Composición química: El análisis de las correlaciones bivariadas de los elementos identificados en los espectros EDS de las partículas colectadas, mostró 21 elementos que fueron correlacionados significativamente (> 0.7, Fe- Cr-Ni-Mn), moderadamente (~ 0.5, S-V y Ti-Si) y moderado (< 0.5, Al-Mg, Na- Sn-F y Cl-Si). En PCA, el análisis de los eigenvalores mostró que los tres primeros componentes fueron superiores a 1.0 y en conjunto representan casi el 75% de la varianza total en la muestra que es un valor estándar para retener componentes (Varmuza & Filzmoser, 2009).
La tabla 6 muestra el análisis de las puntuaciones estandarizadas de los tres componentes, donde se indica que PC1 correlacionó con Fe-Cr-Ni-Mn e inversamente O, interpretándose como el nivel o grado de oxidación en las partículas; por otra parte, PC2 correlacionó con Ti y Cl, e inversamente Si, esto sugiere que las partículas fueron segregadas acorde la concentración de Ti o Si, etiquetándose como la razón Ti/Si; por último, PC3 correlacionó sólo con Al y Mg, relacionándose con partículas de silicato mineral.
Tabla 6. Componentes principales y parámetros estadísticos (promedio± Std) de elementos químicos por aglomerados en la muestra total de partículas provenientes de la industria de auto partes plástica.
1 2 3 C1 1% C2 % C3 % C4 % C5 % C6 % Al + 0.08±0.08 700 Cl + 0±0 0 0.01±0 786 Cr Fe + 0.01±0.03 -83 0.59±0.03 88 Mg + + 0±0 -100 0.04±0.01 922 Ni + 0.06±0.01 5900 O - 0.62±0.19 22 0.12±0.03 -77 S 0.15±0.09 650 Si - 0.35±0.2 40 0.03±0.02 -88 0.06±0.07 -76 Ti + 0±0.01 -100 0.4±0.12 300 0.28±0.23 180 V 0.01±0.02 1252 Na 0.04±0.11 395 Ca 0.06±0.04 500 Sn 0.02±0.04 455 F 0.01±0.02 693 Mn 0.02±0 2820 Cr + 0.13±0.03 1200 1
Porcentajes de incremento o decremento con respecto al valor promedio en la muestra total.
Nota 1: media ± Std; y los valores de porcentaje mostrados corresponde aquellos que tienen un significativo cambio de valor. Paralelamente, el análisis de clúster mostró seis grupos basados en la distancia calculada por el método de Ward, representados en el mapa de factores vía elipses de confianza al 95% (Murdoch & Chow, 1996), y descritos cuantitativamente en la tabla 6, que muestra la concentración promedio de los
elementos por aglomerados y los incrementos o decrementos con respecto al promedio en la muestra total.
Los tres primeros aglomerados tenían la mayor concentración de Si (> 31% en peso), pero niveles diferentes de oxidación (Figura 17a) interpretándose como tres subgrupos: el clúster C1 fue de partículas asféricas a circulares típicas de polímeros con una matriz orgánica saturada de nano- partículas de cuarzo o sílice (SIO2) de aprox. 5±20 nm diámetro de Feret (A5) con trazas de Cl, Mg, Fe y Ti (Figura 18a,c); además la tabla 6 muestra dos clústeres C2 y C3 de partículas irregulares de silicatos constituidas de elementos de la corteza terrestre (Al, Mg, Ca y Na), i.e., trazadores de polvo del suelo (Guo et al., 2008; Mazzei et al., 2008), que se segregan por la presencia de Na y S (C2) de Al-Mg-Ca (C3). En lo referente al silicio, esto sugiere que la muestra tenía partículas provenientes del suelo y de polímeros con nano partículas.
En contraste, dos aglomerados mostraron partículas de polímero desde irregular a asférica con una mayor concentración de Ti (> 28% en peso) debido a la dispersión de nano-partículas de oxido de titanio (TiO2) en una matriz orgánica. La diferencia entre los clústeres fue dada por la razón Ti/Si (TiO2/SiO2) como se muestra en la figura 17a, la presencia de elementos traza, y el tamaño de las nano-partículas. P.ej., C4 mostró residuos de Cl, una proporción 10:1 de TiO2/SiO2 y A5 de 165±20 nm (Figura 18b); en contraste, C5 indicó trazas de F y Sn, una proporción 7:3 de TiO2/SiO2 y A5 de 60±45 nm (Figura 18d). Esto sugiere que en la muestra existieron dos grupos de partículas de polímero con alto contenido de titanio.
