Summary
在这篇文章中，一个试验性协议，调查下磨损和风化环境下，提出了一种产品的粒子雾化。关于工程纳米材料的排放，在气雾剂的形式结果。具体实验装置进行详细说明。
Introduction
随着纳米技术的迅速成熟，它的发展是由含工程纳米材料 （ENM）具有显着的性能的产品快速商业化驱动。在文章中通过Potocnick 1描述18（5）规例2011分之1169，由欧盟委员会颁发的，ENM可以被定义为“任何故意制造的材料，含颗粒，未结合状态或作为骨料或作为凝聚并且其中，在数尺寸分布的颗粒的50％或更多，一个或多个外部尺寸在尺寸范围为1纳米至100纳米。“此外，含有ENM的产品，无论是在其固体散装或它们的固体表面上或在其液体悬浮液，可称为纳米产品 。不同类型的安宁与不同的配方和functionalizations在此类产品根据应用和预算的性质使用。该产品可以在浣熊的形式NGS，油漆，瓷砖，砖房子，混凝土等ê。
至于研究而言，人们也可能会发现在已经通过纳米技术完成的创新出版物数量巨大。尽管这一巨大的研究，ENM的吸引人的特征是根据探针的潜在的健康或环境的危害，因为它们倾向纳米结构的产品的使用或处理（例如Oberdorster 等中得到释放，或以气雾剂的形式在空气中发射的2，乐逼捍等 3和好迪等4）。 Kulkarni 等。5定义的气雾剂如在气态介质中的悬浮的固体或液体颗粒。 Hsu和Chein 6表明，纳米结构产品的使用或加工过程中，纳米结构产物经受各种机械应力和环境的耐候便于这种排放。
据梅纳德7，经曝光，ENM这些气溶胶可以与人体组织通过吸入或皮肤接触互动，并获得其沉积从而可能引起各种不利影响，包括致癌的人体内。因此，的ENM发射现象的透彻理解是非常重要的给予前所未有的使用纳米结构的产品，如由夏特金等人 8提及。这可能不会避免从他们接触所产生的意想不到的健康相关的并发症，而且在鼓励纳米技术的信心只会帮助。
然而，在曝光相关的问题，现在已经开始研究界越来越关注和最近已经由各个研究单位在世界各地突出显示（例如，Hsu和Chein 6，Göhler 等人 9，Allen 等人。
期间的纳米结构产品的使用相测试纳米安全逐设计中，作者提出了一个适当的实验方法本文章中这样做。此方法包括两种类型招揽的：（ⅰ） 机械和（ii） 环境旨在在模拟真实生活讲到的纳米结构产品，砖石砖时，在其使用量相进行。
（i）在模拟机械征集线性擦伤设备。原文和商业形式， 如图1A中所示，在众多的国际公认的测试标准被引用一样ASTM D4060 20，ASTM D6037 21和ASTM D1044 22。根据Golanski 等人 23，由于其强大的和用户友好的设计，其原来的形式已经被广泛地应用于工业，用于分析的产品，如油漆，涂料，金属，纸张，织物等的应力作为表现通过该装置施加对应于家庭环境所施加的典型的，例如，以正鞋和在家庭的不同对象的位移（Vorbau 等人 24和Hassan 等人25）。在图1A中，一个水平移动杆移动在一个标准的研磨材料来来回回在样品表面运动。磨耗在接触表面的发生是由于在接触的摩擦。磨耗的幅度可以通过改变哪些作用在磨料顶部的正常负荷（F N）来改变。通过改变磨料和正常负载值的类型，可以改变磨蚀，因此机械应力。 Morgeneyer 等人 26都指出磨损期间将被测量的应力张量由正常和切向分量的。正应力是正常的负载， 即，F N的直接结果，而切向应力是第的结果È切向动作的摩擦过程中，由于力（F T）的测定，它的作用平行或反平行于磨损发生的方向。在此磨损装置的原始形式，不能确定F T。因此，机械应力ENM的气雾化过程中的作用不能完全确定。消除这种限制，如由Morgeneyer 等 26中详细描述的，我们已经（a）由铝2024合金副本替换已安装的水平钢条修改它和（b）安装在所述顶表面上的应变计这个复制的铝合金棒。这示于图1B。这种应变仪具有测量活动的栅长为1.5毫米和测量电网运营商长度5.7毫米。它是由具有3.8微米的厚度和应变系数为1.95±1.5％康铜箔。的机械应力的正确的测量是通过被连接在串联的应变计，由此允许在压力表产生的应变的一个可靠的测量动态应变放大器确保。通过放大器传送的数据是利用数据采集软件收购。
图1.磨损的装置和应变仪。在Taber磨耗装置（A）和磨损速度，持续时间和行程长度控制装置的商业标准形式。该原本安装钢筋是由铝棒替换和进一步配备有应变仪（B）来衡量的切向力（F T）。 请点击此处查看该图的放大版本。
在里面
图2.实验装置（Shandilya 等 31），一个nanosecured办公设施，开展产生的气溶胶粒子的磨损测试和实时特性（定性和quantitavive）。的自由粒子的空气的一小部分经过排放腔室内部的槽，以消除它的背景颗粒数浓度。PLOAD / 53496 / 53496fig2large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
