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Druckeremissionen Partikelemissionen aus Laserdruckern auf der Spur

Autor / Redakteur: Stefan Seeger* und Harald Bresch* / Dr. Ilka Ottleben

Laserdrucker und andere Bürogeräte erzeugen Emissionen, die im Verdacht stehen, gesundheitsschädlich zu sein. Forscher der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung haben jetzt ein Testsystem weiterentwickelt, mit dem sich die Emissionen genauer messen und miteinander vergleichen lassen.

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Abb. 1: Lasergetriebene Drucker emittieren potenziell gesundheitsschädliche Aerosole.
Abb. 1: Lasergetriebene Drucker emittieren potenziell gesundheitsschädliche Aerosole.
( Bild: Adagio - Glombik - Fotolia.com )

Lasergetriebene Drucker, Fotokopierer und teilweise auch Fax- oder Multifunktionsgeräte emittieren Gase sowie Fein- und Ultrafeinstaub. Diese Emissionen stehen im Verdacht Asthma, pseudoallergische Entzündungen der Atemwege, Haut- und Augenirritationen sowie Kopfschmerz und das so genannte „Sick Building Syndrome“ auszulösen [1, 2]. Beim Gebrauch der Geräte entstehen ultrafeine Partikel (Nanopartikel) mit Durchmessern kleiner 0,1 Mikrometer sowie auch feine Partikel kleiner ein Mikrometer Durchmesser. Die genaue Menge dieser Partikelemissionen konnte jedoch bislang nicht bestimmt werden [3]. Der Vergleich von Partikelemissionen marktgängiger Gerätetypen war daher in der Vergangenheit nicht möglich. Auch Toxikologen und Medizinern fehlte die erforderliche Grundlage qualitativ hochwertiger und vergleichbarer Daten, um Arbeitsplatzkonzentrationen und potenzielle gesundheitliche Gefahren zu bewerten.

Vor allem methodische Unterschiede bei den Messungen erschwerten den Vergleich der Messdaten. So wurden Emissionsmessungen in unterschiedlichen Umgebungen durchgeführt oder verschiedene Partikelnachweisgeräte mit unterschiedlichen Messbereichen und -verfahren verwendet. Auch die Rahmenbedingungen der Messungen (z.B. Klima oder Partikeluntergrund) und schließlich die zur Datenauswertung verwendeten Methoden waren selten einheitlich.

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Um vergleichbare Emissionsdaten für kongruente Beurteilungen zu erhalten, ist eine standardisierte Testprozedur nötig. Diese Testprozedur sollte die einflussnehmenden Umweltparameter beschreiben und kontrollieren und möglichst viele Details der Messungen und der Auswertung festlegen.

Die BAM hat bereits 2003 eine Testprozedur ausgearbeitet, die Basis bei der Vergabe von Gütesiegeln (Blauer Engel) für Büromaschinen ist [4]. Diese Prüfung erfasst die Gesamtmasse der emittierten Partikel. Da gerade die ultrafeinen Partikel kaum zur Gesamtpartikelmasse beitragen, weist diese Messmethode nur bedingt Partikel unter 0,1 Mikrometer nach. Eine Weiterentwicklung der Messmethode schafft nun Abhilfe: Eine Umweltsimulationskammer, ausgerüstet mit speziellen Aerosolmessgeräten ermöglicht reproduzierbare und verlässliche Detaildaten über die Größenverteilung, Menge und zeitliche Veränderung der Partikelemissionen.

Aufbau und Messverfahren

Die Messungen werden in einer Umweltsimulationskammer aus Edelstahl mit einem Volumen von einem Kubikmeter durchgeführt, die dem ECHMA-Standard (ECHMA, 2001) entspricht. Damit in der Kammer Emissionen von VOCs und SVOCs bis zu sehr niedrigen Konzentrationen im Bereich weniger µg/m³ erfasst werden können, ist eine Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit, des Klimas und des Luftwechsels in engen Bereichen erforderlich. Zudem muss die Kammer eine Reihe weiterer Spezifikationen erfüllen (s. Kasten Hintergrund).

Der Ablauf des Testprogramms ist in Tabelle 1 aufgeführt. Im sechsten Schritt wird eine definierte Anzahl Kopien einer standardisierten Druckvorlage mit fünf Prozent Flächenbedeckung (schwarz-weiß) oder 20 Prozent Flächenbedeckung (Schwarz, Cyan, Magenta, Gelb, fünf Prozent pro Farbe) ausgedruckt.

