Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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86 Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie NANOMATÉRIAUX ET MAÎTRISE DES RISQUES principes de détection parfois très différents (mesure des charges électriques, de lumière diffusée, de masse...) qui les conduisent à des métriques également très différentes. Parmi les équipements de référence le Scanning Mobility Particle Sizer permet de descendre le seuil de détection jusqu’aux particules mesurant 5 nm. Mais couvrir la gamme complète des nanoparticules suppose d’abaisser ce seuil à 1nm. Le CEA y travaille, notamment dans le cadre d’une collaboration avec Yale University (États- Unis) et d’un partenariat industriel avec la société allemande Grimm. Le CEA travaille également sur la mesure en continu, au poste de travail, pour s’assurer que son personnel ne se trouve pas exposé aux nanoparticules. La difficulté de mesurer les particules fabriquées dans les labo - ratoires et les ateliers provient de la présence de concentrations très élevées de parti cules « naturelles » de différentes origines:environ 10000 particules naturelles, par cm 3 d’air pour des tailles supérieures à 10nm issues de réactions chimi ques dans l’atmosphère, de la végétation, des éruptions volcaniques... mais également des concentrations très variables de particules provenant de sources anthropiques tels la circulation automobile, le chauffage… Des mesures, effectuées dans le cadre du projet Nanosafe, montrent que le seuil de 10 000 particules par cm 3 d’air peut être largement dépassé en milieu urbain (10 5 près d’une autoroute, 10 6 sur le tarmac d’un aéroport...) ou industriel (découpe plasma : 10 6, soudure : 10 7/cm 3...). De plus, ces concentrations peuvent fluctuer de façon très significative d’un moment de la journée à l’autre (par exemple, une décade en 1/2 heure). Dans le cas de l’air ambiant, comme le montre la figure 1, plus on mesure des tailles de particules petites et plus on constate que les concentrations sont élevées (courbe en pointillé). Ces valeurs sont à comparer avec le seuil acceptable proposé par le National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) pour le nano TiO 2 (dioxyde de titane) (2) : 0,1 mg/m 3 correspondant à environ 4.10 5 particules de 50 nm/cm 3 d’air ou bien encore à 5.10 4 particules de 100 nm/cm 3. Ainsi, pour un composé réputé pourtant faiblement toxique, le seuil proposé en concentration massique converti en concentration en nombre de particules, peut s’avérer du même ordre de grandeur que le bruit de fond des particules naturelles. On peut (2) Calculs effectués pour une densité moyenne du TiO 2 de 4, pour des particules supposées sphériques. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 raisonnablement penser que des seuils plus sévères seront attribués pour des nanoparticules plus toxiques que le TiO 2. La mesure des particules fabriquées volontairement, celles qui nous intéressent ici, peut donc se trouver fortement masquée et perturbée par les particules existantes. Le CEA travaille sur deux méthodes capables de mesurer les nanoparticules de façon spécifique : la première consiste à ajouter un traceur dans les nanoparticules (par exemple, la fluorescéine), la seconde nombre de particules/cm 3 10 6 10 5 10 4 1000 100 limites de détection attendues détection « particulaire » détection « matériaux » détection « traçage » consiste à analyser leur matière constitutive par des méthodes de détection d’ultratraces (figure 2). Ainsi, pour mesurer des nanoparticules d’oxyde de titane, on collecte des nanoparticules sur des filtres puis on analyse la présence chimique du titane par spectrométrie de masse. Cette dernière méthode permet de gagner un facteur 10 à 100 en terme de sensibilité de détection des nanoparticules, et peut s’utiliser sous forme d’un badge porté par les opérateurs. particules artificielles concentrations cumulées concentrations des particules naturelles dans l’air pur (« plus grand que ») pente = -2 10 1 10 100 1000 taille des particules (nm) Figure 1. Évolution de la concentration en nanoparticules, en fonction de leur taille (plus grandes que) et stratégies alternatives de détection basées sur la mesure d’une spécificité des nanoparticules d’intérêt. limite de détection (particules/ml à la taille de 10 nm) 1 10 5 8 10 4 6 10 4 4 10 4 2 10 4 0 limite de détection des compteurs compte tenu du bruit de fond naturel gain facteur 10 à 100 en sensibilité Cr AI Ag Zn Ni Ti éléments Figure 2. Limites de détection des nanoparticules de 10 nm, mesurées par leurs éléments constitutifs, par ICPMS (pour Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer), méthode usuellement utilisée dans l’industrie chimique pour détecter les ultratraces. CEA CEA
