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“Nano”-Aktivitäten in Sachsen
Dr. D. Kühnel
Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Department für Bioanalytische Ökotoxikologie
In Zusammenarbeit mit:
Dr. Volkmar Richter
Dr. Tobias Meißner
Fraunhofer IKTS, Dresden
Nanotechnologie - traditioneller Arbeitsschutz für innovative
Materialien?
BAuA Dresden, 19.04.2012
Foto: Armin Springer (TU Dresden)

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Seite 2
Nachhaltige Innovation/Entwicklung
„Entwicklung zukunftsfähig zu machen, heißt, dass die
gegenwärtige Generation ihre Bedürfnisse befriedigt, ohne
die Fähigkeit der zukünftigen Generation zu gefährden,
ihre eigenen Bedürfnisse befriedigen zu können.„
(UN-Bericht „Unsere gemeinsame Zukunft“, „Brundtland-Bericht“, 1987)

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Seite 3
Materialforschung und Toxikologie
… müssen Hand in Hand arbeiten
Technische Forschung mit Risiko-/ Vorsorgestudien begleiten!

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Auswahl von Themen des IKTS mit Nano-Bezug
(Stand 2009)
1.
nanoRoad –
EU
INDUSTRIE
2.
Transnanopowder - EU
3.
Nanoceram – EU
4.
NanoValid - EU
5.
nanoHM –
BMBF
Nano geht in die Produktion
INDUSTRIE
6.
NanOnLine (Nanopartikelcharakterisierung) - BMBF Nano geht in die Produktion
7.
KoLiWIn - LIB2015, (gerichtete CNT für Lithiumionenbatterie) – BMBF
8.
INOS –
BMBF
WING (nanoCare)
VORSORGE
9.
DaNa - BMBF WING nanoCare
10.
Fe-nanoSIT – BMBF nanoNature
UMWELT
11.
NADINE (Nano Diamant für die Desinfektion) – BMBF nanoNature
12.
Sprühgefriergranulierung –
DFG
INDUSTRIE
13.
Tailored Optics -
FhG
-WISA
INDUSTRIE
14.
NAME - Neue anorganische Membranen (Filtration) - FhG WISA
15.
MALION (gerichtete CNT für Superkondensatoren) - FhG-Projekt
16.
CarNAk (CNT für die Aktuatorik) - FhG MAVO
17.
Nanofilter –
Bundesweh
r
SICHERHEIT
18.
Dieselrusspartikelfilter –
AiF
INDUSTRIE
19.
Nano-ZrO
2
-
Industrie
20.
Transparente Keramik - Industrie
21.
CEFIC/OECD Sponsorship Program
VORSORGE

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Ertragsentwicklung
2005 – 2010 (in T Euro)
Starker Anstieg der Erträge
seit 2005, getragen durch
die Funktionskeramik:
Energietechnik
Steuerungstechnik
Sensorik
Aktronik
Miniaturisierung
von
Komponenten und
Systemen basierend auf
neuen Werkstoffen
Intensive Förderung durch
das Land Sachsen
Das Fraunhofer IKTS - Ertragsentwicklung

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Seite 6
Fraunhofer Allianz Nanotechnologie
Verbund von
Fraunhofer-
Instituten, die sich
mit der „Nano-
technologie“ unter
technischen
Aspekten befassen
Viele Projekte
Kooperation mit
Partner aus dem
Verbund „Life-
science“ zu Fragen
des Arbeitsschutzes
FhG-interne Regeln
von Dr. Lambotte
(vormals FhG)
http://www.nano.fraunhofer.de/index.html

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BMBF-Projekt nanoHM
nanoskalige Partikel
Programm:
Nano geht in die Produktion (BMBF)
Partner:
Hermann C. Starck, Goslar
Kennametal, Essen
CemeCon AG, Würselen
FCT, Rauenstein (Thüringen)
ASMEC GmbH, Dresden
BMW, München
Fraunhofer IKTS, Dresden
Fraunhofer IST, Braunschweig
Laufdauer:
2008-2011
Ergebnis:
Nanoskaliges Hartmetall mit überragenden Eigenschaften
Steigerung der Werkzeugstandzeit
Gesundheitsrisiken werden nicht durch die Nanoskaligkeit des
Wolframcarbids, sondern die bekannte Toxizität des Cobalts geprägt!
Härte als Funktion der Korngröße

