4 Material und Umwelt
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Summary: A screening test for potential emissions of volatile organic compounds (VOC) was run on different thermoplastic filaments used for 3D printing. The method of direct thermal desorption was used to simulate the high temperatures during the 3D printing process and to identify the main compounds emitted from the filaments. A large number of unexpected compounds were detected that might affect the user’s health and have an impact on indoor air chemistry.
Introduction: The use of desktop 3D printers is increasing. Compared to other devices with known emissions, e.g. laser printers, there is still a lack of information on possible emissions of VOC and ultrafine particles during operation and the effect on indoor air quality. Most of the commercially available desktop 3D printers operate with a molten polymer deposition. For this process a solid thermoplastic filament is heated in an extrusion nozzle. Most filaments for desktop 3D printers use either acrylonitrile butadiene styrene (ABS) or polylactic acid (PLA) as filament. Alternatives are polyvinyl alcohol (PVA) or polycarbonate (PC).
Method: Eight different thermoplastic filaments for 3D printers were analysed by direct thermal desorption followed by GC-MS identification of the emitted substances. Direct thermal desorption was done by desorbing 5 mg of the feedstock for 1 minute at a temperature of 210°C. This is an average temperature for 3D printing with thermoplastic filaments.
Results and conclusions: The comparison of the 4 different filament groups showed the highest overall emissions from ABS, followed by PLA, PC and PVA. Filament ABS 2 emitted mainly SVOCs and triphenyl phosphate, the latter has the highest emission for a single compound from all evaluated filaments.
Thermoplastic filaments are a new source of VOC emissions due to the high temperatures associated with 3D printing, which can reach up to 270°C. Some of the detected compounds like lactic acid, lactide and bisphenol A have never been described before in the indoor environment. Additionally some of the main substances could not be identified and some others might have the potential to affect the indoor air chemistry.
The appearance of some newly detected compounds raises concerns about potential health effects for the users of 3D printers at home.
3D-printing or additive manufacturing has many promising and unique advantages. Especially low cost molten polymer Deposition Printers are increasingly populär in the private and educational sector.
Their environmental friendliness can be questioned due to recently reported ultrafine particle and suspected VOC emissions, To further investigate 3D-printing as a potential indoor air pollution source we characterized fine and ultrafine particle emissions from a molten polymer deposition printer producing a 3D object with ten marketable polymer filament materials under controlled conditions in a test chamber. VOC emissions from the filaments have also been compared. Using a straightforward emission model time dependent and averaged particle emission rates were determined. The results indicate that under comparable conditions some filament materials produce mainly ultrafine particles up to an average rate of 1013 per minute. This value is in the upper ränge of typical indoor ultrafine particle sources (e.g. Smoking, frying, candle light, laser printer). The observed material-specific rates differ by five Orders of magnitude. Filament-specific gaseous emissions of organic compounds such as bisphenol A, styrene and others were also detected.
Our results suggest a detailed evaluation of related risks and considering protective measures such as housing and filtering.
Mit dem Fokus auf eine saubere Innenraumluft wird darauf eingegangen, welche Emissionen aus Materialien und Produkten es gibt und wie sie nach Art und Flüchtigkeit definiert sind und wie sie gemessen werden. Im weiteren wird dargestellt, was und wie viel aus Materialien und Produkten emittieren kann und wie die Emissionen zu bewerten sind. Hierbei wird auch auf besonders emissionsarme Materialien und Produkte eingegangen.
There is a need for an assessment of the emission properties of volatile organic compounds (VOCs) from consumer products. A method comparison was carried out to evaluate adapted and cost-effective procedures for such items. Smaller and automated emission chambers depicted similar kinetics compared to a 203 L standard chamber. Toy samples made of PVC (Polyvinyl chloride) emitted more VOCs compared to other tested polymeric products. The emissions from 2 selected samples were studied to allow an evaluation of the resulting room concentration and external exposure of a child. Obtained concentrations were not of concern.
Museums worldwide are equipped with different display cases. Exhibit display cases should protect cultural objects from dust as well as from mechanical and physical damage. To ensure a stable climate inside the display cases, a low air exchange rate is maintained. Typically air exchange rates are often smaller than 0.1 d 1, which can result in rising concentrations of potential harmful immissions inside of the display cases due to emissions from materials. Especially high concentrations of organic acids, which can emit from e.g. sealing materials, can produce damage of cultural objects. In 2012 BAM introduced a procedure witch is called: BEMMA-Scheme (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen) which stands for: “Assessment of Emissions from Materials for Museum Equipment”. Micro chambers are used for VOC emission tests of display case construction materials, e.g. textiles, plastics, sealing material, coatings and others. Each sampling procedure is carried out in duplicate. Emissions like formic acid, acetic acid, formaldehyde and oximes are excluded and the sum of emissions of VVOCs, VOCs and SVOCs is limited. For a positive assessment all listed criteria must be fulfilled; otherwise the display construction material fails the BEMMA scheme. The BEMMA scheme is not a guarantee for an emission free display case, but a necessary requirement for the choice of suitable materials for emission and immission reduced display cases.
