Experimentellt protokoll för att undersöka partikel aerosolbildning av en produkt under nötning och enligt miljö Vittring

Summary

I den här artikeln, att ett experimentellt protokoll undersöka partikel aerosolbildning av en produkt under nötning och enligt miljöväder presenteras. Resultaten på utsläpp av konstruerade nanomaterial, i form av aerosoler presenteras. Den specifika experimentella uppställning beskrivs i detalj.

Introduction

Med en snabb mognad i nanoteknik, dess avancemang drivs av en snabb kommersialisering av produkter som innehåller konstruerade nanomaterial (ENM) med anmärkningsvärda egenskaper. Som beskrivits av Potocnick ^ett i artikel 18 (5) i förordning 1169/2011, utgiven av Europeiska kommissionen, ENM kan definieras som "avsiktligt tillverkat material som innehåller partiklar i fritt tillstånd eller som ett aggregat eller agglomerat och där det under 50% eller mer av partiklarna i antalsstorleksfördelning, är en eller flera yttre dimensioner i storleksintervallet 1 nm till 100 nm ". Dessutom produkter som innehåller ENM, antingen i sin fasta bulk eller på deras fasta ytor eller i sina flytande suspensioner, kan betecknas som nanostrukturerade produkter. Olika typer av ENM med olika formuleringar och funktionalise används i sådana produkter i enlighet med den typ av ansökan och budget. Produkterna kan vara i form av coatings, färg, kakel, hus tegel, concret e osv.

När det gäller forskning är berörda, kan man också finna enormt antal publikationer på innovationer som har gjorts med hjälp av nanoteknik. Trots denna enorma forskning, tilltalande drag av ENM är under sond för potentiell hälso- eller miljöfaror på grund av deras tendens att få ut eller släpps ut i luften i form av aerosoler under användning eller bearbetning av nanostrukturer produkter (t ex Oberdorster et al ^2, Le Bihan et al. ^3. och Houdy et al. ^4). Kulkarni et al. ⁵ definierar en aerosol som suspension av fasta eller flytande partiklar i det gasformiga mediet. Hsu och Chein ⁶ har visat att vid användning eller behandling av en nanostrukturerade produkt, en nanostrukturerade produkt utsätts för olika mekaniska påfrestningar och miljö vittring som underlättar en sådanutsläpp.

Enligt Maynard ^7, vid exponering kan dessa aerosoler av ENM interagera med mänskliga organismen genom inandning eller dermala kontakter och få deponeras i kroppen som därmed kan orsaka olika skadliga effekter, inklusive cancerframkallande sådana. Således är en grundlig förståelse av fenomenet ENM utsläpp av största vikt med tanke på den exempellösa användning av nanostrukturerade produkter, som nämnts av Shatkin et al. ^8. Detta kan inte bara bidra till att undvika oförutsedda hälsorelaterade komplikationer till följd av deras exponering men också att uppmuntra allmänhetens förtroende för nanoteknik.

Ändå har exponeringen relaterade problem nu börjat få uppmärksamhet från forskarvärlden och har nyligen uppmärksammats av olika forskningsenheterna över hela världen (till exempel Hsu och Chein ^6, Göhler et al. ^9, Allén et al. et al. ^11, et al. Al-Kattan ^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). Med tanke på den storskaliga utbyggnaden av nanostrukturerade produkter i den kommersiella marknaden, skulle det effektivaste sättet att ta itu med problemet vara en förebyggande en. I ett sådant tillvägagångssätt är en produkt som är utformad på ett sådant sätt att det är "nanosafe by design" eller "Design för säkrare nanoteknik" (Morose ¹⁹⁾ det vill säga låg emissions. Med andra ord, maximerar det sina fördelar i problemlösning under dess användning samtidigt avger en minimal mängd av aerosoler i miljön.

För att testa nanosäkerhet by design under användningsfasen av en nanostrukturerade produkt, presenterar författarna en lämplig experimentell metodikatt göra det i denna artikel. Denna metodik består av två typer av kontakter: (i) mekaniska och (ii) miljö som syftar till att simulera det verkliga livet tryck som den nanostrukturerade produkt, en murverk tegel, utsätts för under dess användningsfasen.

(I) En linjär nötningsapparat, som simulerar den mekaniska värvning. Dess ursprungliga och kommersiell form, som visas i figur 1A, refereras i flera internationellt erkända teststandarder som ASTM D4060 ^20, ASTM D6037 ²¹ och ASTM D1044 ^22. Enligt al. Golanski et ^23, på grund av dess robusta och användarvänliga design, är dess ursprungliga form redan används i stor utsträckning inom industrin för att analysera produkternas prestanda som färg, beläggning, metall, papper, textil, etc. Stress är tillämpas genom denna anordning motsvarar den typiska ett tillämpas i en inhemsk inställning, till exempel går medskor och förskjutning av olika objekt i ett hushåll (Vorbau et al. ²⁴ och Hassan et al. ^25). I fig 1A, en horisontellt förskjuta list rullas standard abradant i en fram- och återgående rörelse över provytan. Den avnötning sker vid kontaktytan på grund av friktionen vid kontakten. Storleken av avnötning kan varieras genom att variera den normala belastningen (F _N), som verkar på toppen av den abradant. Genom att ändra typen av abradant och normal lastvärde, kan en variera nötnings och därmed den mekaniska påkänningen. Morgeneyer et al. ²⁶ har påpekat att spänningstensorn ska mätas vid nötning består av normala och tangentiella komponenter. Den normala stress är ett direkt resultat av normal belastning, dvs F _N medan den tangentiella stress är resultatet av the tangentiellt agerar friktionsprocessen, mätt som kraft (F _T) och den verkar parallellt eller anti-parallellt med den riktning i vilken nötning äger rum. I den ursprungliga versionen av detta nötningsapparat kan man inte avgöra F _T. Kan därför inte helt och hållet bestämmas rollen för de mekaniska påkänningar under aerosolbildning av ENM. Att utrota denna begränsning, som beskrivs i detalj av al. Morgeneyer et ^26, har vi (a) modifierat den genom att ersätta redan installerat horisontellt stålstång med en replik av aluminium 2024-legering och (b) är monterad en töjningsgivare på ovansidan av detta replikerade aluminiumlegering bar. Detta visas i figur 1B. Denna töjningsgivare har 1,5 mm aktivt rutnät mätlängd och 5,7 mm för att mäta gallerbärare längd. Den är gjord av en konstantanfolie med 3,8 | j, m tjocklek och 1,95 ± 1,5% av gauge-faktor.En korrekt mätning av de mekaniska påfrestningarna säkras genom en dynamisk töjningsgivare förstärkare, som är ansluten i serie till töjningsgivaren, så att en pålitlig mätning av stammen producerat i mätaren. De data som överförs via förstärkaren förvärvas med hjälp av datainsamling programvara.

