UV licht nader bekeken

 

DE ONTDEKKING VAN UV-LICHT
Voor de geschiedenis van ultraviolet moet teruggegaan worden naar 1666. In dit jaar liet Isaac Newton zonlicht door een glazen prisma vallen en verdeelde hiermee wit licht in de kleuren van de regenboog. Deze ‘breking’ van licht in kleuren vormt de basis van het zichtbare lichtspectrum. 
 
 
 
In 1799 en 1800 deed de Britse astronoom William Herschel tientallen experimenten om het verband tussen licht en warmte te bestuderen. Met één van deze proeven ontdekte Herschel infrarode straling. Een vorm van straling die men wel kan voelen maar niet zien. Hij maakte met een prisma een spectrum en schermde op één na alle kleuren af. Hij liet dit deel op een thermometer vallen en noteerde de temperatuur. Rood gaf een hogere temperatuur dan violet. Maar de hoogste temperatuur werd gemeten buiten het rode eind van het spectrum, waar geen licht meer te zien was. Herschel dacht toen dat licht en infrarode straling, twee verschillende vormen van energie zijn.
 
Een jaar later, in 1801, werd door de Duitse geleerde Johann Ritter ultraviolette straling ontdekt die voor het menselijk oog ook niet zichtbaar is. Hij bestudeerde de lichtenergie in verschillende delen van het spectrum. Hij gebruikte hierbij strookjes papier gedoopt in zilvernitraat. Valt er licht op zilvernitraat, dan vindt er een chemische reactie plaats die kleine zilverkorrels doet ontstaan. Deze korrels zijn zwart en dus wordt het zilvernitraat donker. 
 
Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) had ontdekt dat de mate waarin dit gebeurt van de kleur afhangt: blauw heeft meer effect dan rood. De methode van Herschel volgend, bekeek Ritter wat er gebeurde buiten het blauwe eind van het spectrum, waar geen licht te zien was. Tot zijn verrassing vond hij een nog sterkere reactie.
 
 
In 1820 legde Hans Christian Oersted het verband vast tussen elektriciteit en magnetisme. Hierop volgend in 1873 werd door Clerk Maxwell, een schotse natuurkundige, voor het eerst het denkbeeld gesuggereerd dat het zichtbare licht maar een klein deel is van een groter doorlopend spectrum. 
Hij noemde dit het elektromagnetisch spectrum. Op basis van de denkbeelden van Maxwell konden geleerden oude en nieuwe ideeën toepassen op het ‘nieuwe’ spectrum. Zo ontdekte in 1888 Heinrich Hertz datgene wat radiogolven bleken te zijn en was hij de eerste die aan kon tonen dat frequentie en golflengte van elektromagnetische golven gemeten kunnen worden. 
 
 
Omstreeks 1895 had een Duitse natuurkundige, Wilhelm Röntgen, het andere eind van het spectrum uitgebreid door de ontdekking van X-stralen of röntgenstralen. En in 1903 stelde Antoine Henri Becquerrel de aanwezigheid van gammastralen vast.
 
WAT IS UV-LICHT?
Tegenwoordig weten we dat gammastralen, röntgenstralen, microgolven, infrarode stralen en ultraviolette stralen allemaal elektromagnetische golven zijn. Elektromagnetische straling plant zich voort met de lichtsnelheid en kan doordringen in materie. Alle frequenties van elektromagnetische straling samen vormen het elektromagnetisch spectrum. Het woord ‘spectrum’ betekende oorspronkelijk iets dat gezien kan worden. Het werd gebruikt voor de regenboog van kleuren die we krijgen wanneer wit licht met een prisma wordt gebroken. Nu weten we echter dat het hele spectrum veel breder is dan het kleine gedeelte dat wij als licht zien. Zichtbaar licht valt ongeveer in het midden van het spectrum in. Het menselijk oog ziet licht doordat het netvlies cellen bevat die gevoelig zijn voor één golflengtegebied. De rest van het spectrum is voor mensen onzichtbaar. Echter de ogen van dieren en insecten zijn vaak gevoeliger voor golflengten die wij mensen niet kunnen zien. Bijen reageren bijvoorbeeld op ultraviolet licht en ratelslangen op infrarood licht.
 
