4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (137) (entfernen)
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.
Nach 1850 wurde zur weiteren Herabsetzung der Einbrenntemperatur von Glasmalfarben Borax (Na2B4O7 · 10 H2O) zugesetzt. Das Verhältnis war nun 1 Teil SiO2, 3 Teile PbO und 0,5 Teile Borax. Der analytische Nachweis von Bor in eingebrannten Malschichten war bisher jedoch nicht möglich.Daher wurden in Laborversuchen Glasmalfarben mit unterschiedlichem Gehalt an Borax auf Modellgläser aufgetragen, eingebrannt und anschließend unter simulierten Umweltbedingungen zeitraffend im Klimaschrank bewittert.
Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können Malschichten charakterisiert werden und somit Hinweise auf mögliche Schadensursachen liefern. Erste Versuche zum Nachweis von Bor erfolgten mit Hilfe von LIBS-Messungen (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) an im Labor hergestellten Glasmalfarben mit unterschiedlichem Boraxgehalt.
Nach 1850 wurde zur weiteren Herabsetzung der Einbrenntemperatur von Glasmalfarben Borax (Na2B4O7 · 10 H2O) zugesetzt. Das Verhältnis war nun 1 Teil SiO2, 3 Teile PbO und 0,5 Teile Borax. Der analytische Nachweis von Bor in eingebrannten Malschichten war bisher jedoch nicht möglich.
In Laborversuchen wurden Glasmalfarben mit unterschiedlichem Gehalt an Borax auf Modellgläser aufgetragen, eingebrannt und anschließend unter simulierten Umweltbedingungen zeitraffend im Klimaschrank bewittert. Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können Malschichten charakterisiert werden und somit Hinweise auf mögliche Schadensursachen liefern. Der Nachweis von Bor erfolgte mit Hilfe von LIBS-Messungen (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) an im Labor hergestellten Glasmalfarben mit unterschiedlichem Boraxgehalt.
Initial situation:
Aluminum is an often-used building material in modern architecture, not only for construction but as well for facades and decorative elements. In the 1950th and 1960th, after World War II, many buildings in Germany were constructed with aluminum or contain elements of colored anodized aluminum. In the last years a larger number of these buildings are increasingly in the sight of conservation works including the aluminum parts such as window frames or facade coverings.
Damaged Aluminum Surfaces:
Common damages are a change of color or gloss changes through weathering processes, drill holes or marks due to later modifications, scratches in the anodized layer due to extensive wear e.g. at handrails or door handles.
To repair damaged aluminum surfaces, there are usually two options: smaller damaged areas are repaired by using a touch-up pen. In case of larger damages, the complete re-anodization is necessary. This includes to de-anodize the surface with cleaning and grinding the whole aluminum object. Both possibilities are disadvantageous for the objects. The touch-up pen often does not match the color of the original surface together with an insufficient corrosion protection for outdoors. While the newly anodized surface differs in color and gloss from the originally applied color.
Research Approach:
The whole procedure contrasts with the principal approach in conservation which aims to intervene as less as possible, in case of the conservation of an object. To fulfill this approach in a more appropriate way the research project focuses on a mobile and partial application for colored, anodized aluminum parts.
To anodize aluminum the application of an electrolyte onto the surface together with sufficient voltage and current is necessary. Generally diluted sulfuric acid is used as electrolyte. Different possibilities are examined to enable the mobile application of the electrolyte, e. g. the application by producing a gel matrix or like in electroplating by pen or brush wrapped with a fleece fabric.
Experimental part:
First experiments are conducted to examine the structure of the anodized layer in relation with proper cleaning, anodization time with applied voltage and current and the coloring process. The aim was to reduce the preparation procedure and the anodization time as much as possible to facilitate the mobile application.
Examinations with Keyence microscope, Eddy current testing and REM are performed to characterize the layers. The results are shown in table 1. A clear connection between proper cleaning, anodization time, voltage and amperage and the achieved thickness of the anodized layer is significant. Cracks in the layer show that raising the voltage and amperage results in thicker layers but as well in a crumbled and less stable anodized surface.
Gel preparation:
In addition to the anodization process with a liquid e.g. sulfuric acid a gel application is tested to prevent the electrolyte from rinsing down during the mobile application. For this purpose, several gel-forming agents are tested together with their stability in acid systems. It was observed, that the consistency of the gels varies dependent of the time.
Conductivity:
The conductivity of sulfuric acid combined with different gel-systems was measured and compared in order to predict the possible growth of layers during anodic oxidation process.
Further steps:
Determination and optimization of application parameters like voltage, amperage and anodization-time to build up a preferably stable and sufficient thick anodized layer. Examination of gel preparation to guarantee a stable product, enforcing with textile tape for easy application.
Ziel des Projektes war es, schwermetallfreie Schmelzfarben für den Einsatz auf einem Digitaldrucker zu entwickeln. Dafür sollten die Glasfarben, bei Temperaturen unter 630°C verarbeitbar und deren Eigenschaften kompatibel mit denen von Floatgläsern sein. Zudem sollte die aufgeschmolzene Farbe transparent und im Außenbereich eingesetzt beständig sein. Weiterhin mussten die Farben eine Partikelkorngröße kleiner als 20µm besitzen, um die Druckköpfe des Digitaldruckers nicht zu verstopfen. Gute Dispergierbarkeit, thixotropes Verhalten und eine schnelle Trocknung waren weitere Voraussetzungen. Die Ersetzung von PbO durch ZnO und Bi2O3 wurde getestet und zeigte positive Ergebnisse. Ein geeigneter Mahl-und Dispergierprozess wurde entwickelt. Bei der Firma „glas&räume“ wurden die Musterfarben getestet und zeigten ein gutes Druckverhalten. Bedingt durch das Tintenstrahlverfahren erreicht der Farbauftrag keine 100%ige Transparenz. Trotzdem erscheint die transparente keramische Schmelzfarbe im Vergleich zur Verwendung von opaker Schmelzfarbe tatsächlich völlig transparent. Der Unterschied ist signifikant und öffnet so ein neues Kapitel im keramischen Digitaldruck.
Sintered bioactive glass scaffolds of defined shape and porosity, e.g. made via additive manufacturing, must provide sufficient bioactivity and sinterability. As higher bioactivity is often linked to high corrosion and crystallization tendency, a certain compromise between sintering ability and bioactivity is therefore required. Groh et al. developed a fluoride-containing bioactive glass (F3), which allows fiber drawing and shows a bioactivity well comparable to that of Bioglass®45S5.
To study whether and to what extent the sinterability of F3 glass powder is controlled by particle size, coarse and fine F3 glass powders (300-310µm and 0-32µm) were prepared by crushing, sieving and milling. Sintering, degassing and phase transformation during heating were studied with heating microscopy, vacuum hot extraction (VHE), DTA, XRD, and SEM.
For the coarse glass powder, sintering proceeds slowly and is limited by surface crystallization of primary Na2CaSi2O6 crystals. Although the crystallization onset of Na2CaSi2O6 is shifted to lower temperature, full densification is attained for the fine powder. This finding indicate that certain porosity might be tuned via particle size variation. Above 900°C, intensive foaming is evident for the fine powder. VHE studies revealed that carbon species are the main foaming source.
Two new approaches towards an emission reference material for use in quality assurance measures for materials emissions testing were developed and intensively tested. The overall goal was to obtain solid materials with homogenous and reproducible (S)VOC release. Since the application in inter-laboratory comparisons is aimed at, it should furthermore be long-term stable to ensure safe shipment to the customer without sustaining compound losses. In the first approach, thermoplastic polyurethane (TPU) was impregnated with the VOC texanol under high-pressure with liquid CO2 as solvent. In the second, styrene (VOC) and the SVOC 2,6-diisopropylnaphthalene (DIPN) were spiked into vacuum grease (VG) and a mixture of paraf-fin/squalane (P/S). For the prediction of the emission rates a finite element model (FEM) was developed for the VG and P/S type materials. All requirements for reference materials were fulfilled, whereas the TPU samples need to be aged for about 10 days until repeatable and reproducible emission rates were obtained.
The properties of nanomaterials are influenced not only by their chemical composition but also by physical properties (such as size, geometry and crystal structure). For the reliable determination and assessment of behaviour and effects of nanomaterials as well as for the determination of the exposure of humans and environment a comprehensive physical-chemical characterization of nanomaterials is essential. This is an important prerequisite to identify them as nanomaterials and to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials.
In 2006, the OECD launched a sponsorship program for the testing of nanomaterials in which 11 nanomaterials were thoroughly investigated using a variety of methods. The aim of the project was, among other things, to find out where problems occur and where there are gaps in the measurement and test procedures and where are changes required. An important outcome of the sponsorship program was the finding that the OECD Test Guidelines should in several cases be extended to the specific needs in testing of nanomaterials. The existing standardized test methods of the OECD for physical-chemical characterization have not been developed for nanomaterials in particular. A high demand for an extension of the test guidelines was identified. Germany complied with the OECD's request in 2017 and has agreed to extend the “Test Guideline on Particle Size Distribution / Fiber Length and Diameter Distributions Test Guideline” for Manufactured Nanomaterials (MN). UBA commissioned BAM and BAuA with the preparation of the Test Guideline. The aim of the project is the development of a harmonized test protocol for a valid and reproducible determination of particle size and size distribution which is one of the most relevant physical-chemical properties for MNs.
Different measuring methods provide different results for the size distribution of the particles. This is caused by the different measuring principles of the methods. Each method measures a specific parameter that ultimately determines particle size. First, the measured quantity differs for each method (Scattered light intensity, 2D image / projection, electric mobility, etc.). Second, the calculated diameters of the MN may differ (Feret Diameter, Area Projection, Mobility Diameter, Aerodynamic Diameter, Hydrodynamic Diameter). Third, a measuring method provides a size distribution which is measured either mass-based, surface-based or number-based. A conversion between the results requires additional parameters and thus possibly increases the measurement error.
In addition to the technical differences, the individual parameters are strongly influenced by the structure and material of the nanoparticles. For example, a surface functionalization can lead to very different results in the size distribution. The suitability of measurement methods differs with the material of the MN. As a result, two very different results can be measured for the particle size distribution using two different methods, which are nevertheless both correct. Several large projects in recent years therefore concluded that nanomaterials should be characterized by at least two complementary method. Imaging techniques are regarded as one of these methods for the characterization, the complementary methods are supposed to be statistical methods.
The different results for the size distribution of nanomaterials become problematic for the registration of new MN. A comparable and reproducible size distribution is a prerequisite for a standardized registration. In the future, the particle size distribution in the EU will also decide on the classification of a substance as a nanomaterial or as a non-nanomaterial. Especially in borderline cases, a standardized and comparable measurement methodology is therefore essential.
The new OECD test guideline will address the following four main steps in the determination of the length and width distributions of fibers: sample preparation, image acquisition, data evaluation and uncertainty analysis. As the sample preparation has to be optimized for each material, general quality criteria will be given in the protocol. For full visibility of a fiber the appropriate resolution has to be chosen. In the data evaluation the length and diameter of each fiber will be determined concurrently to allow for application of different regulatory definitions. The quality of the results critically depends on the sample preparation as well as the data evaluation. In this step the classification rules have to be formulated and followed accurately in order to optimize reproducibility of the method. The SOP will be validated in an international round robin test, which is planned for 2018/2019.