磨损设备的电机之外保持其线性滑动部分保持在一个自行设计的排放试验室中，具有尺寸0.5米×0.3米×0.6米，（在乐鼻邯等 28详细信息）。它有助于在防止磨损装置'马达排放在测试结果的干扰。所产生的气溶胶粒子的采样是径向对称罩（713厘米3体积）的接近度内完成的。通过采用这样的罩，所述气雾颗粒的损失，由于其沉积在表面上可以被最小化。其他优点包括在气溶胶粒子数浓度的增加，由于发动机罩的相对于发射测试室中的相对较低的体积。由于这种设置，粒子气溶胶的实时表征和分析磨耗期间š如何产生可以通过实验在它们的数量浓度 ， 大小分布 ， 元素组成和形状方面进行。根据Kulkarni 等。5，ENM的个数浓度的气溶胶粒子可以被定义为“ENM存在于单位立方厘米空气的数量”。同样，ENM气雾剂的粒度分布“表达一种ENM属性（通常数量和质量浓度）与颗粒在给定的尺寸范围相关联的量的关系”。
粒子计数器（可测量尺寸范围：4纳米到3μm）测量气溶胶粒子数浓度（PNC）。颗粒大小测定器（可测量尺寸范围：15纳米- 20微米）测量粒度分布（PSD）。气雾剂粒子采样器（由R'mili 等人在详细地描述。 （二）对环境的请求可以通过在一个风化室加速人工老化， 如图3所示来进行模拟。如由Shandilya 等人 31，风化条件可以保持在符合国际标准或根据被定制类型模拟。用光学辐射滤波器安装 - （400纳米300）的UV曝光是通过氙弧灯提供。雨水的作用是通过喷洒去离子和净化水到他们模拟。一个水库被放置在试验样品下方，以收集径流水。所收集的水或渗滤液可以稍后用于执行ENM浸出分析。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
注：此处的协议中提出的技术并不只限于所呈现的测试样品，但可以用于其它样品为好。
1.人工老化[CEREGE平台，普罗旺斯地区艾克斯]
- 取去离子和净化水的250毫升样品在烧杯中喷洒。浸泡水电导率仪的尖端插入水中。注意水的电导率。重复这一过程，每次注意水的电导率。
注：根据ISO 16474 32，它永远也不应该超过5μS/ cm的高。 - 测量的电导率之后，水源连接至存在于不锈钢罩下方风化腔室的贮存器（在图3中示出）。
- 连接溢流管口在腔室通过软管管回一个排水开口。
- 将纳米涂层样本天气放入不锈钢引擎盖和关门。要ENAB乐结果的统计评估，使用最少的三个相同的纳米涂层和参照样品。
- 在数字控制台，本上风化室的前方，选择的120分钟的UV光，102分钟的干和18分钟喷水组成的2小时的周期。
- 输入等于2658对应7个月的周期数。
- 选择氙弧灯等于60±5瓦/米2的辐照度水平。
- 设定在38℃的环境温度。
- 按下控制台上的启动按钮启动的耐候性试验。
2.磨损和ENM气溶胶表征[INERIS S-Nano平台，维尔纳叶]
注意：使用前，预先验证粒子气溶胶INERIS S-Nano平台的校准板凳其中包括独立的和已安装的引用计数器部分的表征仪器。通过遵循特定的协议，确保仪器正在道具erly。
- 装配在实验设置中所示的所有单元和工具，并进行必要的连接， 如图2（在单元的细节和设置仪器在Shandilya 等人 33提供）。
- 按通量ON按钮开关上的nanosecured workpost内的自由粒子的空气的流通。
- 使这个粒子自由的空气通过打开室，并保持它的nanosecured工作门柱内侧打开通过排放试验室。
- 建立实验中，直接连接粒子计数器对排放试验室以测量室内的粒子的瞬时数量浓度。直接观察该展示柜的浓度值。
- 而自由粒子的空气在穿过腔室，继续监测这一瞬时数量浓度值，直到它下降到零。以这种方式，确保了室无任何背景的粒子。
- 在此同时，通过在一个往复运动设置有磨损装置的工具的槽内侧轻轻转动其一端倒角的标准的圆柱形研磨材料的边缘。
- 使用具有至少为0.001克的测量精度的数字天平，称取磨料和样品被磨损。
- 一旦完成，通过本在其底部的卡盘固定的倒角磨料的磨损装置的垂直轴上。
- 将纳米结构产品为固定磨料下方轻轻打磨并拧紧固定它的安装系统上的位置。
- 打开气溶胶取样和，通过使用镊子，将一个铜网格，其亮侧向上槽内。把一个圆环在网格上进行修复。
- 关闭取样并将其连接到一个泵通过过滤器上的一个端部（ 即，朝向网格较暗侧）和粒子源上的超视距呃端（即对电网的光明的一面）。安装在用死人的权重立轴所需的正常负荷。
- 通过粒子计数器，检查是否打开室内的背景颗粒浓度下降到零。如果没有，等待它。如果是的话，关闭排放试验室的门。
- 经由在仪表数字游戏机，手动设置粒子计数器的流速和大小测定器为：设置每次点击1.5升/分钟; SMPS-0.3升/分钟; APS- 5升/分钟
- 在20分钟的这三个仪器设置总采样时间。分别在磨损装置设定的磨损期限和速度等于10分钟，每分钟60次循环。
- 应变计连接到动态应变仪放大器。动态应变仪放大器连接到哪个应当用于使用安装在它的软件的数据采集计算机。
- 打开软件。
- 点击NEW PROJECT DAQ邻笔一个新的数据采集的文件。
- 通过点击实时更新停止实时数据采集选项
- 点击0 EXECUTE设置等于零的基准信号值。
- 通过点击实时更新切换回的实时数据采集。
- 点击可视化选择数据表示的实时图形模式。
- 单击New打开模板。
- 选择选项SCOPE面板，如。
- 立刻开始在粒子计数器和大小测定的数据采集。
- 约的延迟之后。 5分钟，启动磨损。
- 点击数据采集软件的窗口中启动，以获取对应于目前的磨损应变计信号。
- 2分钟后，打开连接到MPS泵。
- 保持泵运行2 - 取决于气溶胶颗粒的排放量4分钟。注：使用MPS采样气溶胶颗粒的数目应在数即最佳的，既不过于稀少，也不能太盈余可能会妨碍彻底的微观分析。
