21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Vom Nanomaterial zu innovativen Materialien
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Berlin
21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin
Entwicklung
ForschungPolitik-
beratung
Hoheitliche
Aufgaben
Wissenstransfer
und Vermittlung
Berlin
Dresden
Dortmund
Chemnitz
Fachbereich 4
Gefahrstoffe und biologische ArbeitsstoffeLeitung: Dr. Rüdiger Pipke
Die BAuA ist eine Ressortforschungseinrichtung im
Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Arbeit und
Soziales (BMAS).
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Schwerpunkte der Partikelforschung in der BAuA
Asbest
Künstliche Mineralfasern KMF:
Mineralwollen, Aluminiumsilikatfasern
Biobeständige Stäube (GBS)
Nanomaterialien
Innovativen Materialien
[TU-Dresden: Kontakt - Das Absolventenmagazin Jörg Singer; Ertüchtigung einer Brücke in Naila mit Carbonbeton]
1970
1990
2000
2010
2020
1980
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Bilanz aus dem BAuA-Forschungsschwerpunkt
„Nanomaterialien“ 2014 - 2017
• Einatmen von Feinstäuben hat die größte Bedeutung.
• Nanomaterialien sind nicht per se gefährlich.
• Die Wirkungen können mit bekannten Wirkprinzipien aus Stoff- und
Partikeltoxikologie beschrieben werden.
• Für die Toxizität von Partikeln sind Biobeständigkeit und Morphologie
relevanter als die Nanoskaligkeit.
• Bei der Wirkstärke der Toxizität von Nanomaterialien gibt es eine sehr
große Spannbreite
spezifisch ‚chemische‘ Toxizität
Wirkung ‚inerter‘ granulärer Partikel (GBS)
Wirkung starrer faseriger Partikel
(Wirkprinzip: Asbest)
Von der Fachwelt
akzeptierter
Gruppierungs-
ansatz
4
21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Bilanz aus dem BAuA-Forschungsschwerpunkt
„Nanomaterialien“ 2014 - 2017
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Bilanz aus dem BAuA-Forschungsschwerpunkt
„Nanomaterialien“ 2014 - 2017
Die wissenschaftlichen Erkenntnisse zur Sicherheit von Nanomaterialien haben
gezeigt, dass wesentliche Risiken durch das Einatmen von Staubpartikeln und
Fasern in den europäischen Regelungen zur Chemikaliensicherheit bislang nur
unzureichend berücksichtigt sind !!
Fehlen der regulatorischen Verankerung für Nanomaterialien (standardisierte
Prüfrichtlinien und Leitfäden)
Stoffe ohne spezifische Toxizität können schwerlösliche, biobeständige
Partikel und Fasern durch Einatmen in die Lunge gelangen und dort
Entzündungen und Krebserkrankungen auslösen !! Betrifft nicht nur
Nanomaterialien !!
Mit den Anforderungen der REACH-Verordnung würde man ein neues
Asbest nicht sicher erkennen!
Bearbeitung von pechbasierten Carbonfasern (Freisetzung von
WHO Bruchstücken)
Die Dimension Nano (als Größe) greift zu kurz für die Abgrenzung der
Gefährdungen durch lungengängige Partikel.
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Bilanz aus dem BAuA-Forschungsschwerpunkt
„Nanomaterialien“ 2014 - 2017
Erweiterung der Risikoforschungsaktivitäten auf innovative Materialien
(„advanced materials“)
Innovative Materialien - „erneuerte/verbesserte Materialien“
(unterliegt damit dem Zeitgeist!)