Figur 1. Nötnings Apparater och töjningsgivare. Den kommersiella standardformulär för Taber nötningsapparat (A) med slit hastighet, varaktighet och slaglängd kontroller. Den ursprungligen monterade stålstång ersattes med en aluminiumskena och vidare utrustad med en töjningsgivare (B) för att mäta den tangentiella kraften (F _T). klicka här för att se en större version av denna siffra.

i Trong> Figur 2 är den fullständiga försöksuppställningen visas där denna modifierade Taber nötningsapparat placeras under överensstämmer en nanosecured arbets post. En partikel fri luft ständigt cirkulerar i detta arbete tjänst vid en flödeshastighet av 31.000 l / min. Den har ett partikelfilter effektivitet 99,99% och har redan använts med framgång av et al. Morgeneyer ²⁷ i olika nanopartiklar "dammbildning tester.

Figur 2. Experimentell Set-up (Shandilya et al. ^31). Ett nanosecured arbete möjlighet att utföra nötningstest och realtid karakterisering (både kvalitativt och quantitavive) av aerosolpartiklar genereras. En liten del av partikeln fri luft passerar genom en slits inuti kammaren utsläpp för att eliminera bakgrunden partiklar nummer koncentration.pload / 53.496 / 53496fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Motorn i nötningsapparat hålls utanför och dess linjärt glidande delen hålls inne i ett egendesignade provutsläppskammare, med måtten 0,5 m x 0,3 m x 0,6 m (detaljer i Le Bihan et al. ^28). Det hjälper till att förhindra nötningsapparat "motorutsläppen från att blanda sig i testresultaten. Provtagningen av aerosolpartiklar som genereras görs i närheten av en radiell symmetrisk huva (volym av 713 cm ^3). Genom att utnyttja en sådan huva, kan aerosolpartiklarna förluster på grund av deras avsättning på ytorna minimeras. Den andra fördelen innefattar ökning av aerosolpartiklar antalet koncentration på grund av en relativt lägre volym av huven i förhållande till utsläppsprovet kammaren. Tack vare denna inrättas, en realtids karakterisering och analys av partikel aerosolbörjar bli genereras under avnötning kan göras experimentellt i förhållande till antal koncentrationer, storleksfördelningar, elementära kompositioner och former. Enligt Kulkarni et al. ^5, antalet koncentrationen av ENM aerosoler partiklar kan definieras som "antalet ENM närvarande i enheten kubikcentimeter luft". På samma sätt är storleksfördelningen av ENM aerosoler "förhållandet uttrycker mängden av en ENM egendom (vanligtvis nummer och masskoncentrationer) i samband med partiklar i ett givet storleksintervall".

En partikelräknare (mätbar storleksintervall: 4 nm till 3 mikrometer) mäter aerosolpartiklar antalet koncentration (PNC). Partikel sizers (mätbar storlekar: 15 nm - 20 nm) mäta partikelstorleksfördelningen (PSD). En aerosolpartiklar sampler (beskrivs i detalj av R'mili et al.

(ii) Miljö värvning kan simuleras genom accelererad artificiell väder i en väderkammare, som visas i figur 3. Som framgår av Shandilya et al. ^31, vittring villkor kan hållas i enlighet med de internationella standarderna eller anpassas beroende på typ av simulering. UV-exponering tillhandahålls via xenonlampa (300-400 nm) installeras med en optisk strålning filter. Verkan av regn simuleras genom att spraya avjoniserat och renat vatten på dem. En reservoar placeras under testproverna för att samla upp avrinningsvatten. Det uppsamlade vattnet eller lakvatten kan användas senare för att utföra ENM urlakningsanalysen.

Figur 3. Vittring avdelningen. Den kommersiella formen av Suntest XLS + vittring kammare innehåller en rostfri huva inuti vilken nanocoated proverna är placerade. Vattenbehållaren är placerad under huven som är källan till det vatten som skall sprutas in i huven. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

OBS: Den teknik som presenteras i protokollet här är inte bara begränsat till de presenterade testprover, men kan användas för andra prover också.

1. artificiell väder [CEREGE Platform, Aix en Provence]

1. Ta ett 250 ml prov av det avjoniserade och renat vatten som skall sprutas i en bägare. Doppa spetsen på vatten konduktivitetsmätaren i vattnet. Notera vattnet ledningsförmåga. Upprepa processen och notera vattnet ledningsförmåga varje gång.
   OBS: Enligt ISO 16474 ^32, bör det aldrig bli högre än 5 iS / cm.
2. Efter mätning av konduktiviteten, anslut vattenkälla till reservoaren av vittring kammar närvarande under huven av rostfritt stål (se figur 3).
3. Anslut överströmningsutloppet på baksidan av kammaren till en dräneringsöppning genom en slang.
4. Placera nanocoating prov till väder i rostfritt stål huva och stänga dörren. att ENABle en statistisk utvärdering av resultaten, använda ett minimum av tre identiska nanocoating och referensprover.
5. På den digitala konsolen, finns på framsidan av väderkammaren väljer en 2 tim cykel bestående av 120 minuter av UV-ljus, 102 min torr och 18 min vattendimma.
6. Ange antal cykler är lika med 2658, vilket motsvarar 7 månader.
7. Välja irradiansen nivån hos xenonbåglampa lika med 60 ± 5 W / m ^2.
8. Ställ den omgivande temperaturen vid 38 ° C.
9. Starta vädertestet genom att trycka på startknapp på konsolen.