- 一旦磨损停止，点击STOP关闭数据采集。
- 点击保存数据现在保存采集的数据。
- 经过柜台的大小测定器停止采集数据，打开排放试验室，并再次权衡磨料磨损和纳米产品。
- 继续为每一位耐磨试验的全过程。
- 一旦磨损试验，再一次验证了三种颗粒气溶胶表征仪器INERIS S-Nano平台的校准板凳上。
液体滴Suspensions-沉积技术的3 TEM分析[INERIS标定平台，维尔纳叶]
- 制备液体悬浮液中的1％体积稀水溶液（即 “涂料”）通过在99份的过滤和去离子水的加入包衣悬浮液的1份。
- 打开海湾辉光放电加工机中的R
- 设置在以下操作条件：0.1毫巴45毫安，3分钟的持续时间。
- 为了使TEM铜网格亲水其等离子处理，把它放在金属支架上。合上盖子并启动电机。 3分钟后，它会自动停止。
- 取出使用镊子亲水转向网格。其光明的一面轻轻向上放置。沉积稀释的溶液滴（8微升约）到使用注射器的亲水性网格。
- 干燥该网格在一个封闭的腔室，以使得水含量被蒸发，组分粒子尽可沉积在网格。确保该网格不获取被控可以很容易地识别为圆形或链形状，这是油或烟尘颗粒的特性的杂散颗粒。
- 一旦准备就绪，把电网的TEM探头进行微观分析。 [电子加速电压120千伏， 比照 31。
- 如果电网出现过缀上粒子进行分析，降低沉积下降的比例稀释和体积。最大音量的操作者能够以沉积约等于12微升。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
试验样品
在文章中提出的方案分别适用于三种不同的商业纳米产品。聚焦在这里摆上了实验方法的详细信息：
（一）的铝硅酸盐砖的 TiO 2纳米颗粒增强的，（11厘米×5厘米×2厘米）。发现在构建外墙，房屋的墙壁，墙砖，人行道等的频繁的应用及其用扫描电子显微镜的图像一起材料性能示于表1和图4分别。
图4.纳米铝硅酸盐砖的SEM图像（Shandilya 等 33）。表面粗糙与microsized箱或表面粗糙可在图像中可以观察到。这些表面粗糙与AB互动磨损过程中RADANT。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 属性 | 值 |
| 组成 | 铝，硅，钙，钛 |
| 均方根粗糙度 | 7微米 |
| 的 TiO 2的平均一次粒径 | <20纳米 |
| 弹性模量 | 20千兆帕（约） |
| 泊松比 | 0.2 |
| 维氏硬度 | 800（约） |
表1：纳米铝硅酸盐砖的材料特性。
（二）Photocatalytic纳米涂层由锐钛型二氧化钛纳米粒子分别与聚甲基丙烯酸甲酯和酒精基地分散剂。两个纳米涂层的透射电子显微镜（TEM）分析，在图5（A）和（B）所示，揭示了在前者的情况下平均的 TiO 2颗粒尺寸等于8±4纳米，而在后者的25±17纳米。此外，两个不同的相贡献的分散剂（在灰色）和掺入二氧化钛纳米颗粒（在音调黑色）也可以观察到。在这两个纳米涂层的二氧化钛纳米颗粒的体积百分数是相同的，等于1.1％。能量色散X射线分析两个纳米涂层的元素组成，以下的滴沉积技术的协议之后获得的（EDX），显示出类似的观察结果，即，C（质量60至65％），O（15至20 ％质量分数）和Ti（10％至15％以质量）。应当指出，这两个纳米涂层一再专门为在其上通常是多孔像砖，混凝土等建筑物的外表面的应用。制造。因此，选择用于纳米涂层应用在基板是商业纯砌筑的砖（11厘米*5厘米×5厘米）。
在与（A）聚甲基丙烯酸甲酯和（B）酒精基 作为分散剂分别（Shandilya 等人 33） 的纳米涂层存在于纳米粒子的 图5 的TEM图像 。除了不同组成的纳米粒子两个纳米涂层的尺寸，它们的个别的形态是也不同即云状结构为前一阵子滞留了后者。 请点击此处查看大图这一数字。
（c）由的CeO 2纳米颗粒具有10nm的初级大小的透明釉添加剂。它被分散在1.3％的体积百分比釉。这种釉一般应用在外部躺在彩绘木面传授对他们的最终变色保护和随时间风化。在图6A和B，TEM图像和样品滴的元素成分分析分别示出。
图6：TEM 图片和样品降 TEM图像（A）和样品下降的元素成分分析（B） 的元素成分分析显示，请点击这里查看大图版本这个数字。
从纳米砖发射
纳米结构砖（M t）的磨损期间的总磨损质量的演变被示出具有在图7中相对于F N。对于F N的每个值，在磨耗试验已经重复三次。这种演变似乎遵循线性路径到F N = 10.5ñ后，它出人意料地适应更高的负荷增加。的标准偏差，在磨损质量的值测定，范围从0 0.023克所述研磨材料的各磨损试验过程中磨损的质量为小于2％，该砖的，因此可以忽略不计。
>
图7.磨损量为正常负荷的函数。在单调与不断增加的负载正常磨损（Shandilya 等 33）的砖增加总磨损质量请点击此处查看该图的放大版本。
在图8中 ，所发射的气溶胶粒子的单峰的PSD示为F N的不同的值。对于每一个值，在磨耗试验已三次重复。随着越来越F N，PSD的方式也越来越多。然而，除了10.5 N，数浓度达峰值或最 大的粒子数浓度保持在〜645厘米停滞-3。
tp_upload / 53496 / 53496fig8.jpg“/>
与正常负载发出的气溶胶粒子增加图8.气溶胶粒子尺寸为正常负荷的函数。粒度分布的形态尺寸（PSD）曲线（Shandilya 等 33） 点击此处查看大图这个数字。
