Badanie uwalniania nanocząstek z kompozytu zawierającego nanomateriał za pomocą systemu komorowego

Summary

Uwalnianie nanocząstek jest testowane przy użyciu systemu komor, który zawiera licznik cząstek kondensacji, optyczny licznik cząstek i porty do pobierania próbek filtrów do analizy mikroskopowej. Proponowany system komór może być skutecznie wykorzystywany do testowania uwalniania nanomateriałów z powtarzalnym i spójnym zakresem danych.

Abstract

Wraz z szybkim rozwojem nanotechnologii jako jednej z najważniejszych technologii w XXI^wieku, rośnie również zainteresowanie bezpieczeństwem produktów konsumenckich zawierających nanomateriały. Ocena uwalniania nanomateriałów z produktów zawierających nanomateriały jest kluczowym krokiem w ocenie bezpieczeństwa tych produktów i zaowocowała kilkoma międzynarodowymi wysiłkami na rzecz opracowania spójnych i wiarygodnych technologii standaryzacji oceny uwalniania nanomateriałów. W tym badaniu uwalnianie nanomateriałów z produktów zawierających nanomateriały ocenia się za pomocą systemu komór, który obejmuje licznik cząstek kondensacji, optyczny licznik cząstek i porty do pobierania próbek w celu pobrania próbek filtracyjnych do analizy mikroskopii elektronowej. Proponowany system komór jest testowany przy użyciu ścierniwa i próbek materiału nanokompozytowego typu dyskowego w celu określenia, czy uwalnianie nanomateriału jest powtarzalne i spójne w akceptowalnym zakresie. Wyniki testów wskazują, że całkowita liczba cząstek w każdym teście mieści się w granicach 20% od średniej po kilku próbach. Tendencje wydawnicze są podobne i wykazują bardzo dobrą powtarzalność. W związku z tym proponowany system komór może być skutecznie wykorzystywany do badania uwalniania nanomateriałów produktów zawierających nanomateriały.

Introduction

Ekspozycja na nanomateriały była głównie badana w odniesieniu do pracowników w miejscach pracy produkujących, obsługujących, wytwarzających i pakujących nanomateriały, podczas gdy narażenie konsumentów nie było dokładnie badane. Niedawna analiza bazy danych literatury dotyczącej środowiska i zdrowia stworzona przez Międzynarodową Radę Nanotechnologii (ICON) wykazała również, że większość badań nad bezpieczeństwem nanomateriałów koncentrowała się na zagrożeniach (83%) i potencjalnym narażeniu (16%), przy czym uwalnianie z nanokompozytów, reprezentujące narażenie konsumentów, stanowiło jedynie 0,8% ¹. W związku z tym bardzo niewiele wiadomo na temat narażenia konsumentów na nanomateriały.

Uwalnianie nanocząsteczek zostało użyte do oszacowania narażenia konsumentów w badaniach symulacyjnych, w tym ścierania i wietrzenia nanokompozytów, prania tekstyliów lub metod testowania zapylenia, takich jak metoda obracającego się bębna, metoda wstrząsania wirowego i inne metody wytrząsania ^2-3. Ponadto podjęto kilka międzynarodowych prób, takich jak nanouwolnienie ILSI (Międzynarodowego Instytutu Nauk Przyrodniczych) i EU NanoReg, w celu opracowania technologii pozwalającej zrozumieć uwalnianie nanomateriałów stosowanych w produktach konsumenckich. Wprowadzony na rynek w 2011 r. nanoprodukt konsumencki ILSI reprezentuje podejście oparte na cyklu życia do uwalniania nanomateriałów z produktów konsumenckich, przy czym faza 1 obejmuje selekcję nanomateriałów, faza 2 obejmuje metody oceny, a faza 3 wdraża badania międzylaboratoryjne. Opublikowano również kilka monografii i publikacji na temat bezpieczeństwa nanomateriałów w produktach konsumenckich ^4-6.

