© magicmine iStockphoto

Workshop „Lunge – Umwelt – Arbeitsmedizin“ 2017

Gesundheitsgefährdung durch lungengängige Kohlenstofffasern beim Abbrand von Carbonkunststoffen

Pneumologie
(0,00)
<p class="article-intro">Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) – häufig als „Carbon“ bezeichnet – stellen einen wichtigen Leichtbauwerkstoff dar. Sie finden neuerdings nicht nur in modernen Luftfahrzeugen mehr Verwendung, auch die Automobilindustrie setzt zunehmend auf eine mögliche Gewichtseinsparung durch CFK. Dieser Artikel zeigt einen neuen Gefährdungsaspekt auf, der sich ergibt, wenn lungengängige Kohlenstofffasern nach einem CFK-Brand freigesetzt werden.</p> <p class="article-content"><div id="keypoints"> <h2>Keypoints</h2> <ul> <li>Intaktes Carbonmaterial (CFK) stellt keine Gef&auml;hrdung hinsichtlich enthaltener Kohlenstofffasern dar.</li> <li>Nach einem Brand mit sehr hohen Temperaturen kann der Faserdurchmesser abnehmen und lungeng&auml;ngige Fasern k&ouml;nnen freigesetzt werden.</li> <li>Vor allem der Umgang mit abgebranntem CFK kann demnach eine Gesundheits-gef&auml;hrdung darstellen.</li> <li>K&uuml;nftig ist aufgrund des vermehrten Einsatzes von CFK <br />im Automobilbereich mit h&auml;ufigeren Unfallereignissen mit CFK-Br&auml;nden zu rechnen.</li> </ul> </div> <h2>Thermische Eigenschaften von CFK</h2> <p>Im Gegensatz zu Metallen weisen CFK eine begrenzte thermische Stabilit&auml;t auf und sie k&ouml;nnen brennen. Dabei kommt es zun&auml;chst zu einem Abbau des Kunststoffanteils. Wie bei jedem anderen Kunststoffbrand entsteht eine Vielzahl an akut toxischen Verbindungen, wobei Vergiftungen durch Kohlenmonoxid wohl am gef&auml;hrlichsten sind und auch die h&auml;ufigste Todesursache in diesem Zusammenhang darstellen.<br />Ein neuer Aspekt hinsichtlich freigesetzter Gefahrstoffe beim CFK-Brand ergibt sich durch lungeng&auml;ngige Kohlenstofffaserbruchst&uuml;cke. Nach der Definition durch die Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind Fasern lungeng&auml;ngig, wenn sie einen Durchmesser kleiner als 3&micro;m aufweisen. Gleichzeitig muss die Faserl&auml;nge mindestens 5&micro;m betragen. Das Verh&auml;ltnis von L&auml;nge und Durchmesser muss zus&auml;tzlich gr&ouml;&szlig;er als 3:1 sein. In diesem Fall sind die Fasern so d&uuml;nn, dass sie in die freien Lungenbl&auml;schen (Alveolen) passen, jedoch so sperrig, dass sie nicht einfach abgeatmet bzw. durch Reinigungsmechanismen der Lunge abtransportiert werden k&ouml;nnen.<br />Alle kommerziell verf&uuml;gbaren Kohlenstofffasern sind jedoch dicker als 5&micro;m. Im intakten Zustand des CFK-Materials ergibt sich damit keine Gesundheitsgef&auml;hrdung. Setzt man Kohlenstofffasern Temperaturen &uuml;ber 600&deg;C in der Luft aus, tritt ein thermischer Abbau ein. Dieser ist gepr&auml;gt von einer Abnahme des Faserdurchmessers. Gleichzeitig werden oberfl&auml;chliche Defekte erzeugt, die sich bei einer sehr starken Sch&auml;digung zu ausgepr&auml;gten L&ouml;chern in den Fasern entwickeln k&ouml;nnen. Diese Fasern brechen leicht und k&ouml;nnen lungeng&auml;ngige Bruchst&uuml;cke bilden (Abb. 1).<br />An dieser Stelle muss einschr&auml;nkend darauf hingewiesen werden, dass glasfaserverst&auml;rkte Kunststoffe diese Problematik nicht aufweisen. Glasfasern schmelzen bei erh&ouml;hten Temperaturen und bilden typischerweise Schmelzperlen. Diese k&ouml;nnen im Gegensatz zu Kohlenstofffasern keine luftgetragenen Faserst&auml;ube bilden. Verst&auml;rkungen aus Polymerfasern wie z.B. Aramiden sind diesbez&uuml;glich ebenfalls unproblematisch. Sie brennen mit der Kunststoffmatrix ab.