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避免粉尘危害--复合材料的安全加工
作者:山特维克可乐满 Mats Hedberg    来源:Aerospace Manufacturing and Design
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复合材料/胶粘剂展厅
阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ...
复合材料如碳纤维增强聚合物(CFRPs),以及它们的新类别碳纳米管制成的产品范围正在迅速扩大。CFRPs 虽然是碳材料加工领域的元老,但其作为轻巧而坚固的材料,仍然不断有新的应用,特别是在航空航天和汽车零部件制造领域。与此同时,涉及到碳纳米管的应用已经开始飙升,预期将呈现出继续上升的迹象。碳纳米管主要用作聚合物的增强材料,也即用在复合材料中,但在其他的应用方面也拥有相当可观的潜力。

此外,纳米颗粒的性能与较大的相同材质的颗粒可能有着显著的不同。事实上,在碳纳米管和石棉的纤维形状之间也有发现类似的情况。

在加工CFRP和碳纳米管的时候,工作环境中存在很大的不确定性。因为不同于掉落在地上的金属切屑,复合材料在加工时会排放出粉尘。一般来说,员工不应该接触这种灰尘。如果尘埃颗粒足够小,它们可以被吸入到操作者的肺里,而且在最坏的情况下,甚至会危害到员工的身体健康。

谈及复合材料,我们对粉尘的危害程度知之甚少。由瑞典的Per Gustavsson, Maria Hedmer 和Jenny Rissler 在2011 年完成的一项题为“工作环境中碳纳米管的接触、毒性及防护措施”的研究阐述道:在对实验室动物进行的一些研究里,发现碳纳米管的剂量和所发生的生物学效应有着明显的关联。不过,这项研究也声明了由于没有在人类身上进行足够的研究,“接触碳纳米管对人类的影响仍然几乎是未知的”。

潜在的危险,尤其是在高剂量的情况下,或者在长期的接触之后, 明显存在着。要减轻这种危险,最先该做的就是规划一下工作环境的各种限制,或者消除这些潜在的经久不散的粉尘。这可以通过安装一个真空系统吸收粉尘来实现。在钻削复合材料加工时,手持设备或许使用得过于频繁,它们使系统中的粉尘难以直接消除。在这种情况下, 个人防护设备(即护具,眼镜等)是必需的。

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不同的防护措施

2013 年4 月,在http://compositemachining.org 网站举行的一项民意调查中,由山特维克可乐满发布的一篇关于复合材料加工新方法的博客,透露了操作人员在碳纤维复合材料加工过程中如何保护自己,结果喜忧参半。虽然一些调查对象采用的是全副个人防护再加上真空的解决方法,其他的则报告称没有采取任何保护措施。使用真空系统是最常采用的方式,接下来的就是通过冷却液来作为一种安全的解决方案。虽然关于解决这个问题的研究比较少见,但瑞典林雪萍Exova 的博士和复合材料专家Per Reinholdsson 先生,为该问题的解决指明了道路。

“在加工任何材料的时候,如CFRP,常常会形成在空气中传播的粉尘。这种粉尘会以不同的方式刺激皮肤,眼睛和肺部。形成粉尘的颗粒或纤维的尺寸越小, 进入肺系统的风险就越大,”Reinholdsson 说道。“通常情况下,身体自身是可以处理掉这些粉尘的,但是炎症反应往往会在肺部留下疤痕。因此,我们需要保护自己的眼睛、皮肤和肺部,使其免受粉尘侵害。我们可以通过通风系统、真空系统、粉尘粘结冷却剂,以及个人防护,来防止粉尘侵入我们的身体。”

为了消除粉尘,使用真空系统是最有效的办法。通常也推荐测量粉尘的量,以确保所选择的解决方案是足够有效的。这项研究表明,“对许多工作流程和处理工艺来说,排放到空气中的碳纳米管可以通过不同的安全和保护设施来控制(罩、通风柜、拉丝机,以及就地萃取等)。一种建议是使用纳米微粒的所有流程都应该密封起来,并且设计的密封罩应该适用于气态物质。另外一个建议是对除尘比较有效的安全和保护设备一般也都比较适用于纳米微粒和超细微粒的消除。”