UV-licht
Alle soorten elektromagnetische straling bevatten energie. De energie van infrarode stralen wordt door ons waargenomen als warmte. Het ultraviolette deel bevat veel meer energie dan het infrarode. Bij elke golflengte hoort een eigen hoeveelheid energie. Hoe korter de golflengte hoe groter de energie.
UV-licht is het deel van het elektromagnetisch spectrum met straling tussen 40 nm en 400 nm. Het ultraviolette deel geeft geen warmte af, maar breekt de binding af tussen de bouwstenen van stoffen, moleculen genoemd. Ook kan ultraviolet licht ervoor zorgen dat cellen afsterven. 
 
Algemeen wordt ultraviolette straling onderverdeeld in vier groepen: 
• UVA: nabije UV 315 – 400 nm; 
• UVB: midden UV 280 – 315 nm; 
• UVC: verre UV 200 – 280 nm; 
• VUV: vacuüm UV 40 – 200 nm.
 
SAMENSTELLING VAN EEN UV-LAMP 
Ultraviolet licht wordt opgewekt in een kwikdamplamp: een buis bestaande uit zuiver silica-kwarts (20 tot 25 mm diameter), een inert gas, twee elektroden en isolatoren voor de ophanging. Kwarts is een speciaal soort glas en het enige materiaal dat UV-doorlatend is en tegelijk de hoge temperaturen van 6 tot 800 graden Celsius verdraagt. Het zet weinig uit en heeft een hoge smelttemperatuur (vanaf 100 graden Celsius). De dunnere uiteinden van de kwartsbuis worden gesmolten rond een molybdeen-plaatje, dat met het kwarts mee kan uitzetten en krimpen bij opwarmen en afkoelen. De elektroden bestaan uit een met thorium beklede tungsten staafjes, waarrond een tungsten draad is gewikkeld. Het maken ervan is een uiterst complex proces. Tungsten worden gebruikt omdat de temperatuur in de boog op kan lopen tot boven de 3000 graden Celsius. De lamp wordt tenslotte opgehangen aan keramische isolatoren. In de lamp bevindt zich argon en kwik.
 
 
Werking van de UV-lamp 
Tussen de twee elektroden wordt elektriciteit gezet. Het inert gas geleid geen stroom waardoor de temperatuur in de buis opbouwt en het kwik verdampt, waarna door een scheikundig proces het kwik een straling produceert tussen 200 en 400 nanometer. Het scheikundig proces is als volgt te verklaren: elk atoom bestaat uit een kern waar enkele elektronen rond omheen zweven in vaste banen. Door het toevoegen van energie (elektriciteit) wordt het elektron in een hoger baan gebracht. Elk element neigt ernaar in zijn oorspronkelijke toestand terug te keren. Hierdoor valt het elektron terug in zijn oude baan en geeft een specifieke dosis energie vrij: een foton. Straling bestaat dus uit miljarden van deze kleine fotonen.
Elk atoom heeft zijn eigen emissiespectrum. Het kwik bijvoorbeeld, produceert straling tussen 200 en 400 nm met pieken op 254 nm, 310 nm en 366 nm. De lagere golflengtes worden afgesneden door het kwarts, dat geen straling beneden 230 nm doorlaat. Het spectrum van een UV-lamp kan worden gewijzigd door het bijmengen van metaal halogeniden. Gesproken wordt dan van een metaalhalogeenlamp of MH-lamp. De meest verspreide UV-lamp is de middendruk kwikdamp ontladingslamp ofwel MPMA lamp. Deze lampen zetten 29% van hun vermogen om in UV-straling. Ze worden gemaakt in lengtes van enkele centimeters tot meer dan 2 meter en het vermogen varieert van 50 W/ cm tot 300 W/cm. Netstroom is gewoonlijk onvoldoende om een MPMA lamp te laten werken. Daarom worden transformatoren gebruikt.
 
