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全相关的标准，并已提交一项关于消费者安全的新工作项目提案。经济合作与发展组织（OECD）纳米材料工作组（WPMN），特别是其暴露评估与暴露缓解指导小组（SG8），近期开展了一项关于未来工作方向的调查，重点关注消费者和环境暴露评估。因此，鉴于这些国际活动，韩国产业通商资源部于2013年启动了一项分阶段项目，聚焦于 "纳米材料与纳米产品安全性评价及标准化技术的开发"此外，已发表多项与消费者安全相关的研究，旨在规范消费品中纳米材料的释放。 ^7-8.

磨耗试验是ILSI纳米释放和NanoReg^2-3中包含的模拟方法之一，用于测定不同商用复合材料中纳米颗粒的潜在释放水平。通过磨耗前后试样质量的差异，可推算出质量损失量。纳米复合样品在恒定速度下进行磨耗，采样器同时吸取产生的气溶胶，随后利用颗粒计数设备（如凝聚粒子计数器（CPC）或光学粒子计数器（OPC））对颗粒进行分析，并将颗粒收集在透射电子显微镜（TEM）载网或膜上，以便进一步进行形貌观察。然而，对纳米复合材料进行磨耗试验需要实现稳定的纳米颗粒释放，但由于磨耗过程中颗粒易带电，以及在排放源附近进行采样时的影响，这一目标较难实现^{2-3, 9-11}。

因此，本文提出了一种腔室系统，作为一种评估纳米复合材料在磨损情况下纳米材料释放的新方法。与其他磨损和模拟测试相比，该腔室系统在磨损过程中能够提供一致的纳米颗粒释放数据。此外，这种新的测试方法已在室内空气质量及半导体工业领域被广泛用作总颗粒数计数法^{12, 13}。因此，预计该方法可进一步发展为一种标准化方法，用于检测含纳米材料的消费品中纳米颗粒的释放。

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，以实现颗粒气流的均匀混合。
5. Neutralizer
   1. 由于带静电的颗粒会增强其在腔体壁上的沉积，应使用中和器（软 X 射线电离器）以最大程度降低颗粒的带电状态。
6. Online measuring instruments ^{12, 13}
   1. 按照制造商说明，使用 CPC 和 OPC 测量颗粒物数量浓度和粒径分布。
   2. 将 CPC 和 OPC 安装在腔体出气口处，用于测量颗粒物数量浓度和粒径分布。
7. Particle sampling instruments
   1. 使用含有滤膜或透射电镜（TEM）载网的颗粒采样器采集释放的颗粒，以分析颗粒的形貌和成分。
   2. 将含有滤膜或 TEM 载网的颗粒采样器安装在腔体出气口处，用于分析释放颗粒的形貌。

2. 使用腔室系统进行纳米颗粒释放的磨损测试

注意：磨损测试条件见表2。

1. 将磨耗仪放置在试验腔的中心位置。
2. 将测试样品安装在磨耗仪的样品旋转台上。
3. 使用1,000 g的砝码将磨轮固定在磨轮支架上，以对测试样品施加负载。
4. 将中和器（软X射线电离器）置于距离测试样品中心28 cm、角度为45°的位置，如图2所示，以减少静电颗粒在腔壁上的沉积。
   注意：中和器通过射线照射消除静电作用力。然而，由于进气口和磨轮位于样品旋转台上方，这会限制中和器射线到达样品表面的路径。因此，将中和器置于对角位置，以使射线尽可能覆盖更多的样品表面。
5. 以50 L/min的流量运行安装在腔体出口处的鼓风机。
6. 通过附加进气口，使用空气压缩机额外供应25 L/min的无颗粒悬浮空气。
   注意：由磨耗产生的颗粒会强烈地沉积在样品表面和磨轮表面，因此难以准确测量磨耗释放的颗粒。附加进气口有助于实现颗粒的悬浮，从而解决这一问题。
7. 使用CPC（凝聚核粒子计数器）检测腔体内部的背景颗粒数浓度，确保在1小时内平均颗粒数浓度低于1 #/cc，具体方法如图4所示。
8. 使用步进电机驱动磨耗仪的样品旋转台，使其以72 rpm的转速旋转，共旋转1,000次。
9. 使用CPC和OPC测量并记录释放颗粒的数浓度及粒径分布。
   注意：纳米复合材料因磨耗释放的颗粒会被气流悬浮并携带。这些悬浮颗粒最终沿气流方向被输送至出口。释放的颗粒随后在腔体出口处被CPC和OPC检测。CPC和OPC常用于测量颗粒数浓度，而OPC还可用于测量颗粒粒径分布。
10. 使用含有滤膜或透射电镜（TEM）载网的颗粒采样器采集释放的颗粒。
    注意：纳米复合材料经磨耗释放的颗粒随气流移动至腔体出口。在出口处，可使用颗粒采样器采集这些释放的颗粒。收集在滤膜或TEM载网上的颗粒可进一步通过透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）进行分析。
11. 当颗粒数浓度降至峰值浓度的0.1%以下时，停止测量和采样。
12. 保存所有数据（CPC、OPC），并移除所有样品（测试样品）。
13. 每次测试均需使用新的样品和新的磨轮；每次磨耗测试后，使用无尘纸和异丙醇（IPA）清洗腔体和磨耗仪，以确保实验的可重复性。

结果

使用腔室系统进行磨损测试的重复性

8 次磨损测试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处形成一个圆形区域。磨损后，原始测试样品损失了约0.6 g（1.56%）（表4）。含有碳纳米管的纳米复合材料释...

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