Materials Science & Technology
Nachhaltige Innovation von Nanoprodukten
C. Som, M. Halbeisen
FACHTAGUNG NANO UND UMWELT, EMPA AKADEMIE, 26. Okt. 2009, Dübendorf
Nachhaltige Produkte
keine schädliche Wirkung für Mensch und Umwelt hohe Produkte-Qualität Minimierung der Fehlinvestitionen
Nachhaltige Innovation bedeutet maximaler Nutzen und minimale Risiken
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Risiko für Mensch und Umwelt
Risiko = schädliche Wirkung x Exposition
Das Risiko kann minimiert werden, indem die schädliche Wirkung und/oder die Exposition minimiert werden.
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Ausgangslage n
Nanomaterialien ermöglichen neue oder verbesserte Eigenschaften für Produkte - am Beispiel von Textilien: antibakteriell
UV-Schutz
verstärkt
leitend
flammhemmend
Färbbarkeit
wasserabweisend selbstreinigend anti-static
o ¾
Die Wirkungen der synthetischen Nanopartikel (NP) auf die Gesundheit und Umwelt sind noch unklar Sichere Produkte: Solange die Wirkung der NP auf die Gesundheit und Umwelt unklar sind, muss die Exposition gegenüber unabsichtlicher Freisetzung von NP aus Podukten während des Produkte-Lebenszyklus minimiert werden.
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Risiken Lebenzyklus des Produktes Exposition
Nutzung
Produktion
Entsorgung Abfälle
NP - Freisetzung
Technosphäre: Kläranlage, Kehrichtverbrennung, Deponie, Recycling Systeme Wirkung
”Schicksal” der NP
Ressourcen
Umwelt-Kompartimente: Wasser, Boden, Luft Biota
Mensch
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Nanomaterialien (NM) Nanomaterialien
Synthetische Nanopartikel (NP) (“nano-objects”, ISO 2008) Materialien mit Nanopartikel z.B. Nanokomposite
Nanostrukturierte Materialien
Materialien ohne Nanopartikel z.B. nanoporöse Fasern oder Beschichtung z.B. nanometer dünne Schichten
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Einbettung der NM in Textilien Nanotextilien ihre Funktion basiert auf Nanomaterialien Faserherstellung mit NP Veredelung mit NP Nanokomposit-Fasern
mit NP Nanofasern
mit NP
Nanofasern
NP
an der Faseroberfläche NP
in einer Beschichtung auf der Faseroberfläche
aus Kohlenstoffnanoröhrchen
Nanotextilien ohne NP Nanometer
dünne Beschichtungen Mikrometer dünne Beschichtungen mit Nanostrukturen Nanostrukturierte mikrometer grosse Partikel auf der Faseroberfläche oder in der Beschichtung Nanofasern ohne NP Selbstorganisierende Monoschichten Mikro- und nanostrukturierte Faseroberflächen Nanoporöse Fasern oder Beschichtungen Nanostrukturierte Oberflächen
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Interne Freisetzungsfaktoren - Design n
o
p
q
Ort der „Einbettung“ der NP: in Faser an Faseroberfläche in Beschichtung Bindung zwischen NP und Fasermaterial: kovalente Bindung ionische Bindung Wasserstoffbrücken Van-der-Waals-Kraft Art des NP: photokatalytisch aktiv/nicht aktiv NP Funktionalisierung des NP Benetzbarkeit der NP Art des Fasermaterials: physikalische und chemische Eigenschaften des Fasermaterials Querschnitt der Fasern Kompatibilität von Fasermaterial und Beschichtung
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Externe Freisetzungsfaktoren Externe Einwirkung
mechanisch
Produkt-Lebenszyklus Produktion
Nutzung
Entsorgung
x
x
x
(z.B. Reibung, Druck)
UV Wasser
x x
x
Schweiss
x
Mikroben
x
Lösungsmittel
x
x
Detergentien
x
x
Hitze
x
Materialalterung
x
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Minimale Exposition: Stabile Integration “Stabilitätsfaktoren”
Stabilität der Integration der NP tendenziell höher
tendenziell tiefer
in der Faser
an der Faseroberfläche
vollständig in der Faser eingebettet
nur teilweise in der Faser eingebettet
im Kern einer Kernmantelfaser
im Mantel einer Kernmantelfaser
in der Faser
in der Beschichtung
in beschichteter Faser
in unbeschichteter Faser
o Bindung zwischen NP und Textil
kovalent
nicht kovalent
p Eigenschaft der NP
nicht photokatalytisch
photokatalytisch
Benetzbarkeit hoch
Benetzbarkeit tief
resistent gegenüber Reibung
wenig resistent gegenüber Reibung
NP in flexibler Beschichtung
NP in spröder Beschichtung
n Ort der NP
q Eigenschaft des Textils
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Zwischenbilanz
Unabsichtliche Freisetzung der NP oder anderer nanoskaligen Materialien während jeder Phase des Produkt-Lebenszyklus möglich Viele verschiedene NP und Nanomaterialien in Textilien einsetzbar Abklärung der Wirkung auf Mensch und Umwelt und technische Systeme dauert noch Jahre. Unabsichtliche Exposition beeinflussbar durch das “Design” der Textilien und der Berücksichtigung der äusseren Einwirkungen über den Produkt- Lebenszyklus Je weniger NP unabsichtlich freigesetzt werden, desto höher ist die Produktequalität
nachhaltige Nanotextilien = hohe Produktequalität FACHTAGUNG NANO UND UMWELT, EMPA AKADEMIE, 26. Okt. 2009, Dübendorf 11
Chancen und Risiken sinkender/steigender Energie- und Material-Verbrauch
Einsatz nachwachsender Ressourcen
sinkende /steigende Ausbeutung und Verlust von seltenen Ressourcen Einsatz/Substitution von gefährlichen Substanzen
Produktion Ressourcen
vereinfachtes/erschwertes Recycling
produktübergreifende Kontaminierung
Nutzung
Entsorgung Abfälle
NP - Freisetzung
Technosphäre: Kläranlage, Kehrichtverbrennung, Deponie, Recycling Systeme Umwelt-Kompartimente: Wasser, Boden, Luft Biota
Mensch
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Schlussfolgerungen
Die systematische Abschätzung der Chancen und Risiken eines neuen Produktes über den Produktlebenszyklus fördern nachhaltige Produkte von hoher Qualität und Funktionalität. Neben den Risiken für die Gesundheit und Umwelt können auch weitere Risiken minimiert werden:
Fehlinvestitionen in wenig ertragreiche Entwicklungspfade Probleme mit zukünftiger Gesundheit/Umwelt/Abfall-Regulation teure Materialien hoher Energieverbrauch und schlechte Konsumenten-Akzeptanz.
nachhaltige Nanotextilien = erfolgreiche Produkte FACHTAGUNG NANO UND UMWELT, EMPA AKADEMIE, 26. Okt. 2009, Dübendorf 13
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Dieses Projekt wurde finanziert durch:
Weitere Information: www.empa.ch/nanosafetextiles
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