2. Slit och ENM Aerosoler Characterization [INERIS S-NANO Platform, Verneuil]

OBS: Innan du använder, före kontrollera partikel aerosol kännetecknar instrument på en kalibreringsbänk av INERIS S-NANO plattform som består av separata och redan installerade referens motparter. Genom att följa ett specifikt protokoll, se till att instrumenten fungerar propska.

1. Montera alla enheter och instrument som visas i den experimentella uppställningen och gör nödvändiga anslutningar som visas i figur 2 (information om enheterna och inrätta instrument finns i Shandilya et al. ^33).
2. Slå på cirkulationen av partikelfri luft inuti nanosecured workpost genom att trycka på FLUX ON-knappen.
3. Göra denna partikelfri luft att passera genom provkammaren utsläpps genom öppning av kammaren och att hålla den öppna inuti nanosecured arbete inlägget.
4. För att ställa in experimentet ansluter partikelräknare direkt till testutsläppskammaren för att mäta den momentana antalet koncentrationen av partiklarna i kammaren. Observera koncentrationsvärde direkt på visningsräknaren.
5. Medan partikeln fri luft passerar genom kammaren, att fortsätta att övervaka denna momentana antal koncentrationsvärdet tills den sjunker till noll. På detta sätt, se till attkammare är fri från bakgrunds partikel.
6. Under tiden bryter kanten av standarden cylindriskt formade abradant genom att försiktigt vrida dess en ände i en fram- och återgående rörelse inuti slitsen av ett verktyg försett med nötningsapparat.
7. Med hjälp av en digital balans med en mätprecision på minst 0,001 g, väger abradant och prov som skall slipas.
8. När detta är gjort, fixa avfasade abradant till den vertikala axeln av nötningsapparat genom en chuck närvarande vid dess botten.
9. Placera nanostrukturerade produkt som skall slipas försiktigt under den fasta abradant och fixera sin position på monteringssystemet.
10. Öppna aerosol provtagaren och genom att använda en pincett, placera en kopparnät galler i spåret med sin ljusare sidan uppåt. Sätt en cirkulär ring över nätet för att fixa det.
11. Stäng provtagaren och anslut den till en pump via ett filter i ena änden (dvs mot mörkare sida av nätet) och partikelkälla på other ände (dvs mot ljusare sidan av nätet). Montera erforderlig normal belastning på den vertikala axeln med hjälp av de döda vikter.
12. Genom partikelräknare, kontrollera om bakgrundspartiklar koncentrationen inuti den öppna kammaren har sjunkit till noll. Om inte, vänta på det. Om ja, stänger dörren till utsläppsprovet kammaren.
13. Via de digitala konsoler på instrumenten, manuellt flödeshastigheter partikelräknare och sizers enligt följande: CPC- 1,5 l / min; SMPS- 0,3 l / min; APS- 5 l / min
14. Ställ in totalprovtagning tiden på 20 minuter för alla dessa tre instrument. Ställ in nötnings hastighet och längd som är lika med 10 min och 60 cykler per minut respektive i nötningsapparat.
15. Anslut töjningsmätaren till den dynamiska töjningsmätaren förstärkare. Anslut den dynamiska töjningsmätaren förstärkare till datorn som skall användas för datainsamling med hjälp av programvara installerad i den.
16. Öppna programmet.
17. Klicka på NYTT DAQ projektet openna en ny datainsamling fil.
18. Stoppa alternativet för levande datainsamling genom att klicka på Live Update
19. Klicka 0 UTFÖR att fastställa referenssignalvärdet är lika med noll.
20. Slå tillbaka på live datainsamling genom att klicka på Live Update.
21. Klicka visualisering för att välja realtid grafiskt läge av datarepresentation.
22. Klicka Ny för att öppna mallarna.
23. Välj alternativet SCOPE PANEL, till exempel.
24. Starta datainsamling i partikelräknare och sizers på en gång.
25. Efter en fördröjning på ca. 5 min, startar nötning.
26. Klicka på START i fönstret datainsamling programvara för att förvärva töjningsgivaren signaler som motsvarar den pågående nötning.
27. Efter två minuter, slå på pumpen är ansluten till MPS.
28. Håll pump igång för 2-4 min beroende på mängden utsläpp av aerosolpartiklar. OBS: Antalet aerosolpartiklar samplade användning av MPS bör vara optimalt antal dvsvarken för knappa eller för överskott som skulle kunna förhindra en grundlig mikroskopisk analys.
29. När nötning stannar, stäng av datainsamling genom att klicka på STOP.
30. Spara de förvärvade data genom att klicka på Spara data nu.
31. Efter disken och sizers stoppa insamling av data, öppna testet utsläppskammaren och väger igen abradant och slipas nanostrukturerade produkt.
32. Fortsätta hela processen för varje nötningsprovningen.
33. När nötningstest, återigen kontrollera tre partikel aerosol kännetecknar instrument på kalibrerings bänk INERIS S-NANO-plattformen.