Colonne de sol de petites dimensions permettant d’étudier la migration de nanoparticules en utilisant des nanotraceurs fluorescents. Des filtres qui prouvent leur efficacité L’industrie conventionnelle a su réduire l’exposition des salariés aux particules toxiques (peintures, fumées, poussières...) : d’abord, en intervenant sur le conditionnement global de l’air des locaux, mettant en œuvre des filtres au niveau des postes de travail, mais aussi, en agissant au plus près des individus en leur imposant le port d’équipements de protection individuelle (masques, tenues de protection, gants). L’efficacité de ces mesures suppose d’avoir préalablement bien intégré les différents mécanismes de filtration. Il faut évacuer définitivement l’idée qu’un filtre en papier, ou le textile tissé d’une tenue de protection, agit à la manière d’une « écumoire » qui arrêterait uniquement les particules plus Préparation d’une expérience permettant de tester l’imperméabilité, les équipements de protection individuelle (masques et gants) aux nanoparticules dans le cadre du projet européen Nanosafe. P.Avavian/CEA F. Vigouroux/CEA grosses que ses trous. Une simple observation au microscope électronique à balayage permet, au contraire, d’observer que ces médias filtrants se composent d’un enchevêtrement de fibres (souvent fibres de verre ou de cellulose) parfois maintenues par des liants organiques de quelques micromètres (figure 3). Les interstices entre deux fibres mesurent quelquefois plusieurs dizaines de microns, et pourtant leur épaisseur constitue un piège très efficace contre des particules beaucoup plus petites. Ces filtres interceptent les particules dans leur épaisseur selon trois mécanismes distincts puis au contact des fibres, les forces de Van der Waals, largement prépondérantes par rapport aux autres forces à cette échelle, les particules les piègent, en général de façon irréversible (voir encadré). Un procédé existe pour optimiser la filtration : il consiste à rajouter des charges électrostatiques, positives et négatives, sur les fibres. Les particules chargées sont alors attirées, puis capturées, par les fibres présentant des charges de signe opposé. Ce type de média filtrant, utilisé pour réaliser les masques, permet notamment de faciliter la respiration en réduisant la perte de charge. Pour obtenir l’efficacité totale d’un filtre, il faut additionner les performances des différents mécanismes élémentaires de capture. La figure 4 donne un exemple d’efficacité d’un filtre à fibres en fonction de la taille des particules. Pour les grosses particules (supé - rieures à 1000nm), l’efficacité globale d’un filtre à fibres est importante, cela grâce aux phénomènes de capture par interception et par inertie. Pour des tailles de particules plus petites que 50 nm, l’efficacité d’un filtre à fibres s’avère également importante grâce au dépôt des particules par diffusion. Les filtres connaissent un minimum d’efficacité pour les fractions particulaires intermédiaires, la fraction la plus pénétrante étant considérée vers 150 ou 300 nm (MPPS : Maximum Penetrating Particle Size) pour des filtres papier standard. Néanmoins, une étude théorique réalisée par H-C. Wang et G. Kasper (3), en 1991, prédit pour des particules de tailles inférieures à 10 nm, une énergie d’adhérence (décroissant suivant le rayon des particules) qui peut être inférieure à leur énergie cinétique due à l’agitation thermique (énergie constante quelle que soit la taille des particules, dans (3) « Filtration efficiency of nanometer-size aerosol particles », Wang H.C., Kasper G., J. Aerosol Science, 23, 31-41, 1991. Figure 3. Observation de deux types de filtres fibreux au microscope électronique à balayage. À cette échelle, une particule de 10 nm mesure environ 1 millième de mm. efficacité de filtration (%) 100 80 60 40 20 diffusion pénétration maximale impact et interception 0 10 100 1000 taille des particules (nm) Figure 4. Exemple d’évolution de l’efficacité de filtration dans un filtre à fibres en fonction de la taille des particules. CEA CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 87



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