... umfasst damit auch die Nanomaterialien
... ist ein Begriff aus dem EU-Forschungsrahmenprogramm („advanced
materials“) und steht dort als Förderbereich u.a. neben „Nanotechnologie“
... werden auch durch andere Förderprogramme, z.B. „Vom Material zur
Innovation“ (BMBF), mit erheblichen öffentlichen Mitteln unterstützt
... sollten deshalb anwendungssicher, umweltverträglich und nachhaltig
gestaltet sein
... ist aus unserer Sicht ein im Hinblick auf Gesundheitsrisiken durch
partikelförmige Gefahrstoffe ein umfassender Fokus für die Risikoforschung
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
BAuA-Forschungsschwerpunkt (2018 - 2021)
„Innovative Materialien“
Partikelmessung und -morphologische Charakterisierung
toxikologische Bewertung
Arbeitsschutz-Maßnahmen /
Regulation
Bilder: BAuA/Fox/Völkner
• Neues Modell zur Faserkanzerogenität
muss angedacht/entwickelt werden
(„Erweitertes Faserprinzip“)
Langfristige strategische Ziele der BAuA:
• Partikelbezogene Prüf- und
Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
• Anwendungssichere Gestaltung von
Materialinnovationen fördern
Fortschreibung der gemeinsamen
Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden
Nanomaterialien und andere innovative Werkstoffe:
anwendungssicher und umweltverträglich
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Zusätzliche Teststrategie für
„nicht-chemische“
Gesundheits-risiken
Wasserlöslichkeit
Staubungsverhaltenprüfen Morphologie (REM)
Biopersistenz Test
gut löslichkeine relevante Staubfreisetzung
keine relevante Biopersistenz
biopersistente rigide WHO Fasern
biopersistente granuläre Partikel
Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
Umfasst Partikel einschließlich
• Nanomaterialien
• Innovative Materialien
• Ultrafeine Partikel
• Fasern
Mit den Anforderungen der REACH-Verordnung würde
man ein neues Asbest nicht sicher erkennen!
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Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
250 µm
2 µm20 µm
MWCNT-7
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Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
ARIGM001
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
Baytubes C150P
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Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
CPC
CPC
APS
DMA
TIRA Shaker
Mixing chamber
(~0.5 L)
Recirculation
flow
Function generator
FI
HEPA
FC
FC
Flow
splitter
FC Rubber
hose
Fluidized bed
Staubungsverhalten und morphologische Charakterisierung von faserförmigen
Materialien (Fluidizer)
• Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration im Aerosol
• Entwickelt zunächst für Pulver aus HARM
• Geschlossenes System in Sicherheitswerkbank
• Messung der UFS-Fraktion (SMPS) und FS-Fraktion (APS)
• Hohe Zeitauflösung da kleines Messvolumen
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
Staubungsverhalten und morphologische Charakterisierung von faserförmigen
Materialien (Fluidizer)
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Spheroidal
Agglomerate
NM 401Asbestos like
WHO-Fibre
WHO-Agglomerate
Fibre (not WHO)
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NM 400Non-toxic
Spheriodal Agglomerate
Fibre (no WHO)
Fibre (no WHO)
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Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
10
100
1000
544
6 20
130
700
Dia
mete
r [n
m]
Length [µm]
0 1000 2000 3000 4000 5000
0
10
20
30
40
50
NM 400 diameter-distribution
50 Hz, 0.3 L/min, 1mm
Num
ber
Length [nm]
NM400 length-distribution
50 Hz, 0.3 L/min, 1mm
NGV_2016_12_20_067_04
>5000 nm
>100 nm
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
N
um
ber
Diameter [nm]
HARFO HARFA LARFA LARPO Total
0
100
200
300
400
500
600
700
Num
ber
TCI C 2158
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
Staubungsverhalten und morphologische Charakterisierung
von faserförmigen Materialien (Fluidizer)
Anwendung im regulatorischen und vorregulatorischen Kontext sowie
Nutzung in der Standardisierung
• Deutsche Regelwerke (BekGS 527)
• Europäische Chemikaliensicherheit (Gov4Nano - Richtlinien für die OECD)
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Partikelbezogene Prüf- und Informationsstrategie
unter REACH ergänzen
nanoGR R V U
A
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Forschung zum „erweiterten Faserprinzip“ für eine
differenzierte Risikobetrachtung
└──── Partikeltoxikologie ─────┘ └──── Fasertoxikologie ─────┘
Erweitertes Faserprinzip:
- Neben den Kriterien Biolöslichkeit und
Morphologie (D < 3 µm, L > 5 µm,
L : D > 3:1) wird das Prinzip erweitert um
Rigidität
- Berücksichtigung aller Fasern mit einem
D < 200 nm
(wird momentan bei den Zählkriterien nicht
berücksichtigt)
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 … 300 1000 3000 7000 …
Äußerer Durchmesser in nm
nicht
alveolar??? rigideflexibel
WHO-Fasern falls länger als 5 µm
SW
CN
T
CFMWCNT MWCNT
e-spun
CNFCNF [Arias,
I. e
t al. (
2008).
