Stability of nanoparticle agglomerates under mechanical stress and its effects on their release into the air

L'exposition professionnelle aux nanomatériaux manufacturés dans l'air présente des risques potentiels pour la santé des travailleurs dans les secteurs de la nanotechnologie. Il est important de comprendre les scénarios de libération des aérosols de nanoparticules dans les processus et les activités associées à l'exposition humaine. Les mécanismes de libération, y compris les taux de libération et les propriétés physico-chimiques des nanoparticules, déterminent leurs comportements de transport ainsi que les effets biologiques néfastes. La distribution de taille des particules d'aérosols est l'un des paramètres les plus importants dans ces processus. La stabilité mécanique d'agglomérats de nanoparticules affecte leurs distributions de tailles. Les potentiels de désagglomération de ces agglomérats déterminent les possibilités de leur déformation sous énergies externes. Cela rend les changements possibles dans leur distribution de taille et de la concentration en nombre qui vont finalement modifier leurs risques d'exposition. Les conditions environnementales, telles que l'humidité relative, peuvent influencer les processus de désagglomération par l'adhérence de condensation capillaire de l'humidité. L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les scénarios de libération des nanomatériaux manufacturés des processus et activités sur le lieu de travail. Les sous-objectifs étaient les suivants: 1. Etudier les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans des conditions environnementales variées. 2. Etudier la libération des nano-objets à partir de nanocomposites polymères; 3. Evaluer la libération de nanoparticules sur le lieu de travail dans des situations concrètes. Nous avons comparé différents systèmes de laboratoire qui présentaient différents niveau d'énergie dans l'aérosolisation des poudres. Des nanopoudres de TiO2 avec des hydrophilicités de surface distinctes ont été testées. Un spectromètre à mobilité électrique (SMPS), un spectromètre à mobilité aérodynamique (APS) et un spectromètre optique (OPC) ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de taille des particules. La microscopie électronique à transmission (TEM) a été utilisée pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Les propriétés des aérosols (distribution de taille et concentration en nombre) étaient différentes suivant la méthode employée. Les vitesses des flux d'air d'aérosolisation ont été utilisées pour estimer le niveau d'énergie dans ces systèmes, et il a été montré que les tailles modales des particules étaient inversement proportionnelles à la vitesse appliquée. En général, les particules hydrophiles ont des diamètres plus grands et des nombres inférieurs à ceux des particules hydrophobes. Toutefois, cela dépend aussi des méthodes utilisées. La vitesse de l'air peut donc être un paramètre efficace pour le classement de l'énergie des procédés pour des systèmes d'aérosolisation similaires. Nous avons développé un système laboratoire pour tester les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans l'air en utilisant des orifices critiques et un humidificateur. Sa performance a été comparée à un système similaire dans un institut partenaire. Une variété de nanopoudres différentes a été testée. Le niveau d'énergie appliquée et l'humidité ont été modifiés. Le SMPS et l'OPC ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de la taille. Un TEM a été utilisé pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Le diamètre moyen des particules a diminué et la concentration en nombre s'est accrue lorsque des énergies externes ont été appliquées. Le nombre de particules inférieures à 100 nm a été augmenté, et celui au-dessus de 350 nm réduits. Les conditions humides ont faits exactement le contraire, en particulier pour les petites particules. En outre, ils ont réduits les effets de la différence de pression due à l'orifice. Les résultats suggèrent que la désagglomération d'agglomérats de nanoparticules dans l'air est possible dans la gamme d'énergie appliquée. Cependant, l'atmosphère humide peut favoriser leur agglomération et améliorer leurs stabilités en réduisant la libération de nanoparticules dans l'environnement. Nous proposons d'utiliser notre système pour le test de routine des potentiels de désagglomération des nanomatériaux manufacturés et de les classer. Un tel classement faciliterait la priorisation de l'exposition et du risque encouru en fonction du niveau d'ENM. Un système de perçage automatique et un système de sciage manuel ont été développés pour étudier la libération de nanoparticules à partir de différents types de nanocomposites. La vitesse de perçage et taille de la mèche ont été modifiées dans les expériences. La distribution de taille des particules et leur concentration en nombre ont été mesurées par un SMPS et un miniature diffusion size classifier (DISCmini). Les distributions de nanoparticules dans les composites et les particules libérées ont été analysés par un TEM et un microscope électronique à balayage (SEM). Les tests de perçage ont libérés un plus grand nombre de particules que le sciage. Des vitesses de perçage plus rapide et les mèches plus grandes ont augmentés la génération de particules. Les charges de nanoparticules manufacturées dans les composites ne modifient pas leurs comportements de libération dans les expériences de perçage. Toutefois, le sciage différencie les niveaux de libération entre les composites et les échantillons blancs. De plus, les vapeurs de polymères ont été générées par la chaleur de sciage. La plupart des particules libérées sont des polymères contenant des nanoparticules ou sur leurs surface. Les résultats ont souligné l'importance du type de processus et paramètres pour déterminer la libération de nanoparticules de composites. Les émissions secondaires telles que les fumées polymères appellent à la nécessité d'évaluations de l'exposition et de risque pour de tels scénarios. Une revue systématique de la littérature sur le sujet de libérations de nanoparticules dans l'air dans les secteurs industriels et laboratoires de recherche a été effectuée. Des stratégies de recherche des informations pertinentes et de stockage ont été développées. Les mécanismes de libération, tels que la taille de particules d'aérosol et de leur concentration en nombre, ont été comparés pour différentes activités. La disponibilité de l'information contextuelle qui est pertinente pour l'estimation de l'exposition humaine a été évaluée. Il a été constaté que les données relatives à l'exposition ne sont pas toujours disponibles dans la littérature actuelle. Les propriétés des aérosols libérés semblent dépendre de la nature des activités. Des procédés à haute énergie ont tendance à générer des plus hauts niveaux de concentrations de particules dans les gammes de plus petite taille. Les résultats peuvent être utiles pour déterminer la priorité des procédés industriels pour l'évaluation les risques associés dans une approche à plusieurs niveaux. Pour l'évaluation de l'exposition, la disponibilité de l'information peut être améliorée par le développement d'une meilleure méthode de communication des données.