Papier ist ein ausgezeichneter Wasserspeicher. Beim Druckvorgang wird das Papier erwärmt, und das gespeicherte Wasser entweicht. Um Kondensation von aus dem Druckerpapier emittiertem Wasserdampf zu vermeiden, ist ein entsprechend hoher Luftwechsel in der Klimakammer erforderlich. Für die Partikelmessungen wird eine Kombination von zwei Partikelspektrometern verwendet. Die Größenverteilung ultrafeiner Partikel (zehn bis 500 Nanometer Durchmesser) wird mit einem so genannten Scanning-Mobility-Particle-Sizer (SMPS TSI 3936) gemessen. Seine Hauptkomponenten bestehen aus einem elektrostatischen Partikelgrößenklassierer (DMA) und einem Kondensationskernzähler (CPC). Der Klassierer hat 105 Größenkanäle und erfasst ein komplettes Spektrum im Zwei-Minuten-Rhythmus. Die Größenverteilung feiner Partikel (300 Nanometer bis 20 Mikrometer Durchmesser) wird im Sechs-Sekunden-Rhythmus von einem 16-Kanal-Laser-Partikelzähler (Grimm Model 1.108) erfasst [6].

Die Rohdaten der Partikelspektrometer werden mithilfe eines einfachen mathematischen Ansatzes ausgewertet (s. Emissionsverhalten am Ende des Beitrags auf Seite 2).

Messergebnisse

Abbildung 2 zeigt exemplarisch einen Vergleich wiederholter Messungen von Partikelemissionsspektren zweier verschiedener Laserdrucker während des Druckvorgangs und danach. Die Grafiken zeigen die Partikelgrößenverteilungen als Funktion der Zeit. Die Rechtecke markieren jeweils Beginn und Ende des Druckvorgangs. Die Farbkodierung kennzeichnet die Partikelkonzentration relativ zum jeweiligen Maximum. Zunächst fällt auf, dass sich die Emissionsspektren bei Einhaltung der oben beschriebenen Messmethode sehr gut reproduzieren lassen. Das Maximum der Partikelemission verändert sich bei Drucker B während des Druckvorgangs klar von anfangs 35 hin zu 55 Nanometer. Drucker A zeigt diese Veränderung nicht. Das Maximum der Partikelgrößenverteilung von Drucker A ist mit 125 Nanometer viel höher als das von Drucker B. Die Beispiele illustrieren, wie unterschiedlich die Emissions-charakteristiken von Laserdruckern sein können. Für beide Drucker – wie auch für alle bisher in der BAM gemessenen Drucker – sind keine relevanten Partikelemissionen oberhalb von 500 Nanometer nachweisbar. Da Tonerpartikel gewöhnlich Durchmesser zwischen drei und fünf Mikrometer aufweisen, belegen die Messungen, dass Laserdrucker keine Tonerpartikel direkt emittieren. Es müssen also andere Erklärungen für die Partikelemissionen gefunden werden.

In Abbildung 3 werden die Partikelemissionsraten (Gesamtemission pro gedruckter Seite) von vier verschiedenen Schwarz-weiß- und Farb-Laserdruckern verglichen – alle betrieben im S/W-Modus. Die Ergebnisse sind sehr gut reproduzierbar. Die Emissionsraten reichen von etwa 6x107 Partikel/Seite bis zu 4x109 Partikel/Seite. Die Bandbreite der Partikelemissionsraten beträgt also deutlich mehr als eine Größenordnung.

Was wird emittiert?

Das Papier erfährt während des Durchlaufs durch einen Drucker sowohl mechanischen Abrieb als auch eine Aufheizung bis deutlich über 50 °C. Neben Tonerstaub muss auch Papierstaub als eine mögliche Ursache der Partikelemissionen angesehen werden. Andere Quellen von Partikelemissionen wie beispielsweise Rekondensation von Gasen kommen ebenfalls in Frage. Die Testkammer wurde für weitere Untersuchungen deshalb mit einem Kaskaden-Partikelimpaktor ausgestattet. Der Impaktor (Dekati LPI 10) sammelt Partikelproben auf 13 Größenstufen von 30 Nanometer bis zehn Mikrometer Partikeldurchmesser. Diese Proben werden anschließend für die größenaufgelöste Analyse der chemischen Zusammensetzung der Partikelemissionen verwendet. Erste Ergebnisse einer EDX-Elementanalyse mit dem Kaskadenimpaktor gesampelter größenaufgelöster Partikelproben zeigen deutliche Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung von Partikeln unterschiedlicher Größe. Somit können aus Laserdruckern emittierte Partikel mehrere Quellen als Ursache haben.

