Растет промышленное использование различных видов искусственных волокон, особенно после того, как были введены ограничения на использование асбеста ввиду его известной опасности для здоровья. Возможность неблагоприятного воздействия на здоровье, связанного с производством и использованием искусственных волокон, все еще изучается. В этой статье будет представлен обзор общих принципов, касающихся потенциальной токсичности, связанной с такими волокнами, обзор различных типов волокон в производстве (как указано в таблице 1) и обновленная информация о существующих и текущих исследованиях их потенциального воздействия на здоровье. .
Таблица 1. Синтетические волокна
| Искусственные волокна |
Оксид алюминия Углерод/графит Кевлар® параарамидная Волокна карбида кремния и |
|
| Искусственные стекловидные волокна |
Стеклянные волокна
Минеральная вата
Огнеупорное керамическое волокно |
Стекловата Каменная вата |
Детерминанты токсичности
Основными факторами, связанными с потенциальной токсичностью из-за воздействия волокон, являются:
- размер волокна
- прочность волокна и
- дозы на орган-мишень.
Как правило, длинные и тонкие (но вдыхаемого размера) и прочные волокна обладают наибольшим потенциалом вызывать неблагоприятные эффекты, если их доставить в легкие в достаточной концентрации. Токсичность клетчатки была коррелирована в краткосрочных исследованиях ингаляции на животных с воспалением, цитотоксичностью, измененной функцией макроцитов и биоперсистенцией. Канцерогенный потенциал, скорее всего, связан с повреждением клеточной ДНК за счет образования свободных кислородных радикалов, образования кластогенных факторов или неправильной сегрегации хромосом в клетках в митозе — по отдельности или в комбинации. Волокна респирабельного размера имеют диаметр менее 3.0–3.5 мм и длину менее 200 мкм. Согласно «гипотезе Стентона», канцерогенный потенциал волокон (определяемый в исследованиях плевральной имплантации животных) связан с их размером (наибольший риск связан с волокнами диаметром менее 0.25 мкм и длиной более 8 мм) и долговечностью. (Стэнтон и др., 1981). Встречающиеся в природе минеральные волокна, такие как асбест, существуют в поликристаллической структуре, которая имеет склонность к расщеплению вдоль продольных плоскостей, образуя более тонкие волокна с более высоким отношением длины к ширине, которые обладают большей потенциальной токсичностью. Подавляющее большинство искусственных волокон являются некристаллическими или аморфными и будут ломаться перпендикулярно своей продольной плоскости на более короткие волокна. Это важное различие между асбестовыми и безасбестовыми волокнистыми силикатами и искусственными волокнами. Долговечность волокон, отложенных в легких, зависит от способности легких очищать волокна, а также от физических и химических свойств волокон. Прочность искусственных волокон можно изменить в процессе производства в соответствии с требованиями конечного использования за счет добавления определенных стабилизаторов, таких как алюминий.2O3. Из-за этой изменчивости химических компонентов и размера искусственных волокон их потенциальную токсичность необходимо оценивать для каждого типа волокна.
Искусственные волокна
Волокна оксида алюминия
О токсичности волокна кристаллического оксида алюминия свидетельствует сообщение о легочном фиброзе у рабочего, проработавшего на плавке алюминия в течение 19 лет (Jederlinic et al., 1990). Рентгенограмма грудной клетки показала интерстициальный фиброз. Анализ легочной ткани методами электронной микроскопии показал 1.3×109 кристаллических волокон на грамм сухой легочной ткани, или в десять раз больше волокон, чем количество асбестовых волокон, обнаруженных в легочной ткани у горняков хризотилового асбеста, больных асбестозом. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить роль кристаллических волокон оксида алюминия (рис. 1) и легочного фиброза. Однако в этом отчете о клиническом случае предполагается, что волокнообразование может иметь место при сосуществовании надлежащих условий окружающей среды, таких как повышенный поток воздуха через расплавленные материалы. Как фазово-контрастную световую микроскопию, так и электронную микроскопию с рентгенодисперсионным анализом энергии следует использовать для выявления потенциальных переносимых по воздуху волокон в рабочей среде и в образцах легочной ткани в случаях, когда имеются клинические данные, согласующиеся с пневмокониозом, вызванным волокнами.
Рисунок 1. Сканирующая электронная микрофотография (СЭМ) волокон оксида алюминия.
Предоставлено Т. Хестербергом.