Gebruik en onderhoud van een UV-lamp 
Bij het opstarten van een UV-lamp zien we eerst een flauwe straling van 185 à 253,2 nm. Een groot deel van de elektrische stroom wordt omgezet in warmte en deze temperatuurstijging doet het kwik langzaam verdampen. Hierdoor stijgt de druk. De elektrische weerstand stijgt en bijgevolg ook de spanning en het vermogen tot alle kwik is verdampt en bedrijfsspanning is bereikt. Bij het uitschakelen van een UV-lamp herverbinden de elektronen en ionen zich onmiddellijk, wat de elektrische weerstand doet stijgen. Hierdoor kan de lamp niet herstart worden tot ze volledig is afgekoeld en het kwik is gecondenseerd; een herstart kan enkele minuten duren, wat over het algemeen niet aanvaardbaar is. Daarom worden shutters of sluiters gebruikt, die de lamp tijdelijk afschermen en in stand-by zetten wanneer de productie stopt en het product onder de lamp blijft stil staan. Een UV-lamp kan makkelijk 1.500 uren in bedrijf blijven. De UV-output is dan met 25% verminderd en gewoonlijk wordt dan de lamp verwisseld. De vermindering van UV-output wordt veroorzaakt door elektrodemateriaal dat weg sputtert in de lamp en zich vast zet op de binnenkant van de kwartsmantel. Hierdoor wordt de doorlaatbaarheid van het kwarts verminderd en dit specifiek bij de lagere UVC-golflengten. De gegarandeerde levensduur is 1.000 branduren. Er is evenwel geen vuistregel voor lampenwissel omdat de output van een lamp ook afhankelijk is van de koeling, de reflectoren, het regelmatig schakelen,…..
 
UV-lampen mogen niet met de blote hand aangeraakt worden. Het vet van onze huid blijft dan achter op de lamp en brandt in de kwartsmantel. Dit vormt een "black spot" waar geen straling doorheen komt en die door "verglazing" de lamp snel zal doen stukgaan. Het is aangeraden om de UV-lampen en reflectoren regelmatig met isopropyl-alcohol te reinigen. Het stof dat door de ventilator over de lamp gezogen wordt tijdens de koeling van de lamp, brandt in de kwartsmantel en veroorzaakt een mist over de lamp die de UV-output drastisch vermindert. Tevens moet de UV-lamp steeds los gemonteerd worden en mag nooit afgeklemd worden in zijn houders. De lamp moet het verschil in uitzettingscoëfficiënt tussen lamp en materiaal kunnen opvangen bij uitzetten of inkrimpen. Bij het vervangen van een UV-lamp moet ook steeds de koeling van het systeem nagekeken worden. Zijn de filters nog zuiver? Is de luchtslang niet beschadigd?
 
WAT IS UV-TECHNOLOGIE? 
UV-technologie is het gebruik maken van kunstmatig ultraviolet licht, voor het in werking brengen van chemische processen binnen de industrie. UV-licht bevat veel energie waardoor het de binding tussen moleculen kan beïnvloeden of cellen kan doen afsterven. Bij UV-technologie wordt gebruik gemaakt van UV-lampen, welke zich bevinden in een UV-installatie. De UV-installatie zorgt voor de koeling van de UV-lamp en het verkrijgen van de juiste intensiteit UV-licht op het juiste moment op de juiste plaats.
 
Toepassingen UV-technologie 
Inkten, lakken, lijmen, kunststoffen, poedercoatings, fotosensitief materiaal en vullingmateriaal (tandheelkunde) drogen onder invloed van UV-straling. Dit wordt toegepast binnen tal van industrieën zoals de grafische industrie, de houtindustrie, de metaalindustrie, de kunststof industrie, de elektronica industrie en de kristal en sieraad industrie. 
Andere toepassingen zijn: 
  • drogen van UV-inkt en lak binnen de grafische industrie 
  • drogen van UV-lak op hout, kunststof en metaal 
  • drogen van lak, lijm en coating van CD en DVD 
  • drogen van UV-inktjet 
  • drogen van coating op 3D objecten 
  • drogen van UV-poedercoating 
 
Kunstmatig UV-licht wordt gebruikt voor het simuleren van weersomstandigheden voor verschillende doeleinden. Bijvoorbeeld voor het testen van producten op UV of weerbestendigheid (textiel, kunststoffen, kleurstoffen), het versnellen van materiaalveroudering en kweekverlichting (kassen).
 
Ultraviolet licht is niet zichtbaar, maar kan heel makkelijk waarneembaar gemaakt worden omdat heel wat stoffen zichtbaar licht uitstralen bij bestraling met UV-licht. Dit verschijnsel heet fluorescentie. Dit wordt toegepast voor kwaliteitscontroles (haarscheuren, lassen, optische witheid van gebleekt textiel, printplaten), echtheidsproeven van waardepapieren (geld, postzegels) en restauratie (manuscripten, schilderijen). 
 