Phys
. R
ev.
Lett.
100(8
): 0
85503.]
Energ
ie
zum
halbkre
isfö
rm
igen
Verb
ie
gen
einer 5 µm
langen Faser in fJ
Anzahlgrenzwert!Anzahlgrenzwert! Massen-GW???Massengrenzwert? Anzahlgrenzwert!
Hoch rigide!
translozierbar?
Spontane
Bündelung?
Nicht
respirabel
Flexibel
phagozytierbar?
Flexibel &
verknäult?
Rigide!
unvollst. Phagozytose?
Forschung zum „erweiterten Faserprinzip“ für eine
differenzierte Risikobetrachtung
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Forschung zum „erweiterten Faserprinzip“ für eine
differenzierte Risikobetrachtung
└──── Partikeltoxikologie ─────┘ └──── Fasertoxikologie ─────┘
• Messverfahren für Faserrigidität entwickeln
• Toxikologische Prüfungen an ausgewählten
Nanokohlenstoffen
• Morphologische Charakterisierung und
Staubungsverhalten ausgewählter
Nanokohlenstoffe
• Verfahren zur Messung der nanoskaligen
Faserstaub-Exposition am Arbeitsplatz
(Faser mit D < 200 nm)
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Euler-Bernoulli’s Balkentheorie (Kontinuum)
Resonanzbedingung zur
Vibrationsanregung : inner diameter
: outer diameter
: material density
: j-th harmonic roots
Schwingende Faser
Particle Counter
PrecipitatorShaker Sedimentation
10 kV
+
Verfahren zu Bestimmung der Faserrigidität
Forschung zum „erweiterten Faserprinzip“ für eine
differenzierte Risikobetrachtung
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Exposition beim Umfüllen
von trockenen CNT-Pulvern?
Exposition beim
Dispergieren von CNT-
haltigen Masterbatch?
Exposition durch offen
gelagerte CNT-Abfälle?
Exposition beim Reinigen?
Exposition
beim Öffnen
von Anlagen?
Forschung zum „erweiterten Faserprinzip“ für eine
differenzierte Risikobetrachtung
Werden Nanofasern freigesetzt und wenn
ja, in welchen Konzentrationen?
- kein Online Messverfahren
(Morphologie?)
- Faserzählung auch < 200 nm
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Forschung zum „erweiterten Faserprinzip“ für eine
differenzierte Risikobetrachtung
Bild-
punkt-
zahl
PixelgrößeVergrößerung
127.000 / Bx
Bildkantenlänge Bildfläche Notwendige Bildzahl
in nmµm
Bx in
µmx By in µm in µm² für 0.5 mm² Filterfläche
5.1
20 x
3.8
40 =
20 M
Pix
el
100 250 508,0 x 381,0 193.548 3
20 1.250 101,6 x 76,2 7.742 65
10 2.500 50,8 x 38,1 1.935 258
5 5.000 25,4 x 19,1 484 1.033
2,5 10.000 12,7 x 9,5 121 4.133
1 25.000 5,1 x 3,8 19 25.833
1.2
80 x
960 =
1.2
MP
ixel
100 1.000 127,0 x 95,3 12.097 41
20 5.000 25,4 x 19,1 484 1.033
10 10.000 12,7 x 9,5 121 4.133
5 20.000 6,4 x 4,8 30 16.533
2,5 40.000 3,2 x 2,4 8 66.133
1 100.000 1,3 x 1,0 1 413.334
Arbeitshypothesen
Festlegung eines unteren erkennbaren Faserdurchmessers (20 nm)
0,02 µm < Durchmesser < 3 µm
digitalisierte Auswertung
Neues Messverfahren für mikro- und nanoskalige Fasern
Berücksichtigung aller Fasern mit einem Durchmesser < 200 nm
(wird momentan bei den Zählkriterien nicht berücksichtigt)
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Forschung zum „erweiterten Faserprinzip“ für eine
differenzierte Risikobetrachtung
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Anwendungssichere Gestaltung von Materialinnovationen
fördern
Pechbasierte Kohlenstofffaser PAN-basierte Kohlenstofffaser
Pechbasierte Kohlenstofffasern brechen beim Schneiden mit der Schere in
