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纳米材料潜在的危害 1 一 纳米材料 纳米材料又称为超微颗粒材料 由纳米粒子组成 一般是指尺寸在1 100nm间的粒子 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域 纳米材料可分为两个层次 纳米超微粒子与纳米固体材料 纳米超微粒子是指粒子尺寸为1 100nm的超微粒子 纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料 而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料 2 纳米材料由于具有极其微小的尺寸而具有普通粉体材料所不具备的特殊性 如小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应 从而在光学 热学 电学 磁学 力学以及化学方面显示出许多奇异的特性 纳米材料的研究 开发和应用日益广泛 已经应用到涂料 化妆品 催化剂 食品包装 纺织 医学等许多领域 被科学家誉为 21世纪最有前途的材料 3 1 粘合剂和密封胶 国外已将纳米材料如纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中 使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大大提高 其作用机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料 使之具有亲水性 将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构 即纳米SiO2形成网络结构掏胶体流动 固体速度加快 提高粘接效果 由于颗粒尺寸小 更增加了胶的密封性 二 纳米材料在精细化工中的应用 4 2 涂料 在各类涂料中添加纳米SiO2可使其抗老化性能 光洁度及强度成倍地提高 涂料的质量和档次自然升级 因纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料 即抗老化 加之其极微小颗粒的比表面积大 能在涂料干燥时很快形成网络结构 同时增加涂料的强度和光洁度 5 3 各种助剂 橡胶纳米Al2O3粒子加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性 纳米SiO2可以作为抗紫外辐射 红外反射 高介电绝缘橡胶的填料 添加纳米SiO2的橡胶 弹性 耐磨性都会明显优于常规的白炭黑作填料的橡胶 塑料纳米SiO2对塑料不仅起补强作用 而且具有许多新的特性 利用它透光 粒度小 可使塑料变得更致密 可使塑料薄膜的透明度 强度和韧性 防水性能大大提高 在有机玻璃生产时加入纳米SiO2可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的 在有机玻璃中添加纳米Al2O3既不影响透明度又提高了高温冲击韧性 6 4 化妆品 纳米微粒与树脂结合用于紫外线吸收 如防晒油 化妆品中普遍加入纳米微粒 如纳米TiO2 SiO2等 一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能 而且质地细腻 添加在化妆品中 可使化妆品的性能得到提高 7 三 存在的危害 1 纳米材料的环境行为 纳米材料在生产 使用 废弃过程中 必然会通过各种途径以 三废 形式进入环境 并造成一定的生态效应和人群暴露 2 纳米材料的生物毒性 主要体现在对呼吸系统 特别是动物肺部损伤 及免疫系统的干扰 微观上主要是影响细胞表面的功能结构 进而引起细胞整体代谢紊乱 诱导细胞的凋亡或坏死 8 纳米材料的环境行为 纳米材料进入环境后 类似其他环境污染物 也会在大气圈 水圈 土壤圈和生命系统中进行复杂的迁移 转化过程 1 大气与地表间的交换 2 大气输送 3 土壤中迁移扩散 渗透 4 土壤中转化 5 陆生生物吸收富集 6 地下水中迁移 转化 7 地表径流 8 水体与土壤间交换 9 水中分散与悬浮 10 水中团聚与沉淀 11 水体中转化 12 水生生物吸收富集 13 人体暴露 9 纳米材料的生物毒性效应 纳米颗粒物对生物的毒性主要包括以下4个方面 1 具有纳米尺度的纳米颗粒物容易穿过细胞膜进入细胞 神经细胞 肝细胞等 内 损伤细胞膜以及干扰细胞内的生理活性 2 纳米颗粒物具有高活性 所产生的活性氧 ROS 一方面易损伤细胞膜 破坏细胞的通透性 阻碍细胞核外界的物质交换 造成蛋白质变性等 另一方面纳米颗粒物产生的ROS能激发细胞内氧化激通路 从而导致细胞内的损伤 3 对于一些能溶解出金属离子的纳米颗粒物 如纳米氧化铜 硒化镉等 溶解出来的金属离子也在一定程度上增强了纳米颗粒物的毒性 如图所示 10 纳米材料在生物体中的作用机理 图中黑圆点代表纳米材料 NP 1 NP产生活性氧物质 ROS 2 一些NP能释放金属离子等有毒物质 3 NP附着在细胞表面 4 NP通过细胞内陷 膜通道及细胞吞噬作用等进入细胞内部 5 NP产生的ROS和有毒物质破坏细胞膜 6 NP通过破坏的细胞膜处进入细胞 7 NP对细胞产生氧化压力并破坏细胞器等 8 细胞内含物外泄到胞外 9 NP最终导致生物毒性效应 11 1 C60的生物毒性效应越来越多的研究表明 C60对细胞 微生物 水生生物 陆生动物等具有毒性效应 毒性研究表明 C60能进入人类巨噬细胞的细胞质 溶酶体和细胞核 2 2 g L时就能破坏人类淋巴细胞的DNA 具有遗传毒性 分子动态模拟研究表明 液体中C60极易与DNA中的核苷稳定结合并使DNA变性而可能丧失功能 C60粉体本身一般不具有抑菌作用 但其稳定悬浮液 一般以团聚体nC60形式存在 会产生毒性效应 2 碳纳米管的生物效应 碳纳米管是一种完全人造的一维结构的纳米材料 在1991年由limijia发现 未被处理过的碳纳米管非常轻 可以通过空气到达人的肺部 4 进入到细胞内的纳米颗粒物能与细胞内的蛋白质及其DNA相互作用而使之丧失某种特定的功能 12 2 金属及氧化物纳米材料的生物毒性效应 金属及氧化物纳米材料一般都具有细胞毒性 毒性大小决定于纳米材料的浓度 形状 表面电荷性质等 二氧化钛的生物效应纳米TiO2由于产量高 应用广泛 因而对其毒性研究也较多 近年来关于纳米TiO2生物效应的研究 13 四 纳米材料危害防范措施1 纳米材料流转体系认知2 纳米材料危险度体系构建2 1建立纳米尺度有毒化学物质数据库着手建立纳米尺度有毒化学物质的数据库 进一步明确划分纳米尺度有毒化学物质的范围 以有利于重点防范这些物质在生产和应用过程中对环境安全造成的危害2 2纳米改性升级产品环境安全风险评估从环境安全的角度 我们必须对纳米改性的产品 特别与环境关系密切的产品进行环境安全风险评估 提高纳米改性产品使用和进入市场的门槛