DNA destructie van bacteriën, (ziekte)kiemen, schimmels, virussen is een nieuw toepassingsgebied voor UV. Voorbeelden van enkele industrieën waar deze methode toegepast wordt zijn de voedingsmiddelenindustrie (brood, pizza’s op transportbaan, water); de farmaceutische industrie (in beperkte vorm); de land en tuinbouw (stallen) en de verpakkingsindustrie (kroonkurken, deksels, afdekfolies). 
 
Voorbehandelen (modificeren) van te lijmen kunststofoppervlakken, de zogenoemde UV/Ozonmethode, is een alternatief voor de reinigingsmethode met chemische oplosmiddelen. 
  • drogen van UV-lijm 
  • drogen van kunststoffen 
 
UV-straling wordt in de gezondheidszorg gebruikt voor de behandeling van vitamine D tekorten, pigmentatie en diverse huidaandoeningen, zoals psoriasis, acne e.d. 
 
In laboratoria wordt gebruik gemaakt van UV voor verschillende doeleinden. Met name voor microbiologische toepassingen en voor het laten verlopen van chemische reacties. 
 
 
Unieke kenmerken van UV-technologie? 
  • Materiaal dat met behulp van UV wordt uitgehard, is onmiddellijk droog in tegenstelling tot andere drogingtechnieken. 
  • Met behulp van UV-straling zijn chemische reactiesnelheden te bereiken die met geen andere techniek te realiseren zijn (milliseconden). 
  • Alleen met UV-lijm is het mogelijk de parameters van de lijm ‘in te stellen’ waardoor men de techniek in de hand heeft (cure on demand). 
  • Geen lak is zo chemisch, mechanisch en thermisch bestand als UV-lak. 
  • Fluorescentie toepassingen zijn enkel mogelijk met UV-licht. 
  • Voor UV-zonnesimulatie(testen) kan uiteraard alleen UV-licht toegepast worden. 
 
Voordelen van UV-technologie
  • Doordat de materialen onmiddellijk uitharden zijn hogere machinesnelheden mogelijk, is een snellere hanteerbaarheid van de producten mogelijk voor verdere verwerking waardoor een hogere productiviteit te realiseren is. 
  • Doordat de materialen pas uitharden onder invloed van UV-straling is het mogelijk de reinigingstijd van machines te reduceren. Het zogenaamd ‘overnachten’ van de materialen in de machine. Dit verhoogt ook de productiviteit wat conventioneel beperkt mogelijk is. 
  • UV-harden is een drogingproces waarbij geen VOC´s (Volatile Organic Compounds) vrijkomen (oplosmiddelen). Het is een goed alternatief voor conventionele drogingprocessen waar wel oplosmiddelen vrijkomen omdat de regelgeving omtrent VOC uitstoot steeds strenger wordt. 
  • UV-inkten en lakken hebben een hogere mechanische, chemische en thermische weerstand, een hogere glans en geringere geur dan conventionele inkten en lakken. 
  • Doordat UV-lijmen onmiddellijk uitharden onder invloed van UV, is de verwerkbaarheidstijd bepaalbaar. Dit geldt ook voor de uitharding van polyester. Het voordeel is dat je invloed hebt op het proces wat met andere droogtechnieken niet mogelijk is. 
  • UV-drooginstallaties zijn in vergelijking met droogovens en droogtunnels compact. Dit bespaart ruimte welke voor andere doeleinden gebruikt kan worden. 
  • UV-coatings zijn in tegenstelling tot conventionele coatings niet ontvlambaar. Dit verlaagd de kans op explosiegevaar. 
  • UV-droging is geschikt voor substraten die water-, oplosmiddel-, en hittegevoelig zijn. Andere droogtechnieken niet. 
 
Voordeel UV-modificatie
Bij de methode van UV-modificering komen geen oplosmiddelen vrij. Het is daarom een goed alternatief voor reiniging met oplosmiddelen omdat dit steeds meer aan banden gelegd gaat worden.
 
VEILIGHEID VAN UV-TECHNOLOGIE VOOR MENS EN MILIEU
Het werken met UV-systemen brengt enkele mogelijke gevaren met zich mee. De nadruk moet gelegd worden op ‘mogelijk’ omdat de gevaren bij het werken onder normale omstandigheden geëlimineerd worden. Mogelijke gevaren bij het gebruik van UV-systemen voor de mens zijn: 
  • blootstelling van huid en ogen aan UV-straling; 
  • het in contact komen van huid en ogen met UV-inkten en lakken; 
  • het inademen en in de ogen krijgen van ozon; 
  • hoogspanning op de UV-lampen. 
 