Preparação de nanocompósitos através do encapsulamento de polímeros condutores em 2H-MoS2 e 1T-TiS2

Nanocomposites obtained by the encapsulation of conducting polymers such as polyaniline and polydiphenylamine in 2H-MoS2 and 1T-TiS2 are synthesized and characterized by X-ray diffraction and infrared spectrophotometry. The synthesis consists in intercalating the layered compound with n-butyllithium and subsequent exfoliation in water and organic solvents. The nanocomposites are obtained by the adsorption of the polymers into the single-layers sulfides and posterior restacking. The X-ray diffraction measurements showed that the organic conducting polymers are encapsulated in mono and bilayers arrangement in a well-ordered fashion to produce single phase compounds.

Síntese e caracterização dos nanocompósitos K0,1(PEO)xMoS2 (X= 0,5; 1,2)

The reaction of an aqueous solution of poly(ethylene oxide) (peo - mw 100.000) with a neutral aqueous suspension of single layers of MoS2 was studied. The single layers aqueous suspension was prepared by first intercalating lithium (using n-Butyllithium in n-hexane) and reaction of these ternary compound with water under ultrasound stirring. The suspension was washed several times with water until neutral pH. The suspension was mixed with the PEO aqueous solution in the presence of KCl. Two single phase compounds were obtained with the expansion of 4,8 and 9,0Å, attributed to the solvation of the intercalated potassium cations with mono and double layers, respectively.

Dissulfeto de molibdênio, um material multifuncional e surpreendente

The aim of this work is to review the chemical and physical properties of layered molybdenum disulfide. The three polymorphic/polytypic modifications of the compound were found, the polytypes 2H (molybdenite) and 3R are semiconductors while the polymorph 1T is an electronic conductor. 2H-MoS2 has several important industrial applications as hydrotreatment catalysts, energy storage devices, solar cells, solid lubricants, among others. When intercalated, the 2H phase changes to a distorted 1T phase, producing unstable intercalation compounds that can be exfoliated in solution, producing single layers and consequently nanocomposites. The direct synthesis of the 1T phase produces stable intercalation compounds. Recently molybdenum disulfide was prepared as nanotubes and fulerene-like structures that bring new insights in the investigation of this important material.

Materiais para cátodos de baterias secundárias de lítio

In this work, cathodes employed in secondary lithium batteries are reviewed. These cathodes have great technologic and scientific importance, specifically, materials for cathodes as electronic conductor polymers (ECP), transition metal oxides (TMO) and nanocomposites of ECP/TMO. The use of a specific cathodic material is based in some intrinsic characteristics that improve the performance of the battery. Thus, some vantages and disvantages of these insertion compounds are discussed, as lithium insertion capacity, energy density, and the ciclability of these materials.

Transporte de carga em compósitos de polianilina/V2O5

In this work, composites formed from a mixture of V2O5 and polyaniline (PANI) were investigated, for applications as cathode materials for secondary lithium batteries. Electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) data show that charge compensation in the [PANI]0.3V2O5 nanocomposite is achieved predominantly by Li+ migration. However, the charge compensation in the [PANI]V2O5 microcomposite occurs by Li+ and ClO4- transport. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements reveal several benefits of nanohybrid formation, including the achievement of shorter ionic diffusion pathways, the higher diffusion rate of the lithium ion and also the higher electronic conductivity, which are responsible for a synergetic effect of the energy storage properties.