在图9A中 ，总的PNC的演化示出相对于F N。对于具有在20-500纳米范围内的尺寸的颗粒，这似乎增加至10.5ñ它开始减少之后。 0.5 - 20微米尺寸范围内，它不断地增大。然而，似乎就接近一个恒定值超过10.5 N.然而，总PNC的行为对F T增加如图9B所示是不同的，因为它增加单调。类似的观察可以为PSD模式也可以观察到。
图9.发射气溶胶粒子（A） 的总发射气溶胶粒子的气溶胶粒子数浓度（PNC），为正常负载的函数（Shandilya 等人 34），（B）的总PNC和PSD模式为切向负载的函数请点击此处查看该图的放大版本。
对于其中分别在F N的4个不同的值，50 DIF的尺寸磨损期间收集在网状格采样气溶胶粒子的TEM分析测定同的气溶胶颗粒的每个网格，并且在每一种情况下，测定它们的平均尺寸。 表2示出的平均值。在采样气溶胶颗粒的平均尺寸明显增加可以与增加F N中看到。
| 负载（N） | 平均气溶胶粒径（微米） |
| 6 | 0.2±0.1 |
| 9 | 0.9±0.3 |
| 10.5 | 3±0.7 |
| 13 | 5±0.6 |
表2：以 F 不同 的n 值采样气溶胶粒子的气溶胶平均粒度 。
排放的光催化纳米涂层
以测试来自光催化纳米涂层的气溶胶颗粒的排放，其风化和非风化测试样品的磨损试验进行。关于其非风化样品的结果是第一次提出。当4层状纳米涂层“试验样品的6N的正常负载下研磨在图10A中示出获得的PNC曲线。该试验相同的条件下三次重复进行。对于未涂覆的参考，重复进行在同一砖进行。在图10A中的磨损开始在t = 240秒，在t = 840秒结束。之前和之后的该时间间隔（t = 0到240秒），该系统是空闲的。酒精基的纳米涂层似乎当它与未涂覆的参考相比赋予对PNC没有区别。这两个几乎相同的PNC水平。由于纳米涂层可能被无覆盖完全磨去UT提供任何阻力，PNC达到最大值（≈200厘米- 3）磨损开始后不久。的标准偏差范围为5至16厘米3 - 3。用于与聚甲基丙烯酸甲酯的纳米涂层，所述PNC最初是低的（≈14厘米- 3）由于对磨损的纳米涂层的一个可能的阻力。但是，这种电阻持续达到一定点（T = 624秒）之后，它可以开始得到磨去。其结果是，在PNC开始逐渐增大。其达到相同的值作为用于其它纳米涂层或朝向磨损的端部的基准。在用于与聚甲基丙烯酸甲酯的纳米涂层的测量值的标准偏差变化从0.7至27厘米3 - 3。
图10.纳米涂层类型对气溶胶粒子生成从纳米涂层（A）和时间（B）PNC变化条件下的正常负荷的6N的4层纳米涂层的磨损过程中排放的气溶胶粒子的PSD（注意：所有的曲线从3次重复试验中获得的平均曲线）（Shandilya 等人 33） 请点击此处查看该图的放大版本。
在图10B中 ，所发射的气溶胶粒子的PSD被示出。酒精基地的纳米涂层似乎对PSD无论是除了大小模式向更小的颗粒尺寸（154±10纳米）的转变没有影响。的标准偏差在此情况下的变化从0.2到16 cm为单位测量所述PSD - 3。用聚甲基丙烯酸甲酯的纳米涂层由〜30渲染粒子青霉一个因素大幅下降的PSD曲线的峰值ission完全微不足道。这里所测量的标准偏差为8厘米3 - 3最大。
在图11A中 ，增加F N效果已经证明与聚甲基丙烯酸甲酯4层状纳米涂层。磨损开始在t = 240秒，在t = 840秒结束。对于PNC一个明确的说法，T = 240秒，T = 480秒之间， 如图11A1一个缩放视图还显示。 PNC的正常负荷增加。同样的模式在图11B继续与酒精基地也一个4层纳米涂层。在测量与PMMA纳米涂层的PSD，PSD的显示非常低浓度的这甚至接近他们的粒子探测阈值。因此，两个粒子大小测定器均未进一步使用。但对于酒精基地的纳米涂层，有没有这样的问题。在这种情况下，在PSD中示出图11C。同尺寸的模式增加三个单峰分布（ 即，154纳米至274纳米至365纳米）和浓度增加的峰值可以看出增加正常负荷。
图11.影响从纳米涂层的气溶胶粒子生成正常装载 （A）随时间4层，PMMA和（B）醇碱纳米涂层PNC变化。 （Shandilya等人 33）：（a1）中缩放视图的4层纳米涂层的酒精基的磨损期间发射的气溶胶粒子（C）的 PSD（注意所有曲线都是从3次重复实验得到的平均曲线） ，请此处查看该图的放大版本。
图12演示了这种效果，其中两种样品中，具有2和4层用聚甲基丙烯酸甲酯的纳米涂层的，是为测试F N = 6 N的磨损开始在t = 240秒，在t = 840秒结束。 PNC的是总是较低时4层的纳米涂层的： -相比，2层被磨损（标准偏差2到27 立方厘米 。）（标准偏差：13至37厘米3 - 3）或一个未涂覆的参考。层的两组似乎提供朝耐磨性。然而，在具有醇碱的纳米涂层的情况下，两个2和4层有类似的PNC。
图12.影响涂层对气溶胶粒子生成从纳米涂层的数量。用添PNC变化E对于2和4层纳米涂层与PMMA（注意：所有的曲线从3次重复试验中获得的平均曲线）（。Shandilya等 33） 点击此处查看该图的放大版本。
与PMMA的4层纳米涂层的SEM观察也于磨损年底完成。 图13示出了观察。一个未研磨涂覆表面（标为A）具有〜12％的平均Ti含量（以质量计）。为磨蚀部分（标记B）所示，平均Ti含量降低至〜0％（质量），从而完全露出砖表面。