3. TEM-analys av vätskan Suspensions- Drop Deposition Technique [INERIS Kalibrering Platform, Verneuil]

1. Bered en 1% volym utspädd vattenlösning av den flytande suspensionen (dvs den "färg") genom att tillsätta en del av beläggningssuspension i 99 delar den filtrerade och avjoniserat vatten.
2. Öppna vikenr hos glimurladdningen maskinen
3. Ange följande driftsförhållanden: 0,1 mbar, 45 mA, 3 min varaktighet.
4. För att göra en TEM kopparnät grid hydrofil genom sin plasmabehandling, satte den på metallstativ. Stäng luckan och starta motorn. Efter tre minuter stannar den automatiskt.
5. Ta ut den hydrofila vände mesh grid med hjälp av en pincett. Placera den försiktigt med ljusare sidan uppåt. Deponera en droppe av den utspädda lösningen (8 | il ung.) På den hydrofila mesh grid användning av en spruta.
6. Torka nätgaller i en sluten kammare, så att vattenhalten blir avdunstat och de ingående partiklarna vara deponerade på nätet. Se till att mesh grid inte får tas ut med herrelösa partiklar som lätt kan identifieras som cirkulära eller strängformer som är karaktäristiska för olja eller sotpartiklar.
7. När redo, sätta nätet i TEM sonden och utföra mikroskopisk analys. [elektronaccelerationsspänning 120 kV, jfr 31.
8. Om nätet verkar vara för lastad med partiklar för att analysera, sänka utspädningsprocenten och volymen av den deponerade droppe. Den maximala volymen en operatör kan sätta är ungefär lika med 12 l.

Representative Results

Testprover
Protokollen som presenteras i artikeln applicerades på tre olika kommersiella nanostrukturerade produkter. Fokus läggs här på detaljerna i den experimentella strategi:
(a) aluminosilikat tegel förstärkt med TiO ₂ nanopartiklar, (11 cm x 5 cm x 2 cm). Den finner sin frekventa användning i konstruktion av fasader, husväggar, väggplattor, trottoarer etc. Dess materialegenskaper tillsammans med en svepelektronmikroskopbild visas i Tabell 1 och Figur respektive 4.

Figur 4. SEM-bild av de nanostrukturerade aluminiumsilikat Brick (Shandilya et al. ^33). En grov yta med mikrostorlek lådor eller yta skrovligheter kan observeras i bilden. Dessa ytan skrovligheter samverkar med abradant under nötning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Egenskaper	Värde
Sammansättning	Al, Si, Ca, Ti
rms grovhet	7 | j, m
Genomsnittlig primärpartikelstorlek av TiO 2	<20 nm
Elasticitetsmodul	20 Gpa (ung.)
Poissons tal	0,2
Vickers-hårdhet	800 (ung.)

Tabell 1: Materialegenskaper hos den nanostrukturerade aluminosilikat Brick.

(B) Photocatalytic nanocoatings bestående av anatas titandioxid nanopartiklar med en PMMA och alkoholbasen som dispergeringsmedel respektive. Den transmissionselektronmikroskop (TEM) analys av de två nanocoatings, som visas i fig 5 (A) och (B), visar genomsnittlig TiO ₂ partikelstorleken är 8 ± 4 nm i det förra fallet, medan 25 ± 17 nm i den senare. Även två distinkta faser bidrar med dispergeringsmedel (i grå färg) och införlivas TiO ₂ nanopartiklar (i tonhöjd svart färg) kan också förekomma. Volym procentsatser av nanopartiklar av titandioxid i de två nanocoatings är desamma och lika med 1,1%. Energiröntgenanalys (EDX) av grundämnessammansättningen av de två nanocoatings, uppnåddes efter protokollet för droppavsättningsteknik, visar liknande observationer dvs C (60 till 65% i massan), O (15 till 20 % i massan) och Ti (10 till 15% i massa). Det bör noteras att både nanocoatings enre tillverkats speciellt för tillämpningar på yttre ytor av byggnaderna som i allmänhet porösa som tegel, betong, etc. Därför substratet som valts för nanocoating ansökan var en kommersiell vanlig murverk tegel (11 cm x 5 cm x 5 cm).

Figur 5. TEM Bild av Nanopartiklar närvarande i Nanocoatings med (A) PMMA och (B) alkoholbasen som dispergeringsmedel Respektive (Shandilya et al. ^33). Bortsett från de olika ingående nanopartiklar storleken på de två nanocoatings, deras individuella morfologier är också olika dvs moln liknande struktur för fd medan strandsatta i den senare. klicka här för att se en större versionav denna siffra.

(c) Transparent glasyr tillsats bestående av nanopartiklar VD ₂ med en primär storlek av 10 nm. Den dispergeras i glasyr med 1,3% volymprocent. En sådan glasyr tillämpas allmänt på externt liggande målade träytor att ge skydd mot deras eventuella missfärgning och vittring med tiden. I figurerna 6A och B, TEM image och elementarsammansättningsanalys av ett prov droppe visas respektive.

Figur 6:. TEM Bild- och grundämnessammansättningen analys av ett prov Drop TEM bild (A) och elementarsammansättningsanalys (B) i en provdroppe visas Klicka här för att se en störreversion av denna siffra.

Utsläpp från de nanostrukturerade Brick
Utvecklingen av den totala slitna massa nanostrukturerade tegel (M _t) under nötning visas med avseende på F _N i figur 7. För varje värde F _N har nötningsprovningen upprepats tre gånger. Denna utveckling tycks följa en linjär bana upp till F _N = 10,5 N varefter den oväntat ökar för högre belastningar. Standardavvikelsen, mätt i värdet av den slitna massa, sträcker sig från 0 till 0,023 g. Det slitna massan av abradant under varje nötningsprovningen var mindre än 2% av den hos den tegel, därför försumbar.

>
Figur 7. Använd massa som en funktion av normal belastning. Den totala slitna massa tegel ökar monotont under dess nötning med ständigt ökande normal belastning (et al. Shandilya ³³⁾ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

I figur 8 är den unimodala PSD av aerosolpartiklar som avges visas för olika värden på F _N. För varje värde har nötningsprovningen upprepats tre gånger. Med ett ökande F _N är läget för PSD också ökar. Men utöver 10,5 N, antalet koncentrationstoppen eller den maximala partikelkoncentrationen förblir stillastående på ~ 645 cm ^-3.

tp_upload / 53.496 / 53496fig8.jpg "/>
Figur 8. Aerosolpartiklar storlek som en funktion av normal belastning. Den modal storlek partikelstorleksfördelningen (PSD) kurvor de utsända aerosolpartiklar ökar med normal last (Shandilya et al. ³³⁾ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

I figur 9A, är utvecklingen av den totala PNC visas med avseende på F _N. För de partiklar som har storlekar i intervallet från 20 till 500 nm, verkar det för att öka upp till 10,5 N varefter den börjar att minska. För 0,5-20 um storleksintervall, ökar kontinuerligt. Det verkar dock att närma sig ett konstant värde utöver 10,5 N. Men beteendet hos totala PNC med avseende på den ökande F _T som visas i figur 9B är annorlunda eftersom det ökar monotont. En liknande observation kan observeras för PSD lägen också.