The OECD test guidelines (TGs) for testing chemicals have been widely used for regulatory purposes all over the world since the establishment of the Mutual Acceptance of Data (MAD) principle in 1984. This MAD principle ensures that, if a chemical is tested under the Good Laboratory Practice (GLP) conditions accordingly to an OECD TG, the data should be accepted in all OECD countries. The TGs have been developed, harmonized, internationally validated (round robin tests) and adopted by OECD countries to be used for the physical-chemical characterisation, fate estimation, and hazard identification for risk assessment of various chemicals. In addition to the TGs, OECD Guidance Documents (GDs) usually provide guidance on how to use TGs and how to interpret the results. These GDs do not have to be fully experimentally validated, and hence they are not under MAD, but they are based on relevant published scientific research.
But are the existing TGs and the related GDs applicable and adequate for the regulatory testing of nanomaterials? In general, it is accepted that most of the "endpoints" or more precisely measurement variables are applicable also for nanomaterials. However, for some endpoints new or amended TGs are needed. In addition, several GDs are needed to give more precise advice on the test performance in order to gain regulatory relevant data on nanomaterials.
The poster will present the status quo on recent TGs and GDs development for nanomaterials at OECD level with relevance for physical-chemical characterisation. Emphasis will be given to the proposed OECD TG on particle size and size distribution for manufactured nanomaterials. The development of such a TG is of special importance as particle size and size distribution is considered as major information for nanomaterial identification and characterization. A reliable and reproducible characterisation of particle size and size distribution is also needed for chemicals risk assessment of nanomaterials, for instance to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials. The presented poster will illustrate the way from the idea for a new TG and new GD to an accepted OECD TG/GD.
Today glass is broadly used in modern architecture. For applications indoor it is possible to produce decor glass by using enamel colors and glass painting techniques without any problems. However, this is more limited for applications outdoor. Humidity and environmental pollution attack the surface of the coating and damage it strongly. There are only few colors on the market which are resistant towards acids and bases until now. Additionally, most of those colors are opaque. In order to extend the color palette, chemically resistant colored glasses are being developed which are transparent, relatively low melting and intensively toned even in thin coat thickness. To achieve such ambitious aim, many parameters have to match which act in complex manner. Metal oxides were used to color the glasses. A lead-free glass composition was developed to avoid an exposition of heavy metals to the environment. The glasses were characterized, in particular in terms of their thermal properties, their crystallization and corrosion behavior as well as their chemical and environmental durability. Different practical applications will be shown.
Fluorometric sensing is a versatile approach for trace analysis outside of the laboratory, requiring suitable sensor materials and their integration into sensing devices. The versatility of fluorophores as probes, especially in terms of the possibility to tailor their optical as well as their recognition properties by synthetic modifications in a wide range, renders them as superior active component for the preparation of optical sensing devices. Recent works at BAM in this field include, for example, the detection of nerve gas agents, illustrating impressively the aforementioned benefits of fluorophores in optical sensing applications.
In the interdisciplinary project presented here, we target hazardous gases such as ammonia, benzene, and hydrogen sulfide, next to others, which pose a major threat to human health and environmental safety and for which the availability of a sensitive and reliable detection method is highly desirable. The dyes presented follow a “turn-on” fluorescence schematic, which allows for the selective and sensitive detection of the respective gaseous analyte. The immobilization of the probe in polymeric matrices is then the next step toward the fabrication of a prototype device for molecular sensing. Further steps in the project include the assembly of instruments for test-atmosphere generation, the referencing of the sensor system, development and implementation of an optical setup, and the testing of the prototype device under laboratory conditions and in the field.
In this presentation, we give an overview over the recent developments on this topic in our groups. Highlights are hydrogen sulfide sensitive, BODIPY based transition metal complexes, which allow for a sensitive as well as selective detection of the toxic gas. In addition, we present a novel class of highly substituted BODIPY derivatives – pocket-BODIPYs – which are of a synthetically high versatility and can readily be modified to create pockets in the periphery of the molecule of defined geometries. This is illustrated on the successful encapsulation of benzene by a pocket-BODIPY derivative, confirmed by X-ray crystallographic analysis as well as by further spectroscopic and analytical methods.
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.
Comparison of Formaldehyde Concentrations in Emission Test Chambers Using EN 717-1 and EN 16516
(2018)
For many years EN 717-1 (Wood-based panels - Determination of formaldehyde release - Part 1: Formaldehyde emission by the chamber method) is the standard for formaldehyde emission testing of wooden boards. In 2017 EN 16516 (Construction products - Assessment of release of dangerous substances - Determination of emissions into indoor air) was published as a new harmonised standard for the emission testing of construction products. Because test chamber conditions are different, both standards give different concentrations for formaldehyde. For the determination of a conversion factor four test series were set up with different wooden boards.
In Vorbereitung einer Restaurierung erfolgten naturwissenschaftliche Untersuchungen zu Schadensphänomenen und Glaszusammensetzungen an mittelalterlichen Gläsern aus der Dorfkirche in Koszewko (Polen)im Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) mit EDX. Die Ergebnisse zeigen, dass die Glasverwitterung schon sehr stark vorangeschritten ist und ein zukünftiger Schutz der mittelalterlichen Glasmalereifelder vor Umwelteinflüssen unbedingt notwendig ist. Es wurde ein Schutzverglasungsystem entwickelt, das speziell auf den langfristigen Erhalt der einzelnen mittelalterlichen Glasmalereifelder ausgelegt ist.
Der Mensch verbringt die überwiegende Zeit des Tages in Innenräumen von Gebäuden. Der Aufenthalt in Innenräumen umfasst das Wohnen, Bürotätigkeiten oder auch Nutzung öffentlicher Gebäude wie Kindertagesstätten, Schulen, Sporthallen und Bibliotheken. Um Innenräume von Gebäuden ohne Gefährdung für die menschliche Gesundheit nutzen zu können, müssen diese bei ihrer Errichtung und Verwendung dauerhaft die an sie gestellten hohen Anforderungen zu Gesundheit und Hygiene erfüllen. Die Innenraumluftqualität und ihre Wahrnehmung durch die Raumnutzer spielt für das individuelle Wohlbefinden und die Gesundheit eine entscheidende Rolle.
Dieses Buch richtet sich bevorzugt an Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauherren aber auch an Bauproduktehersteller. Ihnen allen fällt die wichtige Aufgabe zu, Aufenthaltsräume von Gebäuden durch eine gezielte Bauproduktverwendung zu gestalten und dauerhaft nutzbar zu machen. Die Frage, ob der Aufenthalt in Gebäuden den Menschen gesundheitlich beeinträchtigen oder sogar krank machen kann, hängt wesentlich von der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung der Raumluft ab.
„Innenraumluftqualität und Bauprodukte“ enthält Angaben über wichtige Inhaltsstoffe der Raumluft und damit verbundene Einflussfaktoren, und geht im Besonderen auf Emissionen aus Bauprodukten ein. So vermögen Bauprodukte oftmals als großflächige Emissionsquellen die Innenraumluft mit verschiedenartigen Stoffen und Stoffgemischen anzureichern, mit der Folge, dass Raumnutzer diesen dauerhaft und teilweise intensiv ausgesetzt sind.
Das Buch vermittelt wichtige Erkenntnisse über flüchtige organische Verbindungen (VOC) aus Bauprodukten sowie deren Verhalten in der Raumluft etwa in Bezug auf Emissionsdauer, Hausstaubdeposition und Sekundärquellenbildung. Auf spezifische VOC-Einzelstoffemissionen – sehr flüchtige (VVOC) bis hin zu schwerflüchtigen (SVOC) – und einzelne chemische Stoffgruppen in Zusammenhang mit ihrem Vorkommen in Bauprodukten wird eingegangen.
Die wesentlichen Voraussetzungen und die Bedeutung einzelner VOC und VOC-Stoffgemische für die Expositionssituation und die Gesundheit von Raumnutzern werden in einem eigenen Kapitel beschrieben. Wichtige Kenntnisse über gesundheitliche Stoffwirkungen werden transparent erläutert. Angesprochen werden der inhalative Aufnahmepfad, Effekte durch Reizstoffe an den Atemwegen, andere toxische Wirkungen und die Auswirkungen von geruchsintensiven und -belästigenden Stoffen.Das Kapitel „Bewertung der Innenraumluftqualität“ vermittelt die allgemein anerkannte Vorgehensweise zur Beurteilung der Luftqualität und erstreckt sich auf chemische Stoffe, Geruchseinwirkungen sowie auf das Edelgas Radon. Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauherren werden in die Lage versetzt, die Bedeutung und Anwendung verschiedener Beurteilungsparameter und ihre Beurteilungswerte anschaulich nachzuvollziehen und deren Verwendung in Beurteilungen und Prüfberichten gezielt einzuordnen. Im Detail wird die notwendige Abgrenzung der Verwendung der Begrifflichkeiten „Grenzwerte“ und „toxikologisch begründete Innenraumluftrichtwerte des Ausschusses für Innenraumrichtwerte (AIR)“ mit den dazugehörigen aktuellen Richtwerten (RW II bzw. RW I) erklärt. Auch die Bedeutung und der Anwendungsbereich internationaler Beurteilungen der WHO und der europäischen Chemikalienbewertung (REACH) werden erläutert. Das Buch liefert Informationen über die Ermittlung und Verwendung statistisch abgeleiteter Beurteilungswerte, die als Referenzwerte definiert sind.
Die Ergebnisse aktueller Referenzwertstudien zum Vorkommen einzelner VOC und von VOC-Stoffgemischen als Summe aller nachgewiesenen VOC (TVOC-Wert) in Wohnräumen, Büros und auch öffentlichen Gebäuden wie Schulen – einschließlich ihrer Methodik und Analytik – werden erläutert und diskutiert. Der Verwendungszweck eines Bauproduktes in Gebäuden zwingt dazu, bereits vor dessen Einbau mittels konkretisierten Produktanforderungen eine Beurteilung des Gesundheitsschutzniveaus für die späteren Raumnutzer zu gewährleisten. Daher sind alle am Bau beteiligten Personen wie Bauplaner, Architekten, Bauingenieure und Bauproduktehersteller gefordert. Zwar treten in den Bauproduktemissionen viele VOC in eher geringeren Konzentrationen auf, jedoch zeigen einige nachweisbare Einzelstoffe sowohl Reizeffekte oder andere toxische Wirkungen als auch erhebliche Geruchsintensitäten auf.
„Innenraumluftqualität und Bauprodukte“ geht aus diesem Grund zwei bedeutsamen Fragen nach: Wie lässt sich das Gefährdungspotenzial der emittierten VOC aus Bauprodukten bevorzugt bewerten und wie lassen sich die Anforderungen an den Aufenthaltsraum zum Gesundheitsschutzniveau in Bezug auf Bauproduktemissionen prüfen, beurteilen und letztlich gewährleisten?
Hierzu gibt das Buch aktuelle Informationen zum anerkannten Prüf- und Bewertungsverfahren vom Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten (AgBB). Über das breit etablierte AgBB-Schema zur gesundheitlichen Beurteilung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC) aus innenraumrelevanten Bauprodukten wird im Detail nachvollziehbar berichtet. Im Fokus steht die Anwendung des AgBB-Schemas in der Praxis. In einem umfangreichen Kapitel wird auf die Durchführung von Materialemissionsmessungen sowie Bewertungen der Geruchsemissionen und die dafür notwendigen Voraussetzungen eingegangen. Abbildungen und Messberichte geben einen weitreichenden Einblick zum Verständnis einer Prüfkammeruntersuchung auf flüchtige organische Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC). Zur Verdeutlichung werden beispielhaft Messdaten angeführt zu unterschiedlichen Bauprodukten, wie Bodenbelägen, Bodenbelagsklebstoffen, Holz und Holzwerkstoffen, Lacken und Farben,
Kunstharzfertigputzen und Dichtstoffen. Das Buch bietet tabellarische Übersichten über das Vorkommen und die Konzentration ermittelter VOC-Emissionen aus Bauprodukten verschiedener Produktgruppen und zeigt Möglichkeiten auf, wie in der Praxis bestimmte SVOC-Emissionen, etwa Flammschutzmittel und Biozide, sowie Sekundäremissionen aus Bauprodukten analysiert und quantifiziert werden können. Darüber hinaus gibt es einen Überblick über die geltenden baurechtlichen Anforderungen in Bezug auf Hygiene und Gesundheit. Öffentlich-rechtliche Mindestforderungen zur Sicherstellung des Gesundheitsschutzniveaus für in Innenräume von Gebäuden eingebrachte Bauprodukte werden mit den zugrunde zu legenden Bestimmungen der Musterbauordnung (MBO) und ihrer neuen Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) beschrieben.