In het kader van het milieu moet rekening gehouden worden met twee punten: UV-lampen en UV-inkten en lakken.
 
UV-straling
 
Blootstelling aan UV-straling veroorzaakt beschadiging van huid en ogen. Hoge dosissen leiden tot zonnebrand. De ogen zijn het meest gevoelig aan UV-straling en daarom mag men nooit rechtstreeks in de UV-lamp kijken. Lasogen en sneeuwblindheid zijn de symptomen. Dit kan zeer pijnlijk zijn, maar verdwijnt zonder permanent effect. Een goede UV-installatie voorziet in de afscherming van de directe straling van lamp of reflectoren door een zo nauw mogelijke doorloop en afschermplaten.
 
De UV-installaties die worden toegepast bij het polymeriseren van materialen zijn zodanig ontworpen dat de lichtbron geheel is afgeschermd en reflectie zoveel mogelijk wordt voorkomen. Testopstellingen voor zonnesimulatie staan in een gesloten ruimte opgesteld en blootstelling treedt naar verwachting niet op. Aangezien de ruimten waarin getest wordt tijdens de bestraling niet betreden worden. Bij de visuele kwaliteitscontroles zijn de mogelijke gevaren gereduceerd door het treffen van maatregelen. (UV-straling heeft nauwelijks enig doordringend vermogen in materiaal, waardoor de straling met behulp van brillen en handschoenen geweerd kan worden van huid en ogen). De grenswaarde voor blootstelling wordt hierdoor niet overschreden. Sterilisatie met behulp van UV wordt in de praktijk uitgevoerd in gesloten installaties of ruimten, waar bij het betreden van de ruimte de UV-bron automatisch wordt uitgeschakeld. 
UV-inkten en lakken
UV-inkt en lak draagt het oranje X veiligheidslabel met de waarschuwing dat bij aanraking sprake kan zijn van irritatie van huid en ogen en inwendig gebruik vermeden moet worden. Door in de omgang met UV-inkt de normale huishoudelijke hygiëne in acht te nemen vormen UV-inkten en lakken geen risico´s voor de gezondheid van de gebruiker. Overigens zijn heel wat conventionele inkten giftiger dan UV-inkt. Resten van UV-inkten en lakken zijn chemisch afval en moeten daarom verwerkt worden. Dit zal moeten gebeuren door een gespecialiseerd bedrijf. Bedrukt papier met UV inkt is geschikt voor recycling. Zonder bezwaar kan papier en karton bedrukt met UV inkt bij de snippers worden toegevoegd, althans in Europa. In Amerika (Californië) is men zeer streng op dit gebied.
Hoogspanning
UV-lampen werken met spanningen ver boven de netspanning. Alle installaties moeten voldoen aan de geldende reglementering, zodat het risico van hoogspanning tot een absoluut minimum beperkt blijft. 
Ozonproductie
Ozon is toxisch en kan cellen aan de huidoppervlakte beschadigen. De drempelwaarde voor ozon is 0,1 ppm en hogere concentraties geven oogirritatie en een droog gevoel in de keel. UV lampen produceren ozon bij het opstarten en in mindere mate bij het branden. Onder invloed van UV straling wordt zuurstof gesplitst (O²) en ontstaat ozon (O³). Echter is deze ozonverbinding onstabiel waardoor de ontstane ozon in de buitenlucht vrijwel direct weer wordt omgezet in zuurstof. De hoeveelheid ozon die onder invloed van UV ontstaat is relatief klein (een kopieerapparaat produceert meer ozon dan bij een goede UV-installatie valt waar te nemen). De ozon die tijdens UV-bestraling vrijkomt vormt dus geen gevaar voor het personeel en het milieu, mede doordat de ontstane ozon via de koeling wordt afgevoerd naar de buitenlucht.
 
Kwik in UV-lampen
In UV-lampen zit kwik wat schadelijk is voor het milieu, wanneer het daarin terecht komt. UV-lampen zijn daarom speciaal chemisch afval en moeten verwerkt worden, net als TL buizen. Sadechaf UV neemt gebruikte UV-lampen terug van klanten, waarna ze bij een erkend bedrijf verwerkt worden. De verwachting is dat in de toekomst verplicht wordt door wetgeving, de UV lampen te registreren.