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.
Da Arbeitnehmer in ihrem beruflichen Umfeld den UV-Expositionen direkt ausgesetzt werden, z. B. bei Hand-Schweißarbeit oder manueller UV-Härtung, ist die Umsetzung der EU-Forderung vielmals nur durch den Einsatz geeigneter persönlicher Schutzausrüstungen (Abk.: PSA) realisierbar. Technische Lösungen, wie z. B. die Umhausung oder Abschirmung von UV-Strahlungsquellen ist partiell möglich, aber durch die breite Vielfalt der Anwendungen von UV-Strahlungsquellen und die geforderte Flexibilität der Arbeiten (mobile Anlagen, handgeführte UV-Strahler) vielmals ungeeignet. Um einen nach EU-Forderung sichergestellten Schutz des Arbeitnehmers durch eine PSA zu gewährleisten, muss die UV-Schutzwirkung der PSA bzw. des verwendeten textilen Flächengebildes quantitativ erfasst werden. Nur so ist eine qualitativ hochwertige und effizient schützende PSA bereitstellbar.
Darüber hinaus muss auch der Schutz von den im Arbeitsumfeld von UV-Strahlungsquellen tätigen Helfern, welche keiner direkten UV-Bestrahlung ausgesetzt sind, gewährleistet sein. Die Ermittlung von UV-Streustrahlung, z. B. infolge der Reflexionseigenschaften eingesetzter PSA oder der transmissiven Strahlungsverteilung bei Schweißer-Schutzvorhängen, ist von nicht zu vernachlässigender Bedeutung.
Durch am Markt bereits bestehenden Prüfsysteme war eine Umsetzung der geforderten messtechnischen Anforderungen nur ungenügend realisierbar. Faktoren, wie z. B. Probenfluoreszenz, Signal-Rausch-Verhalten oder auch eine winkelselektive Signalerfassung hemmten die Einsatzmöglichkeit dieser Systeme dramatisch.
Das Ziel des Forschungsvorhabens lag daher in der Entwicklung und Umsetzung einer Prüf- und Bewertungsmethode zur quantitativen und reproduzierbaren Bestimmung der strahlungsphysikalischen Wechselwirkung textiler Materialien mit technischer UV-Strahlung für den Wellenlängenbereich (180 – 400) nm.
Vorteile und Lösungen
Hauptschwerpunkt und Kern des Vorhabens war die Entwicklung und Umsetzung einer Prüf- und Bewertungsmethode zur quantitativen und reproduzierbaren Bestimmung der UV-Transmission und der UV-Reflexion von textilen Materialien für den Wellenlängenbereich (180 – 400) nm. Als Ausgangspunkt der Entwicklung stand ein Demonstrator-Messsystem, welches in einem IGF-Vorläufervorhaben (Nr. 20970 BR/1) erarbeitet wurde, zur Verfügung. In diesem IGF-Vorläufervorhaben wurden die physikalisch-technischen Grundlagen des Messprinzips erarbeitet und die prinzipielle Funktionsweise für die goniometrische UV-Transmissionsanalyse qualifiziert.
Zur Lösung der Zielstellung wurden mehrere Schwerpunkte der Bearbeitung festgelegt. Hierzu zählte die Entwicklung eines Beleuchtungssystem einschließlich der Strahlformung, die Realisierung geeigneter Probenhalterungsmechanismen, die Umsetzung eines goniometrischen Abtastprinzips, die Reduzierung von Umgebungs- und Störeinflüssen, die Sicherstellung des Schutzes des Laborpersonals sowie die Messdatenerfassung und -auswertung.
Es erfolgte die Umgestaltung der prinzipiellen Messanordnung von einer vertikalen Ausrichtung hin zu einer horizontalen Orientierung. Dies war aufgrund der geforderten Messbarkeit transmissiver sowie reflektiver Strahlungsanteile von Proben erforderlich. Die Beleuchtungseinheit wurde durch eine Neuentwicklung der Strahlformung energetisch gesteigert, wodurch geringe Transmissions- und Reflexionssignale dennoch winkelbezogen ermittelt werden konnten. Durch die Entwicklung eines Zweistrahl-Prüfsystems konnten zeitlichen Schwankungen der Beleuchtung detektiert und messtechnisch kompensiert werden. Ein weiterer Aspekt bestand in der Auslegung der Probenhalterung, welche drehbar und hinsichtlich der Probenfixierung technisch offen ausgelegt wurde. Die goniometrische Abtastung wurde, z. B. hinsichtlich erforderlicher Abtastabstände, Messpositionen entlang der Abtastbahn und Kippwinkeln des Messspektrometers analysiert und umgesetzt. Die Reduzierung von Umgebungseinflüssen wurde unter Beachtung der Aspekte Ozonbildung und Störlichteffekte bearbeitet. Zur Berücksichtigung eines hohen Schutzes für den Prüfer wurde ein dreistufiges Schutzsystem, bestehend aus einer gerätetechnischen Einhausung, dem Einsatz von PSA und einer räumlichen Labortrennung, konzipiert und realisiert. Die Messdatenauswertung erfolgt im Nachgang der Prüfungen. Hierzu wurde ein Programm auf Basis von Microsoft Excel erstellt.