<br />Nicht bei jedem CFK-Brand entstehen jedoch lungeng&auml;ngige Kohlenstofffaserbruchst&uuml;cke. Es sind hohe Verbrennungstemperaturen erforderlich, die sich typischerweise bei voll entwickelten Br&auml;nden mit hoher externer Brandlast ergeben. Bei einem Luftfahrzeugbrand werden diese Bedingungen z.B. erreicht, wenn gro&szlig;e Mengen an Treibstoff brennen.</p> <p><img src="/custom/img/files/files_datafiles_data_Zeitungen_2017_Jatros_Pneumo_1702_Weblinks_s40.jpg" alt="" width="1417" height="513" /></p> <h2>Nachweis kritischer Faserkonzentrationen bei Brandsch&auml;den</h2> <p>In der j&uuml;ngsten Vergangenheit wurden bei der Deutschen Bundeswehr gro&szlig;ma&szlig;st&auml;bliche Brandversuche durchgef&uuml;hrt, um zu pr&uuml;fen, ob es unter realit&auml;tsnahen Bedingungen zu einer kritischen Faserfreisetzung kommt. Daf&uuml;r wurden ca. 20kg CFK-Material unter Verwendung von 40l Flugkraftstoff &uuml;ber einen Zeitraum von 15min abgebrannt. Parallel dazu wurden station&auml;re und personenbezogene Fasermessungen durchgef&uuml;hrt. Daf&uuml;r wird Luft &uuml;ber goldbedampfte Kernporenfilter gezogen und abgeschiedene Fasern im Anschluss im Rasterelektronenmikroskop vermessen und gez&auml;hlt.<br />Im Rahmen des Brandversuchs wurde festgestellt, dass Fasern mit kritischen Dimensionen entstehen, diese allerdings durch den thermischen Auftrieb vom Brandherd entfernt werden. Vom Wind getrieben erfolgen eine Verteilung und starke Verd&uuml;nnung. Gegenw&auml;rtig stehen keine verl&auml;sslichen Daten zur Verf&uuml;gung, die es erlauben, Faserkonzentrationen in der Umgebung einer Brandstelle abzusch&auml;tzen.<br />Das wichtigste Ergebnis des Brandversuchs bezieht sich auf die R&uuml;ckst&auml;nde des Brands. Hantiert man mit abgebranntem CFK-Material, k&ouml;nnen Faserbruchst&uuml;cke freigesetzt werden. Bei der Einwirkung einer mechanischen Belastung brechen die freiliegenden Fasern, nachdem der Kunststoff abgebrannt ist, sehr leicht. Entstandene Faserfragmente sind sehr leicht und luftgetragen. Am Beispiel des Brandversuches wurden ca. 100 000 Fasern mit kritischen Dimensionen pro m<sup>3</sup> Luft festgestellt. Diese Gr&ouml;&szlig;enordnung wurde bei einem Absturz und vollst&auml;ndigen Ausbrand eines milit&auml;rischen Hubschraubers f&uuml;r die Person, die den Flugschreiber geborgen hat, best&auml;tigt.</p> <h2>Gesetzliche Vorgaben zum Arbeitsschutz</h2> <p>Nach den technischen Regeln f&uuml;r Gefahrstoffe, Verzeichnis krebserzeugender, keimzellmutagener und reproduktionstoxischer Stoffe (TRGS 905), handelt es sich bei Kohlenstofffaserbruchst&uuml;cken mit kritischen Dimensionen nach der Definition durch die WHO um ein Material, das Anlass zur Sorge gibt, beim Menschen kanzerogen zu sein. Demgegen&uuml;ber sind etwa Asbestfasern nachweislich krebserzeugend. Eine abschlie&szlig;ende Bewertung der toxikologischen Wirkung von Kohlenstofffasern steht noch aus. Es fehlen im Vergleich zur Asbestproblematik entsprechende Langzeiterfahrungen. Grunds&auml;tzlich ergeben sich jedoch &Auml;hnlichkeiten mit Asbest. Das Material der Kohlenstofffaser ist ebenfalls chemisch nicht reaktiv. Die gesundheitssch&auml;dliche Wirkung erfolgt damit prim&auml;r aufgrund der kritischen Fasergeometrie. Ein Abbau des Materials in den Alveolen der Lunge ist zus&auml;tzlich erschwert, da Makrophagen nicht in der Lage sind, diese Faserbruchst&uuml;cke v.a. aufgrund ihrer L&auml;nge zu umschlie&szlig;en, und dabei absterben. Sehr wahrscheinlich verbleiben damit eingeatmete Faserst&auml;ube sehr lange im menschlichen Lungengewebe. Gegenw&auml;rtig werden aufgrund dieser Unsicherheit verst&auml;rkt Forschungsarbeiten z.B. an der Bundesanstalt f&uuml;r Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) in Deutschland durchgef&uuml;hrt.