Eigens wird ein Einblick in rechtliche Regelungen – in Bezug auf die gesundheitsbezogenen Anforderungen an bauliche Anlagen, die über die „Anforderungen an bauliche Anlagen bezüglich des Gesundheitsschutzes (ABG)“ konkretisiert sind – gegeben. Es wird ersichtlich, dass die Anforderungen für Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VVOC, VOC, SVOC) aus Bauprodukten mindestens denen des AgBB entsprechen. Die in Europa noch lückenhafte und unvollständige Harmonisierung der Normen zum Gesundheitsschutz wird dargelegt. Das Buch leistet so Hilfestellung, um trotzdem gemäß den MBO- bzw. MVV TB-Anforderungen gesundheitsbezogene Angaben zu Produktleistungen zu ermöglichen.
Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the range of 1 - 1000 nm. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the range of 1 - 1000 nm. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.
UBA und BAM schlagen die Durchführung der Prüfkammermessungen bei 23 °C und 50% relativer Luftfeuchte, einer Beladung von 1,8 m²/m³ und einem Luftwechsel von 0,5 pro Stunde vor. Diese Parameter orientieren sich an der EN 16516, die als zukünftige „Referenznorm“ zu betrachten ist. Die Schmalflächenversiegelung ist auch zukünftig wie in der EN 717-1 beschrieben vorzunehmen. Nach 28 Tagen wird der Mittelwert einer Doppelbestimmung als Endkonzentration („entsprechend der Ausgleichskonzentration“) berechnet. Alternativ dazu kann die Prüfung vorzeitig abgebrochen werden, wenn an 5 Messtagen der Prüfung eine Formaldehydkonzentration von 0,1 ppm nicht überschritten wird.
Prüfungen nach der EN 717-1 sollen weiterhin gleichberechtigt möglich sein. Ergebnisse von Messungen, die nach der EN 717-1 ermittelt wurden, sind mit dem Faktor 2,0 zu multiplizieren.
Abgeleitete Verfahren wie z.B. das Gasanalyseverfahren sollen weiterhin möglich sein. Das Perforatorverfahren entfällt hier, da eine allgemeine für alle Holzwerkstoffe gültige Korrelationen nicht existiert.
Die entsprechenden Änderungen sind in der vom BMUB veröffentlichten „Bekanntmachung analytischer Verfahren für Probenahmen und Untersuchungen für die im Anhang der Chemikalien-Verbotsverordnung genannten Stoffe und Stoffgruppen“ entsprechend zu ändern.
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 de-picted 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.
Quality Improvement of VOC chamber emission tests observed for 10 years with round robin tests
(2018)
In Europe, the Construction Products Regulation (CPR, 2011/305/EU) sets basic requirements (BR) on how construction works must be designed and built. BR 3 “hygiene, health and the environment” states low emissions of toxic gases, Volatile Organic Compounds (VOCVOCs), particles, etc. from building materials. Meanwhile, a worldwide network of professional Commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established.
Therefore, comparability of test results must be ensured. The participation in Round Robin Tests (RRTRRTs) is a means to prove a laboratory’s proficiency. Since 2006 BAM offers such proficiency test for emission chamber test every two years.
Any commercially available product on the market can be used as reference material, provided it is thoroughly characterised. However, these materials often emit only a few and material specific VOCs and appropriate homogeneity is not given. Therefore, alternative materials should be found. BAM used different materials over the years. Currently, the best suited reference material is a cured lacquer surface which contained several VOCs added to the liquid lacquer system. The round robin tests 2014, 2016 and 2018 were conducted with such a system.
Compounds like Styrene or n-Alkanes like Decane or Tridecane were tested in many of the proficiency test operated by BAM. Up to now the relative standard deviation of these compounds decrease continuously. Starting with values about 30 % in 2008 we reached values for the mentioned compounds 15 to 20 % now. But even for more polar compounds improved results were received.
Over the years the results of a large group of laboratories detected many compounds with much higher accuracy than at the beginning. So, the comparability between results of different laboratories becomes much better.
Two new approaches towards an emission reference material for use in quality assurance measures for materials emissions testing were developed and intensively tested. The overall goal was to obtain solid materials with homogenous and reproducible (S)VOC release. Since the application in inter-laboratory comparisons is aimed at, it should furthermore be long-term stable to ensure safe shipment to the customer without sustaining compound losses. In the first approach, thermoplastic polyurethane (TPU) was impregnated with the VOC texanol under high-pressure with liquid CO2 as solvent. In the second, styrene (VOC) and the SVOC 2,6-diisopropylnaphthalene (DIPN) were spiked into vacuum grease (VG) and a mixture of paraf-fin/squalane (P/S). For the prediction of the emission rates a finite element model (FEM) was developed for the VG and P/S type materials. All requirements for reference materials were fulfilled, whereas the TPU samples need to be aged for about 10 days until repeatable and re-producible emission rates were obtained.
BEMMA steht für Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen. Es ist die Kurzbezeichnung für ein Schema/Verfahren zur Untersuchung und Bewertung flüchtiger organischer Verbindungen aus Werkstoffen, die im mittelbaren Kontakt mit historischen Materialien des Kunst- und Kulturgutes stehen. Ergebnisse der Untersuchungen seit ca. 2010 bis 2017 werden präsentiert und diskutiert.
Anregungen aus dem N.i.Ke.-Workshop 2017 und künftige Anforderungen. BEMMA steht für Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen. Es ist die Kurzbezeichnung für ein Schema/Verfahren zur Untersuchung und Bewertung flüchtiger organischer Verbindungen aus Werkstoffen, die im mittelbaren Kontakt mit historischen Materialien des Kunst- und Kulturgutes stehen. Hier wird der Status-Quo des Erreichten dargestellt. Wie wird das Schema in der Museumsöffentlichkeit wahrgenommen und seine Akzeptanz.
Comparison of Formaldehyde Concentrations in Emission Test Chambers Using EN 717-1 and EN 16516
(2018)
For more than 25 years EN 717-1 (Wood-based panels - Determination of formaldehyde re-lease - Part 1: Formaldehyde emission by the chamber method) is the standard for formalde-hyde emission testing of wooden boards. In 2017 EN 16516 (Construction products - Assess-ment of release of dangerous substances - Determination of emissions into indoor air) was published as a new harmonised standard for the emission testing of construction products. Because test chamber conditions are different, both standards give different concentrations for formaldehyde. To determine a conversion factor four test series were set up with different wooden boards. For a loading of 1 m²/m³ the conversion factor is 1.6. This means that the formaldehyde concentration measured under the conditions of EN 16516 is a factor of 1.6 higher compared to EN 717-1.
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.
Environmental sustainability and –stability of Materials concerning the Migration of pollutants
(2018)
MaUS is an acronym for ”Material und Umweltsimulationen“. Plastics are in the focus of environmental politics due to their long-term behaviour and therefore to their persistence. Not only that they appear as visible contaminants in the sea and on the beach, but their unknown behaviour concerning their additives as well as the related transformation products are anxious. Therefore, we wish to establish a certified reference method to provide a method for testing plastics.
Aim of this project is the development of fast motion standard reference methods for testing plastics regarding to their environmental compatibility. To establish these testing methods, we use polystyrene (PS) and polypropylene (PP) with environmental relevant brominated flame retardants, known for their persistent bioaccumulative and toxic (PBT) properties. In case of PS the material contains 1 wt% of 1,2,5,6,9,10-hexabromocyclododecan (HBCD) and in case of PP 0.1 wt% bromodiphenylether (BDE-209), which is known as a substance of very high concern (SVHC). Furthermore, we use polycarbonate (PC), which is still used as material in baby flasks and releases Bisphenol A (BPA), an estrogenic active substance.
As an additional material PTFE is used for its importance as a source for two ubiquitous environmental substances (PFOS and PFOA), whose toxicological effects are still incompletely known.
The focus in this current work is set on the transfer of potential pollutants out of applied materials mentioned above into environmental compartments like water or soil. Here an accelerated aging concept should be developed to shortened time consuming natural processes. For these resulting simulations we use a programmable weathering chamber with dry and wet periods and with high and low temperatures. These programmes run for several weeks and according to a defined sampling schedule we take water samples, run a clean-up procedure by SPE (Molecular imprinted polymers (MiPs) resp. polymer-based cartridges (Waters Oasis HLB)) and analyse them by HPLC-UV resp. LC-MS/MS. Of most interest in case of flame retardants are photocatalytic transformation products. Therefore, we conduct a non-target-screening resp. a suspected target-screening by LC-MS/MS and HRMS.
Gegenstand des Projekts ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polystyrol und Polypropylen zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden, die es gestatten, Schnellprüfverfahren zu etablieren, die die Simulation der realen Beanspruchungen im Zeitraffermodell anwendbar machen. Somit sollen standardisierbare Schnellbeanspruchungs-verfahren erarbeitet werden, die als Prüfeinrichtungen etabliert werden und von externen Auftraggebern zur Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von neuen Materialien genutzt werden können. Die Umweltwirkungen (chemisch-physikalisch und mikrobiologisch) sollen so definiert eingesetzt werden, dass eine reproduzierbare Prüfung möglich wird. Aus diesen Verfahren und Methoden sollen Normen abgeleitet werden, die eine standardisierte Materialprüfung ermöglichen.
In addition to previously reported results on the simulated aging of polystyrene samples (PS) containing 1 wt. % hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene (PP)-samples containing 0.1 wt. % BDE-209. All studied polymer samples were exposed to a defined weathering schedule in a climate chamber in accordance to regulation EN ISO 4892-3:2006.For the determination of BDE-209 in the collected rain water samples derived from the used climate chamber, the samples were prepared in accordance with a validated protocol. Before the analyses, each sample was spiked with 2 µL of isotopically labeled BDE-209 (13C10-BDE-209) to serve as internal standard (ISTD) in the performed stable isotope dilution analysis. Subsequently the samples were extracted with isooctane, the obtained aliquots of the extracts were concentrated to 200 µL and 2 µL of the resulting solution were injected to the GC/MS for quantification.
Additionally, the total bromine contents are monitored for the aged and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) as well as X-ray fluorescence analysis (XRF) as non-destructive and rapid method. Furthermore, results from surface analysis using environmental scanning electron microscopy (ESEM) for morphological characterization of the aged and untreated samples were presented and discussed. In general, the resulting data from the accelerated aging will be compared to those from the natural weathering experiments (“atmospheric exposure”, in soil).
The atmospheric exposure was performed by placing the samples on a weathering rack, which is aligned in SW direction (in a 45° angle to the horizon). The weathering data were regularly recorded by Deutscher Wetterdienst at this site. The surfaces of the test specimens (aged and stored references) were analyzed by ESEM as well as by LA-ICP-MS and by XRF. The surface of PS and PP specimens aged outdoors present the aging under real conditions and allow the comparison to the accelerated aged specimens by means of the weathering chamber. This way, we explore the efficiency of the accelerated aging procedure, which provides the advantage of well-defined and reproducible conditions compared to natural weathering, as a tool for testing different plastic materials.