图 13. 纳米涂层表面的显微分析。SEM图像和经涂覆的一个的EDX分析第二磨损与PMMA纳米涂层的部分;部分（A）：未研磨涂层表面;部分（B）：磨损（Shandilya等 33） 点击此处查看该图的放大版本。
因此，相比于第2层状对应或其他纳米涂层，包括其两个2和4层纳米涂层的PMMA的一个4分层nanocating具有执行得非常好。考虑此观察，与聚甲基丙烯酸甲酯的纳米涂层的一些4层状样品也暴露在人工加速其磨损之前风化。在图14A-E，人们可以看到风化恶化的影响。可以在图14A观察到nonweathered纳米涂层的连续和集成形式。纳米涂层V的逐渐恶化 IA裂解可以在连续的图中则观察到，即， 图14B，C，D和E.与此相反，未涂覆的参考示出没有这样的效果。干燥应力由于水含量的蒸发并且在这种恶化其用紫外线结果交互期间存在于该纳米涂层的聚合物粘合剂逐渐脆化（白色35，默里36，杜佛尼等人 37，兔38 Tirumkudulu和罗素39） 。通过钙钛之间的元素映射（贡献的nancoating）和（贡献的砖）风化纳米涂层的EDS分析示于图14F-J。在图中，表面（平均值~16.1％）上的几乎停滞Ti含量可以与增加Ca含量并因此暴露表面被观察到。其中一个这样的结果的重大影响可能是纳米涂层的收缩与风化。
内容】“>
图14.的逐渐恶化纳米涂层的微观分析（Shandilya 等 31）。恶化是通过裂缝随时间加深了表面的外观，请点击此处查看该图的放大版本。
在水中的 TiO 2纳米粒子排放的定量以2，4,6的间隔7个月老化的进行。渗滤液的这1 1ml样品被从收集的径流水取并使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行分析。 表3示出的ICP-MS的操作条件。我们发现，在Ti被认为是总是低于在阈检测值（= 0.5微克/升）样品体积。该观察导致了尽管风化的恶化，纳米涂层仍强烈结合抵抗其浸出进入径流水的结论。
| 样品量 | 2毫升 |
| 射频功率 | 1550W¯¯ |
| RF匹配 | 1.78 V |
| 载气 | 0.85升/分钟 |
| 吹气 | 0.2升/分钟 |
| 喷雾器 | Micromist |
| 雾化泵 | 0.1 R / S |
| S / C的温度 | 15℃ |
| 他流速 | 5毫升/分钟 |
| H 2流速 | 以2ml /分钟 |
| 积分时间 | 0.1秒 |
| 商会与火炬 | 石英 |
| 锥体 | 倪 |
表3：ICP-MS的操作条件。
风化随后的磨损。在图15A和B显示的相同的采样的条件下经受纳米涂层的4 7个月磨损的前2分钟内采样的气溶胶粒子的TEM分析的结果。在网格气溶胶颗粒的定性较高的沉积可在后者的情况下进行观察。的多分散气溶胶粒子可根据高倍率进行观察。尽管我们不能量化，但观察到二氧化钛（ 即，钛质> 90％）的游离纳米粒子的显著量时7个月风化纳米涂层被磨损（ 图15C和D）。置信区间是小的测量量因而忽视了该地块。这一结果不同于非风化纳米涂层的调查结果和各种其他的研究一样Shandilya 等 15 Golanski 等 23Göhler 等 29 Shandilya 等。33。因此，它更特别的兴趣。在用于非风化纳米涂层和上述其他研究先前获得的结果，所发射的气溶胶的大部分由在基质结合的状态，而不是在自由状态下的纳米材料的。
图15. 气溶胶粒子的微观分析。从（A）磨损发出的气溶胶粒子4个月（B）的TEM照片7个月风化纳米涂层（C，D）从磨损发出7个月风化纳米涂层纳米免费
在图15E，在三元素- C的百分比变化，Ti和钙是当风化的持续时间从4个月达到7个月所示。可以在C含量的下降，从56％至12％的被观察的聚合物脆化的明确效果。这种下降直接意味着周围发射气溶胶粒子的基质的存在下还原。在Ti含量从7％上升至55％表示在发射的气溶胶粒子的增加Ti浓度的。底层砖的暴露表面，6月风化后，产生一些气溶胶颗粒太一旦磨损。其结果是，从砖一些气溶胶粒子7个月风化后还观察。因此，耐候持续时间对气溶胶颗粒的大小和化学组成的直接影响。
图16. PNC和PSD的磨损持续时间的函数：风化参考和纳米涂层的磨损过程中PNC和PSD。磨损发生在t =在板120-720秒（A）和（B）。 （Shandilya 等 31） 点击此处查看该图的放大版本。
在图16A-D示出在samplin的体积内采样的气溶胶粒子的PNC和PSD结果摹罩。在图16A和B，开始在t = 120秒，并一直持续到T = 720秒，无涂层参考的磨损产生一个恒定的和风化时间独立PNC（〜500厘米3 - 3;标准差5 - 15厘米3 - 3;重复3次）。因此，在人工气候对来自未涂覆的参考发射气雾颗粒没有明显的影响。然而，在nanoacoating的情况下，可以观察到，与风化持续时间PNC增加耐候持续时间的明显效果。除了 图6和7月，其随时间变化的性质也惊人地相似，即，初始的提升，随后停滞，然后提升再次，最终停滞。对于图6和7个月时，在浓度立即凸点只要磨损开始。在浓缩该初始凸点是比参考的甚至更高。 HH但是，T =后360秒，也容易再回到基准水平。在相对于磨损的纳米涂层行为这种差异可以其去除机构的磨损期间的基础上进行说明。直到4个月风化，纳米涂层被认为是强大到足以抵挡它的磨损。其结果是，它被缓慢，因此磨损 ，所发射的气溶胶的个数浓度缓慢增加。然而，图6和7个月老化后，该纳米涂层是块状（如已经看到在图14E），为可能松散地附着在砖的表面上。其结果是，只要磨损启动时，这些纳米涂层肿块得到容易拔起其示出在发射的气溶胶粒子数浓度的凸点。为参考（ 图16C）发出的气溶胶粒子的PSD显示250到350纳米之间的风化（模式交替的无明显影响; PNC≈375厘米
