Entwicklung von Methoden zur Bestimmung der Nanopartikelfreisetzung von nanostrukturierten Materialien

IGF-Nr. 17785 B R

Im Rahmen des Projektes wurde ein allgemeines Verfahren zur granulometrischen Quantifizierung der (Nano-)Partikelfreisetzung aus nanostrukturierten Materialien in das Kompartiment Luft weiterentwickelt. Hierfür wurden drei neue Methoden zur definierten Beanspruchung an nanostrukturierten Pulvern und festen Nanokompositen entwickelt.

Der Fokus des Projektes lag hierbei auf den zur (Nano-)Partikelfreisetzung führenden Prozessen im Nanomaterial-Lebenszyklus, worin nanostrukturierte Materialien in den drei Grundarten disperser Systeme, d.h. Pulver, Suspensionen und Feststoffkomposite, vorliegen können. Für jede Grundart existiert dabei ein breites Spektrum möglicher Belastungssituation. Eine Beschreibung der zur Freisetzung führenden Prozesse über die Betrachtung von technischen Leistungs- bzw. Energie­einträgen wurde durchgeführt. Ungeachtet der Art des dispersen Systems, wurden sowohl die spezifische Bean­spruchungs­geschwindigkeit als auch die Menge an zugeführtem Material als dominante Prozessparameter identifiziert, was eine grobe Kategorisierung realer Prozesse erlaubt.  

Erstmalig erfolgte die Durchführung von Freisetzungsanalysen innerhalb einer Studie an einem industriell relevanten Eisen(3)oxid-Nanopigment im Vergleich zu einem Eisen(3)oxid-Nicht-Nanopigment über die drei Grundarten disperser Systeme (Pulver, Suspension, Feststoffkomposit) an fünf verschiedenen Freisetzungsszenarien in sieben Konfigurationen, wodurch die wesentlichen Phasen im Nanomaterial-Lebenszyklus charakterisiert wurden. Ungeachtet der einzelnen Szenarien wurden prozess-spezifische Beanspruchungsgeschwindigkeiten von 0,7 m/s – 100 m/s bei einer volumetrischer Material­zu­fuhr zwischen 0,03 mm³/s – 900 mm³/s realisiert, woraus sich volumen­spezifische Energieeinträge zwischen 0.004 J/mm³ - 312 J/mm³ ergaben.

Mit Hilfe des weiterentwickelten Verfahrens ist es möglich Anzahlen freigesetzter Partikel für definierte Partikelgrößenbereiche zu ermittelten und auf charakteristische Kenngrößen wie die beanspruchte Probenmasse oder -fläche, den Masseabtrag oder die Masseausbringung zu korrelieren und anhand dieser eine Vielfalt an Produkten hinsichtlich ihres Freisetzungspotentials bzw. ihrer Freisetzungsmenge zu bewerten. Ungeachtet der einzelnen Stoffsysteme wurden im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen massenspezifische Partikelfreisetzungsanzahlen < 10 µm zwischen 2·10⁸ #/g – 2·10¹³ #/g ermittelt, wobei es sich je nach Ausgangsmaterial und Prozess hierbei um reine Nanomaterialobjekte (Pulverbeanspruchung), nanomaterialhaltige Objekte (Sprühapplikation von Lacken, Schleif- und Trennbeanspruchung von festen Lacken und Kunststoffkörpern), Substratpartikel (Trennbeanspruchung von Lackproben) oder aber auch um thermisch generierte Partikel (Trennbeanspruchung von festen Lacken und Kunststoffkörpern) handeln kann.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 08/13 bis 07/15 an der Technischen Universität Dresden, Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik, Arbeitsgruppe Mechanische Verfahrenstechnik (01062 Dresden, Tel.: 0351/463-35176) unter der Leitung von PD Dr. M. Stintz (Leiter der Forschungsstelle PD. Dr. M. Stintz).

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