WHO-Fragmente
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Anwendungssichere Gestaltung von Materialinnovationen
fördern
Anzahl der gefundenen Faser-Objekte (WHO) Faseranzahlkonzentration
(WHO) [F/m³]
95%-Vertrauensbereich
(obere Intervallgrenze)
[F/m³]Einzelne Fasern Agglomerate
116 28 832.519 980.137
Nahfeldmessung während des Sägeprozesses
ca. 95 % der
Faserbruchstücke sind
alveolengängig
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Anwendungssichere Gestaltung von Materialinnovationen
fördern
Abriebversuche mit
Pechbasierten CFK
Neues BMBF gefördertes Projekt – CarboBreak
Wissenschaftliche Grundlagen zur Ermittlung des
Bruchverhaltens von Carbonfasern generieren
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21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Vom Nanomaterial zu innovativen Materialien
• EFA - F2429 (BMUB)
– Suche nach CNTs im Ruß von Verbrennungsprozessen
– Chemische Identifizierung von Fasern
• BekGS 527 und
DGUV-Messverfahren – F2445 (DGUV)
– Identifizierung von submikroskaligen Fasern in Arbeitsplatzatmosphären
– Überprüfung von Arbeitsplatzgrenzwerten und Beurteilungsmaßstäben
• EMMI – A175 (UBA)
– Identifizierung von Fasern und Partikeln
• EMMA – F2468 (BAuA)
– Chemische Identifizierung von Fasern und Partikeln
• Gov4Nano (EU Horizon 2020)
– Physikalisch-chemische Charakterisierung REACH/OECD
• CarboBreak (BMBF)
– Carbonfaser-Fragmente im Staub aus bearbeiteten CFK/CFC
– Bestimmung des Graphitierungsgrades von Carbonfasern
• Beantragt: InnoMat.Life (BMBF)
– Nanopartikeln im Inneren von exponierten biologischen Zellen
• OECD TG-PSD - F2428 (BMUB)
– Validierung der Durchmesserbestimmung
• Rigidität – F2365 (BAuA)
– Rigiditätsmessungen an Einzelfasern mittels Kraft-Abstands-Kurven
• MOSIS – F2469 (BAuA)
– Validierung der Durchmesserbestimmung
DGUV
2017 2018 2019 2020 2021 2022
EFA
EMMI
EMMA
CarboBreak
InnoMat.Life ?
Gov4Nano
OECD TG
Rigidität
MOSIS
2017 2018 2019 2020 2021 2022
BekGS 527
30
21.01.2019 S. Plitzko Nano EHS Kick off
Danke
• EFA - F2429 (BMUB)
– Suche nach CNTs im Ruß von Verbrennungsprozessen
– Chemische Identifizierung von Fasern
• BekGS 527 und
DGUV-Messverfahren – F2445 (DGUV)
– Identifizierung von submikroskaligen Fasern in Arbeitsplatzatmosphären
– Überprüfung von Arbeitsplatzgrenzwerten und Beurteilungsmaßstäben
• EMMI – A175 (UBA)
– Identifizierung von Fasern und Partikeln
• EMMA – F2468 (BAuA)
– Chemische Identifizierung von Fasern und Partikeln
• Gov4Nano (EU Horizon 2020)
– Physikalisch-chemische Charakterisierung REACH/OECD
• CarboBreak (BMBF)
– Carbonfaser-Fragmente im Staub aus bearbeiteten CFK/CFC
– Bestimmung des Graphitierungsgrades von Carbonfasern
• Beantragt: InnoMat.Life (BMBF)
– Nanopartikeln im Inneren von exponierten biologischen Zellen
• OECD TG-PSD - F2428 (BMUB)
– Validierung der Durchmesserbestimmung
• Rigidität – F2365 (BAuA)
– Rigiditätsmessungen an Einzelfasern mittels Kraft-Abstands-Kurven
• MOSIS – F2469 (BAuA)
– Validierung der Durchmesserbestimmung
DGUV
2017 2018 2019 2020 2021 2022
EFA
EMMI
EMMA
CarboBreak
InnoMat.Life?
Gov4Nano
OECD TG
Rigidität
MOSIS
2017 2018 2019 2020 2021 2022
BekGS 527
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