排放从釉
相反在钢筋砖块和光催化纳米涂层的情况下，气溶胶粒子排放的观察中，发现釉料的两层是其磨损期间非发射时F N = 6 N。获得的发射的气溶胶粒子数浓度使用粒子计数器，总是发现是小于1厘米-3，因此insign量占用。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
在本文章中，纳米安全 - 通过设计的商用产品纳米结构的实验研究，提出。所述纳米安全逐设计的任何产品都可以在其PNC和PSD而言，当它受到机械应力和环境风化进行研究。该项研究选择了该产品是铝硅酸盐砖纳米TiO 2钢筋，釉用铈纳米颗粒和光催化纳米涂层与纳米TiO 2。这些产品在商业市场上很容易接触到客户，并与他们的日常生活以及相关。因此，他们对他们的纳米安全 - 通过设计调查是至关重要的。
人工老化
当使用不同的操作条件中降解观测变化可以预期。此外，从荧光紫外灯的光谱功率分布/氙弧灯是符号从使用其他光源的光与水接触设备产生ificantly不同。的类型和降解，并在暴露产生到紫外灯的性能排名率可以从那些通过暴露于其它类型的实验室光源产生太大的不同。耐候性试验结果还取决于所采取操作耐候试验箱的关怀。因此，像线电压的调节因子，灯的其中设备操作室，温度控制，和状况和年龄的温度也确实在风化室的性能发挥显著作用。在测试过程中，辐照度会由于紫外线灯老化变化。一个标准的灯有≈1,400小时的平均寿命。因此，在开始老化试验之前，应确保留下的灯泡运行小时数。金属离子在水中的存在耐候室中增加它的配置内喷生产率也照顾的一个重要方面。如果水的电导率超过可接受的水平，也可能留下风化表面上的溶解的金属的痕迹。在这样的情况下，获得了更退化的表面超过预期。来自UV灯的照度的分布有时不均匀遍布不锈钢支撑在其上纳米涂层样品置于。在这样的情况下，应注意的纳米涂层样品的放置期间，使得各样品的表面上的辐照水平的个体变化不超过±2瓦/米2作出。以允许风化的结果的再现性，每种材料的至少三个重复必须暴露。
磨损和ENM气溶胶表征
颗粒数浓度与发射试验箱内气溶胶粒子的采样点的位置的变化与浓度整个腔室不统一。在本研究中，采样点一直保持接近被研磨的表面上。这允许的气溶胶粒子的扩散和沉淀的损失最小化，因为它们只要他们得到从磨损产生的采样。的自由粒子的空气的流速也很关键，因为它应是足够高的背景颗粒降低到其最低浓度，以便它们不与磨损产生的颗粒的表征干涉。期间磨损，边缘倒角磨料允许磨损为与纳米结构产品其接触面积内均匀的。如果边缘不正确倒角，它们可能会脱落的接触表面太。同时与纳米结构的产品的工作中，操作者很容易受到他/她接触到所发射的纳米颗粒。因此，任何类型的纳米结构的产品，包括磨耗的操纵，必须内进行封闭整合是能够阻碍任何纳米粒子通过。
悬浊液的TEM分析
铜网格的亲水性是极为重要的，同时淀积作为碱水溶液降。它稳定网格的表面上的一滴以及减轻表面预润湿的操作的需要。封闭室内的带电网格的干燥也很关键，以避免其与周围的灰尘颗粒污染，因为它们可能与TEM分析干扰。
标准磨耗装置已经由铝2024合金副本替换已安装的水平钢条和安装此复制铝合金棒的顶部表面上的应变计进行修改。这个调整可以知道磨损过程中完整的机械应力状态，从而更好地控制过程，这是不可能的前面。对于microsco气溶胶颗粒的基础上，通过TEM专用支撑过滤一个新的粒子收集技术的峰分析，即TEM多孔网格在通过过滤器保持器本研究已针对这种应用特别开发已经采用。
人工老化
涂层，以抵抗因暴露于光，热，和水，其物理性质的劣化的能力可能是许多应用中非常显著。该类型在这篇文章中介绍的暴露是有限的，不能模拟造成局部天气现象，如大气污染，生物攻击，或海水接触的恶化。
磨损和ENM气溶胶表征
呈现为ENM气溶胶表征该协议的一个主要限制是，这些ENM气溶胶的一小部分迷路它们可被表征为它们的尺寸和前数。这样的损失可以归因于与气溶胶动力学像沉淀，扩散，湍流空气流，惯性沉积等，其同时，一旦它被发射的作用于气溶胶粒子相关联的各种现象。这种损失是气溶胶颗粒大小的正函数。该方面在一些以前的出版物像Shandilya 等人 31，Shandilya 等人 33，Shandilya 等 34被考虑。然而，考虑方法已在这些研究中，即 ，计算被完成大约估计损失和最终的实验结果进行了修改的计算结果的基础上得 到的反应。
悬浊液的TEM分析
这里提出了一稀释采样液体悬浮液的TEM分析技术迫使悬浮颗粒通过蒸发粘附到栅格的表面总水含量。这可以允许在网格更大聚集体中不存在的原始液体悬浮液的形成。因此，该技术不能完全代表原始条件悬浮颗粒的形态。
这里提出的技术的目的是控制其颗粒雾化发挥关键作用的参数，无论是机械或环境老化过程。此外，它着重于寻找超出其选择的纳米涂层已超过其使用寿命nanosafe风化持续时间阈值。 （在本情况下，是由4个个月的加速风化）。这是通过一个连续监测这使我们注意到，其中纳米涂层开始恶化的确切持续时间的过程中的纳米涂层状态的完成。这是从以前的科学研究，因为他们应对环境风化的概念，通过应用其上用以区别其功能试验样品为没有正在进行的风化过程监控的预定持续时间。在这里提出的研究选择的方法可以定量比较不同-但similar-纳米产品42的实验测量纳米安全阈值（ 即 nanosafe寿命）（相似的加速寿命条件下）。因此，它是在第一步骤开发的产品上的纳米安全逐设计依据。