Tymczasem, NanoReg reprezentuje wspólne europejskie podejście do testowania regulacyjnego produkowanych nanomateriałów i dostarcza program metod do wykorzystania w podejściach symulacyjnych do nanouwalniania z produktów konsumenckich 2. ISO TC 229 stara się również opracować normy dotyczące bezpieczeństwa konsumentów i przedłożyć nową propozycję elementu roboczego dotyczącego bezpieczeństwa konsumentów. OECD WPMN (grupa robocza ds. nanomateriałów), a w szczególności SG8 (grupa sterująca ds. oceny narażenia i ograniczania narażenia), przeprowadziła niedawno ankietę na temat kierunku przyszłych prac, w szczególności oceny narażenia konsumentów i środowiska. W związku z tym, w świetle tych międzynarodowych działań, koreańskie Ministerstwa Handlu, Przemysłu i Energii uruchomiły w 2013 r. wielopoziomowy projekt skoncentrowany na "Rozwoju technologii oceny bezpieczeństwa i standaryzacji nanomateriałów i nanoproduktów". Ponadto opublikowano również kilka badań dotyczących bezpieczeństwa konsumentów mających na celu standaryzację uwalniania nanomateriałów z produktów konsumenckich ^7-8.

Test ścierania jest jednym z podejść symulacyjnych zawartych w nanowydaniu ILSI i NanoReg ^2-3 do określania potencjalnego poziomu emisji nanocząstek z różnych komercyjnych produktów kompozytowych. Ubytek masy masy określa się na podstawie różnicy w masie próbki przed i po ścieraniu za pomocą abrasora. Próbka nanokompozytowa jest ścierana ze stałą prędkością, próbnik zasysa aerozol, a cząstki są następnie analizowane za pomocą urządzeń zliczających cząstki, takich jak licznik cząstek kondensacyjnych (CPC) lub optyczny licznik cząstek (OPC), i zbierane na siatce lub membranie TEM (transmisyjna mikroskopia elektronowa) w celu dalszej analizy wizualnej. Jednak przeprowadzenie testu ścieralności dla materiałów nanokompozytowych wymaga stałego uwalniania nanocząstek, co jest trudne ze względu na ładowanie cząstek w wyniku ścierania oraz gdy próbkowanie cząstek jest prowadzone w pobliżu punktu emisji ^{2-3, 9-11}.

W związku z tym, ten artykuł przedstawia system komorowy jako nową metodę oceny uwalniania nanomateriałów w przypadku ścierania materiałów nanokompozytowych. W porównaniu z innymi testami ścierania i symulacji, proponowany system komór zapewnia spójne dane dotyczące uwalniania nanocząstek w przypadku ścierania. Co więcej, ta nowa metoda badawcza jest szeroko stosowana w dziedzinie jakości powietrza w pomieszczeniach i przemyśle półprzewodnikowym jako metoda zliczania całkowitej liczby cząstek ^{12, 13}. W związku z tym przewiduje się, że proponowana metoda może zostać przekształcona w znormalizowaną metodę badania uwalniania nanocząstek z produktów konsumenckich zawierających nanomateriały.

