CZ28104U1 - Plošný tenkovrstvý element pro vizuální indikaci expoziční dávky UV záření kalibrovatelnou barevnou změnou - Google Patents

Description

Technické řešení se týká plošného tenkovrstvého elementu pro vizuální indikaci expoziční dávky UV záření kalibrovatelnou barevnou změnou. Tenké vrstvy, které vykazují na čase závislou a odpovídajícím způsobem kalibrovatelnou barevnou změnu, představují mimořádně efektivní nástroj pro jednoduché vizuální až intuitivní posouzení (vyhodnocení) časové proměnné. Jde v podstatě o paměťový element, který kontinuální časovou osu s téměř libovolnou přesností převádí do kumulativní podoby, jež může být poté vyhodnocena a vnímána například jako dávka určitého typu záření, doba bezpečné expozice, doba expirace, mez světelné odolnosti nebo trvanlivosti, atd. Při širším úplatném jde o mimořádně efektivní a ekonomicky výhodný nástroj pro monitorování času s možností přímého posouzení na čase závislé proměnné.

Dosavadní stav techniky

Prioritními oblastmi nasazení tenkovrstvých elementů pro přímé sledování časové proměnné pomocí přesně kalibrovatelné barevné změny jsou ochrana zdraví osob a zvířat, ochrana spotřebitelů, ochrana archiválií a jiných historicky cenných předmětů, dokumentů a monumentů, a dále stavebnictví a architektura. Navrhované časově detekční systémy jsou pro jednotlivé oblasti vždy charakteristické nízkými investičními (pořizovacími) náklady, absencí provozních nákladů, minimální znalostní náročností pro správné vyhodnocení výsledků v praxi, atd.

Celosvětovým problémem je zvyšující se podíl nebezpečného UV-A/B záření ve spektru slunečního světla dostupného na zemském povrchu. Tato skutečnost je řešena, ve vztahu k ochraně lidského zdraví, vývojem a používáním slunečních ochranných krémů se stále účinnějšími UV filtry. Je však zřejmé, že i přes tento vývoj je nejlepší ochranou rozumný přístup ke slunění a pobytu na přímém slunečním světle, především v období letních měsíců nebo ve vysokých nadmořských výškách. Tento „rozumný“ přístup by však bylo velmi žádoucí objektivně a především jednoduše kvantifikovat a v této podobě nabídnout spotřebitelům. Jako velmi vhodné se nabízí řešení vybavit například každé balení slunečního ochranného krému indikačními pásky na bázi vyvinutých tenkovrstvých elementů, které by jasnou barevnou změnou nahlásily, že doba bezpečného jednorázového pobytu na přímém slunečním světle již pominula. Stejné pásky by mohly být součástí prodávaných plaveckých úborů (plavek), zahradního nábytku, případně by mohly být nabízeny separátně jako moderní letní doplněk. Relativně jednoduchým způsobem lze monitorovat jak kumulativní dávku, ke které by například došlo při vícedenním pobytu v přímořském letovisku, tak pomocí odlišně kalibrovaného stejného systému dávku jednorázovou, tedy například indikovat dobu pro bezpečný pobyt na přímém slunci při tzv. prvním opalování v roce. Podobné systémy by byly jistě přímo využitelné i pro návštěvnice solárií. Spotřebitelsky jednoduchý a laciný sensor pro tyto účely není v současné době k dispozici.

V posledních letech je velkým problémem řady evropských chovů vepřového dobytka přítomnost a šíření vysoce resistentních a patogenních stafylokoků označovaných zkratkou MRSA (Methicilin Resistant Staphylococus aureus). V některých zemích, především v Dánsku, Holandsku a Belgii jsou již uváděny značné počty geneticky prokázaného přenosu infekce ve směru k běžné populaci. Bylo navrženo a testováno mnoho preventivních i jiných opatření pro vepřové chovy. Zajímavým zjištěním bylo, že mezi nejúčinnější patří často nejjednodušší strategie. Ustájení a chov vepřů je ve většině evropských zemí veden intenzivním způsobem, kdy je jateční váha zvířete dosažena velmi rychle, během několika měsíců. Proto mohla být testována strategie, kdy jsou chovy vybaveny osvětlením s určitým zvýšeným podílem UV složky, aniž by došlo po dobu života zvířete k jeho zdravotnímu poškození, především k poškození očí. Zavedení tohoto opatření je nyní veterinárními autoritami na úrovni Evropské komise zvažováno. Právě pro tyto aplikace by byl vhodný senzor pro časovou detekci světelné expozice ideálním řešením. Mohl by sloužit jak pro naplnění etických principů chovu, tedy nepoškodit po dobu života zvířete jeho zrak, tak pro zaměstnance vepřína, aby ani u nich nedošlo k poškození zdraví, při dodržení nařízených bezpečnostních opatření. Vhodný sensor pro tyto účely není ale v současné době k dispozici.