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潜在的危险材料

复合材料可以由不同类型的纤维增强材料组成,例如玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维复合材料。纤维产生的粉尘中,类别为“结晶性”的通常对健康的危害更大一些。因为该纤维会分解成更薄的纤维,从而可以进入肺部的肺泡中。我们可以认为芳纶纤维是结晶性的,但它比其他结晶性纤维如石棉纤维更柔软,也更具有灵活性。这就使得人体对芳纶纤维的处理更容易一些。一般来说, 你可以说容易进入人体的小的和非常硬的粉尘可以刺激并带来炎症反应。然而,对于复合材料粉尘本质的认识仍然十分有限, Reinholdsson 坦言。 碳纳米管则是一个更大的问号。通常情况下,复合材料诸如CFRPs,不会进入有危害的、小的、质地坚硬的,与石棉纤维特性相同的晶体纤维里。出于这个原因,对于复合材料的限制没有石棉状材料那么严格。从另一方面来说,纳米粒子复合材料由于其独特的性能,受到了许多工业领域的关注。

这种材料目前还没有得到广泛的使用,而且这方面的知识还非常有限。当谈到对健康和环境的影响时,这些材料代表的是一整类的纳米材料,而不是某一种材料,因为材料有许多不同的直径、长度、手性角、化学作用过程、纯度,以及堆积密度(通常与粉尘沉积的倾向相关)。

根据这项研究,“碳纳米管的特征在于,其质量小,但由于密度低, 纳米颗粒的数量是非常大的。绝大部分碳纳米管的接触测量,测量其是由哪里产生或使用的,一直都是用传统的粉尘测量方法,以确定质量浓度。所测量的水平通常是0.1mg/m3 或者更少,但对于更高的浓度也已有相关报道。由于该方法不专门测量碳纳米管,还包括了特定质量剂量范围内的空气中的其他悬浮粒子,因此这种类型的测量结果是不确定的。迄今为止,已有使用的测量方法主要为工作场所碳纳米管的排放和可能的接触提供风险数据,以及为安全和防护设备的评估提供支持文档。已经在短期内,对一些数量的工作操作/ 照射情况进行了检测。此外,检测中使用了不同类型的采样设备,这使得结果难以进行比较。”

不要走捷径

在有关复合材料加工的民调中,相当多的调查对象提到了一种手段,就是利用冷却液来隔绝灰尘颗粒,并且将其从可呼吸空气中消除。Reinholdsson 认为这可能是一种解决办法,但是要小心一点。

他说:“特定的粘尘冷却液在某些情况下是足够有效的,但为了进一步确认,应该对粉尘的数量和性质做一个风险分析和测量。”

“当说到粉尘的时候,你不能相信你自己看到或感觉到的东西,因为这些颗粒和/ 或纤维是不可见的。可以通过使用工具来进行测量,知道粉尘的浓度,而通过过滤器,你可以得到粉尘的准确特性。”

“为了避免粉尘,我知道有时是说起来容易,做起来难。当你用手电钻或类似的东西工作了一天之后,而且在这些地方真空系统不适用,你可能不想过分武装自己。因此,你需要清楚自己面临的危险,每个进行复合材料加工的人都应该非常认真地进行风险评估。只要理解了危险性,就会更容易地找到解决方案。这是非常重要的一点。”Reinholdsson说。

对于复合材料、CFRPs、碳纳米管/纳米粒子的加工,研究证明预防原则应该是:“当加工碳纳米管时,需要采用最高级别的消除措施,使职业暴露降低到最低水平。对于碳纳米管的职业暴露的测量与评估,即使能力有限,也必须使用个人防护设备,如呼吸保护设备、手套和防护服装。”(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/15/2014)
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