Углеродные/графитовые волокна
Волокна из углеродистого пека, вискозы или полиакрилонитрила, нагретые до 1,200°С, образуют аморфные углеродные волокна, а при нагревании выше 2,20°С — кристаллические графитовые волокна (рис. 2). Связующие смолы могут быть добавлены для увеличения прочности и обеспечения возможности формования и механической обработки материала. Как правило, эти волокна имеют диаметр от 7 до 10 мкм, но размеры могут варьироваться в зависимости от производственного процесса и механических манипуляций. Углеродные/графитовые композиты используются в авиационной, автомобильной и спортивной промышленности. Воздействие частиц углерода/графита, пригодных для дыхания, может происходить во время производственного процесса и при механических манипуляциях. Кроме того, небольшое количество волокон пригодного для дыхания размера может быть получено при нагревании композитов до 900–1,10 °C. Существующие знания об этих волокнах недостаточны для того, чтобы дать определенные ответы относительно их способности вызывать неблагоприятные последствия для здоровья. Исследования, включающие интратрахеальное введение крысам различных видов пыли из графитовых волокон, дали разнородные результаты. Три протестированных образца пыли продемонстрировали минимальную токсичность, а два образца показали постоянную токсичность, проявляющуюся цитотоксичностью в отношении альвеолярных макрофагов и различиями в общем количестве клеток, извлеченных из легких (Martin, Meyer and Luchtel, 1989). Кластогенные эффекты наблюдались в исследованиях мутагенности волокон на основе смолы, но не углеродных волокон на основе полиакрилонитрила. Десятилетнее исследование рабочих на производстве углеродного волокна, производящих волокна диаметром от 8 до 10 мм, не выявило каких-либо аномалий (Джонс, Джонс и Лайл, 1982). До тех пор, пока не будут доступны дальнейшие исследования, рекомендуется, чтобы воздействие углеродных/графитовых волокон респирабельного размера составляло 1 волокно/мл (f/ml) или ниже, а воздействие композиционных частиц респирабельного размера не превышало действующего стандарта для вдыхаемой пыли. неприятная пыль.
Рисунок 2. РЭМ углеродных волокон.
Кевларовые параарамидные волокна
Кевлар параарамидные волокна имеют диаметр примерно 12 мкм, а изогнутые лентовидные фибриллы на поверхности волокон имеют ширину менее 1 мм (рис. 3). Фибриллы частично отслаиваются от волокон и сцепляются с другими фибриллами, образуя комки, размер которых не вдыхается. Физические свойства Кевлар волокна обладают значительной термостойкостью и прочностью на растяжение. Они имеют множество различных применений, выступая в качестве армирующего агента в пластмассах, тканях и резине, а также в качестве фрикционного материала для автомобильных тормозов. Восьмичасовое средневзвешенное значение (TWA) уровней фибрилл во время производства и конечного использования колеблется от 0.01 до 0.4 в/мл (Merriman 1989). Очень низкий уровень Кевлар арамидные волокна образуются в пыли при использовании во фрикционных материалах. Единственные доступные данные о воздействии на здоровье получены в результате исследований на животных. Исследования ингаляции на крысах, включающие периоды времени от одного до двух лет и воздействие фибрилл при 25, 100 и 400 в/мл, выявили альвеолярную бронхиоляризацию, которая была дозозависимой. Небольшой фиброз и фиброзные изменения альвеолярных ходов также были отмечены при более высоких уровнях воздействия. Фиброз мог быть связан с перегрузкой механизмов легочного клиренса. Тип опухоли, уникальный для крыс, кистозная ороговевающая плоскоклеточная опухоль, развилась у нескольких исследуемых животных (Lee et al. 1988). Кратковременные исследования ингаляции крыс показали, что фибриллы имеют низкую устойчивость в легочной ткани и быстро выводятся (Warheit et al., 1992). Нет доступных исследований о влиянии на здоровье человека воздействия Кевлар параарамидное волокно. Тем не менее, ввиду данных о снижении биоперсистенции и физической структуры Кевлар, риски для здоровья должны быть минимальными, если воздействие на фибриллы поддерживается на уровне 0.5 f/ml или меньше, как это сейчас имеет место в коммерческих приложениях.
Рис. 3. РЭМ кевларовых параарамидных волокон.