El remanente (< 4% en la muestra total) fue constituido por el clúster C6 de partículas metálicas con una mayor concentración de Fe (60±20% en peso), Cr-Ni-Mn (~21% en peso) y oxidado ligeramente. La figura 18 muestra las partículas seleccionadas por su distancia mínima Euclidiana al centro de su aglomerado (Husson et al., 2010) para los clústeres C1, C4 y C5 que representan el 76% del total en la muestra. Las preguntas sin resolver en este punto de la investigación eran referente a conocer la relación de los clústeres y los sitios muestreados, así como la distribución por diámetros aerodinámicos. La respuesta fue dada por las variables categóricas que proporcionan evidencia del origen de los clústeres y la posible deposición.
El análisis de los aglomerados concerniente a los sitios, mostró diferencias significativa entre las dos fábricas de auto partes plásticas. P.ej., la planta A, dedicada a la manufactura de auto partes del interior-exterior, emitió el 100% de C4 y el 90% de C2; en contraste la planta B, dedicada a la manufactura de sistema de seguridad de los ocupantes del automóvil, emitió el 73% de C4 y el 100% de C3. La figura 17b muestra las elipses de confianza por sitio, donde se denota la diferencia y la menor diversidad de composiciones de la planta A con respecto a la planta B y viceversa, i.e., una elipse de menor tamaño representa un grupo de partículas significativamente similares, donde la intercepción fue dada al compartir equitativamente los clústeres C5 y C6 y parcialmente C1.
Además, la figura 17c muestra la relación de los aglomerados y los diámetros de corte colectados, p.ej., los clústeres de nano partículas de TiO2 abundaron en 0.7 µm, i.e., C4 al 100% y C5 al 80%, el clúster de nano- partículas de SiO2 se distribuyó aproximadamente en dos mitades, i.e., el 54% en los tamaños inferiores de 0.4 y 0.7 µm y el 46% en 1.1 µm. En contraste, C2, C3 y C6 sólo estuvieron presentes en 0.4 y 0.7 µm. Esto sugiere que las partículas finas con nano partículas en su interior pueden ser potencialmente aerotransportadas y depositadas en los alveolos pulmonares.
Figura 17. Elipses de confianza al 95% de a) clústeres (línea continua), b) sitios y c) diámetros aerodinámicos (línea discontinua) calculados a partir de los resultados del análisis multivariante de los datos de composición elemental.
En general, los resultados sugieren que las dos plantas de la industria automotriz incluyen nano-partículas TiO2 y SiO2 deliberadamente en el polímero (Alexandre & Dubois, 2000; Pandey et al., 2005; Werts, Badila, Brochon, Hébraud, & Hadziioannou, 2008) emitiendo estas partículas al aire, i.e., material no-procesado. Ambas comparten similares emisiones de nano- partículas de SiO2, pero diferentes emisiones de nano-partículas de TiO2 que indican la fuente de origen, además, los elementos trazas e impurezas típicas de los procesos de síntesis del material polimérico complementan la evidencia
(Kobayashi, 1979; Lamberty, Van Borm, & Quevauviller, 2001; Antonietti & Landfester, 2002; Gubin, 2002; Crompton, 2006).
Figura 18. Micrografías TEM de nano-partículas de sílice de a) S1 y c) S2 pertenecientes a C1, y SEM-micrografías de nano-partículas de TiO2 de b) S1 (C4), y d) S2 (C5) que están sobre una matriz de polímero orgánico.
Adicionalmente, se analizaron 845 partículas individuales determinándose únicamente medidas de forma primarias y secundarias. Esto se realizó con la finalidad de investigar la relación entre forma y composición química; además, para la reducción de variables de formas en una mezcla de partículas mayormente redondas de polímeros. En los siguientes párrafos indicamos los resultados relevantes de aplicar el análisis multivariante descrito en la sección de Materiales y Métodos.
Análisis de Morfología: La muestra total presentó una mezcla de formas que tienen tamaños menores de 1.1 µm (diámetros de Feret máximo), y superficies menores de 1.0 µm2. Además, la mezcla tenía una alta redondez o compacidad, el 66% de las partículas tenían valores mayores que 0.7 (p.ej., el valor más alto es de 1.0 para un círculo); por consiguiente la relación de ejes internos fue cercana a 1.0 (p.ej., la tasa de aspecto a partir de los diámetros de Feret máximo y mínimo para un cuadrado o circulo es 1.0). Véase en el anexo 4, los valores promedios por sitio, etapas colectadas y en la muestra total.
Los valores reportados describen una mezcla típica de partículas de polímero mayormente redondas, por lo que existe concordancia con los diámetros aerodinámicos colectados de menores de 1.1 µm, el cual se define como el diámetro que corresponde a una esfera con una densidad de 1.0 g/cm3 que se asienta en la misma velocidad que la partícula en cuestión (Hinds, 1999), y como se mencionó anteriormente, están sujetas a mecanismos de impactación y sedimentación en los pulmones. Ante la evidencia colectada, las preguntas principales por contestación fueron ¿qué relación existe entre la forma y los aglomerados de TiO2 y SiO2? y de existir diferencias ¿cuáles son las particularidades por fuente emisora? El análisis multivariante permitió recopilar información al respecto, enlistándose a continuación.