Additionally “in soil” experiments were conducted in-door in a well characterized testing soil. The soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining concrete basin inside of an air-conditioned room. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To assure a washing out process from the samples by the raining water, the target water content is calculated to 8%. The actual humidity is measured by a tensiometer, assuring the duration of the raining period. The water content is additionally monitored by weight of the basin, capturing water from raining periods. The correct humidity is a fundamental parameter for biological activity. Samples of PS resp. PP were of dimension 10x1cm and 5 specimens were placed up to the half in the soil per basin. Microbial activity of the soil, monitored by the reference polyurethane, sets HBCD resp. BDE-209 of the samples free and will be leached from the samples by raining water. Thereafter these will be captured by passive samplers placed in a distinct distance to the samples in the soil. The “in soil” experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil. These experiments simulate the fate of the brominated flame retardants in the biosphere.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
The objective of this study is to find out, to what extent the geochemical characteristics of lapis lazuli can be utilized in respect to its provenance. A wide range of variables is taken into consideration depending on the quantity of samples analysed from a specific geological region and the methods applied. In order to provide evidence, a multi-technique analytical approach using µXRF, ESEM, PGAA and PIXE is applied to samples from the most famous deposits of lapis lazuli. Special elements determined as fingerprints are compared in relation to the forming conditions obvious in textural features. The results and statistical output allow a differentiation that enables an optimized local classification of the blue stone. An absolute requirement for all geo-tracing performed on blue colored cultural objects of unknown provenance is awareness of the limits of analysis. The possible sources of lapis lazuli are tested by analysing the blue pigment used as paint on murals and ink on manuscripts from the Silk Road.
Der mitteleuropäische Mensch hält sich 80 – 90 % der Zeit in Innenräumen auf. Je nach Aktivität atmet er 10 – 20 m³ bzw. 12 - 24 kg Luft täglich, das ist weit mehr als das Doppelte der Summe an Essen und Trinken. Die technischen Voraussetzungen für die Bestimmung von Emissionen aus Bauprodukten in die Luft liegen vor – harmonisierte horizontale Prüfnorm EN 16516. Es dürften mittlerweile zig-tausende Emissionsdatensätze vorliegen. Defizite gibt es bei der Kennzeichnung zur Unterscheidung emissionsarmer und emissionsreicher Produkte, die bestehende CE-Kennzeichnung ist unvollständig, ersatzweise gibt es nationale Regelungen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichen Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.
Ein Ringversuch ist eine Methode der externen Qualitätssicherung für sowohl Messverfahren als auch die Eignung von Mess- und Prüflaboratorien. Dabei werden möglichst identische Proben mit identischen Verfahren oder mit unterschiedlichen Verfahren untersucht. Die Teilnahme an Ringversuchen ist für alle akkreditierten Laboratorien ein wesentlicher Baustein der institutsinternen und -externen Qualitätssicherung. Je mehr Faktoren Einfluss auf das Endergebnis haben können, desto wichtiger ist es diese Faktoren zu kennen und deren Einflüsse durch weitestgehende Vergleichbarkeit der Messverfahren zu minimieren.
Für die Bewertung von Emissionen aus Bauprodukten haben sich Emissionsmess-kammer-Untersuchungen als Messverfahren etabliert. Um den Geruch auch für Innenraumanwendungen bewertbar zu machen sind in den letzten Jahren erste Normen entstanden (z. B. DIN ISO 16000-28 und VDI 4302-1). Um die Eignung dieser Normen und deren Anwendung zu untersuchen sind seit 2012 nunmehr 3 Ringversuche der BAM auch zum Thema Geruch durchgeführt worden.
Die bislang durchgeführten Ringversuche mit dem Ziel der Geruchsbewertung wiesen Standardabweichungen von ca. 24 bis 30 % um den jeweiligen Mittelwert auf und wiesen somit ähnliche Werte auf, die auch bei den VOC-Vergleichen ermittelt wurden. Diese Entwicklungen werden hier aufgezeigt.
Moderne Vitrinen sollen gleichzeitig eine hohe Dichtigkeit und die Abwesenheit jeglicher Fremdstoffe in den Vitrinen gewährleisten. Diese Anforderungen sind zeitgleich kaum erfüllbar, da es emissionsfreie Materialien (vor allem Kleb- und Beschichtungsstoffe) nicht gibt. Um die potentiellen Emissionen zu minimieren wurde ein Messverfahren entwickelt, welches inzwischen als BEMMA-Schema (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen) in die Museumswelt Einzug genommen hat.
Die erfolgreiche Bewertung der für den Bau verwendeten Materialien gemäß BEMMA-Schema resultiert nicht in einer emissionsfreien Vitrine, sondern soll bei der Auswahl geeigneter Materialien zur Herstellung möglichst emissionsarmer Vitrinen helfen. Konkrete handwerkliche Durchführungen beim Bau, Dichtheits-anforderungen, wie auch die Aufstellbedingungen (Umgebung der Vitrine) beeinflussen die Emissionscharakteristik der fertigen Vitrine in der Praxis. Eine saubere Vitrine hilft nichts in einer belasteten Umgebung oder auch bei emittierenden Exponaten. Inzwischen liegen Erfahrungen mit dem Schema seit 2012 vor.
Der Messablauf sieht vor, dass von den Materialien kleine Muster mit der Mikrokammer (Markes) innerhalb von 2 Tagen untersucht werden. Dabei wird mit Silikagelkartuschen auf Ameisen- und Essigsäure, mit DNPH auf Aldehyde und Ketone und mit Tenax® sowohl auf VOC als auch für die spezifische Oxim-Analytik die Abluft der Mikrokammern untersucht. Die Bewertungskriterien basieren auf den Ergebnissen einer Vorstudie mit ca. 150 verschiedenen Produkten im Zeitraum 2010 bis 2012.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the nanoscale. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.
The properties of nanomaterials are influenced not only by their chemical composition but also by physical properties (such as size, geometry and crystal structure). For the reliable determination and assessment of behaviour and effects of nanomaterials as well as for the determination of the exposure of humans and environment a comprehensive physical-chemical characterization of nanomaterials is essential. This is an important prerequisite to identify them as nanomaterials and to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials.
In 2006, the OECD launched a sponsorship program for the testing of nanomaterials in which 11 nanomaterials were thoroughly investigated using a variety of methods. The aim of the project was, among other things, to find out where problems occur and where there are gaps in the measurement and test procedures and where are changes required. An important outcome of the sponsorship program was the finding that the OECD Test Guidelines should in several cases be extended to the specific needs in testing of nanomaterials. The existing standardized test methods of the OECD for physical-chemical characterization have not been developed for nanomaterials in particular. A high demand for an extension of the test guidelines was identified. Germany complied with the OECD's request in 2017 and has agreed to extend the “Test Guideline on Particle Size Distribution / Fiber Length and Diameter Distributions Test Guideline” for Manufactured Nanomaterials (MN). UBA commissioned BAM and BAuA with the preparation of the Test Guideline. The aim of the project is the development of a harmonized test protocol for a valid and reproducible determination of particle size and size distribution which is one of the most relevant physical-chemical properties for MNs.
Different measuring methods provide different results for the size distribution of the particles. This is caused by the different measuring principles of the methods. Each method measures a specific parameter that ultimately determines particle size. First, the measured quantity differs for each method (Scattered light intensity, 2D image / projection, electric mobility, etc.). Second, the calculated diameters of the MN may differ (Feret Diameter, Area Projection, Mobility Diameter, Aerodynamic Diameter, Hydrodynamic Diameter). Third, a measuring method provides a size distribution which is measured either mass-based, surface-based or number-based. A conversion between the results requires additional parameters and thus possibly increases the measurement error.
In addition to the technical differences, the individual parameters are strongly influenced by the structure and material of the nanoparticles. For example, a surface functionalization can lead to very different results in the size distribution. The suitability of measurement methods differs with the material of the MN. As a result, two very different results can be measured for the particle size distribution using two different methods, which are nevertheless both correct. Several large projects in recent years therefore concluded that nanomaterials should be characterized by at least two complementary method. Imaging techniques are regarded as one of these methods for the characterization, the complementary methods are supposed to be statistical methods.
The different results for the size distribution of nanomaterials become problematic for the registration of new MN. A comparable and reproducible size distribution is a prerequisite for a standardized registration. In the future, the particle size distribution in the EU will also decide on the classification of a substance as a nanomaterial or as a non-nanomaterial. Especially in borderline cases, a standardized and comparable measurement methodology is therefore essential.
The new OECD test guideline will address the following four main steps in the determination of the length and width distributions of fibers: sample preparation, image acquisition, data evaluation and uncertainty analysis. As the sample preparation has to be optimized for each material, general quality criteria will be given in the protocol. For full visibility of a fiber the appropriate resolution has to be chosen. In the data evaluation the length and diameter of each fiber will be determined concurrently to allow for application of different regulatory definitions. The quality of the results critically depends on the sample preparation as well as the data evaluation. In this step the classification rules have to be formulated and followed accurately in order to optimize reproducibility of the method. The SOP will be validated in an international round robin test, which is planned for 2018/2019.
The OECD test guidelines (TGs) for testing chemicals have been widely used for regulatory purposes all over the world since the establishment of the Mutual Acceptance of Data (MAD) principle in 1984. This MAD principle ensures that, if a chemical is tested under the Good Laboratory Practice (GLP) conditions accordingly to an OECD TG, the data should be accepted in all OECD countries. The TGs have been developed, harmonized, internationally validated (round robin tests) and adopted by OECD countries to be used for the physical-chemical characterisation, fate estimation, and hazard identification for risk assessment of various chemicals. In addition to the TGs, OECD Guidance Documents (GDs) usually provide guidance on how to use TGs and how to interpret the results. These GDs do not have to be fully experimentally validated, and hence they are not under MAD, but they are based on relevant published scientific research.
But are the existing TGs and the related GDs applicable and adequate for the regulatory testing of nanomaterials? In general, for nanomaterials it is accepted that most of the "endpoints" or more precisely measurement variables are applicable. However, for some endpoints new or amended TGs are needed. In addition, several GDs are needed to give more precise advice on the test performance in order to gain regulatory relevant data on nanomaterials.
Es lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher flüchtiger organischer Verbindungen aus Bauprodukten freigesetzt werden kann. Hierbei gibt es in den meisten Bauproduktgruppen sowohl emissionsarme als auch emissionsreiche Produkte. Manche Verbindungen sind produktgruppenspezifisch; so werden beispielsweise Siloxane aus Silikondichtmassen freigesetzt, andere Verbindungen sind eher unspezifisch wie Formaldehyd und Essigsäure, die aber in unterschiedlichen Konzentrationen aus einer Vielzahl von Produkten abgegeben werden und zu den am häufigsten emittierten Verbindungen zählen. Es ist darauf hinzuweisen, dass VOC-Analytik und Gerüche im Allgemeinen keinen Zusammenhang zeigen. Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichem Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.
The church of Koszewko (Poland) is a brick building edified in the 15th century built on cobblestone foundations. There are five windows in the sanctuary. Three of them enclose heraldic panels from the Küssow’s family from the 15th century which are surrounded with Goethe glass from the 18th century to complete the windows. The colored heraldic panels are strongly damaged and corroded with massive paint layer losses, glass- and leadbreakages. Those medieval glass fragments have been shortly discovered and are of particular interest for Poland since only few medieval glazing have been conserved.
The damages as well as the glass compositions have been investigated with ESEM/EDX. Two categories of medieval glass compositions have been identified. The blue glass is particularly sensible to corrosion because of his high content in K2O. The colorless and the red glass samples belong to a stable glass type. Due to the thickness of the gel layer, it is easy to see that the degradation is strongly proceeded. The protection of those medieval stained-glass panels is absolute necessary.