Волокна и усы из карбида кремния
Карбид кремния (карборунд) является широко используемым абразивным и огнеупорным материалом, который производится путем соединения кремнезема и углерода при температуре 2,400°C. Волокна и нитевидные кристаллы карбида кремния — рис. 4 (Harper et al. 1995) — могут быть получены как побочные продукты при производстве кристаллов карбида кремния или могут быть специально изготовлены в виде поликристаллических волокон или монокристаллических нитевидных кристаллов. Волокна обычно имеют диаметр менее 1-2 мкм и длину от 3 до 30 мкм. Усы в среднем имеют диаметр 0.5 мкм и длину 10 мкм. Включение волокон карбида кремния и нитевидных кристаллов повышает прочность таких продуктов, как композиты с металлической матрицей, керамика и керамические компоненты. Воздействие волокон и усов может происходить во время производственных процессов и, возможно, во время процессов механической обработки и отделки. Например, было показано, что кратковременное воздействие при работе с переработанными материалами достигает уровней до 5 в/мл. Механическая обработка композитов с металлической и керамической матрицей привела к восьмичасовым концентрациям воздействия TWA 0.031 f/ml и до 0.76 f/ml соответственно (Scansetti, Piolatto and Botta 1992; Bye 1985).
Рис. 4. РЭМ волокон карбида кремния (A) и нитевидных кристаллов (B).
A.
Существующие данные исследований на животных и людях указывают на определенный фиброгенный и возможный канцерогенный потенциал. В пробирке исследования культур клеток мышей с участием усов карбида кремния показали цитотоксичность, равную или превышающую цитотоксичность крокидолитового асбеста (Johnson et al., 1992; Vaughan et al., 1991). Стойкая аденоматозная гиперплазия легких крыс была продемонстрирована в исследовании при подострой ингаляции (Lapin et al., 1991). Исследования вдыхания овцами пыли карбида кремния показали, что частицы были инертными. Однако воздействие волокон карбида кремния приводило к фиброзирующему альвеолиту и усилению активности роста фибробластов (Bégin et al., 1989). Исследования образцов легочной ткани рабочих, производящих карбид кремния, выявили кремниевые узелки и железистые тела и показали, что волокна карбида кремния долговечны и могут существовать в высоких концентрациях в паренхиме легких. Рентгенограммы грудной клетки также соответствовали узелковым и нерегулярным интерстициальным изменениям и плевральным бляшкам.
Волокна карбида кремния и вискеры пригодны для вдыхания, долговечны и обладают определенным фиброгенным потенциалом в легочной ткани. Производитель усов из карбида кремния установил внутренний стандарт на уровне 0.2 в/мл в качестве восьмичасового TWA (Beaumont 1991). Это разумная рекомендация, основанная на имеющейся в настоящее время информации о состоянии здоровья.
Искусственные стекловидные волокна
Искусственные стекловолокна (MMVF) обычно классифицируются как:
- стекловолокно (стекловата или стекловолокно, непрерывное стекловолокно и стекловолокно специального назначения)
- минеральная вата (минеральная вата и шлаковата) и
- керамическое волокно (керамическое текстильное волокно и огнеупорное керамическое волокно).
Производственный процесс начинается с плавления сырья с последующим быстрым охлаждением, в результате чего получают некристаллические (или стекловидные) волокна. Некоторые производственные процессы допускают большие различия в размерах волокон, нижний предел которых составляет 1 мм или менее в диаметре (рис. 5). Стабилизаторы (такие как Al2O3, ТиО2 и ZnO) и модификаторы (такие как MgO, Li2О, BaO, CaO, Na2О и К2O) могут быть добавлены для изменения физических и химических свойств, таких как прочность на растяжение, эластичность, долговечность и термостойкость.
Рис. 5. РЭМ шлаковой ваты.
Минеральная вата, стекловолокно и огнеупорное керамическое волокно внешне идентичны.
Стекловолокно производится из диоксида кремния и различных концентраций стабилизаторов и модификаторов. Большая часть стекловаты производится с использованием ротационного процесса, в результате чего получают прерывистые волокна со средним диаметром от 3 до 15 мкм с вариациями в диаметре до 1 мкм или меньше. Волокна стекловаты связывают друг с другом, чаще всего с помощью фенолформальдегидных смол, а затем подвергают процессу полимеризации при нагревании. В зависимости от производственного процесса могут быть добавлены и другие агенты, в том числе смазочные и смачивающие агенты. Непрерывный процесс производства стекловолокна приводит к меньшему отклонению от среднего диаметра волокна по сравнению со стекловатой и стекловолокном специального назначения. Диаметр непрерывных стеклянных нитей варьируется от 3 до 25 мкм. Производство стекловолокна специального назначения включает процесс волокнистости с гашением пламени, при котором получаются волокна со средним диаметром менее 3 мкм.