Také řada dnešních stavebních prvků obsahuje složky, které nejsou fotostabilní. Typickým příkladem je umělý kámen. Ten nyní cenově několikanásobně převyšuje kámen klasický. Pojivém používaným při výrobě umělého kamene není, jak tomu bývalo v minulosti, již cement, ale polyesterová pryskyřice. Taje ovšem, jak je všeobecně známo, značně UV nestabilní. Po určitém čase dochází k její degradaci, tím ztrácí svou funkci pojivá, materiál se drolí a jeho estetická úroveň velmi značně klesá. Řada architektů a stavitelů používajících umělý kámen, a to jak v exteriérech tak interiérech, volá po jednoduché metodice, která by jim umožnila rychlý a efektivní odhad trvanlivosti umělého kamene za konkrétních podmínek, případně jim zajistila určitou právní ochranu do budoucna. V současnosti samozřejmě opět existují různé testy, např. zkoušky urychleného stárnutí pomocí tzv. QUV panelu. Ty jsou však provozovány buď přímo výrobcem, případně jen několika specializovanými institucemi. Často se stává, že zákazník fasádu nebo jiný i povrch s pojivém ošetřuje nebo upravuje nevhodným způsobem. Případně si zakoupí pro své účely naprosto nevhodný materiál. Následné poškození pak přičítá nízké fotostabilitě pojivá, kterou měl architekt nebo stavitel předvídat a upozornit na ni. Jednotlivé materiály disponují údaji o své stabilitě v čase při určitém stupni a době světelné expozice. Při jejich nevhodném použití, opracování nebo úpravě však může dojít k problémům. Těm by měly předejít jednoduché indikační časové elementy, které by jednoznačně ukázaly, po jakou dobu byl materiál vystaven světlu a také, jaká byla přibližně jeho intenzita. Pokud by míra poškození neodpovídala těmto údajům, mohlo by se jednat o poškození jiného druhu, například mechanické nebo chemické.

Vhodné indikační elementy bohužel ale v současné době nejsou k dispozici.

Podstata technického řešení

K odstranění nedostatků současného stavu techniky, zejména pak absence vhodných indikačních elementů pro časovou detekci světelné expozice přispívá plošný tenkovrstvý element k vizuální indikaci expoziční dávky kalibrovatelnou fotochemicky indukovanou barevnou změnou podle předloženého technického řešení.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že tento plošný tenkovrstvý element obsahuje polymemí podkladovou vrstvu opatřenou UV záření citlivým nánosem. Tento nános obsahuje primární nanoskopickou vrstvu oxidu titaničitého, zinečnatého nebo ceričitého fotoexcitovatelného zářením z UV, která je opatřena přetiskem sekundární vrstvou barviva, vykazujícího sníženou stabilitu ve spojení s nanočásticemi výše uvedeného oxidu a související změnu zbarvení sekundární vrstvy.

Polymemí podkladová vrstva s výhodou na bázi bílé nebo čiré PVC nebo PET fólie může mít dále na části svého povrchu nanesenu přijímací vrstvu pro inkjetový tisk etalonu barevných změn světlocitlivého nánosu, případně může být opatřena lepivými plochami pro snadné uchycení.

Plošný tenkovrstvý element podle technického řešení může být také vytvořen jako součást balicí fólie.

Obecný princip technického řešení vyvinutých detekčních tenkovrstvých elementů je založen na využití barevné změny fotochemického reakčního systému k vizuální indikaci absorbované expoziční dávky. Základním vyhodnocovaným parametrem je kinetika (rychlost) barevné změny a formy barevných přechodů. Tyto parametry souvisejí s optickým charakterem barevného systému, se strukturními, chemickými, morfologickými a fyzikálními vlastnostmi fotochemicky aktivní tenké vrstvy a s celkovým nastavením (optimalizací detekčního systému). Podle povahy reakčního systému a optických vlastností reaktantů a produktů může docházet v průběhu měření expoziční dávky k odbarvení, zbarvení nebo změně barvy.