Figur 9. Avgiven aerosolpartiklar. (A) Totalt emitteras aerosolpartiklar nummer koncentration (PNC) av aerosolpartiklar som en funktion av normal belastning (Shandilya et al. ³⁴⁾ (B) Totalt PNC och PSD läge som en funktion av tangentiell belastning klicka här för att se en större version av denna siffra.

För TEM-analys av aerosolpartiklar samplade som samlades in på en mesh grid under nötning på 4 olika värden på F _N, storlekarna 50 difaerosolpartiklar ka mättes för varje galler, och deras medelstorlekar bestämdes i varje enskilt fall. Tabell 2 visar de genomsnittliga värdena. En tydlig ökning av den genomsnittliga storleken hos aerosolpartiklarna samplade kan ses med ökande F _N.

Normal belastning (N)	Genomsnittlig aerosol partikelstorlek (| im)
6	0,2 ± 0,1
9	0,9 ± 0,3
10,5	3 ± 0,7
13	5 ± 0,6

Tabell 2: Genomsnittlig Aerosol partikelstorlek av den samplade Aerosolpartiklar vid olika värden på F _N.

Utsläpp från den fotokatalytiska Nanocoatings
För att testa utsläpp av aerosolpartiklar från de fotokatalytiska nanocoatings, var nötningstester av deras vittrade och icke-vittrade testprov gjort. Resultaten som hänför sig till deras icke-vittrade prover presenteras först. PNC kurvor erhålls när de 4 skiktade nanocoatings 'testprover nöttes under ett normal belastning av 6 N visas i figurerna 10A. Testet upprepades tre gånger under samma förhållanden,. För obestruket referens, var upprepning gjordes på samma tegel. I figuren 10A börjar nötning vid t = 240 sekunder och slutar vid t = 840 sek. Före och efter detta tidsintervall (t = 0 till 240 sek), är systemet i viloläge. Den nanocoating med alkoholbasen verkar ge någon skillnad på PNC när den jämförs med den obelagda referens. De två har nästan samma PNC nivåer. Eftersom nanocoating förmodligen blir gnidas helt withoUT ger något motstånd, PNC uppnår sitt maximala värde (≈ 200 cm ^{- 3)} strax efter nötning startar. Standardavvikelsen varierar från 5 till 16 cm ^{- 3.} För nanocoating med PMMA, är PNC initialt låga (≈ 14 cm ^{- 3)} på grund av en sannolik resistans nanocoating mot nötning. Men fortsätter detta motstånd upp till en viss punkt (t = 624 sek) varefter den kan börja få gnidas. Som ett resultat, börjar PNC ökar gradvis. Den uppnår samma värde som för den andra nanocoating eller referens mot slutet av den nötning. Standardavvikelsen i de värden som uppmätts för nanocoating med PMMA varierar från 0,7 till 27 cm ^{- 3.}

Figur 10. Effekt av Nanocoating typer på aerosolpartiklar Generation från Nanocoatings. (A) PNC variation med tiden (B) PSD av aerosolpartiklar som släpps ut under nötning av 4 lager av nanocoating enligt 6 N av normal belastning (notera: alla kurvor är medelkurvor erhållna från 3 upprepade tester) (Shandilya et al. ³³⁾ klicka här för att se en större version av denna siffra.

I Figur 10B, är PSD hos aerosolpartiklarna som avges visas. Den nanocoating med alkoholbasen verkar inte ha någon effekt på PSD antingen förutom förskjutning av storleken aktiveras mot mindre partikelstorlekar (154 ± 10 nm). Standardavvikelsen i PSD mätt i detta fall ändras från 0,2 till 16 cm ^{- 3.} Den nanocoating med PMMA tappar betydligt toppen av PSD kurva med en faktor på ~ 30 gör partikel emissionen obetydliga. Standardavvikelsen mätt här är 8 cm ^{- 3} max.

I figur 11A, effekten av att öka F _N har visat på en fyra lager nanocoating med PMMA. Nötning börjar vid t = 240 sekunder och slutar vid t = 840 sek. För en tydlig bild av PNC, mellan t = 240 sek och t = 480 sekunder, en inzoomad vy i figur 11A1 visas också. PNC ökar med normal belastning. Samma mönster fortsätter i figur 11B för en fyra lager nanocoating med alkoholbasen också. Medan mätning av PSD för nanocoating med PMMA, PSD visade mycket låga koncentrationer som var ens i närheten av sina trösklar partikeldetekterings. Därför var de två partikel sizers som inte är anställda ytterligare. Men för nanocoating med alkoholisk bas, fanns det inga sådana problem. PSD i detta fall visas iFigur 11C. Tre unimodala distributioner med ökande storlekslägen (dvs 154 nm till 274 nm till 365 nm) och ökad koncentrationstoppar kan ses för att öka normal belastning.

Figur 11. Effekt av normal last på aerosolpartiklar Generation från Nanocoatings (A) PNC variation med tiden för 4 skikt av nanocoating med PMMA och (B) alkoholbasen. (. Shandilya et al ^33):; (a1) zoomas vy (C) PSD av aerosolpartiklar som släpps ut under nötning av 4 lager av nanocoating med alkoholbasen (notera alla kurvor är medelkurvor erhållna från 3 upprepade tester) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figuren 12 visar denna effekt där två prover, med 2 och 4 lager av nanocoating med PMMA, testas för F _N = 6 N. nötning börjar vid t = 240 sekunder och slutar vid t = 840 sek. PNC är alltid lägre när 4 lager av den nanocoating: ^- är avskavda jämfört med de 2 lager (std avvikelse 2 till 27 cm ^3.) (Std avvikelse:. 13 till 37 cm ^{- 3)} eller en obelagd referens. Båda uppsättningarna av lagren verkar för att ge motstånd mot nötning. Men i fallet med nanocoating med alkoholbasen, både 2 och 4 lager har liknande PNC.

