UV ZRAČENJE (Tekstilni materijali, uopsteno)

UV ZRAČENJE (Tekstilni materijali, uopsteno)

 

Radijacija česticama se sastoji od naelektrisanih ili neutralnih čestica, koje se pune od strane jona ili subatomskih elementarnih čestica. Ovo uključuje Sunčev vetar, kosmičku radijaciju, i fluks neutrona u nuklearnim reaktorima.

 

·        Alfa čestice (jezgra helijuma) su najmanje prodorne. Čak i veoma naelektrisane alfa čestice mogu se zaustaviti samo jednim listom papira.

·        Beta čestice (elektroni) su malo više prodorne, ali se mogu absorbovati aluminijumom od nekoliko milimetara. Međutim, u slučajevima gde se emituju visoke energije beta čestica, zaštita mora biti postignuta uz niske gustine materijala, kao što su plastika, drvo, voda ili akrilno staklo (Pleksiglas, Lucit). Ovo pomaže smanjenju zakočnog zračenja (Bremsstrahlung) x-zraka. U slučaju beta+ radijacije (pozitrona), kada se niskoenergetski pozitron sudari sa niskoenergijskim elektronom dolazi do njihove anihilacije pri čemu nastaju dva gama fotona koja predstavljaju brigu.

·        Neutronsko zračenje se ne apsorbuje dobro kao druge čestice, što ga čini izuzetno prodornim. U nuklearnoj reakciji, neutroni se apsorbuju iz jezgra atoma. Ovo najčešće stvara opasnost od sekundarnog zračenja, jer se apsorbovana jezgra transmituju u sledeći teži izotop, od kojih su mnogi nestabilni.

·        Kosmičko zračenje nije zajednička briga, jer ga Zemljina atmosfera apsorbuje, a magnetosfera deluje kao štit, međutim, predstavlja problem za satelite i astronaute; Kao i za one koji često putuju avionom, jer su izloženi riziku. Kosmičko zračenje je jako velike energije i velike prodornosti.

·        Elektromagnetno zračenje sastoji se od emisija elektromagnetnih talasa – osobine koje zavise od talasne dužine.

·        X-zraci i gama zračenje su najbolje apsorbovani od strane atoma koji imaju teško jezgro; što je teže jezgro, to je bolja apsorpcija. U nekim posebnim aplikacijama se koristi osiromašeni uranijum ili torijum, ali sa olovom imaju mnogo toga zajedničkog; tako da je potrebno samo nekoliko santimetara. Barijum sulfat je takođe korišćen u nekim aplikacijama. Međutim, kada se govori o troškovima, bilo koji materijal može biti upotrebljen, samo sa što većom debljinom.

·        Ultravioletno (UV) zračenje je jonizujuće, ali nije prodorno, tako da se možemo zaštiti kremom / losionom sa UV zaštitom, odećom ili naočarima. UV zaštita je prostija od drugih zračenja, pa se često razmatra posebno.

U nekim slučajevima neodgovarajući štit može napraviti situaciju lošijom nego što jeste, kada zračenje reaguje sa materijalom koji štiti i stvara da se apsorbuje u organizam. Npr. iako su materijali sa visokim atomskim brojem veoma efektni u zaštiti od fotona, koristeći ih od beta čestica, mogu prouzrokovati više zračenje od zakočnog zračenja x-zraka, otuda i to da su materijali sa nižim atomskim brojem preporučljiviji. Takođe, koristeći materijale koji imaju visoku aktivaciju neutrona, će napraviti to da materijal sam postaje radioaktivan i više opasan nego što je inače.

 

Odgovarajuća količina sunčeve svetlosti podstiče cirkulaciju krvi, metabolizam i poboljšava otpornost organizma na razne patogene. Prodiranje UV zraka na gornjem sloju kože dovodi do oštećenja i rezultira prevremenim starenjem kože kao i pojavom drugih efekata kao sto je sušenje / hrapavljenje kože, mrlje, opuštanje kože, bore, karcinom pločastih i bazalnih ćelija. 