Bauprodukte, die in Innenräumen verwendet werden, sollten die Gesundheit und das Wohlbefinden der Personen die sich darin aufhalten nicht durch das Ausdünsten von Geruchsstoffen stören. Die DIN ISO 16000-28 „Bestimmung der Geruchsstoffemissionen aus Bauprodukten mit einer Emissionsprüfkammer“ (DIN ISO 16000-28) beschreibt umfassend die Möglichkeiten der Geruchsprüfung. In Verbindung mit der Anwendung der VDI-Richtlinie 4302 Blatt 1 „Geruchsprüfung von Innenraumluft und Emissionen aus Innenraummaterialien“ (VDI 4302 Blatt 1) ist sie zur Bewertung der empfundenen Intensität von Bauprodukten mit Vergleichsmaßstab geeignet (Umweltbundesamt 2015). In einem vom Umweltbundesamt (UBA) geförderten Forschungsprojekt der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW Berlin) und der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) wurden erstmals verschiedene Vergleichsmaßstäbe miteinander verglichen. Ziel des derzeitigen Folgeprojektes ist nun, Mindestanforderungen an Vergleichsmaßstäbe zu erarbeiten, welche die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhöhen und mit denen die Norm konkretisiert werden kann. Dieser Beitrag stellt die Untersuchungen und Ergebnisse des ersten Projektes und die Schlussfolgerungen für die Durchführung des zweiten Projektes dar.
Indoor air quality is affected by the emission of volatile organic compounds (VOC) or the odour from building products. Odours can be measured by applying the standard ISO 16000-28:2020.
In the study presented here proposals for further technical development of the ISO method are presented. The sampling procedure and evaluation
method of the perceived intensity are investigated in particular because they have a major influence on reproducibility of measurement results.
Bauprodukte und Einrichtungsgegenstände für Innenräume, wie Bodenbeläge und Wandpaneele, sollen das Wohlbefinden und die Gesundheit der Raumnutzerinnen und -nutzer nicht durch das Ausdünsten von Geruchsstoffen stören. Mit der Geruchsprüfung nach ISO 16000-28 „Innenraumluft - Bestimmung der Geruchsstoffemissionen aus Bauprodukten mit einer Emissionsprüfkammer“ wird der Produktgeruch zu einer messbaren Größe. So kann z. B. die empfundene Intensität, also die Stärke eines Geruchseindruckes, mit Hilfe eines Vergleichsmaßstabes von Probandinnen und Probanden ermittelt werden. Im hier vorgestellten Projekt werden Vorschläge zur Weiterentwicklung der Methode vorgestellt, um im Ergebnis die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse weiter zu verbessern. Dabei werden vor allem das Probenpräsentationssystem und die Bewertungsmethodik für die empfundene Intensität bei der Bewertung von Bauprodukten gemäß AgBB-Schema betrachtet, da diese einen wesentlichen Einfluss haben.
The ISO 16000-6 standard describes a method for the determination of volatile organic compounds (VOCs) in indoor and test chamber air by sorbent-based active sampling, thermal desorption and gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS). It also gives directions to adapt this methodology to very volatile organic compounds (VVOCs). Indeed, toxicologically based guideline values are being implemented for these compounds and it becomes necessary to measure them. But a comprehensive and robust measurement method is lacking. This work highlights the points that still need to be explored towards the standardisation of a suitable procedure: investigations on sorbent combinations, the suitability of chromatography columns and the use of gaseous standards are required. The biggest challenge remains in the fact that strong sorbents adsorb water together with VVOCs. Water may impair the analysis and the optimal approach to eliminate it is still to be found and integrated into the sampling strategy.
Die passive Probenahme von VOC (Volatile Organic Compounds) mit Tenax® TA und Thermodesorption GC/MS Analytik ist eine einfache, kosteneffiziente und repräsentative Methode zur Bestimmung der VOC-Konzentrationen in der Innenraumluft. In der Theorie ist die Stoffaufnahme in den Passivsammler nur abhängig vom Diffusionskoeffizienten der Substanz in Luft und der Geometrie des Sammlers (ideale Adsorption). Um sie zu charakterisieren, wird die Aufnahmerate (UR), definiert als Quotient der Massenaufnahme und dem Produkt aus Konzentration und Expositionszeit, verwendet. Viele effektive Aufnahmeraten (UR,eff) unterscheiden sich beträchtlich von idealen (theoretischen) Werten (UR,id). Literaturwerte sind in nationalen und internationalen Normen lediglich für bestimmte Expositionszeiten vorgegeben, während detaillierte Informationen über den zugehörigen Konzentrationsbereich fehlen. Außerdem ist die Anzahl der insgesamt in der Literatur beschriebenen Substanzen begrenzt. Das Ziel der vorgestellten Studie ist es diesen Fundus an Aufnahmeraten zu begutachten und zu prüfen und ihn durch die Bestimmung eigener qualitätsgesicherter Laborwerte zu ergänzen. Die bestimmten Aufnahmeraten werden als akkurat bezüglich ihrer relativen Standardabweichung und Vergleichbarkeit zu Literaturwerten betrachtet und können für Expositionszeiten von 7 Tagen bei Konzentrationen von 50 100 µg/m³ (ca. 100 300 ppm min) empfohlen werden. Die Sieben Tage Aufnahmeraten aus ISO16017 2 und ASTM D6196 sind nicht generell für diesen Zweck geeignet, wie exemplarisch für Benzol gezeigt wurde.