<br />Nach den technischen Regeln f&uuml;r Gefahrstoffe, Abbruch-, Sanierungs- und Instandhaltungsarbeiten mit alter Mineralwolle (TRGS 521) bzw. dem &bdquo;Risikobezogenen Ma&szlig;nahmenkonzept f&uuml;r T&auml;tigkeiten mit krebserzeugenden Gefahrstoffen&ldquo; (TRGS 910) sind bei den ermittelten Faserkonzentrationen diverse Schutzma&szlig;nahmen zu ergreifen, damit die Exposition gegen&uuml;ber kritischen Faserst&auml;uben vermieden wird. Dazu z&auml;hlt das Tragen einer pers&ouml;nlichen Schutzausr&uuml;stung mit Feinstaubmaske (FFP3), Augenschutz, Handschuhen und Einwegschutzanzug. Eine Faserfreisetzung beim Umgang mit abgebranntem CFK-Material ist zu vermeiden. Zu entsorgendes Material sollte staubdicht in Kunststofffolien/-beuteln verpackt werden. Betroffenes Personal ist zu unterweisen und arbeitsmedizinisch zu untersuchen.</p> <h2>Gef&auml;hrdeter Personenkreis</h2> <p>Es ist davon auszugehen, dass eine einmalige Exposition gegen&uuml;ber lungeng&auml;ngigen Kohlenstofffasern im nachgewiesenen Konzentrationsbereich zu keinem signifikant erh&ouml;hten Risiko f&uuml;hrt, an Krebs zu erkranken. In den geschilderten Unfallsituationen ist eine Gef&auml;hrdung durch akut toxisch wirkende Brandprodukte oder andere Brandbegleiterscheinungen als wesentlich kritischer anzusehen. Damit wird der m&ouml;glicherweise gef&auml;hrdete Personenkreis auf Rettungspersonal und Polizei im Fall einer sich wiederholenden Exposition eingeschr&auml;nkt. Anders verh&auml;lt es sich &ndash; im Gegensatz zu den geschilderten Notfallsituationen &ndash; bei Arbeitspl&auml;tzen, an denen CFK mechanisch bearbeitet werden. Beim Schleifen, Schneiden, Bohren usw. k&ouml;nnen und m&uuml;ssen Vorgaben eingehalten werden, um eine Faserfreisetzung zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch geeignete Absauganlagen und die Verwendung von faserbindenden K&uuml;hlfl&uuml;ssigkeiten erfolgen. Eine Orientierungshilfe f&uuml;r Schutzma&szlig;nahmen ist zum Beispiel die Information der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) &bdquo;Bearbeitung von CFK-Materialien&ldquo;.</p> <div id="fazit"> <p>Fazit<br />Zurzeit sind Unfallereignisse, bei denen es zu einer Freisetzung lungeng&auml;ngiger Kohlenstofffaserst&auml;ube kommen kann, selten. Mit einer vermehrten Verwendung von CFK im Automobilbereich ist jedoch von einer Zunahme von Brandereignissen mit CFK-Br&auml;nden auszugehen. Im Zusammenhang mit dem Einsatz von CFK in Windkraftanlagen ist anzumerken, dass hier keine aktiven L&ouml;schma&szlig;nahmen durch die Feuerwehr m&ouml;glich sind. Die Rotorbl&auml;tter sind typischerweise mit einer Drehleiter nicht erreichbar.</p> </div></p> <p class="article-footer"> <a class="literatur" data-toggle="collapse" href="#collapseLiteratur" aria-expanded="false" aria-controls="collapseLiteratur" >Literatur</a> <div class="collapse" id="collapseLiteratur"> <p>beim Verfasser</p> </div> </p>
Back to top