Sicheres Arbeiten mit Nanomaterialien

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen

Modul „Sicheres Arbeiten mit
Nanomaterialien“ (Teil I)

Datum: Juli 2012

Autor: Helmut Elbert

Swiss Nano-Cube
Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St.Gallen
Tel. +41 (0) 71 274 72 66, info@swissnanocube.ch
www.swissnanocube.ch

Gesundheitsschutz
beim Umgang mit Nanomaterialien

Gliederung

 Nanomaterialien und Arbeitsschutz:
wichtige Begriffe (Teil I)

 Aufnahmewege beim Menschen (Teil II)

 Präventive Schutzmassnahmen (Teil III)

© 2012 - Swiss Nano-Cube 1

Nanomaterialien und Gesundheitsschutz

Begriffe und Definitionen
 Nanomaterialien sind beabsichtigt hergestellte Materialien, die
a) entweder in ein, zwei oder drei Dimensionen nanoskalig* sind (Nanoobjekte)
b) oder deren innerer bzw. äusserer Aufbau nanoskalige Strukturen aufweist
(nanostrukturierte Materialien).

 Nanoobjekte mit 3 Aussenmassen (= Dimensionen) im Nanomassstab werden als
Nanopartikel bezeichnet.

 Für den Arbeitsschutz besonders relevant sind Stäube, die granuläre
Nanopartikel oder faserförmige Nanoobjekte (Nanofasern, Nanoröhrchen,
Nanodraht) enthalten.

 Nanopartikel können sich durch stärkere bzw. schwächere Bindungskräfte zu
Aggregaten bzw. Agglomeraten zusammenlagern.

* nanoskalig = Dimensionen zwischen 1 und 100 Nanometern (Abk. nm)


Abgrenzung: Nanostäube von Fein- und Ultrafeinstäuben
 "Nanostäube" sind Stäube, die granuläre Nanopartikel oder
faserförmige Nanoobjekte (Nanofasern, Nanoröhrchen, Nanodraht) im
0.001 μm
Grössenbereich von 1 bis 100 nm enthalten. ( = 1 nm)

 "Ultrafeine Stäube" enthalten ebenfalls Partikel im Grössenbereich
von 1 bis 100 nm. Sie entstehen jedoch im Gegensatz zu
Nanostäuben unabsichtlich, z. B. bei thermischen Prozessen (u. a.
Schweissprozesse) oder der mechanischen Bearbeitung von 0.1 μm
Werkstoffen. Nanostaub
+
Ultrafeinstaub
 Für den Begriff „Feinstaub“ gibt es verschiedene Definitionen. Der
Begriff "Feinstaub" wurde im Arbeitsschutz durch den Begriff
„alveolengängige Staubfraktion“ („a-Staub“ steht für den Massenanteil
der inhalierbaren Partikel, der bis in die Alveolen vordringt) ersetzt.

5 μm
Feinstaub


Begriffsunterschied: Nanopartikel und Ultrafeinstäube (1)

Ultrafeinstäube (Partikelgrösse 1 bis 100 nm) …

 werden nicht gezielt hergestellt; sie entstehen als Nebenprodukt
aus (thermischen) Prozessen.

 werden durch Menschen verursacht.
Beispiele: Metallverarbeitung, Verbrennungsmotoren, Heizungen

 stammen aus natürlichen Quellen.
Beispiele: Vulkanasche, Waldbrände, Wirbelstürme

 Bestehen aus einem komplexen Gemisch von chemischen
Substanzen (Metalle, Kohlenwasserstoffe, Inertmaterialien etc.)


Begriffsunterschied: Nanopartikel und Ultrafeinstäube (2)

Nanopartikel (Partikelgrösse 1 bis 100 nm) …
 werden gezielt hergestellt.

 haben besondere Eigenschaften u. Funktionen auf Grund der
Nanometer-Grösse. Sie haben z.B. eine andere Farbe als
dasselbe Material in Mikroform (z.B. Gold) oder sie sind viel
reaktionsfreudiger (pyrophores Eisen).

 können sich durch stärkere bzw. schwächere Bindungskräfte zu
Aggregaten bzw. Agglomeraten zusammenlagern.