 

Priroda elektromagnetnog zračenja

se može opisati pomoću dve teorije: talasne i kvantne ili korpuskularne teorije. Talasna dužina i učestalost zračenja se odnose na njegove brzine, ali apsorpcija i emisija svetlosti se ne može u potpunosti objasniti pomoću talasne teorije. Osnovni elementi u kvantnoj teoriji svetlosti su „energični paketi“ poznatiji kao fotoni. Prema ovoj teoriji, veća frekvencija svetlosti ima veću energiju i kraću talasnu dužinu. Ultraljubičasto zračenje je energetski visoko, sa kratkom talasnom dužinom svetlosti. Dnevna svetlost stiže do nas preko Zemljine atmosfere, sa spektrom od 290nm do 3000nm. Zračenje između 290nm i 400nm se naziva ultraljubičasto zračenje.

 

Ultraljubičasto zračenje (UVZ) se sastoji od tri dela: UV-A (320 do 400nm), UV-B (290 do 320nm) i UV-C (100 do 290nm).

 

UV-C se potpuno apsorbuje u atmosferi i ne stiže do Zemlje.

UV-A prouzrokuje male reakcije na koži, ali ume da smanji imunološku reakciju ćelija kože.

UV-B je odgovoran za razvoj raka kože.

Izlaganje UV zracima i ljudska koža

Faktori koji utiču na UV zračenje uključuju: oblačnost, položaj Sunca u odnosu na vreme / sate, geografski položaj, nadmorsku visinu, ozonski omotač, rasipanje u atmosferi, okolinu i srodne uslove. Mnoga istraživanja su sprovedena za procenu uticaja UV zraka na razne žive organizme, posebno na zdravlje ljudi, i odnos između raka kože i UV zraka su dobro povezani.

Svakodnevno izlaganje Suncu je dovelo do glavnih razloga za pojavu melanoma na koži. Ćelije kože apsorbuju Sunčevu svetlost, samim tim i UV zračenje, ćelije koje su stare ili izumrle nisu u stanju da eliminišu štetne UV zrake iz tela. Tako da apsorpcija dovodi do ožiljaka koji mogu izazvati bolesti poput raka kože. Prekomerno UV zračenje dovodi do oštećenja i izaziva zapaljenje ćelija ljudske kože, očigledne posledice su crvenilo ili opekotine. Recipročna vrednost ovih doza zračenja naziva se efektivnost crvenila (opekotina) čiji maksimum iznosi 308nm.

 

Totalna doza UV zračenja koja se apsorbuje u kožu je bitan faktor u nastanku crvenila (opekotina) ili raka kože, mada ne postoji dokazana veza između njih. U pogledu osetljivosti na svetlost i tendencije pigmentacije, postoji 6 osnovnih tipova kože za koje su različiti nivoi UV zaštite, kao što je prikazano u tabeli 1.

Tabela 1. Efekti UV zračenja na različite tipove kože

Tip kože (izgled pre izlaganja)	Kritična doza mJ/cm2	Vreme samo - zaštite (min)	Nivo rizika
I - Jako svetla	15 - 30	5 - 10	Jake opekotine, ima najviši stepen starenja kože i najveći rizik od kancera kože
II - Svetla	25 - 35	8 - 12	Opekotine i tamniji je ten
III - Svetlo - tamna	30 - 50	10 - 15	Efekat preplanulog tena sa slabim opekotinama
IV - Tamna	45 - 60	15 - 20	Efekat preplanulog tena sa slabim opekotinama
V - Jako tamna	60 - 100	25 - 35	Manji rizik od karcinoma kože, retke su opekotine i brzo tamljenje tena
VI - Jako tamna - crna	100 - 200	35 - 70	Manji rizik od karcinoma kože, pigment obezbeđuje zaštitu. Veoma su retke opetkotine i vrlo lako se dolazi do preplanulosti

Minimalna doza cvenila (minimal erithemal dose MED) očigledno zavisi od tena / tipa kože, ali npr ne pokazuje varijacije između ljudi koji imaju tip III i IV. Iz praktičnih razloga populacija se može podeliti u dve osnovne grupe, osetljive i manje osetljive.