Figur 12. Effekt av Antal beläggningsskikt på aerosolpartiklar Generation från nano-beläggningar. PNC variation med time för 2 och 4 skikt av nanocoating med PMMA (notera: alla kurvor är medelkurvor erhållna från 3 upprepade tester) (. Shandilya et al ³³⁾ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

SEM observationer av fyra lager nanocoating med PMMA gjordes också i slutet av nötning. Figuren 13 visar observation. En nötta belagda ytan (märkt A) hade en genomsnittlig Ti-halt på ~ 12% (i vikt). För det avskavda delen (märkt B), sänker den genomsnittliga Ti-halten ned till ~ 0% (i massa), vilket således, helt exponera tegelytan.

Figur 13. Mikroskopisk analys av de Nanocoated Ytor. SEM-bild och EDX-analys av det belagda ettnd slipas delar av nanocoating med PMMA; del (A): nötta belagda ytan; del (B): slipas (et al. Shandilya ³³⁾ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Därför har en fyra lager nanocating med PMMA utfört anmärkningsvärt väl jämfört med dess två skikt motsvarighet eller andra nanocoating, inklusive dess både 2 och 4 lager av nanocoating. Med tanke på denna observation, var några 4 skiktade prov av den nanocoating med PMMA också utsätts för artificiell accelererad väder innan de nötning. I figurerna 14A-E, kan man se en försämrande effekt av vittring. En kontinuerlig och integrerad form av nonweathered nanocoating kan observeras i figur 14A. En progressiv försämring av nanocoating v ia sprickbildning kan sedan observeras i de successiva siffror dvs figurerna 14B, C, D och E. Tvärtom visar en obelagd referens inga sådana effekter. Tork stress på grund av vattenhalten avdunstning och gradvis försprödning av det polymera bindemedlet närvarande i nanocoating under dess interaktion med UV-strålar resultat i en sådan försämring (vit ^35, Murray ^36, Dufresne et al. ^37, Hare ³⁸ Tirumkudulu och Russel ³⁹⁾ . EDS-analys av den vittrade nanocoating via elementärt mappning mellan Ti (bidrar med nancoating) och Ca (bidrar med tegel) visas i fig 14F-J. I figuren, kan observeras en nästan stillastående Ti-halt på ytan (medelvärde ~16.1%) med en ökande Ca-halt och följaktligen den exponerade ytan. En av de stora konsekvenserna av detta resultat kan vara krympning av nanocoating med vittring.

INNEHÅLL ">
Figur 14. Mikroskopisk analys av Gradvis försämras Nanocoating (et al. Shandilya ^31). Är Försämringen via uppkomsten av sprickor på ytan som fördjupar upp med tiden Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kvantifiering av TiO ₂ nanopartiklar utsläpp i vattnet utfördes vid intervall på 2, 4, 6 och 7 månader vittring. För detta 100 ml prov av lakvatten togs från det uppsamlade avrinning vatten och analyseras med hjälp av en induktivt kopplad plasma-masspektrometri (ICP-MS). Tabell 3 visar ICP-MS: s driftsförhållanden. Vi fann att Ti befanns vara alltid under tröskeldetekteringsvärdet (= 0,5 | ig / l) iprowolymen. Denna observation leder till slutsatsen att trots försämringen genom vittring, det nanocoating fortfarande starkt bundet till motstå deras läckage i avrinningsvatten.

prov~~POS=TRUNC volym~~POS=HEADCOMP	2 ml
RF-effekt	1550 W
RF-Matching	1,78 V
bärargas	0,85 l / min
makeup gas	0,2 l / min
nebulisator	mikrodimma
nebulisator pump	0,1 r / s
S / C temperatur	15 ° C
Han flödeshastighet	5 ml / min
H 2 flödeshastighet	2 ml / min
integrationstiden	0,1 s
Kammaren & Ficklampa	Kvarts
Kon	Ni

Tabell 3: Driftförhållanden för ICP-MS.

Vittring följdes av nötning. Figurerna 15A och B visar resultaten av TEM-analys av aerosolpartiklar samplade, under de första 2 min av nötning av de 4 och 7 månader ridit nanocoating på samma villkor för provtagning. En kvalitativt högre avsättning av aerosolpartiklar på de mesh galler kan observeras i fallet med sistnämnda. De polydispers aerosolpartiklar kan observeras vid högre förstoring. Även om vi inte kunde kvantifiera, men en betydande mängd fria nanopartiklar av TiO2 (dvs Ti massa> 90%) observerades när 7 månader vittrade nanocoating skavdes (Figur 15C och D). Konfidensintervall är små till de uppmätta kvantiteternaoch därmed försummas i diagrammen. Detta resultat skiljer sig från resultaten av icke-vittrade nanocoatings och diverse andra studier som et al. Shandilya ^15, Golanski ²³ Göhler et al. ^29, Shandilya et al. ³³ et al.. Därför är det av mer speciellt intresse. I tidigare erhållna resultat för icke-vittrade nanocoatings och andra nämnda studier, en stor del av de emitterade aerosoler bestående av nanomaterial i matrisen bundna tillstånd och inte i fritt tillstånd.