 Beispiele: Industrie-Russ, Titandioxid, Zinkoxid, Carbon-
Nanotubes (CNT)


Übersicht: Nanomaterialien und deren Einteilung
(in Anlehnung an die Definition von ISO, Technical Committee 229)

Nanomaterialien

Nanoobjekte Nanostrukturierte Materialien

Material mit 3 Material mit 2 Material mit 1
Nano
Dimensionen Dimensionen zw. Dimensionen
Komposite
zw. 1 u. 100 nm 1 u. 100 nm zw. 1 u. 100 nm

Faserförmige
(Granuläre) Nanoobjekte Nanopartikel /
(Nanofasern, Nanoplättchen -stäbchen in
Nanopartikel
Nanoröhrchen, Komposit
Nanodraht)
Beispiel anorg. Beispiel anorg. Bsp.: In SiO einge-
Bsp.: Ceroxid 2
Nanopartikel Nanofaser bund. Chitinstäbchen

Besondere Relevanz für
Arbeitsschutz


Übersicht: Nanoobjekte und deren Einteilung
Nanoobjekte

Material mit 3 Material mit 2 Material mit 1
Dimensionen Dimensionen Dimensionen
zw. 1 u. 100 nm zw. 1 u. 100 nm zw. 1 u. 100 nm

Faserförmige
(Granuläre) Nanoobjekte
Nanopartikel (Nanofasern, Nanoplättchen
Nanoröhrchen,
Nanodraht)
Bsp. anorg.Nanopartikel Bsp. Anorg. Nanofaser Bsp.: Ceroxid

Besondere Bedeutung für
Arbeitsschutz


Nanostäube, Fein- und Ultrafeinstäube
Was versteht man unter Feinstaub ?

Staub ist ein natürlicher Bestandteil der Luft
und damit so gut wie überall präsent. Je
nach Größe der Staubteilchen (Partikel)
spricht man von, Feinstaub oder
ultrafeinem Staub.

Feinstaub PM10, der kleiner als 10
Mikrometer ist, gelangt bis in den oberen
Bereich der Lunge.

Feinstaub PM2,5, der kleiner als 2,5 µm
ist, dringt tief bis in die Atemwege zu den
Bronchiolen vor.

Ultrafeinstaub PM0,1 ist kleiner als 0,1 µm
und kann sogar in die Lungenbläschen
eindringen.



Materialien / Partikel und ihre Grösse in μm

Grosse rote Blut-
C60 Fulleren Viren Bakterien Pollen Haardurchmesser
Moleküle körperchen

0.001 μm 0.01 μm 0.1 μm 1 μm 10 μm 100 μm
( = 1 nm)
einatembarer Staub

alveolengängiger Staub
Nanopartikel / "Feinstaub"
ultrafeine Aerosole


Nanopartikel und ultrafeine Aerosole sind allgegenwärtig . . .
einige Beispiele aus der Praxis (10 - 100 nm)

Ort der Messung Partikelzahl pro cm3 Luft
geschlossene Räume 1.000 – 10.000

industrielle Arbeitsplätze 5.000 – 100.000

stark befahrene Strasse bis zu 100.000

am Ofen einer Bäckerei bis zu 640.000

im Zigarettenrauch bis zu 1.000.000

in Dieselmotorabgasen bis zu 10 Mrd.


Potentielle Gesundheitsgefahren durch Nanopartikel

Fazit: Nanoprodukte können auch gefährlich sein - bisher ist hierüber (noch) zu wenig
bekannt. Deshalb ist präventives Handeln angezeigt.

Aufnahmewege beim Menschen

Übersicht: Aufnahmewege für Nanopartikel beim Mensch

inhalativ* = über Atemwege u. Lunge

oral* = über Magen / Darm

dermal* = über die Haut

*zuzüglich Kombination(en) der drei Aufnahmewege = Nanopartikel


Nanopartikel: Aufnahme über Atemwege u. Lunge
(= inhalativer Aufnahmeweg)

 Nanopartikel werden hauptsächlich über die
Atemwege aufgenommen.

 Inhalierte Nanopartikel besitzen die
Fähigkeit, Gewebe zu durchdringen. So können
sie über die Alveolen (= Lungenbläschen) der
Lunge direkt in den Blutkreislauf und von dort in
sekundäre Zielorgane (z. B. die Nieren) gelangen.