Sunčev UV index, UV zaštita i solarni zaštitni faktor

Uticaj UV zračenja na žive organizme je detaljno proučavan, i doveo je do različitih metoda merenja, kao što je UV index, UV zaštitni faktor (UPF - UV protection factor) i solarni zaštitni faktor (SPF – solar protection factor), koji su uvedeni kako bi se podigla svest među ljudima o štetnom UV zračenju. U određenoj talasnoj dužini, elektromagnetno zračenje može da se reflektuje, apsorbuje ili emituje ka svakom objektu. Ukoliko je odziv sistema na svakoj talasnoj dužini linearna funkcija mere, onda je odgovor (R) od širokog spektra dat sledećom formulom.

gde je I (λ, t) zračenje na talasnim dužinama λ, t je vreme i σ (λ) je presek za izazivanje odziva na talasnim dužinama λ. Promene u spektru su pokrivene vremenom koje je uključeno kao argument zračenja funkcije i promenljive integracije.

UV index je dizajniran da obezbedi javnosti (stanovništvu), numeričkom naznakom maksimalni potencijal solarne zaštite tokom dana, veći broj – veće solarno ultravioletno zračenje. Globalni solarni UV index je mera najvišeg nivoa svakodnevnog UV zračenja, i obračunava se pomoću različitih ulaznih parametara kao što je ozon, potencijalna oblačnost, vodena para i aerosoli.

UV zračenje je najveće oko podneva, ali je temperatura obično viša posle podne, tako da je UV zračenje grupisano u 5 kategorija, od niskog do ekstremnog, sa različitim bojama.

Ultravioletni zaštitni faktor (UPF - Ultraviolet Protection Factor)

Ultravioletni zaštitni faktor (UPF) je naučni termin koji se koristi da označi količinu ultraljubičaste (UV) zaštite koja se pruža koži od strane tkanine. Vrednosti ultravioletnog zaštitnog faktora su analogna SPF - u (Sun Protection Factor), jedina razlika je što je Sunčev zaštitni faktor zasnovan na ljudskim testiranjima, dok je ultravioletni zaštitni faktor zasnovan na instrumentalnim merenjima.

Ultravioletni zaštitni faktor se definiše kao odnos prosečnog efektivnog UV zračenja obračunatog na nezaštićenoj koži i odnos prosečnog efektivnog UV zračenja na koži koja je zaštićena testiranom tkaninom.

Opšti pristupi testiranja sposobnosti tkanine da spreči opekotine koje prouzrokuje Sunce, su laboratorijska ispivanja in vivo (na živom organizmu) i in vitro (kontrolisano okruženje).

Kvantitativna mera u in vivo određivanjima je solarni zaštitni faktor, i koristi se da označi dobijeni rezultat instrumentalno kao faktor zaštite ultravioletnog zračenja. Kvantifikacija zaštite koju tkanina pruža protiv UV zračenja se dobija determinacijom UV zaštitnog faktora, u in vitro. UV zaštitni faktor se definiše Australijskim / Novo Zelandskim standardom AS/NZS 4399:1996, koji je sada široko prihvaćen od strane industrije tekstila i odeće u svetu.

AATCC test metoda 183 – 1998 se takođe koristi za zaštitu od UV zračenja i  obračunava se test metodom koja je jako slična standardu AS/NZS 4399:1996.

Produžena zaštita od tekstilnih materijala, raznih aksesoara i krema / losiona su označeni različitim terminologijama poznatijim kao UPF (zaštitan UV faktor) i SPF (solarni zaštitni faktor).

Procena rizika nezaštićene kože, zaštićene kože i zaštitnog UV faktora su dati sledećim formulama:

Rizik nezaštićene kože = Σ Sλ Aλ Δλ

Rizik zaštićene kože = Σ Sλ Aλ Δλ Tλ

Zaštitni UV faktor = rizik nezaštićene kože / rizik zaštićene kože

gde je Sλ izvor spektra (Wm2 nm-1), Tλ je transmisija, Aλ  je akcioni spektar za meren odziv, Δλ je propusni opseg u nm. Relativni spektar crvenila (opekotina) je najefektivniji i najveći u UV-B regionu, u odnosu na UV-A region

koji je znatno manji, UV zaštitni faktor prvenstveno zavisi od transmisije u UV-B delu. UV zraci padaju na tekstil i delimično se reflektuju, apsorbuju, i prenose preko vlakana i pora, a optička poroznost tkanine ograničava potencijal obezbeđene zaštite od UV zraka.

