Ziel der Entwicklung
Der gezielte technische Einsatz ultravioletter Strahlung im industriellen Umfeld nimmt seit mehreren Jahren stetig zu. Infolge des Innovationspotentials der UV-Technologie ist auch zukünftig mit einer gesteigerten Anwendung in der Industrie zu rechnen. Zu den Einsatzgebieten zählen vorrangig Bereiche der durch UV-Strahlung induzierten Polymerisation von Farben, Lacken, Bindern und Klebstoffen, der Materialprüfung oder der UV-Desinfektion. Im Gegensatz dazu entstehen prozessbedingt unerwünscht hohe UV-Expositionen in Arbeitsgebieten, wie z. B. bei Schweißvorgängen oder in der Glasbearbeitung mittels Gasflammen. Hierbei ist sicherheitstechnisch und gesundheitsbezogen insbesondere die direkte Wechselwirkung zu den im Arbeitsumfeld tätigen Personen problematisch.
So ist medizinisch nachgewiesen, dass mit UV-Strahlung exponierte Personen mit hoher Wahrscheinlichkeit irreversible gesundheitliche Folgeschäden für Haut und Augen davontragen. Für die Augen sind Horn- und Bindehautentzündungen sowie der Graue Star auftretende gesundheitliche Schädigungen. Für die menschliche Haut sind Folgen von erhöhter Alterung, Verbrennungen, krebsbedingte Mutationen und DNS-Strang-Spaltungen nachgewiesen. Auf Grund dessen wurde durch die internationale Krebsforschungsagentur (IARC) 2009 die UV-Strahlung innerhalb des elektromagnetischen Spektrums der höchsten Risikogruppe 1 – „krebserregend“ zugeordnet.
Zum Schutz von Arbeitnehmern wurde durch die europäische Union in der Richtlinie 2006/25/EG ein Maximalgrenzwert der UV-Tagesexposition für den Zeitraum von 8 h von Heff = 30 J/m² festgelegt. Durch welche Maßnahme die Einhaltung des Grenzwertes erreicht werden soll, wird in der EU-Richtlinie nicht dargestellt. Es werden ausschließlich deren Einhaltung und ein direkter Zwang zur Umsetzung gefordert.
Aufgrund der gesetzlichen Forderung und deren Umsetzungszwang besteht in einem hohen Maße die Notwendigkeit zur Quantifizierung der UV-Schutzwirkung von PSA-Materialien mittels messtechnischer Prüfungen. Im Jahr 2024 erfolgte diesem Zwang entsprechend, eine Revision der ISO 11611: „Schutzkleidung für Schweißen und verwandte Verfahren“, mit der erstmaligen Einbindung der Prüfung der UV-Schutzwirkung für Schweißerschutzkleidung.
Neben dem messtechnischen Nachweis der UV-Schutzwirkung stellt sich vor allem für Hersteller von Schweißerschutzkleidung die Problematik des Produktdesigns heraus. So ist die gesetzlich geforderte und messtechnisch nachzuweisende UV-Schutzfunktion für Schweißerschutzkleidung nach ISO 11611 ein gänzlich neuartiger Parameter, welcher durch vielseitige textiltechnologische Parameter im positiven oder negativen Sinne beeinflusst werden kann. Hierzu zählen z. B. die Fadendichte, Flächenmasse, Färbung, Ausrüstung und das Fasermaterial selbst. Eine dahingehende Basis an Erfahrungen zur Produktauslegung besteht im Vergleich zu den mechanischen und thermischen Anforderungsparametern, wie z. B. Zugfestigkeit, Flammenausbreitung (Oberflächen- und Kantenbeflammung), radiativer Wärmewiderstand und Schutz vor dem Auftreffen von Schweißspritzern, nicht. Es fehlen Kenntnisse zur Auswirkung der einzelnen Materialbestandteile, wie z. B. Faserstoff, Farbstoff, Ausrüstungszusätze, sowie der textiltechnologischen Parameter, wie z. B. Fadendichte, Flächenmasse, Bindungsart auf den UV-Schutz. Die Entwicklung UV-schützender Schweißerschutzkleidung kann daher nicht zielgerichtet erfolgen, sondern vielmehr auf dem Sachverhalt des „Trial-and-Error“.