Производство шлаковой ваты и минеральной ваты включает плавление и волокнообразование шлака из металлической руды и изверженной породы соответственно. Производственный процесс включает в себя чашеобразное колесо и колесную центрифугу. Он производит прерывистые волокна со средним диаметром от 3.5 до 7 мкм, размер которых может варьироваться в пределах вдыхаемого диапазона. Минеральная вата может производиться со связующим или без него, в зависимости от конечного применения.
Огнеупорное керамическое волокно производится с помощью колесной центрифуги или процесса фибризации с использованием паровой струи с использованием расплавленной каолиновой глины, оксида алюминия/кремнезема или оксида алюминия/кремнезема/диоксида циркония. Средний диаметр волокна колеблется от 1 до 5 мкм. При нагревании до температуры выше 1,000°С огнеупорные керамические волокна могут преобразовываться в кристобалит (кристаллический кремнезем).
MMVF с различным диаметром волокна и химическим составом используются в более чем 35,000 1 приложений. Стекловата используется в жилых и коммерческих помещениях для звуко- и теплоизоляции, а также в системах кондиционирования воздуха. Непрерывная стеклянная нить используется в тканях и в качестве армирующих агентов в пластмассах, например, в автомобильных деталях. Стекловолокно специального назначения используется в специальных приложениях, например, в самолетах, где требуются высокие тепло- и звукоизоляционные свойства. Минеральная и шлаковая вата без связующего вещества используется в качестве выдувной изоляции и в потолочной плитке. Минеральная и шлаковая вата со связующим на основе фенольной смолы используется в изоляционных материалах, таких как изоляционные покрытия и войлок. Огнеупорное керамическое волокно составляет от 2 до XNUMX% мирового производства ММВФ. Огнеупорное керамическое волокно используется в специализированных высокотемпературных промышленных устройствах, таких как печи и печи для обжига. В наибольшем количестве производятся стекловата, непрерывное стекловолокно и минеральная вата.
Считается, что MMVF обладают меньшим потенциалом, чем встречающиеся в природе волокнистые силикаты (такие как асбест), для оказания неблагоприятного воздействия на здоровье из-за их некристаллического состояния и их склонности к разрушению на более короткие волокна. Существующие данные свидетельствуют о том, что наиболее часто используемый ММВТ, стекловата, имеет наименьший риск неблагоприятного воздействия на здоровье, за ним следуют каменная и шлаковая вата, а затем как стекловолокно специального назначения повышенной прочности, так и огнеупорное керамическое волокно. Стекловолокно специального назначения и огнеупорное керамическое волокно имеют наибольший потенциал для существования в качестве волокон, пригодных для дыхания, поскольку они обычно имеют диаметр менее 3 мм. Стекловолокно специального назначения (с повышенной концентрацией стабилизаторов типа Al2O3) и огнеупорное керамическое волокно также устойчивы в физиологических жидкостях. Непрерывные стеклянные нити не вдыхаются по размеру и, следовательно, не представляют потенциального риска для здоровья легких.
Имеющиеся данные о состоянии здоровья получены на основе исследований ингаляционного воздействия на животных и исследований заболеваемости и смертности работников, занятых в производстве ММВФ. Ингаляционные исследования, включающие воздействие на крыс двух коммерческих изоляционных материалов из стекловаты, диаметром в среднем 1 мкм и длиной 20 мкм, выявили легкую клеточную реакцию легких, которая частично исчезла после прекращения воздействия. Аналогичные результаты были получены в результате исследования вдыхания на животных одного из видов шлаковой ваты. Минимальный фиброз был продемонстрирован при вдыхании животными минеральной ваты. Исследования ингаляции огнеупорного керамического волокна привели к раку легких, мезотелиоме и плевральному и легочному фиброзу у крыс, а также к мезотелиоме и плевральному и легочному фиброзу у хомяков при максимально переносимой дозе 250 мкг/мл. При 75 вл/мл и 120 вл/мл у крыс была продемонстрирована одна мезотелиома и минимальный фиброз, а при 25 вл/мл была легочная клеточная реакция (Bunn et al., 1993).