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Projekt „Tailored Optics“
nanoskalige Partikel
„Nano-Präzision“
Ziel:
Direktformung von optischen
Komponenten durch Pressen
Voraussetzung: Defektfreies ultrafeines oder
nanoskaliges Hartmetall
Hohe Oberflächenqualität
Extreme Präzision beim Schleifen (nm)
Anwendung:
Lasertechnik
Partner:
Fh IWU Chemnitz
Fh IPT Aachen
Fh IOJ Jena
Fh IWM Freiburg

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Nanoporöse Membranen
nanoskalige Poren
Fertigung von Filtern mit „exakter“
Poren
größe von ca.
20 nm
für die
Wasserreinigung oder
1 nm
für
die Gastrennung mit hoher
Permeabilität
Partikel können > 100 nm sein

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Retina Implantat als Sehhilfe (BMBF-Projekt)
CNT
Multisensorarray,
Retina-Implantat
Elektrophoretische
CNT-Beschichtung
Quelle: Retina-Implantat
Retina-Implantate zur
Wiedergewinnung der Sehkraft
Einsatz von Baytubes
BayerMaterialScience
Verdichtung durch Abscheidung
Bindung an Unterlage
Baytubes gelten
als gesundheitlich
unbedenklich
Verarbeitung in
Flüssigkeit in
geringen Mengen
Rückgewinnung
von Lebens-
qualität

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ZIM-Projekt (AiF) für die Atemgasanalytik
Entzündungen führen zur Bildung von H
2
O
2
Ziel: H
2
O
2
-Nachweis
Weg: Sensorbeschichtung,
Au
nano
und Preußisch-Blau-Partikel
Carbonfaser-Beschichtung
H
2
O
2
-Nachweismodul
FILT GmbH

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Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien
Electrode
manufacturing
slurry mixing,
coating
drying
+
Li-Ion
-
IKTS
Raw materials
powder
electrode foil
….
Stack construction
calendering
slitting/ cutting
stacking
Cell assembly
joint tabs, terminals
electrolyte filling
sealing
EoL conditioning
formation
aging
EoL testing
Lösungsmittel-
dämpfe
Laserab-
gase
Abgase
Lösungsmittel-
dämpfe
Aerosole
Fertigungskosten sind wesentliche Hürde für Einführung der Lithium-Technik

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Material
Spezische Ober-fläche nach
BET [m²/g]
Partikelgröße d
50,0
Aerosolmessung [nm]
Lithium-Eisenphosphat
15,2
140
Graphit
1720
140
Ruß
60,8
165
Materialien in der Lithium-Ionen-
Batterieherstellung
Kathode:
Al-Folie,
Aktivmaterial, Carbon Black
org. Binder
Anode:
Cu-Folie,
Graphit, Carbon Black
org. Binder
Elektrolyt:
Org. Lösungsmittel
Li-haltiges Leitsalz

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Hohe spezifische Oberfläche von Graphit
Steigerung Performance Anodenseite
Erhöhte Reaktivität auch in biologischer
Umgebung
Aerosole bisher im Submikrometerbereich
Trend zu nanoskaligen Materialien
Toxikologische Bewertung erfordert die Erfassung
physikalischer Eigenschaften der Stoffe
Materialien in der Lithium-Ionen-
Batterieherstellung
Material
Spezische Oberfläche nach
BET [m²/g]
Partikelgröße d
50,0
Aerosolmessung [nm]
Lithium-Eisenphosphat
15,2
140
Graphit
1720
140
Ruß (Carbon Black)
60,8
165
LiFePO
4
1 μm

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Aerosolmessung zur Abschätzung des inhalativen Risikopotenzials
Aerosolmessungen
0
50
100
0
100
200
300
400
500
600
700
Q0(x) %
Partikelgröße x [nm]
Lithium-Eisenphosphat (LFP)
Anzahlsummenfunktion
D
50,0
= 140 nm
50% aller gemessen Partikel sind < 140 nm und können in die
Alveolen gelangen