The medieval panels have been restored and surrounded from a copper frame. Then they have been fixed on the wood frame in the church. The exterior glazing has been closed with a panel of Goethe glass. The gap between the Goethe- and the medieval glass is about 3 cm. The Goethe glass panel has been stabilized with a film based on polyester to protect the medieval glasses against any damages. In this way, a low cost protective glazing has been installed for a long-term conservation of each medieval stained-glass panels. The climate measurements over the period of one year on the restored windows are in process. The temperature and the relative humidity are recorded in the church interior, in the gap between the original and the Goethe glass and outdoors.
In arid sun-exposed environments, rock-inhabiting fungi dominate microbial communities on rock surfaces. Fungi are known to enhance rock weathering, although the exact mechanisms are not completely understood. These natural processes can be simulated by reproducible experimental systems. Particularly attractive are genetically amenable rock-weathering fungi, where certain traits can be knocked-out to identify weathering-relevant functions. Here, we studied the effect of the rock-inhabiting fungus Knufia petricola A95 and its melanin-deficient mutant (ΔKppks) on the weathering of a Fe-bearing olivine. We examined the olivine dissolution kinetics and looked at the olivine-fungus interface. For the former we inoculated olivine powder with the fungus in batch and mixed flow reactors and analysed the medium solution by ICP-OES, for the latter biofilm-covered olivine sections from flow-through reactors were analysed by FIB-TEM.
In general olivine dissolution was lower when olivine was incubated without fungi: the abiotic olivine dissolution rates were lowest and the surface of the abiotically reacted olivine sections showed no etching. Various chemical analyses show Fe (oxyhydr)oxide precipitation on top of the abiotically reacted olivine, indicating its role in inhibiting olivine dissolution. Both the wild type (WT) and ΔKppks solubilised and bound significant amounts of Fe released by olivine dissolution. Fe (oxyhydr)oxide precipitation was thus reduced, explaining the enhanced olivine dissolution in their presence. Particularly efficient at preventing Fe precipitation were attached WT cells: the inhibition of olivine dissolution almost completely disappeared. The attachment capacity of the WT is most likely caused by the production of WT-specific extracellular polymeric substances. Our presented experimental systems allowed the precipitation of Fe (oxyhydr)oxides and included a rock-inhabiting fungus and thus simulated weathering processes relevant to natural ecosystems.
Neuartige Materialien, die bekannte (Werk-)Stoffe mit neuen Funktionalitäten ausstatten, spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Bereich der Materialforschung und -prüfung. Das Spektrum neuartiger Materialien reicht von der gezielten Oberflächenfunktionalisierung und -strukturierung makroskopischer Materialien, dünnen Beschichtungen bis hin zu mikro- und nanoskaligen Kompositmaterialien und funktionalen Materialien an der Schnittstelle zur Biologie, Biotechnologie, nachhaltige Energiespeicherung und Sensorik. Dabei bieten neuartige Materialien die Chance, Werkstoffe und Produkte mit erweiterter oder verbesserter Funktionalität zu erhalten und Sicherheit bereits im Designprozess zu berücksichtigen. Durch dieses breite Anwendungsspektrum und die Herausforderungen, die solche Materialien für die Sicherheit in Chemie und Technik mit sich bringen, sind diese in allen Themenfeldern der BAM repräsentiert (Material, Analytical Sciences, Energie, Infrastruktur und Umwelt).
Die Aufgaben der BAM erstrecken sich dabei von der Herstellung von Referenzmaterialien für Industrie, Forschung und Regulation, über die Erstellung von standardisierten Referenzverfahren für nachhaltige Messungen im Umwelt- und Lebenswissenschaftsbereich bis hin zur Bereitstellung von belastbaren und zitierbaren Referenzdaten. Durch die genaue Charakterisierung neuartiger Materialien können potentiell problematische Substanzen identifiziert und deren Risiken besser abgeschätzt werden. In diesem Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus diesen Bereichen vorgestellt.
OECD test guideline on particle size and size distribution: Comparability of measurement results
(2019)
OECD-Prüfrichtlinien werden weltweit für regulatorische Zwecke angewandt, da sie eine harmonisierte und über internationale Ringversuche validierte Vorschrift zur Analyse vorgeben. Die bestehende Prüfrichtlinie TG 110 zur Größencharakterisierung von Partikeln und Fasern ist für viele Methoden und Materialklassen nicht geeignet, weswegen es Bedarf an einer Neuentwicklung gibt. Im Fokus der neuen TG steht die reproduzierbare und vergleichbare Anwendung von Methoden zur Bestimmung von Partikelgröße sowie Größenverteilung annährend sphärischer und faserförmiger Nanomaterialien im Bereich 1-1000 nm. Berücksichtigt werden die häufig angewandten Methoden zur Größencharakterisierung mit ihren unterschiedlichen physikalisch-technischen Limitierungen und die Bestimmung unterschiedlicher Durchmesser (hydrodynamischer, Feret…). Weiterhin sind materialspezifische Einflüsse durch die Partikel sowie das Messmedium zu berücksichtigen. Jede der Methoden soll unter Berücksichtigung von ISO-Standards und den materialspezifischen Limitierungen in der neuen Prüfrichtlinie beschrieben und über einen Ringversuch validiert werden.
The European building sector is moving towards more complex and high-tech building approaches. While focusing on energy efficiency, aspects e.g. occupant health, sustainability and life cycle costing are often neglected. This study highlights the potential of earthen plasters in combination with natural ventilation for low-tech solutions.
The EU funded project [H]house established the outstanding performance of earthen materials in light of hygrothermal and air purifying properties, which were further supported by experimental data from monitoring of naturally ventilated pilot buildings in Berlin. Additionally, [H]house demonstrated through LCC an increased cost efficiency of earth based low-tech solutions in comparison to conventional constructions relying on mechanical ventilation.
Es lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher flüchtiger organischer Verbindungen aus Bauprodukten freigesetzt werden kann. Hierbei gibt es in den meisten Bauproduktgruppen sowohl emissionsarme als auch emissionsreiche Produkte.
Manche Verbindungen sind produktgruppenspezifisch; so werden beispielsweise Siloxane aus Silikondichtmassen freigesetzt, andere Verbindungen sind eher unspezifisch wie Formaldehyd und Essigsäure, die aber in unterschiedlichen Konzentrationen aus einer Vielzahl von Produkten abgegeben werden und zu den am häufigsten emittierten Verbindungen zählen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass VOC-Analytik und Gerüche im Allgemeinen keinen Zusammenhang zeigen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichem Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.
Textile floor coverings are often used in offices and residential buildings. Large areas like meeting rooms, cinemas, theaters and hotels are often equipped with such coverings. They contribute to the comfort of the users as they provide high pedaling comfort and sound absorption. The weakness of these building materials is due to the odor emission that is released from the floor covering, which affects the comfort of the users. A bad air quality and the resulting dissatisfaction can lead to lower employee productivity. The research project of the Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW-Berlin) is promoted by the German Environment Agency (UBA). The project has the following title: Low-emission and low-odor building products for energy-efficient buildings - Development of requirements and concepts for the Blue Angel from a climate protection perspective; investigates the emission and odor behavior of textile floor coverings (Emissions- und geruchsarme Bauprodukte für energieeffiziente Gebäude - Entwicklung von Anforderungen und Konzepten für den Blauen Engel aus Klimaschutzsicht; untersucht das Emissions- und Geruchsverhalten textiler Bodenbeläge).
Moderne Vitrinen sollen gleichzeitig eine hohe Dichtigkeit und die Abwesenheit jeglicher Fremdstoffe in den Vitrinen gewährleisten. Diese Anforderungen sind zeitgleich kaum erfüllbar, da es emissionsfreie Materialien (vor allem Kleb- und Beschichtungsstoffe) nicht gibt. Um die potentiellen Emissionen zu minimieren wurde ein Messverfahren entwickelt, welches inzwischen als BEMMA-Schema (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen) in die Museumswelt Einzug genommen hat.
Die erfolgreiche Bewertung der für den Bau verwendeten Materialien gemäß BEMMA-Schema resultiert nicht in einer emissionsfreien Vitrine, sondern soll bei der Auswahl geeigneter Materialien zur Herstellung möglichst emissionsarmer Vitrinen helfen. Konkrete handwerkliche Durchführungen beim Bau, Dichtheits¬anforderungen, wie auch die Aufstellbedingungen (Umgebung der Vitrine) beeinflussen die Emissionscharakteristik der fertigen Vitrine in der Praxis. Eine saubere Vitrine hilft nichts in einer belasteten Umgebung oder auch bei emittierenden Exponaten. Inzwischen liegen Erfahrungen mit dem Schema seit 2012 vor.
Der Messablauf sieht vor, dass von den Materialien kleine Muster mit der Mikrokammer (Markes) innerhalb von 2 Tagen untersucht werden. Dabei wird mit Silikagelkartuschen auf Ameisen- und Essigsäure, mit DNPH auf Aldehyde und Ketone und mit Tenax® sowohl auf VOC als auch für die spezifische Oxim-Analytik die Abluft der Mikrokammern untersucht. Die Bewertungskriterien basieren auf den Ergebnissen einer Vorstudie mit ca. 150 verschiedenen Produkten im Zeitraum 2010 bis 2012.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a promising additive manufacturing (AM) technology for metal part production especially for complex and lightweight structures or functional designs. In L PBF processes several by-products including welding plume and its condensates, spatter and ejected powder are generated during laser exposure. Investigations of micro- and nano-sized by-products have received little attention in literature. This study focuses on the analysis of particle emissions in L PBF of 316L stainless steel using a scattered light aerosol spectrometer and a fast mobility particle sizer spectrometer during the process which allows for in-situ analysis of particle sizes in the range of 6 nm to 100 µm. A distinct correlation of emission signals to part position can be revealed. In addition, a significant influence of laser scanning vector directions on emission signals is presented. Furthermore, differing powder layer thicknesses can be recognised by deviations in emission signals.
Measurements of aerosol particles are vital for enforcing EU air quality regulations to protect human health, and for research on climate change effects. Although metrics such as PM10 and PM2.5 are currently in use, the level of uncertainty of aerosol metrics is too high and the traceability is insufficient. The project AEROMET, which has been started in June 2017 aims at implementing improvements in a) the uncertainty of particle mass, size and number concentration measurements and b) in the characterization of regulated components in airborne particles. Both are demanded by existing networks within the EU as well as by global atmospheric research.
On-site measurement campaigns
One of the objects is the application of mobile x-ray spectroscopy techniques combined with aerosol sampling techniques for quantifying particle compositions in the field for real time analysis. During two in-field measurement campaigns in Budapest, Hungary in May 2018 and Cassino, Italy in September 2018 the size dependent mass concentrations of specific elements in ambient aerosols were monitored under dynamic conditions.
Typically, airborne particles are sampled on filter substrates. During this project new sampling methods with specially designed substrate holders for an in-situ TXRF analysis were developed and applied for the first time. This approach allows a direct time and size resolved analysis without laborious digestion steps and a reduced risk of contamination.
Aerosol particles were sampled in a 13-stage DLPI impactor - size range from 0,03 µm to 10 µm - which was equipped with special adapters for acrylic discs of 30 mm diameter, serving as substrates. TXRF analysis was performed on site with the transportable spectrometer S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH) equipped with a Mo X-ray tube and a 30 mm² Silicon Drift Detector (SDD). Excitation conditions were 50 kV, 600 µA, measurement time 1000 s. Quantification was based on internal standardization using 50 ng of Y in solution, which was pipetted into the centre of the discs prior to sampling.
