Study of the (nano) particles emission during mechanical solicitation and environmental weathering of the products

Les nanomateriaux manufactures (comme les nanoparticules d’oxydes metalliques, les nanotubes de carbone, les nanofibres etc.) possedent des proprietes remarquables qui leur conferent des applications industrielles innovantes. Neanmoins, ces nouveaux materiaux soulevent des inquietudes vis a vis de leurs potentiels risques. Ces nanomateriaux manufactures connaissent une production et une commercialisation croissantes. Par consequent, de plus en plus de personnes sont potentiellement exposees a ces nanomateriaux (aussi bien les consommateurs que les operateurs) a travers les aerosols qui pourraient etre emis au cours du cycle de vie du materiau. L’une des approches possibles de reduction de risque serait la prevention de l’emission qui consisterait en une conception reflechie du materiau avec un compromis performance/surete. La these presentee ici suit cette approche. Il s’agit de comprendre le phenomene et les mecanismes d’emission des nanomateriaux manufactures a l’aide d’outils theoriques et experimentaux. Le dispositif experimental developpe au cours de cette etude vise (i) a reproduire a l’echelle laboratoire des activites en conditions reelles, (ii) a identifier les mecanismes d’emission, et (iii) a mener simultanement des analyses qualitatives et quantitatives* des nanomateriaux manufactures emis. Pour la sollicitation mecanique, le procede d’abrasion a ete choisi ; quant au vieillissement environnemental, le choix s’est porte sur un procede d’exposition acceleree aux rayons d’UV en presence d’humidite et de chaleur. Les resultats suggerent que les entites microscopiques presentes a la surface d’un materiau (appelees asperites ou rugosites) subissent globalement 4 types de mecanismes d’enlevement pendant l’abrasion, suivant la variation de 18 parametres (lies au materiau et au procede). Ces mecanismes determinent la forme, la taille et le nombre de particules de l’aerosol emis. De plus, dans le cas des echantillons testes dans les conditions experimentales donnees, il a ete observe, lors des essais mecaniques seuls, la generation d’aerosols dans lesquels sont retrouvees des nanomateriaux manufactures liees a leur matrice. Il s’agit de particules nanometriques et micrometriques. Cependant, dans le cas du couplage abrasion/vieillissement environnemental, apres un temps donne de deterioration, il est constate l’emission de nanomateriaux manufactures libres, en plus des nanomateriaux manufactures lies a leur matrice. Les resultats experimentaux relatifs aux sollicitations mecaniques ont ete mis en correlation avec des lois de mecanique classique utilisant des modeles analytiques. Le modele utilise en partie des relations semi-empiriques ; apres ajustement, on observe une tres bonne convergence modele-experience. Ce modele a ete utilise pour realiser une etude de sensibilite sur les 18 parametres evoques precedemment, et ce pour une variation de 25% pour chaque parametre. Ceci permet d'illustrer la capacite du modele a hierarchiser l'influence des differents parametres sur l'emission de particules, pour des conditions donnees. Ainsi, ce travail a permis de developper un ensemble constitue d’une part d’outils experimentaux et d’autre part d’un modele. Si cet ensemble est largement perfectible, il permet toutefois d’ores et deja d’entamer une conception “nanosafe by design”.