Solarni zaštitni faktor (SPF) se definiše kao količnik ne štetne doze i štetne doze za zatitu od Sunca. Ovo se može izračunati od količine efektivnog crvenila (opekotina) - (EW (λ)), (P(λ)), i od talasne dužine, u zavisnosti od prenosa agensa za zaštitu od Sunca.

Razlika između vrednosti UPF i SPF nastaje uglavnom zbog rupičastih materijala (efekat „rupica“ na tkanini).

UV zaštita tekstilnih tkanina

Direktna i difuzna UV prozračnost kroz tkaninu je ključni faktor određivanja UV zaštite tekstila. UV zračenje koje se emituje preko tekstilnih materijala sastoji se od talasa koji prolaze nepromenjeni kroz pore na tkanini i rasutih talasa koji su u interakciji sa teksturom.

Ultraljubičasti zaštitni faktor je zapravo mera UV zračenja (UV-A i UV-B) blokiranog od strane tkanine. Viša vrednost ultraljubičastog zaštitnog faktora znači više blokiranog UV zračenja.  Zaštitna odeća mora imati visoko odbijanje i / ili upijanje UV zraka, tako da sprečava UV zrake od dostizanja na kožu i ljudsko telo. Prozračnost je ključni deo za utvrđivanje zaštite u kvalitetu odeće

Prozračnost UV zraka kroz tekstilni materijal je definisan kao odnos ukupnog iznosa slučajnih UV zraka, u definisanom opsegu talasnih dužina, i iznosu od UV zraka koji su zbog prozračnosti dostigli na kožu. Nekoliko različitih efekata se javlja kada UV zračenje pogodi tekstilne površine, što prouzrokuje da se UV zračenje može podeliti na nekoliko komponenti.

Deo zračenja ogleda se u granicama tekstilne površine, a drugi deo se apsorbuje kada prodire u uzorak, tj, ona se pretvara u drugačiji oblik energije. Ipak, jedan deo zračenja putuje kroz tkaninu i dostiže na kožu, ovaj deo se naziva "prenos". Odeća ima sposobnost da zaštiti kožu od Sunčevog zračenja, jer tkanina od koje je napravljena može da reflektuje, apsorbuje i da rasprši solarne talasne dužine.

Tkanine se razlikuju u svojoj sposobnosti da ublaže svetlo na ovaj način, jer se razlikuju u sastavu i vlagi, vrsti i koncentraciji boje, optičkih izbeljivača ili UV apsorbenata koji su dodati u završnoj obradi vlakana. Svaka tkanina mora biti testirana kako bi se odredila njena sposobnost da zaštiti od Sunčevog zračenja, to ne može biti poznato iz vizuelnog posmatranja, niti obračunato od opisa sastava tkanine i strukture. U zavisnosti od nivoa UV zaštite, odeći se određuje oblik i dizajn tekstila, a posebno konstrukcioni parametri.

Tabela 2. Kategorije materijala za zaštitu od UV zračenja u odnosu na Američki standard ASTM D6603

Zaštitna kategorija	UV faktor - rangiranje	Rangiranje
Odlična	40 - 50, 50+	40,4 – 50,5, 50+
Vrlo dobra	25 - 39	25, 30, 35
Dobra	15 - 24	15, 20

Posle emitovanja UV zračenja na tekstil, on se sastoji od difuznih komponenta, koje su modifikovane svojstvima tkanine - apsorpcije i nepromenljivih komponenta, koje direktno prolaze kroz prostore između tkanine prediva, smanjenje UV prenosa se može postići promenom parametara tekstilnih materijala. Optimalna kombinacija debljine, gustine, mase po jedinici površine, da li je tkanina pletena ili tkana, kao i tip prediva (mono ili multifilament) i finoća, omogućavaju proizvodnju tekstilnih proizvoda sa visokim osobinama za UV zaštitu.

Najvažniji parametri kao što je apsorbovanje, prenos i refleksija su svojstva materijala koja se određuju pre svega konstrukcijskim parametrima, kao što su debljina, gustina, masa po jedinici površine, tkanje i vrsta prediva, poroznost tkanine ili njihov spoljašnji faktor, tako da svi zajedno utiču.

