合材料相比，含碳纳米.......

讨论

使用磨损试验对纳米复合材料进行纳米释放测试时最关键的步骤包括：1）采用由不锈钢制成并配有中和器的腔室系统，以消除磨损过程中产生的静电荷，并减少颗粒在腔室内壁上的沉积；2）通入额外空气，以促进颗粒更充分地悬浮；3）从包含由三块带孔板组成的混合器的出口处，对释放出的颗粒进行采样，并利用CPC和OPC进行在线监测。

耐磨测试仪最初是根据 ISO 7784-1 或 ISO 5470-1 标准设计，用于评估材料的耐磨性^14-15。目前，耐磨测试仪已广泛用于模拟打磨过程，并研究材料和涂层的耐磨性能；这些耐磨方法也已被改进，用于检测纳米复合材料中纳米颗粒的释放情况^9-11。此外，耐磨测试也是欧盟 NanoReg ² 所包含的模拟方法之一。然而，对纳米复合材料进行耐磨测试时，需要实现纳米颗粒的稳定释放，但由于磨损过程中颗粒带电，以及在排放点附近进行颗粒采样，导致这一目标难以实现。因此，本文提出的耐磨测试舱设置通过在舱体出口下游（含混合器）对颗粒进行中和并实施采样，解决了上述问题，从而实现了纳米复合材料样品中颗粒释放的一致性。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Foamex	Taeyoung，韩国
多壁碳纳米管（MWCNT）复合材料	Hanwha，仁川，韩国		低密度聚乙烯中含2% MWCNTs
砂纸	Derfos，韩国	#100	粒度100的砂纸
冷凝粒子计数器（CPC）	TSI Inc，Shoreview，明尼苏达州	UCPC 3775
光学粒子计数器（OPC）	Grimm，Ainring，德国	1.109
微型粒子采样器	Ecomesure，Saclay，法国
Quantifoil穿孔碳膜	TED PELLA Inc.，美国	1.2/1.3
滤膜夹			定制
聚碳酸酯滤膜	Millipore，美国	货号：GTTP02500
软X射线电离器（中和器）	SUNJE，韩国	SXN-05U
场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）	日立	S-4300