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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