Может возникнуть раздражение кожи, глаз, верхних и нижних дыхательных путей, которое зависит от уровня воздействия и должностных обязанностей. Раздражение кожи было наиболее распространенным отмеченным воздействием на здоровье и может привести к тому, что до 5% новых рабочих заводов-изготовителей MMVF уволятся с работы в течение нескольких недель. Это вызвано механическим повреждением кожи волокнами диаметром более 4-5 мкм. Его можно предотвратить с помощью соответствующих мер контроля окружающей среды, в том числе избегания прямого контакта кожи с волокнами, ношения свободной одежды, одежды с длинными рукавами и отдельной стирки рабочей одежды. Симптомы со стороны верхних и нижних дыхательных путей могут возникать в необычно запыленных условиях, в частности, при изготовлении изделий MMVF и их применении в целях конечного использования, а также в жилых помещениях, когда с MMVF не обращаются, не устанавливают или не ремонтируют должным образом.
Исследования респираторной заболеваемости, измеряемой симптомами, рентгенограммами грудной клетки и тестами функции легких среди рабочих производственных предприятий, как правило, не выявили каких-либо побочных эффектов. Однако продолжающееся исследование рабочих заводов по производству огнеупорного керамического волокна выявило повышенную распространенность плевральных бляшек (Lemasters et al., 1994). Исследования среди рабочих вторичного производства и конечных пользователей MMVF ограничены, и им препятствует вероятность искажающего фактора предыдущего воздействия асбеста.
Исследования смертности рабочих на предприятиях по производству стекловолокна и минеральной ваты продолжаются в Европе и Соединенных Штатах. Данные исследования в Европе выявили общее увеличение смертности от рака легких на основе национальных, а не местных показателей смертности. Наблюдалась тенденция к увеличению заболеваемости раком легких в когортах, производящих стекло и минеральную вату, в зависимости от времени, прошедшего с момента первого трудоустройства, но не от продолжительности занятости. Используя местные показатели смертности, было отмечено увеличение смертности от рака легких на самом раннем этапе производства минеральной ваты (Симонато, Флетчер и Черри, 1987; Боффетта и др., 1992). Данные исследования, проведенного в Соединенных Штатах, продемонстрировали статистически значимое увеличение риска рака органов дыхания, но не выявили связи между развитием рака и различными показателями воздействия волокон (Marsh et al., 1990). Это согласуется с другими исследованиями случай-контроль среди рабочих заводов по производству шлаковой ваты и стекловолокна, которые выявили повышенный риск рака легких, связанный с курением сигарет, но не в такой степени, как воздействие MMVF (Wong, Foliart and Trent 1991; Chiazze, Уоткинс и Фрайар, 1992). Исследование смертности рабочих, производящих непрерывные стеклянные нити, не выявило повышенного риска смертности (Shannon et al., 1990). В Соединенных Штатах проводится исследование смертности с участием рабочих, работающих с огнеупорным керамическим волокном. Исследования смертности работников, занятых в производстве продукции, и конечных пользователей MMVF очень ограничены.
В 1987 году Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицировало стекловату, каменную вату, нешлаковатую вату и керамические волокна как возможные канцерогены для человека (группа 2B). Текущие исследования на животных, а также исследования заболеваемости и смертности среди работников, вовлеченных в MMVF, помогут дополнительно определить любой потенциальный риск для здоровья человека. На основании имеющихся данных риск для здоровья от воздействия MMVF значительно ниже, чем риск, связанный с воздействием асбеста, как с точки зрения заболеваемости, так и смертности. Однако подавляющее большинство исследований на людях проводилось на производственных предприятиях MMVF, где уровни воздействия обычно поддерживались на уровне ниже 0.5–1 мкг/мл в течение восьмичасового рабочего дня. Отсутствие данных о заболеваемости и смертности среди вторичных и конечных пользователей MMVF делает разумным контролировать воздействие вдыхаемого волокна на этих уровнях или ниже с помощью мер контроля окружающей среды, методов работы, обучения рабочих и программ защиты органов дыхания. Это особенно применимо к воздействию прочной огнеупорной керамики и стекла специального назначения ММВФ и любого другого типа респирабельного искусственного волокна, стойкого в биологических средах и поэтому способного откладываться и удерживаться в легочной паренхиме.