Figur 15. Mikroskopisk Analys av aerosolpartiklar. TEM bild av aerosolpartiklar som avges från nötning av (A) 4 månader och (B) 7 månader vittrad nanocoating (C, D) fria nanopartiklar som avges från nötning av 7 månader vittrade nanocoating et al. ³¹⁾ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

I figuren 15E, variationerna i procentandelar av de tre elements- C, är Ti och Ca visas när väder varaktighet når 7 månader från 4 månader. En tydlig effekt av polymer försprödning kan observeras med en droppe i C-halt från 56% till 12%. Denna minskning innebär direkt reduktion i närvaro av matrisen runt aerosolpartiklarna som avges. En ökning från 7% till 55% i Ti-halten innebär en ökning av Ti-koncentrationen i aerosolpartiklar utsända. Den exponerade ytan av den underliggande tegel, efter 7 månader av väderpåverkan, ger vissa aerosolpartiklar ocksåvid nötning. Som ett resultat är vissa aerosolpartiklar från tegel observeras även efter 7 månaders väderpåverkan. Därför har vittring varaktighet en direkt inverkan på storleken och den kemiska sammansättningen av aerosolpartiklar.

Figur 16. PNC och PSD som en funktion av Abrasion Varaktighet: PNC och PSD under nötning av vittrad referens och nanocoating. Nötningen sker för t = 120-720 sek i paneler (A) och (B). (Shandilya et al. ³¹⁾ Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figurerna 16A-D visar de resultat på PNC och PSD hos aerosolpartiklarna samplade inom volymen av sampling huva. I figurerna 16A och B, med början vid t = 120 sekunder och fortsätter tills t = 720 sekunder, den nötning av obelagda referens gav en konstant och vittring varaktighet oberoende PNC (~ 500 cm ^{- 3,} standardavvikelse 5 - 16 cm ^{- 3;} upprepas tre gånger). Därför har artificiell väder ingen uppenbar effekt på utsända aerosolpartiklar från den obelagda referens. Men i fallet med nanoacoating, kan observeras en tydlig effekt av vittring varaktighet som de PNC ökar med vittring varaktighet. Med undantag för 6 och 7 månader, är den typ av dess variation med tiden också slående lik dvs, initialt uppstigning, följt av stagnation, då uppstigning igen, och den slutliga stagnation. För 6 och 7 månader, det finns en omedelbar bula i koncentrationen så snart nötning startar. Denna inledande stöt i koncentration är ännu högre än den hos referensen. However, efter t = 360 sekunder, tenderar det att komma tillbaka till referensnivån. Denna skillnad i nanocoating beteende med avseende på nötning kan förklaras på basis av dess avlägsnande mekanismen under nötning. Fram till 4 månader av väder är nanocoating tros vara stark nog att stå emot sin nötning. Som ett resultat, det blir slitna långsamt och därmed ökar antalet koncentration av de emitterade aerosoler långsamt. Men efter 6 och 7 månader efter vittring, är nanocoating knölig (som redan sett i figuren 14E) som möjligen löst fäst vid tegel yta. Som ett resultat, så snart som den nötning startar, få dessa nanocoating klumpar uprooted lätt som visar en bula i antalet koncentrationen hos aerosolpartiklarna som avges. PSD av de emitterade aerosolpartiklar för referens (Figur 16C) visar ingen uppenbar effekt av vittring (läget växlar mellan 250 och 350 nm, PNC ≈ 375 cm 3; standardavvikelse 0,2 - 8 cm ^{- 3).} I figur 16D, är partikelstorleksfördelningen visas för nanocoating som motsvarar den första fasen under vilken PNC är stillastående. Denna siffra visar inte någon kurva för 6 och 7 månader vittring eftersom det inte finns någon första stillastående fas för dem. Som man kan se klart, det finns en ökning av storleken läge samt maximal PNC.

Utsläpp från Glaze
I motsats till aerosolpartiklar utsläpps observationer i fråga om de förstärkta tegel och fotokatalytiska nanocoatings, de två lagren av glasyr befunnits vara icke-emitterande under nötning när F _N = 6 N. Antalet koncentrationen av aerosolpartiklar avges, erhålles med hjälp av partikelräknare, var alltid visat sig vara mindre än 1 cm ^-3, därav insignificant.

Discussion

I denna artikel är en experimentell undersökning av nanosäkerhet by design av kommersiella nanostrukturerade produkter presenteras. Den nanosäkerhet by design av någon produkt kan studeras i termer av dess PNC och PSD när den utsätts för mekaniska påfrestningar och miljöväderpåverkan. De produkter som valts för studien är aluminiumsilikat tegel förstärkt med TiO ₂ nanopartiklar, glasyr med VD ₂ nanopartiklar och fotokatalytiska nanocoatings med TiO ₂ nanopartiklar. Dessa produkter är lätt tillgängliga för kunderna på den kommersiella marknaden och väl i samband med deras dagliga liv. Därför är avgörande sin undersökning mot sin nanosäkerhet by design.

artificiell väder
Variation i nedbrytnings observationer kan förväntas när olika driftsförhållanden används. Dessutom / xenonlampa är den spektrala effektfördelningen av ljuset från fluorescerande UV teckenificantly skiljer sig från den som produceras i ljusa och vatten exponering enheter med andra ljuskällor. Typen och graden av nedbrytning och prestanda ranking som produceras i exponeringar mot UV-lampor kan vara mycket annorlunda från de som produceras av exponering för andra typer av laboratorie ljuskällor. De vittring Testresultaten beror också på den vård som vidtas för att driva väderkammaren. Därför, de faktorer som regleringen av linjespänningen, temperaturen i det rum där anordningen fungerar, temperaturkontroll, och tillstånd och ålder av lamporna gör också spela en viktig roll i utförandet av vittring kammaren. Under provningen, kan irradiansen ändras på grund av åldring av UV-lampan. En vanlig lampa har en genomsnittlig livslängd på ≈1,400 timmar. Därför innan väderbeständighetstestet, bör man försäkra sig om antalet timmar kvar för lampan att köra. Förekomsten av metalljoner i vattnet som ska sprutas in i väderkammare som ökar dess conproduktiviteten är också en viktig aspekt att ta hand om. Om vattnet ledningsförmåga överskrider den godtagbara nivån, kan den lämna spår av de upplösta metallerna på den vittrade yta. I sådana fall är en mer nedbruten yta erhålls än förväntat. Fördelningen av irradiansen från UV-lampan är ibland inte likformig över hela stöd av rostfritt stål, över vilket de nanocoating proven placeras. I ett sådant fall, bör försiktighet iakttas under placeringen av nanocoating prover så att en individuell variation i irradiansen nivå på ytan av varje prov inte överstiger ± 2 W / m ^2. Att tillåta reproducerbarheten hos de vittrings resultat måste åtminstone tre replikat av varje material som skall exponeras.