Das Ziel des Forschungsvorhabens lag daher in der Evaluierung textiler Schutzausrüstungen, mit besonderem Fokus auf Schweißerschutzkleidung, hinsichtlich der Schutzwirkung gegenüber technisch inkohärenter UV-Strahlung des Wellenlängenbereiches (200 – 400) nm.
Vorteile und Lösungen
Entsprechend der formulierten Zielstellung wurden mehrere Schwerpunkte der Bearbeitung des Forschungsvorhabens festgelegt. Hierzu zählte die Evaluierung der UV-Schutzwirkung von Faserstoffen, Ausrüstungsmitteln, Färbeprozessen und Farben sowie die Bestimmung der Auswirkung textiltechnologischer Konstruktionsparameter auf den UV-Schutz. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Entwicklung eines Modells zur Abschätzung des UV-Schutzes textiler Gewebe.
Für die Evaluierungsprozesse wurden verschiedenste Materialien organisiert. Hierzu zählten Rohmaterialien, welche in Form von Fasern, Fäden oder Granulaten beschafft worden sowie Gewebe aus verschiedenen Fertigungsprozessschritten, beispielsweise nach der textilen Vorbehandlung, der Applikation von Flammschutz- und Ausrüstungsmitteln oder nach dem Färbeprozess. Des Weiteren wurden Gewebe für die Untersuchung des Einflusses der textiltechnologische Konstruktionsparameter, vorrangig aus dem Bereich des Schweißerschutzes, organisiert.
Für die messtechnischen Untersuchungen der UV-Transmission wurde die bestehende Prüftechnik hinsichtlich der Eignung analysiert sowie Prüfparameter eingestellt. Darüber hinaus wurden technische Anpassungen z. B. zur Messung kleiner Strukturgrößen umgesetzt.
Ein weiterer Punkt der Arbeiten beschäftigte sich mit der Analyse der Fluoreszenz der Materialien. Hierzu erfolgten neben optisch-bildgebenden Verfahren auch spektrale Messungen unter Anwendung eines UV-Langpassfilters. Es wurden Untersuchungen zur Ausprägung der Fluoreszenz für unterschiedliche textile Rohmaterialien sowie innerhalb des Herstellungsprozesses der Flächengebilde durchgeführt.
Für die Bestimmung der UV-Schutzwirkung wurden die organisierten Materialien spektral im relevanten UV-Wellenlängenbereich vermessen. Zusätzlich wurden die textiltechnologischen Parameter, wie z. B. Flächenmasse, Öffnungsfaktor, Fadendichte, Fadendurchmesser der Gewebe ermittelt. Die Messdaten wurden mittels statistisch-mathematischer Methoden ausgewertet, wobei Aspekte der Korrelation und Regression ebenso wie die Messunsicherheitsbetrachtung berücksichtigt wurden. Die ermittelten Messdaten wurden schließlich strukturiert, systematisiert und in Form einer Datenbank zusammengestellt.
Für die Entwicklung des Modells zur Abschätzung des UV-Schutzes von Geweben wurden verschiedene Konzepte erarbeitet, bewertet und umgesetzt. Der Fokus des Modells lag auf der Abschätzung der UV-Schutzwirkung und nicht auf einer exakten Vorhersage. Für die Modellierung wurden die Messdaten der vorangegangenen Evaluierungsprozesse als Datenbank-Grundlage eingesetzt. Das entwickelte Modell basiert auf dem Prinzip der mathematischen Verknüpfung mehrerer Interaktionsebenen, wobei jede Ebene als eigenständiger „UV-Filter“ mit definiertem UV-Transmissionsspektrum angesehen werden kann. Die Interaktionsebenen wurden auf die Bereiche Faserstoffe und Fertigungsprozesse (textile Vorbehandlung, Ausrüstung, Färbung) festgelegt. Die textiltechnologischen Konstruktionsparameter der Gewebe wurden durch die Abstraktion der gewölbten Gewebestruktur in eine planaren Plattenstruktur indirekt eingebunden. Hierbei lag der Fokus auf der Bestimmung einer mittleren Materialdicke des nachzustellenden Gewebes. Bei Mischgeweben wird die planare Platte in mehrere Einzelplatten zerlegt, deren jeweilige Dicke abhängig vom Faserstoffanteil im Gewebe ist.