At moderate air pollution levels, i.e. PM10 ~ 20 µg/m³, sampling times of less than 2 hours were enough for the detection of elements in different particle size bins. The in-situ approach and the high sensitivity of TXRF enables the observation of rather quick changes in the quantity and distribution of elements in an ambient aerosol on the day of sampling, as the below example from the Cassino field campaign on 11 Sept. 2018 shows: The analysis of the morning and afternoon sampling shifts reveals the occurrence of the elements Fe, Ca and Si in different size bins as well as their significant temporal change in respective mass concentrations over the day while the distributions of several other elements in the aerosol remain unchanged.
The validation of these results by backup measurements is planned.
The chemical emissions from products are tested by means of emission test chambers under defined conditions (climate, loading, air change rate). The standard method for the determination of volatile organic compounds (VOC) is the sampling onto Tenax-tubes followed by thermal desorption (TDS) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis. The EU-LCI list includes some very volatile organic compounds (VVOC) and some VOC for which there are limitations when using the standard method. For VVOC additional sampling is required using stronger absorbers like Carbotrap or multi-bed adsorption tubes. The analysis of VVOC also requires a different GC oven program and a different column for the separation. For the determination of formaldehyde and other low boiling aldehydes (e.g. acetaldehyde, acetone, propanal, propenal) DNPH-cartridges are used which are extracted with acetonitrile followed by liquid chromatography (HPLC-UV) analysis. The derivatisation of propenal and other unsaturated aldehydes (e.g. 2-butenal) with DNPH might lead to lower findings due to incomplete derivatization and forming of by-products. For a better quantification of acetic acid the use of ion chromatography (IC) is recommended because the analysis of acetic acid with the standard method (TDS) leads to lower findings due to break through during sampling. The use of ion chromatography for the analysis of organic acids requires a third sampling technique. The acids are adsorbed onto silica-gel and extracted with water.
EN 16516 sets the test method and requirements for the determination of emissions of Volatile Organic Compounds (VOCs) from building materials into indoor air. To address the quality control requirements for the class of semi-VOCs (SVOCs), VSL developed gaseous reference materials. A novel home-made dynamic gas mixture preparation system, operating according to ISO 6145-4 (continuous injection method), has recently been developed and validated. Thanks to the stable temperature control up to 100 oC, the system can prevent condensation of the SVOCs in air at indoor air concentration levels. The in-situ obtained SVOC gas standards can be sampled in sorbent tubes to obtain SVOC transfer standards. A study was performed to determine the optimal sorbent material and storage conditions. This study will be presented together with the results of the 2018 Round Robin test for emission test chamber measurements organised by BAM. Using the novel system, VSL prepared transfer standards with known amounts of VOCs and SVOCs for participants to evaluate their analytical performance.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a promising additive manufacturing (AM) technology for metal part production especially for complex and lightweight structures or functional designs. In L PBF processes several by-products including welding plume and its condensates, spatter and ejected powder are generated during laser exposure. Investigations of micro- and nano-sized by-products have received little attention in literature. This study focuses on the analysis of particle emissions in L PBF of 316L stainless steel using a scattered light aerosol spectrometer and a fast mobility particle sizer spectrometer during the process which allows for in-situ analysis of particle sizes in the range of 6 nm to 100 µm. A distinct correlation of emission signals to part position can be revealed. In addition, a significant influence of laser scanning vector directions on emission signals is presented. Furthermore, differing powder layer thicknesses can be recognised by deviations in emission signals.
A mobile Bruker S2 Picofox TXRF spectrometer has been used in two field campaigns within the EMPIR env07 AEROMET project for the on-site analysis of cascade impactor aerosol samples.The results show that even at moderate air pollution levels – i.e.PM10 fairly below 20 μg/m³ - element mass concentrations in air in the range of 100 pg/m³could be measured in up to 13 size bins after sampling times of less than only 0.5 days.
A reliable analysis of aerosol particle is curial for enforcing EU air quality regulations to protect human health, and for research on climate change effects [1]. Although metrics such as PM10 and PM2.5 are currently in use, the level of uncertainty of aerosol metrics is too high and the traceability is insufficient. Within the AEROMET project [2] procedures are developed aiming at reducing the uncertainties of particle mass, size, and number concentration measurements including the characterization of regulated components in airborne particles. Here, we present an approach how to improve the uncertainties of the particle mass by mobile total reflection x-ray fluorescence (TXRF) analysis. The combination of TXRF and aerosols sampling techniques supported by reference-free synchrotron radiation-based XRF enables a quantitative real-time analysis of particle mass. During in-field campaigns, the procedure was tested, monitoring the size dependent mass concentrations of specific elements in ambient aerosols under dynamic conditions. This approach allows a direct time and size-resolved analysis without laborious digestion steps and a reduced risk of contamination.
Aerosol particles were sampled in a 13-stage DLPI impactor on acrylic discs. TXRF analysis was performed on-site with the transportable spectrometer S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH). The TXRF quantification was based on internal standardization. At moderate air pollution levels (PM10 20 µg/m³) sampling times of less than 2 hours were enough to detect elements in different particle size bins. The on-site approach and the high sensitivity of TXRF enables the observation of rather quick changes in the quantity and distribution of elements in an ambient aerosol on the day of sampling. The analysis of the morning and afternoon sampling shifts reveals the occurrence of the elements Fe, Ca and Si in different size bins as well as their temporal change in respective mass concentrations over the day while the distributions of several other elements remain unchanged.
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.
Die von der BAM eingekauften Holzwerkstoffplatten (Verlegespanplatten, OSB, Multiplexplatten) verschiedener Hersteller zeigten teilweise hohe Formaldehyd-emissionen unter den Prüfbedingungen nach EN 16516, eine Spanplatte hielt den Grenzwert von 0,1 ppm selbst bei Prüfung nach DIN EN 717-1 nicht ein, dürfte also in Deutschland gar nicht in den Verkauf gelangen.
Holzwerkstoffe, die unter den Prüfbedingungen der DIN EN 717-1 die Formaldehydklasse E1 einhalten, können insbesondere bei großflächigem Einsatz im Innenraum zu Überschreitungen des Richtwertes für die Innenraumluft führen. Zusätzlich zur Anpassung des Luftwechsels ist auch der Parameter Beladung bei einer Überarbeitung der Norm anzupassen. In der DIN EN 16516 werden produktspezifische (am Einsatz der Produkte orientierte) Beladungsfaktoren vorgegeben. Für den Einsatz von Holzwerkstoffplatten ergäben sich Beladungen von 0,4 (Boden oder Decke), 1,0 (Wände), 1,4 (Wände plus Boden oder Decke) und 1,8 m²/m³ (Wände, Boden und Decke). Um die realen Bedingungen in modernen Gebäuden abzubilden, ist deshalb eine Beladung von 1,8 m²/m³ für die Prüfkammermessung erforderlich. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass für die Beladung im Referenzraum Möbel nicht berücksichtigt wurden.
Damit soll sichergestellt werden, dass die Einhaltung des Schutzniveaus bei realen Innenraumbedingungen auch unter den Randbedingungen eines niedrigen Luftwechsels sowie bei sommerlichen Bedingungen und heutigem Lüftungsverhalten der Menschen soweit wie möglich gewährleistet ist.
Menschen, die in der gemäßigten Klimazone leben, verbringen bis zu 90% ihres Lebens in Innenräumen. Deshalb hat das Innenraumklima eine sehr große Bedeutung für deren Wohlergehen, Gesundheit und Leistungsfähigkeit. In Deutschland wird ca. 40% der eingesetzten Primärenergie für das Heizen, Kühlen und Klimatisieren der Innenräume verwendet.
Das Forschungsvorhaben hat eine Laufzeit vom Oktober 2013 bis März 2017. Es wird in Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) und der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW Berlin) durchgeführt. Die HTW Berlin koordiniert das Projekt. Die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH) wird teilweise über einen Auftrag in das Projekt integriert.
Ziel des Projektes ist es Baustoffe auf ihre Geruchsemissionen zu untersuchen, um Bauprodukte mit niedrigen Emissionen und Gerüchen identifizieren zu können. Den Verbraucherinnen und Verbrauchern wird somit die Möglichkeit gegeben emissions- und geruchsarme Baustoffe zu wählen.
Die Aufgabenstellung des Projektes ist nachfolgend aufgeführt:
Arbeitspaket 1: Geruchsmessung bei Produkten mit dem Blauen Engel (siehe Kapitel 4 und 5);
Arbeitspaket 2: Untersuchung von Vergleichsmaßstäben (siehe Kapitel 6);
Arbeitspaket 3: Untersuchung der Linearität der Acetonskala (siehe Kapitel 7);
Arbeitspaket 4: Erstellung einer Produktdatenbank (siehe Kapitel 8).
Die Geruchsuntersuchung ist in den Vergabekriterien für den „Blauen Engel“ für textile Bodenbeläge (RAL UZ-128) eingebunden worden. Aus den weiteren Untersuchungen sind für die Normung wichtige Erkenntnisse erarbeitet worden.
Die gemeinsame Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden zur Nanotechnologie wurde 2016 veröffentlicht. Die darin enthaltenen Aufgaben wurden von den Bundesoberbehörden vielfältig bearbeitet. Diese Präsentation gibt einen Überblick über die Projekte, die von der BAM bis 2019 bearbeitet wurden/werden und sich in den Rahmen der Forschungsstrategie einordnen.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe (polybromierte Flammschutzmittel) in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
Environmental sustainability and –stability of materials concerning the migration of pollutants
(2019)
In addition to previously reported results on the accelerated weathering of polystyrene samples (PS) containing 1 wt. % hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene samples (PP) containing 0.1 wt. % BDE-209. All studied polymer samples were exposed to a defined weathering schedule in a climate chamber in accordance to regulation EN ISO 4892-3:2006. For the determination of BDE-209 in the collected raining water the samples were prepared in accordance to a validated protocol. Before the analyses each sample was spiked with isotopically labeled BDE-209. Subsequently the samples were extracted with isooctane. The obtained extracts were concentrated, and the resulting solutions were analyzed by GC/MS. Additionally, the total bromine content was monitored for the weathered and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and X-ray fluorescence analysis (XRF) as a non-destructive and rapid method. In general, the resulting data from the accelerated weathering will be compared to those from the natural weathering experiments. Here, the surfaces of the test pieces were analyzed by LA-ICP-MS and XRF as well. Moreover, soil bed tests were conducted in a well characterized model soil. This soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining basin inside of an air-conditioned cellar. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To induce a leaching process from the samples by the raining water, the target water content is calculated to 8%. The actual humidity is measured by a tensiometer, assuring the duration of the raining period. A defined humidity is a fundamental parameter for a biological activity in the soil. The test polymers were placed up to the half in the soil. Microbial activity of the soil is monitored by a reference polymer (polyurethane) and should induce the release of HBCD and BDE-209 out of the test materials. These released analytes will be captured by passive samplers (silicone tubes) placed in a distinct distance to the polymer samples in the soil. The soil bed experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil.
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
Monodisperse iron oxide nanoparticles as reference material candidate for particle size measurements
(2020)
In order to utilize and rationally design materials at the nanoscale the reliable characterization of their physico-chemical properties is highly important, especially with respect to the assessment of their environmental or biological impact. Furthermore, the European Commission’s REACH Regulations require the registration of nanomaterials traded in quantities of at least 1 ton. Powders or dispersions where 50% (number distribution) of the constituent particles have sizes ≤ 100 nm in at least one dimension are defined as nanomaterials. This creates a need for industrial manufacturers and research or analytical service facilities to reliably characterize potential nanomaterials. Currently, BAM is developing reference nanoparticles, which shall expand the scarce list of worldwide available nano reference materials certified for particle size distribution and will also target other key parameters like shape, structure, porosity or functional properties. In this respect, materials like iron oxide or titanium dioxide are considered as candidates to complement the already available silica, Au, Ag, and polystyrene reference nanoparticles.