Zusammenfassung

Die hier vorgestellten Resultate belegen, dass Emissionen aus Laserdruckern unter kontrollierten Bedingungen mit guter Reproduzierbarkeit messbar und vergleichbar sind. Laserdrucker können sowohl qualitativ wie auch quantitativ sehr unterschiedliche Partikelemissionen aufweisen. Die größenabhängigen Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Partikel geben Hinweise auf mögliche Ursachen der Partikelemissionen, die weiter erforscht werden müssen. Die direkte Freisetzung von Tonerpartikeln kann als Ursache der Emissionen ausgeschlossen werden.

Diese Arbeit wurde unterstützt durch das Umweltbundesamt (UBA, 204 95 373).

Literatur

[1] ITG (2004), Krank durch Toner - die unterschätzte Gefahr. Press release of self help group „Interessengemeinschaft Tonergeschädigter“ www.krank-durch-toner.de/Presse.htm. 10.02.2004.

[2] Smola, T., Georg, H., Hohensee, H. (2002), Gesundheitsgefahren durch Laserdrucker. Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 62 (2002) 295-301.

[3] Bake, D. & Moriske, H.-J. (2006), Untersuchungen zur Freisetzung feiner und ultrafeiner Partikel beim Betrieb von Laserdruck-Geräten, UBA, Umweltbundesamt, Dessau, Februar 2006.

[4] BAM (2003), Test method for the determination of emissions from hardcopy devices with respect to awarding the environmental label for office devices RAL-UZ 62, RAL-UZ 85 and RAL-UZ 114, BAM 06/2003, www.blauer engel.de.

[5] ECMA (2001), ECMA-Standard 328, Detection and measurement of chemical emissions from electronic equipment. www.ecma.ch. Geneva, Switzerland. 2001. ECMA.

[6] Seeger, S., Wilke, O., Bücker, M., Jann, O. (2006), Time- and Size-Resolved Characterization of Particle Emissions from Office Machines. Proc. Int. Conf. Healthy Building 2006, 2, 447-450.

Hintergrund: Die Umweltsimulationskammer

Die Kammerwände der von der BAM verwendeten Umweltsimulationskammer bestehen aus poliertem Edelstahl, um Wandeffekte zu minimieren. Der Einsatz von Dichtungsmaterial (Dichtungsgummis etc.) wurde minimiert, da solche Materialien selbst Quellen gasförmiger Emissionen darstellen können oder Absorption und Desorption beeinflussen. Die Kammer ist bis zu 200 °C ausheizbar. Dadurch werden Memory-effekte und Verunreinigungen weitgehend vermieden. Die Luft in der Kammer zirkuliert mit kontrollierter Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,1 und 0,3 m/s. Der Kammer wird ständig partikelfreie Reinstluft mit vorwählbaren Luftaustauschraten zwischen ein und fünf Luftwechseln pro Stunde zugeführt. Das Klima in der Kammer wird im Bereich 23 ± 2 ºC, 50 ± 5 Prozent relative Feuchte gehalten.

Emissionsverhalten: Mathematische Auswertung der Rohdaten

Das entwickelte Modell kalkuliert Emissionsraten und Mengen emittierter Partikel und ermöglicht auf diese Weise einen Vergleich des Emissionsverhaltens verschiedener Geräte: Wenn N(t) die zeitabhängige Anzahl von in einer Kammer mit Volumen VC homogen verteilten Partikeln ist und ER(t) die zeitabhängige Emissionsrate einer Partikelquelle, dann beschreibt Gleichung i) den Zusammenhang zwischen diesen Größen (der Faktor β beschreibt die kontinuierliche Verdünnung des Aerosols in der Testkammer durch den Luftwechsel und durch andere Prozesse). Der Faktor β kann leicht aus den Rohdaten bestimmt werden, in dem die exponentielle Abnahme der Partikelkonzentration in Schritt 7 ausgewertet wird. Die Anzahl an Partikeln in der Kammer ist dann gegeben durch Gleichung ii), CP(t) ist die gemessene zeitabhängige Partikelanzahlkonzentration in der Kammer. Die Emissionsrate ER(t) ist dann gegeben durch Gleichung iii). Wenn nun die Zeitableitung der gemessenen Partikelanzahlkonzentration numerisch berechnet wird, dann kann die Emissionsrate ER(t) leicht anhand Gleichung iii) bestimmt werden. (Gleichungen i) bis iii) finden sie in der Bildergalerie)

*Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), AG IV.24 „Charakterisierung von Fasern und Partikeln“, 12203 Berlin

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