Z hlediska designu navržených dosimetrů připadají v úvahu dva koncepty - binární nebo inkrementální. V případě binárního dosimetrů je reakční systém navržen tak, aby došlo k náhlé barevné změně po dosažení určité expoziční dávky, a její překročení už není dále indikováno. V případě inkrementálního dosimetrů je reakční systém navržen tak, aby docházelo k postupné barevné změně v průběhu širokého rozpětí expozičních dávek. Dozimetr potom může indikovat různé expoziční dávky na základě vizuálního porovnání s barevným etalonem přiloženým do bezprostření blízkosti fotoreaktivní plochy.

Technické řešení v případě ochrany před škodlivými účinky UV záření přítomného ve slunečním světle nebo jeho substitučních zdrojích, a to jak u lidí, tak u zvířat, je založeno na heterogenní reakci mezi matricí oxidického polovodiče a kontinuální fází s barvivém a pomocnými látkami. Základním motivem je tenká nanoskopická vrstva oxidu titaničitého, zinečnatého nebo ceričitého. Tento oxid je fotoexcitovatelný zářením z UV oblasti. Jeho vrstva je překryta dalším tenkým filmem specifického barviva, zejména ze skupiny azobarviv (optimalizované složení, koncentrace, atd.). Tyto látky vykazují za určitých podmínek a nastavení sníženou stabilitu ve spojení s nanočásticemi kovového oxidu. To se projevuje změnou zbarvení sekundární vrstvy. Tato změna je kineticky dobře popsatelná. Nastavením velikosti a dalších vlastností částic oxidu lze tedy řídit kinetiku procesu a detekční element takto kalibrovat pro různě dlouhé expozice a to i s pomocí přimíchávání neaktivních polovodičů. Tímto postupem lze vytvořit dosimetry odpovídající všem fototypům.

Od stávajících řešení se vyvinuté systémy odlišují možností efektivního a technicky schůdného řešení měření časové proměnné na základě barevné změny u speciálně vyvinuté tenké senzorické kompositní vrstvy aplikovatelné na polymemí fólie tiskovými technologiemi. Dochází tak ke zlepšení užitných vlastností materiálů, které mají potenciál pro využití ve více oborech. Ve specifických oblastech jejich praktického použití neexistují v současné době žádné ekonomicky a procesně srovnatelné systémy. Případně jde o aplikační oblasti, kde se v současnosti ani žádné technologie nepoužívají, přestože by to bylo žádoucí.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

V příkladném provedení byl plošný tenkovrstvý element k vizuální indikaci expoziční dávky podle technického řešení prakticky aplikován v dozimetru pro UVA+B oblast s přechodem červená-žlutá.

Pro vytvoření UV citlivého nánosu bylo k 1 g nasyceného roztoku barviva Acid Red 1 přidáno 10 g suspenze oxidu titaničitého Tiodispers (35 % sušiny) a za stálého míchání s 2 g skleněných kuliček průměru 1,3 mm bylo postupně přidáváno 10 g isopropanolu, 0,3 g glycerolu a 5 g akrylátové disperze Sportakryl. Směs byla míchána se skleněnými kuličkami 10 min a po separaci kuliček ovrstvena na bílou polyesterovou fólii v tloušťce mokré vrstvy 60 pm. Vrstva byla vysušena při 100 °C 3 minuty.

Suchá vrstva byla exponovaná simulátorem slunečního záření Q-Sun s nastavením spektrální intenzity ozáření 0,47 W.m².nm'¹ při 340 nm, při níž odpovídá dávka 1 MED* 22 minutám (pro fototyp 2**). Před ozářením má vrstva intenzivně červenou barvu, po expoziční dávce 1 MED se mění na žlutou.

Poznámky:

*MED - minimální erytemální dávka, tj. nejnižší dávka záření způsobující u konkrétního fototypu první projevy zarudnutí pokožky ** U člověka je popsáno 6 fototypů, přičemž nej citlivější na účinky světlaje fototyp 1. V našich podmínkách se vyskytují fototypy 1 až 4.

Příklad 2

V příkladném provedení byl plošný tenkovrstvý element k vizuální indikaci expoziční dávky podle technického řešení prakticky aplikován v dozimetru pro UVA+B oblast s přechodem oranžová-světle žlutá.

Pro vytvoření UV citlivého nánosu bylo k 1 g nasyceného roztoku barviva Acid Orange 7 přidáno 10 g suspenze oxidu titaničitého Tiodispers (35 % sušiny) a za stálého míchání s 2 g skle. 7 .

něných kuliček průměru 1,3 mm bylo postupně přidáváno 10 g isopropanolu, 1 g isobutanolu,

0,25 g glycerolu a 5 g akrylátové disperze Sportakryl. Směs byla míchána se skleněnými kuličkami 10 min a po separaci kuliček ovrstvena na bílou polyesterovou fólii v tloušťce mokré vrstvy 60 pm. Vrstva byla vysušena při 100 °C 3 minuty.