对于未来，一个完全先发制人的方法被开发，其中实验设置最小的实时气溶胶粒子的损失和发射的气溶胶粒子的完整定量研究能够高精度地完成。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Potocnick, J. European Commission Recommendation on the definition of nanomaterial (2011/696/EU). , (2011).
- Oberdorster, G., Oberdorster, E., Oberdorster, J. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environ Health Persp. 113 (7), 823-839 (2005).
- Le Bihan, O., Shandilya, N., Gheerardyn, L., Guillon, O., Dore, E., Morgeneyer, M. Investigation of the Release of Particles from a Nanocoated Product. Adv Nanoparticles. 2 (1), 39-44 (2013).
- Houdy, P., Lahmani, M., Marano, F. Nanoethics and Nanotoxicology. , 1st ed, Springer. Heidelberg, Germany. (2011).
- Kulkarni, P., Baron, P. A., Willeke, K. Aerosol Measurement: Principle, Techniques and Applications. , 3rd ed, John Wiley and Sons. Hoboken, NJ, USA. (2011).
- Hsu, L. Y., Chein, H. M. Evaluation of nanoparticle emission for TiO2 nanopowder coating materials. J Nanopart Res. 9 (1), 157-163 (2007).
- Maynard, A. D.
- Shatkin, J. A., et al. Nano risk analysis: advancing the science for nanomaterials risk management. Risk Anal. 30 (11), 1680-1687 (2011).
- Göhler, D., Nogowski, A., Fiala, P., Stintz, M. Nanoparticle release from nanocomposites due to mechanical treatment at two stages of the life-cycle. Phys Conf Ser. 429, 012045 (2013).
- Allen, N. S., et al. Ageing and stabilisation of filled polymers: an overview. Polym Degrad Stabil. 61 (2), 183-199 (2004).
- Allen, N. S., et al. Degradation and stabilisation of polymers and coatings: nano versus pigmentary titania particles. Polym Degrad Stabil. 85 (3), 927-946 (2004).
- Al-Kattan, A., et al. Release of TiO2 from paints containing pigment-TiO2 or nano-TiO2 by weathering. J Environ Monitor. 15 (12), 2186-2193 (2013).
- Kaegi, R., et al. Synthetic TiO2 nanoparticle emission from exterior facades into the aquatic environment. Environ Pollut. 156 (2), 233-239 (2008).
- Hirth, S., Cena, L., Cox, G., Tomovic, Z., Peters, T., Wohlleben, W. Scenarios and methods that induce protruding or released CNTs after degradation of nanocomposite materials. J Nanopart Res. 15 (2), 1504-1518 (2013).
