Dyrba, Arbeitssicherheitsjournal 2010, 4
Explosionsschutz: Handlungsbedarf bei Nanostäuben
Dr. Bertholt Dyrba, Leiter des Referats „Explosionsschutz“ der BG RCI.
Eine der Hauptsorgen beim Einsatz von Nanostäuben ist ihre potenziell toxische Wirkung. Eine andere mögliche Gefahr von Nanostäuben, der bisher wenig Beachtung geschenkt wurde, ist ihre Explosionsfähigkeit.
Cartoon: Götz Wiedenroth
Nanopartikel treten in der Natur auf. So werden zum Beispiel Mikropartikel von Salz durch die Bewegung der Wellen des Meeres durch die Luft getragen oder sie sind ein unbeabsichtigtes, aber zumeist unvermeidliches Nebenprodukt der Verbrennung und anderer Hochtemperaturverfahren in der Industrie. Nanostäube in Form von Pigmenten und Kohlenstoff-Farbstoffen werden schon seit Menschengedenken verwendet. Ein echter Anstieg der Produktion von Nanostäuben ist allerdings erst ab Mitte der 1970er-Jahre zu verzeichnen.
Nanostäube überzeugen mit neuen Eigenschaften
Die wachsende Nachfrage nach Nanostäuben ergibt sich aus der Veränderung der physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften von Partikeln, wenn ihre Größe unter 100 nm sinkt. So können zum Beispiel Materialien, die normalerweise Strom leitend sind, im nanoskaligen Bereich zu Isolatoren werden. Titandioxid und Zinkoxid, die häufig in Sonnenschutzmitteln zum Einsatz kommen, werden im nanoskaligen Bereich transparent, was aus kosmetischer Sicht eine wünschenswerte Eigenschaft von Sonnenschutzmitteln ist.
Nanostäube sind aus Partikeln einer Größe von 1 bis 100 Nanometern (nm) zusammengesetzt. Ein Nanometer entspricht 10-9m. Die Mengen der produzierten Nanostäube können sehr unterschiedlich sein, von großen Mengen (Tonnen) eines Produktes wie geräuchertem Siliziumdioxid und Industrieruß hin zu ganz kleinen Mengen wertvollerer Produkte wie zum Beispiel stabilisierten, metallischen Quantenpunkten und Atomclustern.
Gemäß einer Veröffentlichung der etc Group waren bereits 2003 mindestens 44 Elemente im Periodensystem in Nanogröße im Handel erhältlich, und über 140 Unternehmen weltweit arbeiteten an der Herstellung von Nanopartikeln. Die Grafik links zeigt, dass der überwiegende Teil von Nanopartikeln in der Produktkategorie „Gesundheit und Fitness“ zum Einsatz kommt.
Ähnlich explosionsfähig wie brennbare Gase
Die meisten organischen Materialien und viele Metalle können explodieren, wenn sie fein dispergiert in der Luft auftreten und von einer ausreichend starken Zündquelle entzündet werden. Die obere Grenzpartikelgröße für die Bildung einer explosionsfähigen Staubwolke liegt bei etwa 500 µm.
Im Allgemeinen kann man davon ausgehen, dass die Heftigkeit der Staubexplosion und die Zündwilligkeit bei abnehmender Partikelgröße zunehmen. Eine untere Grenzpartikelgröße, unter der Staubexplosionen nicht auftreten können, wurde bisher nicht festgestellt. Die Zündenergien für Staubwolken sind in der Regel wesentlich höher als für Gase oder Dämpfe und liegen typischerweise in der Größenordnung von einem Bruchteil eines Millijoules für Gase und 1 bis 106 Millijoule für Stäube.
Vom Institut für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz aus Taiwan wurde auf der 4. Internationalen Konferenz über „Nanotechnologie – Arbeits- und Gesundheitsschutz“ im August 2009 über Untersuchungsergebnisse zur Bestimmung der Mindestzündenergie von Nanotitan und Nanoeisenpartikeln berichtet. Untersucht wurden Titanpartikel mit acht verschiedenen Durchmessern: 15 nm, 35 nm, 65 nm und 100 nm in einer 1,2 Liter modifizierten Hartmann-Apparatur. Für Eisenpulver unter 63 µm liegt der Wert z.B. bei mehr als 106 Millijoule. Gefunden werden konnte, dass die Mindestzündenergie in jedem Fall weniger als 1 Millijoule beträgt und sich Werten brennbarer Gase annähern. Die Gefahren der Entzündung durch elektrostatische Entladungsvorgänge sind deshalb besonders hoch und erfordern entsprechende Schutzmaßnahmen.
Hoher Forschungsbedarf
Zum Thema „Explosionsschutz/Nanopartikel“ fand im Haus der BG Rohstoffe und chemische Industrie (BG RCI) in Heidelberg eine erste nationale Beratung statt. Nach intensivem Gedankenaustausch einigte man sich u.a. auf folgende Forschungsschwerpunkte:
- □
Einbeziehung und Sensibilisierung der Hersteller von Nanomaterialien.
- □
Entwicklung neuer geschlossener Apparate
- □
Ringversuche, sofern andere Labors dieselben Apparaturen besitzen
- □
Einbringung der geeigneten, überarbeiteten Apparaturen in Normengremien
- □
Erweiterung der „Stoffdatenbank“ auf die in der Industrie bereits bekannten, üblichen und angewendeten Nanostäube.
Im Projekt arbeiten die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die BG RCI, die BGN und das Schweizerische Institut zur Förderung der Sicherheit (Swissi) eng zusammen. Sponsoren für das Forschungsvorhaben sind zunächst u.a. die BG RCI und die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung. Weitere Sponsoren können sich beim Forschungsnehmer der BAM, E-Mail: marc.scheid@bam.de melden.