Παρόλο που έχει σχεδιαστεί μεγάλος αριθμός προϊόντων ενισχυμένων με γραφένιο, οι επιπτώσεις των εκπομπών που παράγονται από καύση από αυτά τα προϊόντα στους πνεύμονες δεν έχουν αναλυθεί σημαντικά. Πρόσφατα, οι ερευνητές της EMPA επεδίωξαν να αντιμετωπίσουν αυτό το ερευνητικό κενό και να διερευνήσουν τους κινδύνους για την υγεία που σχετίζονται με τα υπολείμματα γραφένιου. Αυτή η μελέτη είναι διαθέσιμη στο NanoImpact.
Καύση προϊόντων που βασίζονται σε γραφένιο
Το GNP είναι ένα δισδιάστατο (2D) υλικό που περιέχει διάφορα στρώματα φύλλων γραφένιου. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το ΑΕΠ είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο νανοφίλλο που ενισχύει τις ιδιότητες των εμπορικών σύνθετων υλικών. Ως εκ τούτου, είναι επιτακτική η ανάλυση των προφίλ ασφαλείας αυτού του υλικού λόγω της αυξημένης χρήσης του. Η διαδικασία καύσης χρησιμοποιείται για την αποτέφρωση των αποβλήτων των πολυμερών ενισχυμένων με GNP, τα οποία περιλαμβάνουν την πλήρη καύση του σύνθετου υλικού με ελεγχόμενο τρόπο. Ωστόσο, εάν υπάρχει τυχαία πυρκαγιά, συμβαίνει μόνο μερική καύση, δημιουργώντας σημαντική αιθάλη.
Επιπλέον, είναι δύσκολο να διασαφηνιστεί πλήρως η διαδικασία καύσης των πολυμερών με βάση τα νανοϋλικά. Η καύση εποξειδικής (ΕΡ) είναι μια ταχεία διαδικασία που παράγει μεγάλη ποσότητα τοξικών αερίων (π.χ. μονοξείδιο του άνθρακα) και αιθάλη. Αντίθετα, τα πολυμερή που περιέχουν GNPs παρουσιάζουν ιδιότητες επιβράβευσης φλόγας. Για παράδειγμα, όταν προστίθενται GNPs στην ρητίνη EP, η διαδικασία καύσης επιβραδύνεται λόγω της επίδρασης φραγμού. Αυτό το αποτέλεσμα αποδίδεται στη μετεγκατάσταση των ΑΕΠ στην επιφάνεια του πολυμερούς, σχηματίζοντας ένα προστατευτικό στρώμα.
Σε υψηλές θερμοκρασίες, δηλ. Πάνω από 850 ° C, ο μετασχηματισμός των ΑΕΠ συμβαίνει λόγω της θερμικής οξείδωσης. Στη θερμοκρασία που έχει αναφερθεί, σχηματίζεται μια οπή στο γραφικό στρώμα ή εμφανίζεται η εξάρθρωση των ΑΕΠ από τη μήτρα. Η αερομεταφερόμενη μορφή άνθρακα που παράγεται κατά τη διάρκεια της καύσης των ΑΕΠ θέτει τους κινδύνους για την υγεία για τον άνθρωπο και το περιβάλλον.
Βιολογικές επιδράσεις του GNP στους ανθρώπους
Αρκετές μελέτες έχουν αναφέρει τις βιολογικές επιδράσεις των ΑΕΠ, ιδιαίτερα εκείνων με πάχος 100 nm και περίπου 25 μm διάμετρο. Αυτά τα αρσενικά με αεροδυναμική διάμετρο μπορούν να κατατεθούν στις δομές των αεραγωγών και των κυψελιδικών δομών. Τα GNPs μεγαλύτερα από 15 μm (διάμετρος) δεν μπορούν να φαγοκυττάρονται με μακροφάγα, τα οποία προκαλούν φλεγμονώδεις κυτοκίνες. Η απογοητευμένη φαγοκυττάρωση μπορεί επίσης να χάσει την ακεραιότητα της κυτταρικής μεμβράνης.
Διαφορετικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των ΑΕΠ, όπως το πάχος, η χημεία της επιφάνειας, η πλευρική διάσταση και η επιφάνεια, επηρεάζει την τοξικότητα του ΑΕΠ. Τα διαφορικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά οδηγούν σε ποικίλες βιολογικές αποκρίσεις των ΑΕΠ. Κατά τη διάρκεια της καύσης του ενισχυμένου πολυανθρακικού (PC) και της πολυουρεθάνης (PU) και της πολυουρεθάνης (PA), η αυξημένη συγκέντρωση πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων (PAH) προσροφάται στα σωματίδια. Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι το PUNNT αυξάνει τους κινδύνους σχηματισμού αντιδραστικών ειδών οξυγόνου (ROS), οι οποίοι μπορούν να βλάψουν το DNA.