 Die Lunge ist das kritischste Organ bei der
Aufnahme von Nanopartikeln in den Körper.

 Im Tierversuch wurde gezeigt, dass über das
Epithel der Riechschleimhaut aufgenommene
Nanopartikel bis in das Gehirn gelangen können.


Aufnahme über den Magen / Darm (= oraler Aufnahmeweg)

 Nanopartikel können auch über die Schleimhäute des
Magen-Darm-Traktes aufgenommen werden.

 Auch hier gilt: Je kleiner die Partikel sind, desto
grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer
Ablagerung der aufgenommenen Partikel in
bestimmten Geweben und Organen und zur
Schädigung derselben kommen kann.

 Ist die Darmbarriere infolge entzündlicher
Erkrankungen in seiner Funktion beeinträchtigt,
können die Transportraten durchaus höher liegen, als
bei einem gesunden Darm.


Aufnahme über die Haut ( = dermaler Aufnahmeweg)

 Das gesundheitliche Risiko einer
Aufnahme von staubförmigen
Nanopartikeln über die Haut wird derzeit
als gering beurteilt.

 Die gesunde Haut scheint eine wirksame
Barriere gegen das Eindringen von
Nanopartikeln zu sein.



Eine mögliche Aufnahme von Nanomaterialien in den menschlichen
Körper hängt davon ab, wie sie in der Umgebung vorliegen:

Nanomaterialien Risiko bzgl. Körperaufnahme
Praxisbeispiel
ohne Schutzmassnahmen
 freie Nanopartikel Arbeiten mit
(inkl. Agglomerate u. Aggregate)
pulverförmigen gross
Nanopartikeln
 Nanopartikel gebunden in Nanopartikel als
eine andere Substanz Verstärkung in mässig / gering
Kunststoffen

 Nanopartikel verteilt in
einer Flüssigkeit (Suspension) Spray-Applikation,
starkes Umrühren gross
etc).


Präventive Schutzmassnahmen
Das „STOP-Modell“

Substitution: Gesundheitsgefährdende Stoffe durch
harmlosere ersetzen.

Technische Schutzmassnahmen: (= Kollektivschutz):
Zum Erfassen, Begrenzen u. Abführen gefährlicher Gase,
Dämpfe, Stäube.

Organisatorische Schutzmassnahmen: z. B. Minimierung
der Expositionszeiten, Zugangsbeschränkung etc.

Personenbezogene Schutzmassnahmen: (Individualschutz):
z. B. Verwendung persönlicher Schutzausrüstung



Substitution
= Gesundheitsgefährdende Stoffe werden durch
harmlosere ersetzt.

Beispiele:
 Ersatz pulverförmiger Nanopartikel-
Zubereitungen durch solche, die Nanopartikel
gebunden enthalten und damit eine Freisetzung
erschweren (Dispersionen, Pasten, Granulate,
Compounds etc.).
 Ersatz von Sprühanwendungen durch
aerosolarme Verfahren (Streichen, Tauchen).



Technische Schutzmassnahmen
(= Kollektivschutz)
 Verwenden von geschlossenen Apparaturen u.
Materialien-Transfersystemen
 Absaugen von Stäuben oder Aerosolen direkt an der
Quelle
 Raumlüftung und Abluftfiltersystem für abgesaugte
Luft vorsehen (HEPA-Filter H14), keine Abluft-
Rezirkulation
 Abtrennung von Arbeitsbereichen (Separaträume) und
Anpassung der Raumlüftung (leichter Unterdruck)
 Reinigung nur durch Aufsaugen mit geeigneten
Geräten oder feucht aufwischen, kein Abblasen



Organisatorische Schutzmassnahmen
Beispiele:

 Minimieren der Expositionszeit

 Minimieren der Anzahl exponierter Personen

 Entstehen von Stäuben oder Aerosolen vermeiden

 Beschränkung des Zugangs

 Unterweisen des Personals über Gefahren und
Schutzmassnahmen (Betriebsanweisungen)