Am Ende des Forschungsvorhabens stand ein goniometrisches Prüfsystem zur Verfügung, welches eine winkelselektive Messung der Reflexion und Transmission von Proben im Wellenlängenbereich (180 – 400) nm ermöglicht. Für die Reflexionsmessung ist es infolge geometrischer Aspekte maximal möglich die Hälfte des reflektiven Halbkugelraumes der Probe abzutasten. Hierdurch sind Aussagen zum Streuverhalten von reflektiv gerichteten oder gerichtet streuenden Proben möglich. Die Transmission von Proben kann für den vollständigen transmissiven Halbkugelraum winkelselektiv erfasst werden. Sowohl für die winkelselektive Transmissions- als auch Reflexionsmessung wurde ein Auswertungsschema erarbeitet. Hierdurch wird beispielsweise eine Beurteilung der UV-Sekundärstrahlungsgefährdung von Arbeitern, welche sich in der Nähe von UV-Strahlungsquellen befinden ermöglicht.
Da mittels des goniometrischen Prüfverfahrens eine vollumfängliche hemisphärische Erfassung der transmittierten Strahlung nicht hinreichend genau erfolgen konnte, wie Vergleichsmessungen zeigten, war eine Bewertung der UV-Schutzwirkung körpernah getragener PSA mit diesem Prüfkonzept zum Zeitpunkt des Projektabschlusses nicht umsetzbar. Aufgrund der durch EU-Forderungen bestehenden Notwendigkeit einer quantifizierten Bestimmung der UV-Schutzwirkung von PSA wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens weiterführende Konzepte zur Lösung des Problems erarbeitet. Letztlich mündete dies in der Entwicklung einer „Filterkaskaden“-Messmethode. Hierdurch wird es erstmalig ermöglicht auch fluoreszierende Probenmaterialien hinsichtlich der hemisphärischen UV-Transmission mittels der UV-VIS-NIR Zweistrahlspektrometer für den Wellenlängenbereich (200 – 400) nm prüftechnisch zu erfassen. Es wird angestrebt die „Filterkaskaden“-Messmethode im Rahmen des laufenden Revisionsverfahrens der ISO 11611 einzubinden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Für die Industrie wurden durch die Entwicklungen im Rahmen des Forschungsvorhabens Möglichkeiten geschaffen, Materialien hinsichtlich ihrer UV-Schutzwirkung und der UV-Sekundärgefährdung infolge der UV-Transmission oder UV-Reflexion quantitativ zu bewerten. Darauf aufbauend lassen sich gesetzliche Regularien überprüfen, einhalten und überwachen.
Die Entwicklung wird einen Beitrag zum Schutz der UV-Gefährdung von Arbeitnehmern und dadurch zur Minimierung von gesundheitlichen Folgeschäden beitragen. Der in Europa geforderte Ansatz einer präventiven Unfallvermeidung wird dadurch unmittelbar unterstützt.
Die Zielmärkte für die Forschungsresultate werden vorrangig durch textile Unternehmen der kompletten Wertschöpfungskette hinweg (Hersteller textiler Flächengebilde, Veredler/Beschichter, Konfektionäre) gebildet. Weitere Absatzmärkte ergeben sich für den Bereich der Messtechnikbranche und des Sondermaschinenbaus. Darüber hinaus profitieren von des Forschungsresultate auch Prüf- und Zertifizierungs-stellen, Sicherheitsfachkräfte, Krankenkassen, Berufsgenossenschaften, Arbeitgeber und Beschäftige.
Die Entwicklungsarbeiten lieferten für das STFI Erkenntnisse im Bereich der optischen Konstruktion, der Robotertechnik, der Messtechnik, der strahlungsphysikalischen Wechselwirkung mit Textilien, der Statistik und der Methodenentwicklung. Dies wird sich positiv auf neue Entwicklungskonzepte auswirken. Darüber hinaus ergeben sich durch die Vermarktung von Prüfleistungen weitere positive Effekte für das STFI.
Durch eine aktive Tätigkeit des STFI in relevanten Normungsgremien wird ein direkter Transfer der Ergebnisse in die Industrie gewährleistet. Darüber hinaus werden innerhalb von Schulungen oder durch direkte Gespräche mit Industriepartnern Erkenntnisse transferiert.