Sledeći faktori se moraju uzeti u obzir za materijal koji je tkan sa dobrom zaštitom od UV zračenja:

1. Sastav vlakana (većina prirodnih vlakana prenosi UV zračenje više nego sintetička), 2. Gušće tkanje (gušće tkane tkanine, manje UV zračenja emituju), 3. Boja (tamne boje istog tipa tkanine će više apsorbovati UV zračenje od svetlijih pastelnijih nijansi i samim tim će imati viši stepen UV zaštite), 4. Istezanje (veće istezanje - niži stepen UV zaštite), 5. Vlaga (vlažne tkanine pružaju manju zaštitu od UV zračenja), 6. Završna obrada (hemikalije za poboljšanje apsorbovanja UV zraka).

Konstrukcija tkanih tkanina je jedan od osnovnih faktora koji imaju direktan uticaj na UV zaštitu. Konstrukcija tkanih tkanina je izmenjena sa tri osnovna konstrukciona parametra, i to sa: finoćom prediva, tipom tkanja i gustinom tkanja. Primarni parametri pri tkanju su zavisne varijable, gde izbor jednog parametra utiče na efekat ostalih. Dakle, finoća prediva utiče na gustinu tkanine preko tipa tkanja. Preko definisanog izbora primarnih parametara pri konstrukciji tkanine, svi ostali parametri (pokrivajući (spoljašnji omotač) faktor, poroznost tkanine, nabiranje, masa, debljina itd) se mogu posmatrati kao konstanta i zavise od primarnih parametara.

Mnogi faktori utiču na svojstva tekstila pri UV prenosu (transmisiji). Među najvažnijim faktorima su tip vlakana, boja i završna obrada, kao i poroznost tkanine. Zračenje koje apsorbuje boja, pigment, matiranje (delustrant – smanjenje sjaja, TiO₂), ili UV apsorber se ne može preneti do kože, na taj način se poboljšava zaštita od Sunca tekstilom. U principu, bojena tkanina obezbeđuje bolju zaštitu od Sunca nego beljena. Pailthorp je primetio da nebeljen pamuk ima veću UV zaštitu od beljenog i spekulisao je da je to zbog pigmenta koji ostaje u nebeljenom pamuku. Prenos UV zraka izbeljenog konvencionalnog pamuka je skoro duplo veća u odnosu na konvencionalni nebeljeni pamuk.

UV apsorberi

UV apsorberi su organska i neorganska bezbojna jedinjenja sa jakom apsorpcijom u UV spektru: od 290 - 360 nm.

UV apsorberi su ugrađeni u vlakna i služe da konvertuju pobuđenu elektronsku energiju u toplotnu, oni se ponašaju kao sakupljači slobodnih radikala i kiseonika (O₂). Visokih energija i kratkih talasa, UV zraci pobuđuju UV apsorber na viši energetski nivo; apsorbovana energija može biti rasuta kao zračenje dužih talasa. Losioni za sunčanje sadrže UV apsorbere koji fizički blokiraju UV zrake. Najrasprostranjeniji UV-B, i zaštita koja sadrži 2-etil heksil-4-metoksi cinamat sa visokim indeksom zaštite, pravi značajan doprinos u zaštiti kože, tj. u “indeksu prelamanja”. Efikasan UV apsorber mora biti u stanju da apsorbuje kroz spektar, da ostane stabilan protiv UV zraka, i da rasipa apsorbovanu energiju kako bi se izbegla degradacija ili gubitak boje.

Organski UV apsorberi su uglavnom derivati O-hidroksi benzofenona, O-hidroksi fenil triazina, O-hidroksi fenil hidrazina. Ortohidroksil grupa se smatra neophodnom za apsorpciju kako bi jedinjenje bilo rastvorljivo u alkalnoj sredini. Neki od supstituisanih benzofenona prodire u sintetička vlakna poput rastera boje. Najčešće korišćeni UV apsorberi su 2-hidroksi benzofenon, 2-hidroksi fenil benzotriazols, 2-hidroksi-fenil S-triazini (HCN)₃ i hemikalije, kao što su estri benzoeve kiseline, i sprečeni amini. Jaka apsorpcija u blizini UV zraka od 2, 4 dihidroksi benzofenonona se pripisuje konjuktovanoj helaciji (Helacija je formiranje ili prisustvo dve ili više koordinatne veze između polidentatnog (višestruko vezanog) liganda i jednog centralnog atoma) između ortohidroksila i karbonilnih grupa.