Suchá vrstva byla exponovaná simulátorem slunečního záření Q-Sun s nastavením spektrální intenzity ozáření 0,47 W.m^.nm^¹ při 340 nm, při níž odpovídá dávka 1 MED 22 minutám. Před ozářením má vrstva intenzivně oranžovou barvu, po expoziční dávce 1 MED se mění na světle žlutou.

Příklad 3

V příkladném provedení byl plošný tenkovrstvý element k vizuální indikaci expoziční dávky podle technického řešení prakticky aplikován v dozimetru pro UVA+B oblast s přechodem oranžová-světle žlutá. *

Pro vytvoření UV citlivého nánosu bylo k 1 g nasyceného roztoku barviva kresolová červeň přidáno 5,5 g suspenze oxidu titaničitého Tiodispers (35 % sušiny) a za stálého míchání s 2 g skleněných kuliček průměru 1,3 mm bylo postupně přidáváno 0,025 g polyuretanového kopolymeru Sipurino, 2 g isopropanolu, 0,5 g glycerolu. Směs byla míchána se skleněnými kuličkami 10 min a po separaci kuliček ovrstvena na bílou polyesterovou fólii v tloušťce mokré vrstvy 60 pm.

Vrstva byla vysušena při 100 °C 3 minuty.

Suchá vrstva byla exponovaná simulátorem slunečního záření Q-Sun s nastavením spektrální intenzity ozáření 0,47 W.nT².nm^_1 při 340 nm, při níž odpovídá dávka 1 MED 22 minutám. Před ozářením má vrstva intenzivně oranžovou barvu, po expoziční dávce 1 MED se mění na světle žlutou.

Příklad 4

V příkladném provedení byl plošný tenkovrstvý element k vizuální indikaci expoziční dávky podle technického řešení prakticky aplikován v dozimetru pro UVA+B oblast s přechodem purpurová-světle žlutá.

Pro vytvoření UV citlivého nánosu bylo k 1,2 g nasyceného roztoku barviva satumová červeň přidáno 8 g suspenze oxidu titaničitého Tiodispers (35 % sušiny) a za stálého míchání s 2 g skleněných kuliček průměru 1,3 mm bylo postupně přidáváno 0,045 g polyuretanového kopolymeru Sipurino, 2 g isopropanolu, 0,5 g glycerolu.

Směs byla míchána se skleněnými kuličkami 10 min a po separaci kuliček ovrstvena na bílou polyesterovou fólii v tloušťce mokré vrstvy 60 pm. Vrstva byla vysušena při 100 °C 3 minuty.

Suchá vrstva byla exponovaná simulátorem slunečního záření Q-Sun s nastavením spektrální intenzity ozáření 0,47 W.m^_2.nm^_1 při 340 nm, při níž odpovídá dávka 1 MED 22 minutám. Před ozářením má vrstva intenzivně purpurově-červenou barvu, po expoziční dávce 1 MED se mění na světle žlutou.

Příklad 5

V příkladném provedení byl plošný tenkovrstvý element k vizuální indikaci expoziční dávky podle technického řešení prakticky aplikován v dozimetru pro UVA+B oblast s přechodem červená-světle žlutá

Pro vytvoření UV citlivého nánosu bylo k 1,2 g nasyceného roztoku barviva bromkresolový purpur přidáno 6 g suspenze oxidu titaničitého Tiodispers (35 % sušiny) a za stálého míchání s 2 g skleněných kuliček průměru 1,3 mm bylo postupně přidáváno 0,045 g polyuretanového kopolymeru Sipurino, 2 g isopropanolu, 0,5 g glycerolu. Směs byla míchána se skleněnými kuličkami 10 min a po separaci kuliček ovrstvena na bílou polyesterovou fólii v tloušťce mokré vrstvy 60 pm. Vrstva byla vysušena při 100 °C 3 minuty.

Suchá vrstva byla exponovaná simulátorem slunečního záření Q-Sun s nastavením spektrální intenzity ozáření 0,47 W.m“².nm^_1 při 340 nm, při níž odpovídá dávka 1 MED 22 minutám. Před

Λ

CZ 28104 Ul ozářením má vrstva intenzivně červenou barvu, po expoziční dávce 1 MED se mění na světle žlutou.