El análisis de los eigenvalores mostró que los tres primeros componentes poseen una puntuación mayor de 1.0 con el 93% de la varianza total en la muestra, donde los dos primeros componentes tienen un 83% de la varianza acumulada; ambos valores son considerados aceptables para resumir un sistema de variables (Husson et al., 2010; Varmuza & Filzmoser, 2009). Específicamente, el análisis de las puntuaciones o cargas factoriales en los tres componentes retenidos, mostró que el componente (PC1) revelaba la mitad de la varianza total en la muestra, presentando un patrón de correlaciones positivas (Tabla 7). PC1 se vinculó al tamaño- área (A1-9 y B1-4 excepto la concavidad B5) y aquellas mediciones que permiten definir si un objeto es circular, esférico o compacto (C3-4, D1-5 y E1) influenciado por el llenado del espacio bidimensional (F2). En la figura 19 se muestra el mapa factorial construido a partir de PC1 y PC2, donde las partículas fueron distribuidos de izquierda a derecha de menor a mayor tamaño o de rugoso hasta suavizado (i.e., curvatura del borde) conforme a PC1.
Conjuntamente, PC2 explicó la tercera parte de la varianza total en la muestra, donde las cargas factoriales mostraron un patrón de mayor complejidad (Tabla 7). El componente separó las partículas según la similitud de ejes (proporciones cercanas a 1.0) y la divergencia de ejes (proporciones mayores o inferiores a 1.0); por lo tanto, las correlaciones fueron positivas para los tamaños de ejes máximos (A4, A5 y A9) y proporciones de forma donde el dividendo es un eje máximo (C1, D6, E2), e inversamente, si el divisor es un eje máximo (C2-5, D1-5, E1). Además, la concavidad (B5) correlacionó positivamente sugiriendo que en algunas partículas existió una diferencia significativa entre el área original con respecto al área del polígono convexo de la partícula en cuestión. En el mapa factorial, las partículas fueron distribuidas acorde la divergencia de ejes internos de la parte superior con los valores más altos a la parte inferior e igualmente para la concavidad.
Finalmente, PC3 explicó sólo el 10% de la varianza, relacionó medidas de aspecto de longitud (C1 y C2) y área (E2) e inversamente la rugosidad (Tabla 7), diferenciando las partículas alargadas de aquellas compactas y rugosas. La figura 20 muestra partículas ilustrativas de la segregación conforme los componentes. En general, el mapa factorial da una fotografía
representativa del espacio multidimensional donde los atributos de forma están claramente evidenciados.
Tabla 7. Carga de componentes principales, y parámetros estadísticos de medidas de forma por clúster de partículas provenientes de la fabricación de auto-partes plásticas. 1 2 3 C1 1% C2 % C3 % A1 + + 2.84±1.58 -14 1.86±1.05 -44 7.15±1.62 114 A2 + 2.37±1.28 -20 1.73±0.98 -42 6.6±1.41 119 A3 + 0.16±0.12 -50 0.23±0.14 -30 0.8±0.25 141 A4 + + 0.3±0.16 -45 1.17±0.28 112 A5 + + 0.58±0.32 -45 2.3±0.56 114 A6 + 0.57±0.32 -30 0.52±0.3 -36 1.85±0.41 123 A7 + 0.64±0.35 -27 0.53±0.3 -39 2±0.41 125 A8 + 33.38±29.67 -37 23.3±20.79 -56 147.9±65.63 175 A9 + + 0.59±0.32 -45 2.31±0.56 114 B1 + 0.42±0.43 -57 0.29±0.34 -69 3.29±1.39 233 B2 + 0.48±0.49 -53 0.3±0.35 -70 3.4±1.46 229 B3 + 0.53±0.56 -49 0.31±0.36 -70 3.45±1.44 222 B4 + 0.68±0.71 -49 0.4±0.46 -70 4.39±1.83 222 B5 + 0±0.01 -83 0.1±0.16 129 C1 + + 1.65±0.41 23 1.13±0.11 -15 C2 - + 0.84±0.07 -5 0.93±0.02 3 0.92±0.04 2 C3 - 0.82±0.05 -8 0.93±0.03 4 0.91±0.06 2 C4 + - 0.35±0.13 -43 0.77±0.15 25 0.72±0.22 16 C5 + - 0.33±0.12 -44 0.76±0.15 25 0.71±0.22 17 D1 + - 0.53±0.12 -25 0.81±0.09 13 0.79±0.12 11 D2 + - 0.83±0.07 -9 0.96±0.03 5 0.94±0.06 3 D3 + - 0.49±0.1 -29 0.82±0.11 17 0.78±0.16 11 D4 + - 0.7±0.07 -15 0.9±0.06 9 0.88±0.09 6 D5 + - 0.61±0.07 -10 0.72±0.05 4 0.75±0.05 8 D6 + 25.35±8.25 32 15.7±1.89 -18 16.36±3.47 -14 E1 + - 0.87±0.06 -6 0.96±0.02 3 0.96±0.03 3 E2 + + 1.72±0.44 24 1.15±0.12 -16 F1 - 1.08±0.03 1 1.06±0.01 0 1.06±0.01 0 F2 + 1.74±0.03 -1 1.78±0.02 0 1.8±0.01 1 1
Porcentajes de incremento o decremento con respecto al valor promedio en la muestra total.