Nanocompósitos de matriz polimérica: estratégias de síntese de materiais híbridos

Associating the well known advantages of hybrid materials to the wide potential of nanomaterials, the new and featuring class of polymer nanocomposites turned into one of the most intensively researched areas. This review highlights recent developments in the field of the synthesis of polymer based nanocomposites. Important issues related to the surface modification of fillers, in order to promote the compatibility between the inorganic/organic components, are also reported. The enhancement of the physical properties and the potential applications of polymer nanocomposites are considered in typical examples, given for each synthetic method described.

Elucidando os estados de oxidação do nitrogênio através da espectroscopia de absorção de raios-X na borda K do nitrogênio

The potentialities of X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy (XANES) of the N K edge (N K) obtained with the spherical grating monochromator beam line at the Brazilian National Synchrotron Light Laboratory are explored in the investigation of poly(aniline), nanocomposites and dyes. Through the analysis of N K XANES spectra of conducting polymers and many other dye compounds that are dominated by 1s®p* transitions, it was possible to correlate the band energy value with the nitrogen oxidation states. An extensive N K XANES spectral database was obtained, thus permitting the elucidation of the nature of different nitrogens present in the intercalated conducting polymers.

Borracha natural e nanocompósitos com argila

The natural rubber is a strategic material which can not be replaced by synthetic rubber in many technological applications. Brazil is a rubber importer, but new techniques of cultivation, breeding and diversification of producing species can reverse this situation. One of the best ways to add value to this commodity is nanotechnology. The production of nanocomposites is already a reality and shows that the sustainable use of this natural resource can lead to new products and boost the national agribusiness setting labor-qualified in the field.

Nanotecnologia: aspectos gerais e potencial de aplicação em catálise

In recent years nanomaterials, such as metallic nanoparticles, nanowires, nanotapes, nanotubes and nanocomposites, have attracted increasing interest for several technological applications. In catalysis, the great potential of nanomaterials is related to the high catalytic activity exhibited by these materials as a function of the high surface/volume ratio when the particles acquire diameter below 5 nm. In this work, a review about concepts and background of nanoscience and nanotechnology is presented with emphasis in catalysis. Special attention is given to gold nanoparticles and carbon nanotubes, focusing the properties and characteristics of these materials in several catalytic reactions.

Nanocompósitos semicondutores ZnO/TiO2: testes fotocatalíticos

Titanium dioxide is an efficient photocatalist, being possible to improve its efficiency with better charge separation which occurs when it is coupled with other semiconductors. Nanometric particles of ZnO were used to impregnate TiO2 P25 in order to optimize its photocatalytic properties. ZnO/TiO2 composites were obtained at different proportions and were characterized by X-ray diffraction (XRD), micro-Raman and diffuse reflectance spectroscopies, measurement of surface area (BET) and scanning electron microscopy (SEM). Raman spectroscopy data revealed a change on the TiO2 surface due the presence of ZnO which was observed by an enlargement of TiO2 peaks and a change on the relation rate between anatase and rutile phases of the composites. The photodegradation of azo-dye Drimaren red revealed better efficiency for ZnO/TiO2 3% nanocomposite and for ZnO pure.

Nanocompósitos de poliuretana termoplástica e nanotubos de carbono de paredes múltiplas para dissipação eletrostática

Polyurethane/multi-walled carbon nanotube (MWCNT) nanocomposites have been prepared with nanotube concentrations between 0.01 wt% and 1 wt%. MWCNT as-synthesized samples with ~74 nm diameter and ~7 μm length were introduced by solution processing in the polyurethane matrix. Scanning electron microscopy (SEM) images demonstrated good dispersion and adhesion of the CNTs to the polymeric matrix. The C=O stretching band showed evidence of perturbation of the hydrogen interaction between urethanic moieties in the nanocomposites as compared to pure TPU. Differential scanning calorimetry and positron anihilation lifetime spectroscopy measurements allowed the detection of glass transition displacement with carbon nanotube addition. Furthermore, the electrical conductivity of the nanocomposites was significantly increased with the addition of CNT.

Modification of a Brazilian smectite clay with different quaternary ammonium salts

In this work, a smectite clay from the State of Paraiba, Brazil, was treated with six different types of ammonium salts, which is an usual method to enhance the affinity between the clay and polymer for the preparation of nanocomposites. The clays, before and after modification, were characterized by X ray diffraction. The conformation of the salts within the platelets of the clay depended on the number of long alkyl chains of the salt. The thermal stability of the clays was also studied. The ammonium salts thermal decomposition was explained in light of their position within the organoclays.

pH effect on the synthesis of magnetite nanoparticles by the chemical reduction-precipitation method

This work aimed at putting in evidence the influence of the pH on the chemical nature and properties of the synthesized magnetic nanocomposites. Saturation magnetization measurements evidenced a marked difference of the magnetic behavior of samples, depending on the final pH of the solution after reaction. Magnetite and maghemite in different proportions were the main magnetic iron oxides actually identified. Synthesis with final pH between 9.7-10.6 produced nearly pure magnetite with little or no other associated iron oxide. Under other synthetic conditions, goethite also appears in proportions that depended upon the pH of the synthesis medium.