Protocol

1. Przygotowanie instrumentów i próbek

1. Ścierniwo
   1. W oparciu o tester ścieralności użyj ścierniwa z jednym stopniem obrotu próbki (średnica 140 mm), dwoma uchwytami ściernymi i prędkością obrotową 30 - 80 obr./min.
   2. Użyj obciążnika, aby przymocować koło ścierne do uchwytu koła ściernego, który również obciąża próbkę do badań.
   3. Zamontuj dodatkowy wlot powietrza, aby zapewnić lepszą zawiesinę dla ścieranych cząstek, jak pokazano na rysunku 3. Użyj rurki o średnicy 1/8" umieszczonej 15 mm powyżej i 40 mm od środka próbki do badań.
2. Tarcza ścierna
   1. Ściernicę ścierną (średnica 55 mm, grubość 13 mm) owinąć papierem ściernym (o ziarnistości 100 i fabrycznie nowym).
3. okaz
   1. Próbka jest kompozytem zawierającym nanomateriał do badania ścieralności. Do montażu w abrasorze próbka powinna być przygotowana o średnicy 140 mm.
4. izba
   1. Użyj stali nierdzewnej do ścianek komory, aby uniknąć osadzania się cząstek pod wpływem siły elektrostatycznej. Umieść ścierniwo wewnątrz komory (objętość 1 m³) (Tabela 1) i umieść wlot i wylot powietrza odpowiednio w górnej i dolnej części komory. Użyj mieszalnika, składającego się z trzech perforowanych płyt, na wylocie powietrza, aby uzyskać równomiernie wymieszany przepływ cząstek.
5. Neutralizator
   1. Ponieważ naładowane elektrostatycznie cząstki zwiększają osadzanie się cząstek na ściankach komory, należy użyć neutralizatora (miękkiego jonizatora rentgenowskiego), aby zminimalizować stan naładowania cząstek.
6. Przyrządy pomiarowe online ^{12, 13}
   1. Użyj CPC i OPC do pomiaru liczby cząstek, stężenia i rozkładu wielkości cząstek zgodnie z instrukcjami producenta.
   2. Zainstaluj CPC i OPC na wylocie z komory, aby zmierzyć stężenie liczby cząstek i rozkład wielkości cząstek.
7. Przyrządy do pobierania próbek cząstek stałych
   1. Pobrać próbkę uwolnionych cząstek za pomocą próbnika cząstek zawierającego media filtracyjne lub siatki TEM w celu analizy morfologii i składników cząstek.
   2. Zainstalować próbnik cząstek zawierający media filtracyjne lub siatkę TEM na wylocie komory, aby przeanalizować morfologię uwalnianych cząstek.

2. Test ścierania na uwalnianie nanocząstek za pomocą systemu komorowego

UWAGA: Warunki badania ścieralności są opisane w tabeli 2.

1. Umieść ścierniwo na środku komory.
2. Zainstaluj próbkę do badań na etapie rotacji próbki abrasora.
3. Zabezpiecz koła ścierne w uchwytach ściernych za pomocą ciężaru 1,000 g, aby obciążyć próbkę do testów.
4. Umieścić neutralizator (miękki jonizator rentgenowski) w odległości 28 cm od środka próbki do badań pod kątem 45°, jak pokazano na rysunku 2, aby zmniejszyć osadzanie się cząstek elektrostatycznych na ściankach komory.
   UWAGA: Neutralizator usuwa siłę elektrostatyczną poprzez naświetlenie wiązki. Ponieważ jednak koła wlotowe i ścierne znajdują się nad stopniem obrotu próbki, ogranicza to dostęp wiązki neutralizującej do powierzchni badanej próbki. Dlatego neutralizator jest umieszczony po przekątnej, aby wiązka mogła dotrzeć do jak największej powierzchni próbki.
5. Dmuchawę zainstalowaną na wylocie z komory należy uruchomić z prędkością 50 l/min.
6. Dostarczyć 25 l/min dodatkowego powietrza do zawieszenia wolnego od cząstek stałych za pomocą sprężarki powietrza przez dodatkowy wlot powietrza.
   UWAGA: Cząstki, które powstają w wyniku ścierania, zostały mocno osadzone na powierzchni próbki i kół ściernych. Dlatego trudno jest zmierzyć ścierane cząstki. Dodatkowy wlot powietrza może pomóc w rozwiązaniu tego problemu z zawiesiną cząstek.
7. Sprawdź stężenie liczby cząstek tła wewnątrz komory, aby osiągnąć średnie stężenie liczby cząstek w ciągu 1 godziny poniżej 1 #/cc przy użyciu CPC, jak opisano na rysunku 4.
8. Uruchom stopień rotacji próbki ścierniwa za pomocą silnika krokowego, który obraca stopień obracania próbki z prędkością 72 obr./min z 1,000 obrotów.
9. Mierz i rejestruj liczbę uwolnionych cząstek, stężenie i rozkład wielkości cząstek za pomocą CPC i OPC.
   UWAGA: Cząstki uwalniane z nanokompozytów są zawieszane i przenoszone przez pompowane powietrze. Te zawieszone cząstki są ostatecznie transportowane do wylotu za strumieniem powietrza. Uwolnione cząstki są następnie wykrywane przez CPC i OPC na wylocie z komory. CPC i OPC są najczęściej używane do pomiaru stężenia liczby cząstek, podczas gdy OPC może również mierzyć rozkład wielkości cząstek.
10. Pobrać próbkę uwolnionych cząstek za pomocą próbnika cząstek zawierających media filtracyjne lub siatkę TEM.
    UWAGA: Cząstki uwalniane z nanokompozytów w wyniku ścierania przemieszczają się do wylotu komory za strumieniem powietrza. Na wylocie z komory uwolnione cząstki mogą być próbkowane za pomocą próbnika cząstek. Uwolnione cząstki zebrane na pożywkach filtracyjnych lub siatce TEM mogą być następnie analizowane za pomocą TEM lub SEM (skaningowa mikroskopia elektronowa).
11. Przerwać pomiar i pobieranie próbek, gdy stężenie liczby cząstek spadnie poniżej 0,1% szczytowego stężenia liczby cząstek.
12. Zapisz wszystkie dane (CPC, OPC) i usuń wszystkie próbki (próbki do badań).
13. Do każdego testu należy użyć nowej próbki i nowych ścierni, a po każdym badaniu należy umyć komorę i ścierniwo chusteczkami kimwipes i IPA (alkoholem izopropylowym), aby potwierdzić powtarzalność.