Mit Abschluss des Forschungsvorhabens lag eine Datenbank sowie ein darauf aufbauendes Modell zur theoretischen Abschätzung der UV-Schutzwirkung von Geweben unterschiedlicher materieller und struktureller Zusammensetzung vor. Das Modell zeigte hinsichtlich der Aussagefähigkeit positive Tendenzen, wobei weitere Optimierungen erforderlich sind und auch projektübergreifend angestrebt werden. Eine kontinuierliche Erweiterung der bestehenden Datenbank mit Messdaten wird angestrebt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Mit der im Vorhaben durchgeführten Evaluierung der UV-Schutzwirkung von Materialien sowie dem Einfluss der textiltechnologischen Konstruktion auf den UV-Schutz werden für KMUs Möglichkeiten zur zielgerichteten Entwicklung neuartiger hochgradig UV-schützender PSA geboten. Zusätzlich begünstigt wird dies durch das ebenso im Forschungsvorhaben entwickelte Modell zur theoretischen Abschätzung der UV-Schutzwirkung simulierter Gewebe unterschiedlicher materieller Zusammensetzung und struktureller Parameter. Die Entwicklung wird für deutsche KMUs Marktvorteile liefern.
So bilden die Ergebnisse des FuE-Vorhabens Möglichkeiten zur zielgerichteten Entwicklung textiltechnologisch innovativer Materialien, Strukturen und Komponenten. Es wird möglich, Schutzkleidungsgenerationen mit besserer UV-Schutzwirkung zu entwickeln. Folglich wird eine aktive Unterstützung zur Unfallverhütung und damit zum Schutz von Leib und Leben gegeben.
Die Projektresultate leisten einen Beitrag zum Schutz der Arbeitnehmer gegenüber den Gefährdungen durch künstliche technische UV-Strahlung leisten. Der in Europa geforderte Ansatz einer präventiven Unfallvermeidung wird dadurch unmittelbar unterstützt.
Die Zielgruppen der Forschungsresultate erstrecken sich über die komplette textile Wertschöpfungskette hinweg. Hier exemplarisch zu nennen sind Garn- und Fadenhersteller, Weber, Veredler und Beschichter sowie Konfektionäre. Weiterhin profitieren direkt oder indirekt Prüf- und Zertifizierungsstellen, Sicherheitsfachkräfte, Krankenkassen, Berufsgenossenschaften, Arbeitgeber und Beschäftige.
Die Entwicklungsarbeiten lieferten für das STFI Erkenntnisse im Bereich der optischen Prüfverfahren, der Messtechnik, der strahlungsphysikalischen Wechselwirkung mit Textilien, der Statistik und Methodenentwicklung. Wirtschaftliche Effekte sind aus der Möglichkeit ableitbar Schulungen zum Thema UV-Schutz durchzuführen. Dabei werden vor allem die Erkenntnisse zur physikalischen Wechselwirkung zwischen UV-Strahlung und Textilien von Bedeutung sein. Durch die Vermarktung von Prüfleistungen lassen sich weitere wirtschaftliche Effekte erzielen.
Die Transfer- und Vermarktungsstrategie der Projektresultate erfolgt durch Publikationen, interdisziplinäre Diskussionen und Fachgespräche, durch die Einbindung in Weiterbildungsseminare, im Rahmen der akkreditierten Prüfstelle des STFI und innerhalb zukünftiger FuE-Vorhaben.