- Shandilya, N., Le Bihan, O., Morgeneyer, M. A review on the study of the generation of (nano-) particles aerosols during the mechanical solicitation of materials. J Nanomater. 2014, 289108 (2014).
- Wohlleben, W., et al. On the lifecycle of nanocomposites: comparing released fragments and their in vivo hazards from three release mechanisms and four nanocomposites. Small. 7 (16), 2384-2395 (2011).
- Bouillard, J. X., et al. Nanosafety by design: risks from nanocomposite/nano waste combustion. J Nanopart Res. 15 (1), 1519-1529 (2013).
- Ounoughene, G., et al. Behavior and fate of Halloysite Nanotubes (HNTs) when incinerating PA6/HNTs nanocomposite. Environ Sci Technol. 49 (9), 5450-5457 (2015).
- Morose, G. The 5 principles of "Design for Safer Nanotechnology". J Clean Prod. 18 (3), 285-289 (2010).
- ASTM International. ASTM D4060: Standard test method for the abrasion of organic coatings by the Taber abradant. , (2007).
- ASTM International. ASTM D6037: Standard test methods for dry abrasion mar resistance of high gloss coatings. , (1996).
- ASTM International. ASTM D1044: Standard test method for resistance of transparent plastics to surface abrasion. , (2008).
- Golanski, L., Guiot, A., Pras, M., Malarde, M., Tardif, F. Release-ability of nano fillers from different nanomaterials (toward the acceptability of nanoproduct). J Nanopart Res. 14 (1), 962-970 (2012).
- Vorbau, M., Hillemann, L., Stintz, M. Method for the characterization of the abrasion induced nanoparticle release into air from surface coatings. J Aerosol Sci. 40 (3), 209-217 (2009).
- Hassan, M. M., Dylla, H., Mohammad, L. N., Rupnow, T. Evaluation of the durability of titanium dioxide photocatalyst coating for concrete pavement. Constr Build Mater. 24 (8), 1456-1461 (2010).
- Morgeneyer, M., Shandilya, N., Chen, Y. M., Le Bihan, O. Use of a modified Taber abrasion apparatus for investigating the complete stress state during abrasion and in-process wear particle aerosol generation. Chem Eng Res Des. 93 (1), 251-256 (2015).
- Morgeneyer, M., Le Bihan, O., Ustache, A., Aguerre Chariol, O. Experimental study of the aerosolization of fine alumina particles from bulk by a vortex shaker. Powder Technol. 246 (1), 583-589 (2013).
- Le Bihan, O., Morgeneyer, M., Shandilya, N., Aguerre Chariol, O., Bressot, C. Chapter 7. Handbook of Nanosafety: Measurement, Exposure and Toxicology. Vogel, U., Savolainen, K., Wu, Q., Van Tongeren, M., Brouwer, D., Berges, M. , Academic Press. San Diego, CA. (2014).
- Göhler, D., Stintz, M., Hillemann, L., Vorbau, M. Characterization of nanoparticle release from surface coatings by the simulation of a sanding process. Ann Occup Hyg. 54 (6), 615-624 (2010).
- R'mili, B., Le Bihan, O., Dutouquet, C., Aguerre Charriol, O., Frejafon, E. Sampling by TEM grid filtration. Aerosol Sci Tech. 47 (7), 767-775 (2013).
- Shandilya, N., Le Bihan, O., Bressot, C., Morgeneyer, M. Emission of Titanium Dioxide Nanoparticles from Building Materials to the Environment by Wear and Weather. Environ Sci Technol. 49 (4), 2163-2170 (2015).
- AFNOR. ISO 16474-1: Paints and varnishes − Methods of exposure to laboratory light sources − Part 1: General guidance. , (2012).
- Shandilya, N., Le Bihan, O., Bressot, C., Morgeneyer, M. Evaluation of the particle aerosolization from n-TiO2 photocatalytic nanocoatings under abrasion. J Nanomater. 2014, 185080 (2014).
- Shandilya, N., Le Bihan, O., Morgeneyer, M. Effect of the Normal Load on the release of aerosol wear particles during abrasion. Tribol Lett. 55 (2), 227-234 (2014).
- White, L. R.
- Murray, M. Cracking in coatings from colloidal dispersions: An industrial perspective. Proceedings Rideal Lecture. , Available from: http://www.soci.org/~/media/Files/Conference%20Downloads/2009/Rideal%20Lectures%20Apr%2009/Murray.ashx (2009).
- Dufresne, E. R., et al. Flow and fracture in drying nanoparticle suspensions. Phys Rev Lett. 91, 224501 (2003).
- Hare, C. H. The degradation of coatings by ultraviolet light and electromagnetic radiation. JPCL. , (1992).
- Tirumkudulu, M. S., Russel, W. B.
- Shandilya, N., Morgeneyer, M., Le Bihan, O. First development to model aerosol emission from solid surfaces subjected to mechanical stresses: I. Development and results. J Aerosol Sci. 89, 43-57 (2015).
- Shandilya, N., Morgeneyer, M., Le Bihan, O. First development to model aerosol emission from solid surfaces subjected to mechanical stresses: II. Experiment-Theory comparison, simulation and sensibility analysis. J Aerosol Sci. 89, 1-17 (2015).
- Bressot, C., et al. Environmental release of engineered nanomaterials from commercial tiles under standardized abrasion conditions. J Hazardous Materials. , (2016).