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Schutzmaßnahmen
Technische Schutzmaßnahmen
Geschlossene Anlage
Quellenabsaugung
Lüftungsmaßnahmen
Abzug Arbeiten nach Möglichkeit bei geschlossenen bzw. heruntergefahren Frontschieber, um
Heraustragen von Partikeln zu vermeiden
Vermeiden von zu hohen Einströmungsgeschwindigkeiten in den Abzug
Geringer mechanischer Energieeintrag
Persönliche Schutzmaßnahmen (z. B. Atemschutz)
Weitere
Sauberkeit am Arbeitsplatz
Vermeidung von Hautkontakt (Tragen von Handschuhen)
Ermittlung der Staubkonzentrationen am Arbeitsplatz
Biologisches Screening für belastete Mitarbeiter
Herausforderungen an Lufttechnik

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Seite 17
EU-Projekt: NanoValid
„Development of reference methods for hazard identification, risk
assessment and LCA of engineered nanomaterials“
30 Partner + 1 (US-EPA)
19 Länder (4 außerhalb Europas)
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und Fraunhofer IKTS
BAuA und BAM ebenfalls Partner
Laufzeit: Nov. 2011 – Okt. 2015
Entwicklung von Referenzmethoden für technische Nanomaterialien
www.nanovalid.eu

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Seite 18
EU-Projekt: NanoValid
Strategien zur Risikobewertung von Nanomaterialien
Studien zur Aufnahme in Umweltorganismen (Exposition)
Charakterisierung
Fall-Studien (z.B. unbeabsichtigte Freisetzung bei Unfällen)
Entwicklung von Standardprotokollen
Trainings-Aktivitäten, Workshops
www.nanovalid.eu

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Seite 19
Eisenbasierte Nanopartikel und Nano-
kompositstrukturen zur Schadstoffentfernung
aus Grund- und Abwässern (Fe-Nanosit)
Laufzeit Mai 2010 – April 2013
Nanomaterialien zur Grund- und Abwasserreinigung
Materialoptimierung: Katalyse, Stabilität, Reaktivität, Mobilität
eingehende Untersuchungen zur Toxikologie und Aufnahme in
Organismen
Nanosit
55,8
26

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RCl
+ 2e
-
+H
+
R
-H +
Cl
-
Activated Carbon +
Fe
0
2e
-
Fe
2+
Carbo-Iron®
Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung

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Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung
Kontrolle
10 mg/l Carbo-Iron
®
Keine Partikel-Aufnahme in Gewebe,
keine toxischen Effekte in Organismen
0.001
0.01
0.1
0
10
20
30
40
50
1
10
100
% Sterblichkeit
Konzentration Carbo-Iron
®

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Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung
• Erster Einsatz an einem verschmutzten Standort April 2012
• Handlungsempfehlungen “
Handhabungsempfehlungen und
Arbeitsschutzmaßnahmen für den Umgang mit den
Partikeln“
• sowohl für Herstellung als auch für zukünftige Anwender
(Herstellung der Injektionslösung aus Pulver, Durchführung der
Injektion)

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Seite 23
INOS
(Abgeschlossenes Projekt: Laufzeit Jan. 2006 – April 2009)
Untersuchung von möglichen toxischen Wirkungen von
technischen Nanopartikeln auf Mensch und Umwelt
In vitro Versuche mit humanen und Fischzellen
Aufnahmeverhalten
Genexpressionsstudien

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Seite 24
Particle Safety Laboratory (PSL)
unterstützt den sicheren Umgang mit Partikeln durch
Analysen und Beratung
1.
Physikalisch-chemische Analyse und
Charakterisierung
2.
Charakterisierung der zellulären Aufnahme und
hochauflösende mikroskopische
Untersuchungen
3.
Untersuchung der Zelltoxizität, Ökotoxikologie
und molekularen Wirkungsmechanismen
Literaturstudien

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Seite 25
"NanoCare: Auswirkungen
synthetischer Nanomaterialien auf den
Menschen"
„Erfassung, Bewertung und breitenwirksame
Darstellung von gesellschaftlich relevanten
Da
ten
und Erkenntnissen zu
Na
nomaterialien“
"NanoNature: Nanotechnologien
für den Umweltschutz - Nutzen
und Auswirkungen"
www.nanopartikel.info

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Seite 26
www.nanopartikel.info

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Seite 27
www.nanopartikel.info

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Seite 28
Danke für Ihre
Aufmerksamkeit!