Επιδράσεις της καύσης των σύνθετων πολυμερών
Το θερμιδόμετρο κώνου χρησιμοποιήθηκε για να διερευνήσει τις επιδράσεις των νανοφίλων στην καύση. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι θερμοκρασίες άνω των 800 ° C καταστρέφουν τα ΑΕΠ. Η τρέχουσα μελέτη αποκάλυψε τα χαρακτηριστικά καύσης των EP-GNP και EP. Κάθε δείγμα υποβλήθηκε σε καύση για 5 έως 7 λεπτά και η κορυφή καύσης εμφανίστηκε σε περίπου 130-140 δευτερόλεπτα. Το GNPS καθυστέρησε οριακά τον χρόνο ανάφλεξης για εποξειδικό σύνθετο λόγω θερμικής διάχυσης. Σε σύγκριση με το EP, το EP-GNP μείωσε τον ρυθμό απελευθέρωσης θερμότητας μέγιστης θερμότητας (PHRR) και αυξήθηκε οριακά η παραγωγή CO.
Αυτό το εύρημα θα μπορούσε να οφείλεται στην υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα των ΑΕΠ, σε σύγκριση με το καθαρό EP. Ένας μεγαλύτερος λόγος CO/CO2 έδειξε ελλιπή καύση. Η τρέχουσα μελέτη κατέδειξε ότι τα ΑΕΠ δεν επηρέασαν τον αριθμό των σωματιδίων ή το μέγεθος της καύσης. Παρατηρήθηκε ότι τα απελευθερωμένα αερολύματα ήταν στην περιοχή 109 σωματιδίων/cm3. Δεδομένου ότι τα μεγέθη των εκπομπών σωματιδίων μετά από καύση EP και EP-GNP βρέθηκαν να είναι μικρότερες από 4 μm, έδειξε την πιθανότητα εναπόθεσης στην κυψελιδική περιοχή του πνεύμονα.
Η φασματοσκοπία Raman και η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) του σωματιδίου που παράγονται στη διαδικασία καύσης EP-GNP αποκάλυψαν την απουσία ΑΕΠ στο αερομεταφερόμενο κλάσμα, ενώ τα GNP βρέθηκαν στην υπολειμματική τέφρα. Η βιολογική απόκριση των κυψελιδικών επιθηλιακών κυττάρων μετά από 24 και 96 ώρες έκθεσης σε υπολείμματα γραφένιου εμφάνισαν οξείες κυτταρικές επιδράσεις. Τα πειραματικά αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι ακόμη και σε υψηλές συγκεντρώσεις σωματιδίων, τα ΑΕΠ δεν προκάλεσαν σημαντικές αποκρίσεις παρεμβολών.
Δεν παρατηρήθηκαν εμφανείς μεταβολές στην κυτταρική μορφολογία όταν εκτέθηκαν σε εκπομπές από EP και EP-GNP. Αν και οι εκπομπές από την καύση EP δεν επηρέασαν την κυτταρική μεμβράνη. Εξαιρετική ή μιτοχονδριακή δραστηριότητα, η καύση EP-GNP οδήγησε σε μείωση της μιτοχονδριακής δραστηριότητας. Η απουσία γαλακτικής αφυδρογονάσης (LDH) έδειξε ότι η καύση EP-GNP δεν προκάλεσε κυτταρικό θάνατο.
Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν προφίλ κυτοκίνης για τον προσδιορισμό των φλεγμονωδών αποκρίσεων στις αερομεταφερόμενες εκπομπές. Ένα υψηλότερο επίπεδο MCP-1 παρατηρήθηκε σε κύτταρα που εκτέθηκαν σε εκπομπές τόσο από την καύση EP-GNP. Επιπλέον, το EP-GNP προκάλεσε υψηλότερη παραγωγή GM-CSF. Συγκεκριμένα, δεν παρατηρήθηκαν εμφανείς μεταβολές στα γονίδια που σχετίζονται με το οξειδωτικό στρες (HMOX1 και SOD2) όταν τα κύτταρα εκτέθηκαν τόσο σε εκπομπές ΕΡ-GNP.