Organski proizvodi kao benzotriazol, hidro benzofenon i fenil triazin se prvenstveno koriste za oblaganje i postavljanje procesa u cilju postizanja široke zaštite od UV zračenja. Pogodne kombinacije UV apsorbera i antioksidanasa mogu dati sinergistički efekat. Derivati Benzofenona imaju nizak nivo energije, lako se šire i imaju malu trajnost sublimacije. Derivati ortohidroksil fenila i difenil triazina imaju odličnu trajnost sublimacije, i samo-disperzna formulacija može da se koristi u visokim temperaturama pri bojenju u kadama i pastama za štampu.

UV apsorberi su uključeni u ekstruziju vlakana tako da se bojenjem poboljšavaju svetlije i pastelne nijanse, a da se pri tom ne odvoje od vlakana. UV apsorberi u obimu od 0,6 - 2,5 % su dovoljni da obezbede zaštitu od UV zraka. Prisustvo UV apsorberi u PET-u (polietilen teraftalat), najlonu, svili i vuni, štiti vlakna od Sunčeve svetlosti, indukovane foto degradacijom. Na vuni, UV apsorberi mogu usporiti žućenje koje se javlja nakon izlaganja sunčevoj svetlosti. Triazin otežan svetlim amino stabilizatorima se koristi u PP-u (polipropilen) da bi poboljšao UV stabilnost. Dodavanje HALS-a (otežani amino stabilizatori) do 0,15% težine, je dovoljno da se bitno poboljša stabilnost. Čak pigmentisani PP zahteva UV stabilizator, ako su vlakna izložena UV zračenju tokom njihovog korišćenja. Visoki energetski UV apsorberi pogodni za PET obuhvataju derivate o-hidroksifenil difenil triazina, pogodnog za kupatila za bojenje ili štampanje pomoću paste.

UV apsorberi imaju refraktivne indekse od oko > 2,55, pomoću kojih se postiže maksimalni kapacitet pokrivača i neprozirnosti. Prisustvo neorganskih pigmenata u vlaknima rezultira višom refleksijom svetlosti od podloge i pruža bolju zaštitu. TiO₂ koji se dodaje u rastop / rastvor za mat efekte na vlaknima, takođe deluje kao UV apsorber. Titanijum dioksid i keramički materijali imaju apsorpcioni kapacitet u UV spektru između 280 i 400 nm, a reflektuju i vidljive infra-crvene zrake, ovi apsorberi su takođe dodaju kao aditiv rastopu / rastvoru. Za maksimalan efekat, čestice moraju biti raspoređene monomolekularno, i često u samo jednom kupatilu. Nano čestice titanijum gela su snažno vezane za pamučne tkanine, mogu dati zaštitni faktor ≥ 50 bez ugrožavanja zateznih osobina. Sjajnija viskozna prediva obezbeđuju najvišu UV prozračnost u odnosu na pigmentisana  viskozna prediva i modalna prediva.

Nano čestice cink oksida, su jako male veličine (20-40 nm), imaju minimalnu agregaciju, ali mogu na višim nivoima da blokiraju UV zračenje. Korišćenje samog TiO₂ i ZnO,  proizvodi se manja apsorpcija UV zraka nego u mešavini (67/33) titan–dioksid i cink–oksid sa pamukom i najlon tkaninama. Mikrofine najlon tkanine sa poroznošću od 0,1 % su u stanju da daju zaštitni faktor > 50 % sa 1,5 TiO₂. Uključivanjem UV apsorbera u bojenje, smanjuje se apsorpcija bojenja, osim u post-tretman aplikacijama.

Mnogi komercijalni proizvodi i procesi, su razvijeni da proizvedu tkanine sa visokim nivoom UV zaštite, koristeći razne dodatke i aktuelne aplikacije za skoro sve vrste tkanina, dobijenih celuloznih vlakana, vune, svile i sintetičkih vlakana. Većina komercijalnih proizvoda su kompatibilni sa bojama i drugim završnim agensima koji se primenjuju na tekstilne materijale, ovi agensi se mogu naneti jednostavnim punjenjem, izduvnom metodom, termofiksiranjem i metodom suvog bojenja.