Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2014
Langue
Français
Résumé
Alors que les nanotechnologies émergentes ouvrent des voies prometteuses dans plusieurs secteurs d’activité, des études suggèrent que les nanoparticules (NP) qu’elles génèrent pourraient avoir des effets négatifs, notamment sur la santé et sur l’environnement. Celles-ci peuvent être générées lors de la fabrication, de la manutention et de l’assemblage de pièces métalliques ordinaires et de celles à base de nanomatériaux. D’autres activités quotidiennes, telles que le freinage des automobiles, peuvent aussi produire des NP. Il est donc urgent de trouver des moyens de contrôler ces risques. Cependant, les techniques et méthodes usuelles d'évaluation du risque ne sont pas directement applicables aux NP. L’objectif de ce projet est d’établir une méthode efficace de mesure, de contrôle et de caractérisation des NP applicable aux procédés de fabrication industrielle.
Des tests d’usinage et de frottement en laboratoire, effectués sur des machines-outils de calibre industriel, couplés avec des simulations du comportement des particules dans l’air et des écoulements de l’air dans l’enceinte des machines, ont été nécessaires pour réaliser cette étude. Plusieurs équipements d’échantillonnage de particules (SMPS, APS, MOUDI) et de caractérisation (microscope électronique à balayage – MEB, microscope électronique à transmission – MET et microscope à force atomique – MFA) ont été utilisés. Le présent projet a, entre autres, permis de :
- Constituer une procédure d’échantillonnage, de collecte et de mesure : développement de méthodes de prélèvement et de préparation des substrats adaptées aux NP et aux différents microscopes utilisés (MEB, MET et MFA) ; amélioration de la mesure par le développement de facteurs de correction de la forme et de la densité des particules.
- Déterminer les conditions qui entourent la génération des NP lors du frottement et de l’usinage des pièces en alliage d’aluminium ainsi que les concentrations et les distributions en diamètre aérodynamique de ces particules. Nous avons ainsi élaboré des stratégies de réduction à la source des émissions de NP lors de l’usinage et du frottement, stratégies basées sur le choix des conditions opératoires.
- Démontrer que l’usinage d’alliages courants, qui ne sont pas considérés comme des nanomatériaux, émet plus de NP que de particules de taille micrométrique et que la majorité de ces NP ont une taille inférieure à 20 nanomètres.
- Classer les opérations courantes d’usinage (fraisage, tournage et perçage) et de frottement à sec selon leur capacité d’émission de NP. Pour les alliages d’aluminium testés, le fraisage est l’opération qui émet le plus de NP.
Ce travail a démontré la nécessité de connaître la trajectoire des particules lors de leur émission et la forme de celles-ci afin d’améliorer la captation et la précision de la mesure. Il a également mis en évidence la présence de particules ultrafines lors des opérations de mise en forme par usinage des matériaux ordinaires ne contenant pas de NP. L’émission de ces particules dépend des procédés et de leurs paramètres, des matériaux coupants et des matériaux coupés, d’où la possibilité de pouvoir contrôler les émissions de ces particules. Les cas typiques des nanomatériaux et des composites contenant ou pas de nanoparticules méritent d’être examinés.
Dans le présent rapport, le terme nanoparticules (NP) désigne les particules ultrafines qui sont émises lors de l’usinage de pièces métalliques (ou autres procédés) et qui sont de dimensions nanométriques.
Abstract
While emerging nanotechnologies are creating promising opportunities in several sectors of activity, studies suggest that the nanoparticles (NPs) they generate could have negative effects, particularly on health and the environment. These may be generated during the manufacture, handling and assembly of ordinary metal components, as well as those made from nanomaterials. Other everyday activities, such as automobile braking, can also produce NPs. Consequently, it is vital to find ways of controlling these risks. However, conventional techniques and methods of risk assessment are not directly applicable to NPs. The objective of the present project is to establish an effective method for measuring, controlling and characterizing NPs applicable to industrial manufacturing processes.
The study required laboratory tests for the machining and friction; these were performed on machine tools of an industrial calibre, and coupled with simulations of the behaviour of airborne particles and airflows in the machine enclosures. It used equipment for particle sampling (SMPS, APS, MOUDI) and characterization (a scanning electron microscope, or SEM; a transmission electron microscope, or TEM; and an atomic force microscope, or MFA). Among other things, the present project, allows us to:
- Establish a sampling, collection and measurement procedure: develop sampling methods and substrate preparation adapted to the NPs and the various microscopes employed (SEM, TEM and AFM); improve measurement by developing correction factors for the form and density of the particles.
- Determine the conditions surrounding the generation of NPs during the friction and machining of aluminum alloy components, as well the concentrations and aerodynamic diameter distributions these particles. We have thus developed strategies for reduction at source of NP emissions during machining and friction processes, strategies based on the choice of operating conditions.
- Demonstrate that the machining of ordinary alloys, those not considered nanomaterials, emits more NPs than particles of micrometric dimensions, and that most of these NPs are smaller than 20 nanometres.
- Classify common machining operations (milling, turning and drilling) and dry friction operations according to their NP emission capacity. For the aluminum alloys tested, milling is the operation that emits the most NPs.
This study demonstrated the need to know the trajectory and form of the particles when they are emitted, with a view to improving their capture and the accuracy of their measurement. It also revealed the presence of ultrafine particles in machining operations for shaping ordinary materials not containing NPs. The emission of these particles depends on the processes employed and their parameters, as well as on the cutting materials and the materials cut, all of which determine the potential for controlling the emission of these particles. Typical cases of nanomaterials, as well as of composites containing or not containing nanoparticles, merit consideration.
In the present report, the term nanoparticles (NPs) refers to the ultrafine particles of nanometric dimensions that are emitted during the machining of metal components (or other processes for performing this function).
ISBN
9782896317165
Mots-clés
Nanoparticule, Nanoparticle, Poussière en suspension dans l'air, Airborne dust, Usinage, Machining, Échantillonnage et analyse, Sampling and analysis
Numéro de projet IRSST
0099-7860
Numéro de publication IRSST
R-814
Citation recommandée
Songmene, V., Khettabi, R., Viens, M., Kouam, J., Hallé, S., Morency, F., . . . Djebara, A. (2014). Mesure, contrôle et caractérisation des nanoparticules : procédure appliquée à l’usinage et au frottement mécanique (Rapport n° R-814). IRSST.