Results

Powtarzalność testu ścieralności przy użyciu systemu komorowego

Całkowita liczba cząstek była zgodna dla 8 testów ścieralności, jak pokazano w Tabeli 3. CPC mierzył średnio 3,67 x 10⁹ cząstek, podczas gdy OPC liczył średnio 1,98 x 10⁹ cząstek (> 0,3 μm). Odchylenia mieściły się w granicach 20%, co oznaczało konsekwentne uwalnianie cząstek podczas ścierania.

Discussion

Najbardziej krytycznymi etapami podczas przeprowadzania testu nanouwalniania z materiałów nanokompozytowych za pomocą testu ścieralności było: 1) zastosowanie systemu komór wykonanych ze stali nierdzewnej z neutralizatorem w celu usunięcia ładunku elektrostatycznego generowanego przez ścieranie i zmniejszenia osadzania się cząstek na ściankach komory; 2) dostarczanie dodatkowego powietrza w celu zapewnienia lepszej zawiesiny cząstek; oraz 3) pobieranie próbek uwolnionych cząstek i monitorowanie online za pomocą CPC i OPC...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Foamex	Taeyoung, R. z Korei
MWCNT (wielościenne nanorurki węglowe)	Hanwha, Incheon, R. z Korei		2% MWCNT w papierze ściernym z polietylenu o niskiej gęstości
	Derfos, R. z Korei	# 100	papier ścierny o ziarnistości 100
Licznik cząstek kondensacji (CPC)	TSI Inc, widok z brzegu, MN	UCPC 3775
Część optyczna Licznik (OPC)	Grimm, Ainring, Niemcy	1.109
Mini próbnik cząstek	Ecomesure, Saclay, Francja
Quantifoil Holey Carbon Film	TED PELLA Inc. USA	1.2 / 1.3
Uchwyt filtra wykonany			na zamówienie
filtr poliwęglanowy	Millipore, Stany Zjednoczone	Nr kat.
Miękki jonizator rentgenowski (neutralizator)	SUNJE, R. z Korei	SXN-05U
Mikroskop elektronowy ze skaningiem emisji w terenie (FE-SEM)	Hitachi	S-4300