Nota 1: media ± Std; y los valores de porcentaje mostrados corresponde aquellos que tienen un significativo cambio de valor. Certeza adicional fue dada por el análisis de clúster realizado sobre la matriz de correlación adquirida de PCA (HCPC). Tres aglomerados de partículas fueron identificados en la muestra total formando una aproximación de triángulo equilátero en el espacio multivariante bidimensional (Figura 19). Dos vértices fueron los clústeres C1 y C3, que presentaron similitud en la divergencia de ejes internos, y se localizan a la misma altura en PC2, y ambos forman triángulos rectángulos con el clúster C2, atribuible a la diferencia significativas de tamaño, área, concavidad y curvatura de borde, localizándose en el extremo inferior de PC2 y cercano al origen en PC1, donde C1 y C3 son los extremos.
Figura 19. Elipses de confianza al 95% por clústeres (línea continua), lugar (línea de puntos), y c) diámetro aerodinámico (línea discontinua), calculados a partir de los resultados del análisis multivariado en datos de mediciones de forma.
Las localizaciones quedaron registradas en los valores de las variables por clúster en la tabla 7, donde se muestran los promedios por medición de forma en los aglomerados y el porcentaje de incremento en relación al promedio en la muestra total encerrados en un recuadro. P.ej., C3 tiene el mayor incremento de tamaño, área y concavidad (>110%) y C2 lo tiene en las medidas de redondez y suavidad de borde (C2-5, D1-5, E1), i.e., aquellas medidas donde el divisor es un eje máximo; en contraste, C1 presentó un decremento de tamaño (A1-9) y un incremento de rugosidad (F1). La figura 20 muestra partículas ilustrativas que fueron seleccionadas por su distancia Euclidiana mínima al centro de su aglomerado, i.e., el centroide de la elipse de confianza a 95% en la figura 19.
Además, el análisis de los sub-grupos (sitios y diámetros aerodinámicos) mostró que la planta [A] se asoció mayormente con el clúster C2 (70%) y la planta [B] se vinculó con el clúster C3 (93% del clúster), en la figura 19 se muestran las elipses de confianza a 95% para las plantas donde se denota la diferencia entre estás, pero orientadas a C1, el cual comparte
aproximadamente a la mitad (47% [A], 53% [B]). En lo referente a los diámetros de corte colectados, la etapa 0.4 µm se relacionó mayormente con los clústeres C1 y C2, y la etapa 1.1 presentó partículas de todos los clústeres incluyendo el 100% de C3, resultados esperados conforme los valores obtenidos de mediciones de tamaño. En general, los resultados sugieren que los factores contribuyentes para la formación de los aglomerados de partículas con atributos similares de forma fueron (1) el tamaño o área, (2) la relación de ejes internos, (3) la curvatura del borde (lisa o rugosa) y (4) la concavidad.
Figura 20. Contorno de partículas proveniente de micrografías TEM tratadas que fueron seleccionadas acorde a la distancia mínima Euclidiana al centro de su clase (son mostradas las medidas de forma primaria): a) C1 fueron partículas irregulares y C3 presentó la unión de dos o más partículas de C2; ambas presentaron divergencia de ejes internos, p.ej., Fmax y Fmin, y Rmin, Rmax, pero difieren en el tipo de borde de rugoso y suavizado; y C2 fueron partículas de polímeros mayormente redondas y compactas con un borde suavizado, donde las razones de Ap/AC, PC/ Pp y Rmin/Rmax fueron cercanas a 1.0.
Se puede resumir que la muestra obtenida en la fabricación de auto partes de plástico fueron partículas poliméricas pequeñas en su mayoría desde asférica a redondas, donde los sitios muestreados mostraron diferencias significativas, p.ej., la fabricación de interior-exterior de autopartes se individualizó por partículas compactas de alta redondez con la presencia en el interior de varias nano-partículas de TiO2. Por el contrario, la fabricación de sistemas de seguridad de ocupantes se caracterizó por partículas aisladas circulares llena de nano-partículas de SiO2, y monómeros unidos compartiendo una menor proporción de partículas irregulares de polvo del suelo.