Personenbezogene Schutzmassnahmen
(= Individualschutz)
Sie sind notwendig, wenn Aerosolbildung und / oder Hautkontakt durch
technische Massnahmen nicht ausgeschlossen werden können:

 Partikelfiltrierender Atemschutz (mindestens Filtertyp FFP2 gemäss
SUVA)

 Schutzhandschuhe (bei Einweghandschuhen wird ein
Übereinandertragen von 2 Handschuhen empfohlen)

 Geschlossene, gut sitzende Schutzbrille

 Schutzbekleidung mit Kapuze (non woven)

 Arbeitshygienemassnahmen (siehe Folien 11 und 12)



Personenbezogene Schutzmassnahmen (1/7)
Augenschutz:

 Mindestens eine dicht schliessende Schutzbrille
verwenden (z. B. Korbbrille)

 Vollmasken bieten besseren Schutz:
 sie umschliessen das ganze Gesicht
 schützen gleichzeitig auch die Augen
 Als Folge der verbesserten Abdichtung
zwischen Gesicht und Maske resultiert
gleichermassen der bessere nominelle
(Atem-)Schutzfaktor.



Atemschutz:
 Wenn die Freisetzung von Nanopartikeln (als Staub
oder Aerosol) nicht verhindert werden kann, zusätz-
lich zu den technischen Massnahmen (siehe dort)
eine Atemschutzmaske tragen
(mindestens Halbmaske, Filterklasse 3; sie
umschliesst Mund, Nase und Kinn).

 Dichtsitz der Maske speziell bei Bartträgern
kontrollieren.



Handschuhe (Hautschutz)
 Sorgfältiges An- und Ausziehen der Handschuhe und
Überlappung mit dem Schutzanzug ist sehr wichtig.

 Bei direktem Kontakt mit Nanopartikeln (fest, flüssig
oder staubförmig)
möglichst zwei Schichten von Handschuhen
übereinander tragen (z. B. Latex- +
Chemiehandschuhe oder
zwei Einweghandschuhe übereinander tragen;
dabei das Handschuhmaterial entsprechend den
jeweiligen Chemikalien wählen.

 Die richtige Handhabung der Handschuhe ist wichtiger
als die Durchdringzeit des Handschuhmaterials für
Nanopartikeln.



Schuhe / Stiefel (Hautschutz):
 Sorgfältiges An- und Ausziehen der Schuhe /
Stiefel und Überlappung mit dem Schutzanzug
ist sehr wichtig.




Schutzanzug (Hautschutz):

 Langärmeliger Schutzanzug aus Membranmaterial
(non-woven oder Vlies, z. B. Tyvek®) mit Kapuze
verwenden; gewobene Stoffe sind zu vermeiden

 Sorgfältiges An- und Ausziehen der Handschuhe und
Überlappung mit dem Schutzanzug ist sehr wichtig

 Gleichermassen wichtig ist das richtige An- und
Ausziehen des Schutzanzugs (siehe Video:
http://www.youtube.com/watch?v=qPWKHhmGqYc)



Allgemeine arbeitshygienische Massnahmen:

 Vermeidung gesundheitsschädlicher
Arbeitsbedingungen

 Schaffung gesundheitsfördernder Arbeitsbedingungen

 Gegenstand der Arbeitshygiene: Sämtliche
Belastungsfaktoren am Arbeitsplatz (z. B. Gefahrstoffe)



Hygienemassnahmen:

 technische u. arbeitsmedizinische Massnahmen zum
Abbau von Belastungen durch Arbeitsstoffe und -mittel

 saubere Arbeitsplätze, -geräte und -kleidung,
geschützte Aufbewahrung der beruflich nicht
eingesetzten Kleider (= Ausgangskleider)

 persönliche Hygienemassnahmen einschliesslich
Hautschutz und Hautpflege (geeignete
Waschgelegenheiten und -mittel etc.)

 besondere Schutzmassnahmen bei Tätigkeiten mit
gefährlichen Stoffen.



FAZIT:
Die bisher vorliegenden Untersuchungsergebnisse zum Thema Arbeits- und
Gesundheitsschutz beim Umgang mit Nanomaterialien zeigen, dass die
gegen Stäube üblichen Schutzmassnahmen auch gegenüber Nanopartikeln
wirksam sind.


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