Nötning och ENM Aerosoler Karakterisering
Partiklarna Antalet koncentrationen varierar med placeringen av provtagningspunkten för aerosolpartiklar inuti provutsläppskammaren som koncentrationen ärinte enhetlig i hela kammaren. I den aktuella studien har provtagningspunkten hållits nära ytan slipas. Detta gör det möjligt att minimera spridningen och sedimenteringsförluster av aerosolpartiklar som de samplas så snart de får genereras från nötning. Flödeshastigheten för partikeln fri luft är också kritisk, eftersom det bör vara tillräckligt hög för att reducera bakgrunds partiklarna för att deras minimikoncentration, så att de inte interfererar med den karakterisering av de nötnings genererade partiklar. Under nötning, tillåter kanten avfasad abradant nötningen vara enhetliga inuti sin kontaktyta med det nanostrukturerade produkten. Om kanterna inte är avfasade på rätt sätt, kan de lossna kontaktytan också. Under arbetet med de nanostrukturerade produkter, är en operatör mycket mottagliga för hans / hennes exponering för de emitterade nanopartiklar. Hence, någon form av manipulering av de nanostrukturerade produkter, inklusive nötning, måste utföras inuti ensluten överensstämmelse som kan hindra någon nanopartiklar att passera.

TEM-analys av den flytande suspensionen
Den hydrofila naturen hos koppar mesh grid är av yttersta vikt, medan avsättning som vattenhaltig bas droppe. Det stabiliserar droppe på nätet yta samt minskar behovet av ytan förvätning verksamhet. Torkningen av den laddade gallret inuti den slutna kammaren är också avgörande för att undvika dess förorening med omgivningssmutspartiklar eftersom de kan störa TEM-analys.

Standarden nötningsapparat har modifierats genom att ersätta den redan installerat horisontellt stålstång med en replik av aluminium 2024-legering och monterings en töjningsgivare på ovansidan av detta replikerade aluminiumlegering bar. Denna ändring gör det möjligt att veta den fullständiga mekaniska spänningstillstånd under nötning och därmed bättre kontroll av processen, vilket inte var möjligt tidigare. För microscopic analys av aerosolpartiklar, en ny kollektion partikelteknik baserad på filtrering genom TEM-dedikerad bärare, nämligen TEM porösa galler har använts i denna studie genom en filterhållare som har utvecklats speciellt för denna applikation.

artificiell väder
Förmågan hos en beläggning att motstå försämring av dess fysikaliska egenskaper orsakade av exponering för ljus, värme, och vatten kan vara mycket betydande för många tillämpningar. Den typ av exponeringen som presenteras i denna artikel är begränsad och kan inte simulera försämring som orsakas av lokala väderfenomen såsom luftföroreningar, biologisk attack, eller saltvatten exponering.

Nötning och ENM Aerosoler Karakterisering
En viktig begränsning av protokollet presenteras för ENM aerosoler karakterisering är att en del av dessa ENM aerosoler vilse innan de kan karakteriseras för sin storlek ochNummer. En sådan förlust kan hänföras till olika fenomen i samband med aerosol dynamik som sedimentation, diffusion, turbulens i luftströmmen, tröghetsavsättning etc. som verkar på en aerosolpartikel samtidigt så snart det blir avges. Denna förlust är en direkt funktion av aerosolen partikelstorleken. Denna aspekt har beaktats i vissa tidigare publikationer som et al. Shandilya ³¹ et al. Shandilya ^33, Shandilya et al. ^34. Emellertid har övervägande strategi varit reaktiva i dessa studier dvs var beräkningar som gjorts till ungefär uppskatta förlusten och de slutliga experimentella resultat ändrades på grundval av beräkningsresultaten.

TEM-analys av den flytande suspensionen
Tekniken presenteras här för TEM-analys av en utspädd samplad vätskesuspension tvingar de suspenderade partiklarna att vidhäfta till ytan av gallret genom indunstningden totala vattenhalten. Detta kan tillåta bildandet av större aggregat på nätet som inte är närvarande i den ursprungliga vätskesuspensionen. Följaktligen kan denna teknik inte helt representerar morfologin hos de suspenderade partiklarna i de ursprungliga villkoren.

Tekniken som presenteras här syftar till att kontrollera de parametrar som spelar en nyckelroll i partiklar aerosolbildning, vare sig det är under mekanisk eller miljö åldrande. Dessutom fokuserar på att hitta en väder varaktighet tröskel över vilken den valda nanocoating har överskridit sin nanosafe livstid. (I detta fall är det 4 månaders accelererad väderpåverkan.) Detta sker genom en kontinuerlig övervakning av process nanocoating tillstånd som tillät oss att notera den exakta längden där nanocoating började försämras. Detta är den funktion som skiljer den från tidigare vetenskapliga studier som de behandlar begreppet miljö vittring genom att applicera den på enprov under en förutbestämd varaktighet med ingen på processövervakning av den pågående vittring. Det tillvägagångssätt som valts i studien presenteras här möjliggör kvantitativt jämföra experimentellt uppmätta trösklar nanosäkerhet (dvs. nanosafe livslängder) av olika -but similar- nano ⁴² (under liknande accelererade livsvillkor). Det är alltså det första steget att utveckla produkter på en nanosäkerhets by design basis.

För framtiden är en helt förebyggande strategi utvecklas där försöksuppställningen minimerar aerosol partikelförluster i realtid och en fullständig kvantitativ studie av aerosolpartiklar utsända kan göras med precision.

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