The thermal decomposition of iron oleate precursors in high boiling organic solvents can provide large quantities of iron oxide nanoparticles that can be varied in size and shape.[1, 2] The presence of oleic acid or other hydrophobic ligands as capping agents ensures stable dispersion in nonpolar solvents. Such monodisperse, spherical particles were synthesized at BAM and pre-characterized by electron microscopy (TEM, SEM including the transmission mode STEM-in-SEM) and dynamic light scattering comparing cumulants analysis and frequency power spectrum.
1. REACH regulations and nanosafety concerns create a strong need for nano reference materials with diverse properties.
2. Iron oxide nanoparticles are under development as new candidate reference material at BAM.
3. Narrow particle size distribution confirmed by light scattering and electron microscopy.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines bestehenden pyrometallurgischen Prozesses zur Rückgewinnung von Tantal und Niob aus metallurgischen Reststoffen mit vorwiegend niedriger Wertstoffkonzentration.
Zur näheren Erforschung der im vorliegenden Stoffsystem ablaufenden Reduktionsprozesse wurden in einem Elektrolichtbogenofen Schmelzversuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Als Reduktionsmittel diente Koks, welcher mithilfe einer Argon-gespülten Eisenlanze in die flüssige mineralische Schmelze eingebracht wurde. Während der Reduktionsbehandlung werden Refraktärmetalle wie Tantal und Niob in ihre Carbide überführt und anschließend in der erschmolzenen eisenbasierten Metallphase am Boden des Reaktors angereichert. Neben Tantal und Niob gelangt auch ein Teil des im Einsatzmaterial enthaltenen Titans als unerwünschtes Begleitelement in die Metallphase.
Sein Großteil verbleibt jedoch als Oxid in der Schlacke und wird dort hauptsächlich im Mineral Perowskit (CaTiO3) gebunden. Die erstarrten Schlackeproben wurden mit verschiedenen Methoden wie Röntgenfluoreszensanalyse, Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Röntgenanalyse untersucht, um die Bildung tantalhaltiger Mineralphasen zu verschiedenen Stadien des Reduktionsprozesses zu verfolgen.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass weniger die durch das Einblasen von Koks verursachte Reduktionsreaktion, sondern das Absinken der tantalreichen Eisentröpfchen in der flüssigen mineralischen Schmelze, gefolgt von ihrer Anreicherung in die Metallphase, für die Kinetik ausschlaggebend ist.
Aluminum is an often-used building material in modern architecture. In recent years buildings from the 1950th and 1960th are increasingly subject of conservation works including the aluminum parts. Typical surface damages are signs of corrosion caused by weathering processes or scratches in the anodized layer due to extensive wear. To repair damaged aluminum surfaces, there are usually two options: smaller areas are repaired by using a touch-up pen, for larger damages it is necessary to remove the anodized layer completely. Both possibilities are disadvantageous for the objects; the touch-up pen often does not match the color together with an insufficient corrosion protection, while newly anodized layers often differ in color and gloss from the original surface.
For this reason, a research project was initiated to develop a mobile method to repair anodized aluminum parts. The first step focusses on the mobile anodization process by using the electrolyte with a gel substrate. Different cathodic materials are to be tested together with appropriate cooling material. The anodized area should be isolated to protect undamaged areas. Examinations of the produced layers are conducted by using Keyence microscope, eddy current testing and ESEM analysis. Further steps are to transform the coloring and sealing process for mobile application. Color could be applied by using a brush or by spray while the sealing process could be performed with water vapor. An heatable putty knife could be used, if heating up the area will be necessary. Once the application process is developed, the anodization will be tested on samples with artificial damages, fixed in horizontal and vertical positions. The stability of the anodized surface will be examined by accelerated ageing in a climate chamber and outdoor weathering.
The electrolyte (diluted sulfuric acid) was combined with a gel binder to enable a mobile application. Several thickening agents were tested concerning their conductivity and stability in acid systems. Anodization tests with different cathodic material and shapes were conducted. The temperature during anodization was controlled and adjusted if necessary. The anodized area was restricted by using either a lacquer, an adhesive or a removable silicon barrier. The fist results show the feasibility of the method on enclosed areas. The achieved thickness was measured by eddy current testing and the structure was controlled by ESEM analysis. The examinations show a connection between thickness and porosity of the anodized layers and the temperature during the application process.
Next steps are testing mobile coloring and sealing methods followed by mobile anodization on artificial damaged areas.
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 VOC inside of the display cases due to emissions from materials. Especially organic acids, e. g. formic or acetic acid which can emit from e.g. sealing materials or wood-based materials, can produce damage of cultural objects.
In 2012 BAM introduced a procedure which is called: BEMMA-Scheme (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museums¬ausstattungen) which stands for: “Assessment of Emissions from Materials for Museum Equipment”. Regarding the testing procedure only construction materials were evaluated, not the display cases their self. Micro chambers are used for VOC emission tests of display case construction materials, e.g. plastics, sealing materials, coatings, textiles and others. Each sampling procedure is carried out in duplicate. Emissions like formic acid, acetic acid, formaldehyde, piperidine-derivates 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 intention of the presentation is to inspire a discussion on the needs and challenges for the digitalisation of SOPs. SOPs are available for the disciplines of physical-chemical characterisation, for toxicology, for environmental applications and for exposure applications. Furthermore the SOPs need to be integrated in the regulatory framework and need to be detailed enough for the digital processing. This is highlighted in this presentation.
This poster summarizes the points that need to be addressed towards the standardization of an efficient procedure for the analysis of VVOC emissions: Standard mixture generation and investigations on mutual reactivity, selection of an appropriate sorbent combination, water management and choice of a suited GC column.
Berichtet wird über ein abgeschlossenes Folgeprojekt zu vorangegangenen Forschungsprojekte zum gleichen Thema. In diesem Projekt wurde das Messverfahren und der Prüfwert für die Partikelemission aus Bürogeräten (siehe Vergabegrundlage DE-UZ 205, Anhang S-M) validiert und weiterentwickelt. Dies geschah erstens durch Auswertung der Qualität der im Zuge der Antragsbearbeitung für das Umweltzeichen beim RAL vorgelegten Prüfberichte der zugelassenen Prüfinstitute und - basierend darauf - durch Erarbeitung von technisch-methodischen Veränderungsvorschlägen für die Prüfung der chemischen Emissionen, inklusive der Partikelemissionen. Zweitens wurde zur Beurteilung der Veränderung der Emissionen aktueller gegenüber älteren Geräte-generationen ein nicht repräsentativer Pool von table-top-Laserdruckern aufgebaut und die chemischen Emissionen wurden gemäß DE-UZ-205, Anhang S-M gemessen. Ergänzend wurde eine quantitative chemische Analyse der anorganischen Feststoffe - insbesondere der Metalle - in den emittierten Aerosolen vorgenommen die Feststoffgehalte um 2 Massen-% ergaben. Diese Ergebnisse wurden gemeinsam mit neueren wissenschaftlichen Untersuchungen zur gesundheitlichen Bewertung der Emissionen aus Laserdruckern ausgewertet, es besteht kein Handlungsbedarf hinsichtlich einer Veränderung von Prüfkriterien und Prüfwerten. Drittens wurde untersucht und bestätigt, dass mit dem Ziel eines zukünftigen Umweltzeichens das Emissionsverhalten Kunststoff verarbeitender 3D-FDM-Drucker und/oder die darin verarbeiteten Verbrauchsmaterialien (Filamente) mit dem für Laserdrucker entwickelten Mess- und Prüfschema charakterisiert und quantifiziert werden können. Untersuchungen an Stereo-lithografie (SLA)-Druckern und Vorrichtungen zur Nach-Aushärtung (Curing Units) ergaben keine nachweisbaren Partikelemissionen.
Museumsvitrinen sollen Kunst- und Kulturgut „ins rechte Licht“ setzen und vor Diebstahl oder Vandalismus schützen. Vergleicht man historische Schauvitrinen, die zumeist aus einfachen Glasscheiben in Holzrahmungen bestehen, mit heutigen Konstruktionen, lässt sich eine Entwicklung zu hochtechnisierten Gebilden ablesen, die deutlich mehr Ansprüchen genügen müssen als in der Vergangenheit.
Zahlreiche Beispiele verdeutlichen, dass Kunstwerke nicht nur außerhalb, sondern auch innerhalb von Museen oder Archiven ungünstigen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. So können Einbauten bzw. Dekorationen in Ausstellungsräumen, Aufbewahrungsbehältnisse in Depoträumen oder Ausstellungsvitrinen flüchtige Substanzen, sogenannte VOCs (Volatile Organic Compounds) freisetzen, die zu irreversiblen Veränderungen an den Objekten führen und diese schädigen. Hierzu zählen organische Säuren, wie Ameisen- oder Essigsäure, aber auch Verbindungen, die Sulfide enthalten. Hier wird die an der BAM entwickelte BEMMA-Bewertungsmethode vorgestellt, die von Museen verwendet werden kann Materialien mit einem geringeren Emissionspotential auszusuchen.
This study shows that formaldehyde Emission results in micro-scale emission chambers are comparable with results in bigger chambers both for particle boards and wooden toys. On the contrary, the WKI flask method was leading to more variable results depending on sample geometry. Thus, microchambers could be used for reliable routine market surveillance. An exposure assessment led to noticeable formaldehyde indoor air concentration values, pointing out the need for an effective Surveillance of such samples.
In 1981 the OECD published the Test Guideline on Particle size and size distribution. This TG is still a valid document for the measurement of particles all over the world.
When nanomaterials gained importance, ISO set up a technical commitee for Nanotechnologies in 2005 and the OECD followed this step in 2006 with the Working Party on Manufactured Nanomaterials.
In the following years ISO and OECD published several documents about nanomaterials and the systematisation developed.
In 2017 it was finally clear that nanomaterials need to be adressed in another way than chemicals and in 2020 ECHA revised the REACH-Annexes accordingly and included nanomaterials.
Unfortunately there is a little problem with this: Only a few applicable test guidelines exit for the measurement of the nanomaterials. Several test guidelines date from 1981 and do not address nanomaterials.
The logical next step for the OECD would be to publish a series of test guidelines which are indeed currently prepared and will be shown in this talk.
Finally there is an additional need for the future of NM standardisation: Digitalisation.
In this research project, a new OECD Test Guideline (TG) for the determination of “Particle Size and Particle Size Distributions of Nanomaterials” was developed as the existing OECD TG 110 is considered to be outdated in terms of applicable size range (not covering sizes <200 nm) and methods. By its scope with an applicable size range from 1 to 1000 nm the new Test Guideline (TG PSD) covers the whole nanoscale. The TG PSD is applicable for particulate and fibrous nanomaterials. The prescribed, pairwise measurement of fibre diameter and length in the TG PSD allows for the first time to differen-tiate fibres with regard to their size-dependent hazard properties. Measurement instructions for each included method were validated within two separated interlaboratory comparisons, as a distinction between near spherical particles and fibres when applying the methods has to be made.
Besides information on content and structure of the TG PSD, this final report outlines essential steps, considerations and organisational aspects during the development of the TG. Insights into the selec-tion, preparation and prevalidation of test materials used in the interlaboratory comparison are given. Finally, main results of the interlaboratory comparisons and their impacts on the TG PSD are pre-sented.
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien.
Ergebnisse:
Ideal sphärische Partikel sind gut und verlässlich mit vielen Methoden charakterisierbar.
Reale (Nicht ideale) Materialien sind gut charakterisierbar, wenn eine gewisse Homogenität und Stabilität vorliegt.
Stark inhomogene und stark agglomerierende Partikel liefern deutlich unterschiedliche Ergebnisse für verschiedene Methoden.
Partikel mit geringen Größenunterschieden lassen sich mit allen Methoden gut charakterisieren.
Partikel mit sehr deutlichen Größenunterschieden führen häufig zu einer Unterbewertung der kleineren Partikel.
Vollautomatische Partikeldetektion bei elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist z.Zt. noch stark fehleranfällig und kann daher nicht empfohlen werden.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es ist dringend zu empfehlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien. (Projektteil Fasern.)
Ergebnisse:
Abweichungen zwischen SEM and TEM insbesondere bei langen Fasern
Die Anwendung von TEM auf kurze Fasern < 5 µm beschränkt
Für SEM wurde keine signifikante Abhängigkeit der Bestimmung der Faserdurchmesser von der Pixelgröße der Aufnahmen festgestellt
Für TEM wurde eine Abhängigkeit der Bestimmung der Faserdurchmesser von der Pixelgröße festgestellt
Der Einfluss der Bildauswertenden auf die Varianz der Ergebnisse ist klein im Vergleich zu der gesamten Varianz.
Nanofasern können mit TEM und SEM bestimmt werden!
OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien
(2021)
Abschlusspräsentation des Projektes "OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien" - Projektteil Nanopartikel.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es wird dringend empfohlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
Tour de table - BAM
(2021)
Final Draft of the OECD Test Guideline for Particle Size and Particle Size Distribution of Nanomaterials.
The OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) has actively worked towards understanding possible safety issues for manufactured nanomaterials and has contributed significantly to resolving these by developing Test Guidelines, Guidance Documents, Test Reports and other publications with the aim of a safe use of manufactured nanomaterials. The OECD website (www.oecd.org/science/nanosafety) and the referenced publications contain more background information.
Among others, the OECD Test Guideline “Particle Size Distribution/Fibre Length and Diameter Distributions” (TG 110, adopted in 1981) was identified to require an update to address the specific needs of manufactured nanomaterials as the TG 110 is currently only valid for particles and fibres with sizes above 250 nm. The WPMN prioritised to either update TG 110 to be applicable also to particles at the nanoscale or draft a new nanomaterial specific Test Guideline (TG). Eventually, it was decided to develop a new TG for particle size and particle size distribution measurements of nanomaterials covering the size range from 1 nm to 1000 nm for further justification. This TG overlaps with TG 110 in the size range from 250 nm to 1000 nm. When measuring particulate or fibrous materials, the appropriate TG should be selected depending on the size range of particles tested. In line with TG 110, the new TG for nanomaterials includes separate parts for particles and fibres. For the part of this TG which addresses particles, several methods applicable to nanomaterials were reviewed and included to take into account developments since 1981 when the TG110 was adopted. This TG includes the following methods: Atomic Force Microscopy (AFM), Centrifugal Liquid Sedimentation (CLS)/Analytical Ultracentrifugation (AUC), Dynamic Light Scattering (DLS), Differential Mobility Analysis System (DMAS), (Nano)Particle Tracking Analysis (PTA/NTA), Small Angle X-Ray Scattering (SAXS), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM).
For measuring the diameter and length of fibres, analysing images captured with electron microscopy is currently the only method available. This TG includes Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM).
To test the validity of this TG, an ILC was performed. Test materials were chosen to reflect a broad 68 range of nanomaterial classes, e.g. metals, metal oxides, polymers and carbon materials. Where possible, well-characterised test materials were used. Additionally, the test materials were chosen, so that they reflect a broad range of sizes representing the size range 1 nm to 1000 nm and finally,
for fibres only, aspect ratios from length/diameter of 3 to > 50.
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. Investigations on the use of gaseous standards, the suitability of chromatography columns, the suitable sorbent combinations and the water removal are required. The talk will highlight the points that need to be explored towards the standardisation of a suitable procedure and provide appropriate preliminary results.
For centuries, churches, secular buildings and museums have been furnished with valuable works of art. Many works of art are UV- and light-sensitive. It is well known that especially UV radiation causes damage and discoloration in paintings, textiles, plastics, wood and other materials. In particular, the wavelengths between 280 and 410 nm cause color changes, embrittlement or destruction of e.g. plastics over time. Therefore, strongly UV-absorbing glasses are advantageous for architecture and are necessary for the protection of cultural assets. As restorers in all disciplines become more and more aware, the demands placed on buildings and their furnishings in terms of climate are becoming increasingly detailed and precise. The aim in each case is to preserve the valuable artwork.
For some years now, the industry has been offering the protection of cultural objects by installing special UV-protective glasses. Currently, UV protection for church buildings is realized by laminated safety glass equipped with appropriate UV-protective plastic films. Technically, this always means a second pane of glass in front of the windows, which is installed outside the building. This creates climatic gaps that are difficult to control and deterioration due to ageing effects can be expected. At the same time, this protective glazing is not invisible and has a considerable aesthetic influence on the interior and exterior appearance of the building. Meanwhile, the preservation of historical monuments accepts such aesthetic cuts on buildings in order to protect the artwork in the interior from UV light. To this day, however, the long-term durability of UV protection provided by inserted plastic films is still controversial.
To date the only available alternative on the market is a mouth-blown UV protection glass which uses a so-called overlay to provide UV protection. This shows that UV protection can also be achieved by glasses without plastic films thus realizing an exclusive inorganic protection which normally is more stable than a polymeric one. So far there are not enough studies to prove long-term durability.
The aim of this project is to provide existing glazing or new glazing to be created with a highly transparent layer that ensures this UV-protective filter function below 400 nm. The glass coating is to be applied to the glass over a large area and fired into the surface like a classic ceramic enamel paint with the same technics. In addition, it should be long-term durable in its function. It means, that the glass has to be fused at temperatures below 630 °C during the firing process, its chemical durability has to be high, its coefficient of thermal expansion has to be as close as the one of the substrate (usually float glass) and the glass has to absorb the UV-radiation within a thin thickness (thinner as 100 µm).
In this project, the long-term durability of commercial UV-protective glasses is examined. New low melting glasses containing UV-absorbing ions are being developed. Their UV-absorption as a thin layer is analyzed as well as their chemical durability and their thermal properties.
We are grateful to BMWI for the financial support in the frame of the Central Innovation Programme for SMEs (ZIM).
A brief perspective of BAM on nanocarriers is presented including examples with special emphasis on the characterization of such materials and underlying challenges. In this respect, also ongoing activities at BAM on different types of core/shell nanomaterials and related systems are briefly summarized.
In many late-breaking research fields as in photovoltaics, microelectronics, nuclear waste glasses or at least mirror glasses silver diffusion in glasses is relevant to the issues of high-level functionality and recycling. The present study is focused on silver diffusion in innovative, low-melting alkali zinc borate glasses (X2O-ZnO-B2O3, X = Li, Na, K, Rb) potentially usable for silver metallization-pastes in solar cells. The glasses were coated with a thin metallic silver layer and heat treatments in air and nitrogen close to Tg at 470 °C for 2 h were performed. After heat treatment under air and nitrogen atmospheres the coating thickness, measured by a white light interferometer, was about 1.8 µm thick. Silver depth profiles determined by means of secondary neutral mass spectrometry (SNMS) indicate the fastest silver diffusion to a depth of 3.5 µm for Li2O-ZnO-B2O3 (LZB) glass. Nevertheless, the influence of the different alkali ions on the silver diffusion is small. The oxygen availability determines the silver diffusion into the glasses. The oxygen promotes the oxidation of the silver layer enabling Ag+ to diffuse into the glass and to precipitate as Ag0. Both species were detected by x-ray absorption spectroscopy (XAS). The precipitated metallic silver particles in Na2O-ZnO-B2O3 (NZB) glass have a mean size of 5.9 nm ± 1.2 nm diameter, which was determined using transmission electron microscopy (TEM). Phase separation in zinc-rich and zinc-poor phases with a mean diameter of 75 nm ± 20 nm occurred in NZB glass after heat treatment. Ion diffusion of the glasses into the silver layer was suggested by EDX-line scans.
Previous studies have shown that desktop 3D printers (Fused Filament Fabrication) emit high numbers of particulate matter, mainly as ultrafine particles (UFP, particle diameter less than 100 nm). However, the chemical composition of emitted particles has been less extensively investigated. In this study, we therefore focused on the chemical composition of particles emitted from 3D printing. The measurements were conducted in a 1 m³ emission test chamber. Emitted particles were sampled by a 13-stage low-pressure cascade impactor onto aluminum foils and then analyzed by TD-GC/MS to identify their organic compounds. Nine commercial filaments made from basic polymers such as Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Acrylonitrile Styrene Acrylate (ASA), Polycarbonate (PC), Poly(methyl methacrylate) (PMMA), Nylon, High Performance Polystyrene (HIPS) and a copper-filled Polylactide (PLA) were investigated. The results show that the organic components of the particles are primarily plastic additives such as plasticizer, antioxidant agents, lubricants, UV-absorbers and UV-stabilizers from the filaments.
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.
Quantitative chemical analysis of airborne particulate matter (PM) is vital for the understanding of health effects in indoor and outdoor environments and required by EU air quality regulations. Typically, airborne particles are sampled on filters, followed by lab-based analysis, e.g., with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Within the EURAMET EMPIR AEROMET project, cascade impactor aerosol sampling was combined with on-site total reflection X-ray fluorescence (TXRF) spectroscopy. The study aimed at a proof of principles for this new mobile and on-size tool for the quantification of aerosol element compositions and element mass concentrations within short time intervals of less than 12 h. In a field campaign the method’s technical feasibility could be demonstrated. The TXRF results were traced back to a stationary, reference-free XRS setup in the laboratory of the German national metrology institute PTB at the BESSY II electron storage ring in Berlin, Germany. Simultaneous PM10-filter sampling, followed by standardized lab-based analysis, allowed for a comparison of the field campaign data of both methods. As Fig. 1 shows, the correspondence between PM10 filter sampling and ICP-MS, and on the other hand, cascade impactor sampling and TXRF is quite encouraging. However, for some of the analysed elements, e.g. V and Pb, the observed deviations are higher than expected and this highlights the fact, that spectral deconvolution strategies for TXRF on cascade impactor samples still need some improvement.
This work was supported by the EMPIR programme, co-financed by the Participating States and from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme, through grant agreements 16ENV07 AEROMET and 19ENV08 AEROMET II
Formaldehyde is considered as carcinogenic and is emitted from particleboards and plywood used in toy manufacturing. Currently, the flask method is frequently used in Europe for market surveillance purposes to assess formaldehyde release from toys, but its concordance to levels measured in emission test chambers is poor. Surveillance laboratories are unable to afford laborious and expensive emission chamber testing to comply with a new amendment of the European Toy Directive; they need an alternative method that can provide reliable results. Therefore, the application of miniaturised emission test chambers was tested. Comparisons between a 1 m3 emission test chamber and 44 mL microchambers with two particleboards over 28 days and between a 24 L desiccator chamber and the microchambers with three puzzle samples over 10 days resulted in a correlation coefficient r2 of 0.834 for formaldehyde at steady state. The correlation between the results obtained in microchambers vs. flask showed a high variability over 10 samples (r2: 0.145), thereby demonstrating the error-proneness of the flask method in comparison to methods carried out under ambient parameters. An exposure assessment was also performed for three toy puzzles: indoor formaldehyde concentrations caused by puzzles were not negligible (up to 8 μg/m3), especially when more conservative exposure scenarios were considered.