Průmyslová využitelnost

Prioritními aplikačními oblastmi plošných tenkovrstvých elementů k vizuální indikaci expoziční dávky UV záření podle technického řešení jsou ochrana zdraví osob a zvířat, ochrana spotřebitelů, ochrana archiválií a jiných historicky cenných předmětů, dokumentů a monumentů, a dále stavebnictví a architektura. Inovační princip byl jednoznačně verifikován výrobou prototypů pro různé aplikační směry a ve všech případech i dlouhodobou zkouškou.

Ve srovnání s dosud používanými postupy jednoduchého, vizuálního měření času (expoziční dávky) představují navržené systémy zásadní posun v přesnosti, jednoduchosti, ceně, rozsahu aplikačních možností, atd. Tyto sensory jsou sestavovány na základě fotochemických a fotokatalytických principů s doplňkovými složkami. Od stávajících řešení se vyvinuté systémy odlišují možností efektivního a technicky schůdného řešení měření časové proměnné na základě barevné změny u speciálně vyvinuté tenké senzorické kompositní vrstvy aplikovatelné na polymemí fólie tiskovými technologiemi.

Dochází tak ke zlepšení užitných vlastností materiálů, které mají potenciál pro využití ve více oborech. Ve specifických oblastech jejich praktického použití neexistují v současné době žádné ekonomicky a procesně srovnatelné systémy. Případně jde o aplikační oblasti, kde se v současnosti ani žádné technologie nepoužívají, přestože by to bylo žádoucí. Jak již bylo opakovaně uvedeno, mezi oblasti použití patří především lékařství, běžná ochrana zdraví, ochrana muzejních předmětů a archiválií a stavebnictví. Navržené časové detekční elementy jsou snadno použitelné, ekonomicky výhodné, technologicky dobře použitelné, přitom vysoce přesně dle potřeb specifické aplikace.

Současná technika bezesporu umožňuje monitorování intenzity aktinického záření i kumulativní expoziční dávky elektronickými měřicími přístroji. Jejich rutinní a extenzivní nasazení je ale omezováno pořizovacími i provozními náklady, často obtížnou integrací elektronických měřících systémů do stávajících procesů a prostředí a také komplikacemi při sběru, uchovávání, zpracování a interpretaci naměřených dat. Navržené řešení integruje všechny funkce konvenčních elektronických radiometrických systémů do kompaktního plošného prvku. Tím se zásadně zjednodušuje a zlevňuje možnost radiometrické kontroly procesů v široké škále aplikačních oblastí. Obecné účinky tedy spočívají ve snížení pořizovacích i provozních nákladů na radiometerickou kontrolu procesů, zvýšení uživatelského komfortu při radiometrické kontrole a v celkovém zvýšení dostupnosti exaktní radiometrické kontroly i pro procesy, kde by konvenční elektronické systémy nebyly vhodné.

Díky využití technik konvenčního a tzv. “materiálového” tisku pro výrobu navrhovaných dozimetrů je možno tyto elementy vyrábět velmi efektivně na tiskových strojích. Senzorické plošky je možné v jedné výrobní operaci kombinovat s doplňkovým tiskem (doprovodný text, porovnávací barevné škály atd.), případně je integrovat do obalů výrobků. Tímto přístupem je zajištěna ekonomická racionalizace navrženého řešení, takže i přes jednorázovou povahu zajistí navržené detekční elementy úsporu pořizovacích i provozních nákladů v porovnání s elektronickými radiometrickými systémy.

V celé řadě aplikací by přineslo zavedení radiometrické kontroly zvýšení bezpečnosti procesů, ale konvenční elektronické měřící systémy spojené s nutností záznamu a vyhodnocení naměřených dat by představovali neúnosnou časovou zátěž pro personál. Díky integraci měřící, kumulativní a indikativní funkce do jednoho elementu se zásadně zjednodušuje jejich použití a zvyšuje se uživatelský komfort.

Charakteristickým konkrétním účinkem předloženého technického řešení je zpřístupnění uživatelsky jednoduchého, avšak velmi efektivního sensoru pro osobní sledování bezpečné doby oslunění při venkovních aktivitách. Uživatel se nemusí zabývat nepodloženým odhadem bezpečné doby sluneční expozice, protože je včas varován tímto osobním dosimetrem. Zvláštní význam je spatřován především v případě malých dětí, které se často rekreují skupinově, a vzhledem k odlišným fototypům se doba jejich bezpečného pobytu na přímém slunci velice liší. Pedagogický dozor by při použití těchto varovných systémů snadno viděl, které dítě již musí z přímého slunce odejít. Podobně snadné užití je samozřejmě očekáváno i všude tam, kde se používají UV zářiče, dále pro návštěvníky solárií, outdoorové sportovce, atd.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Plošný tenkovrstvý element pro vizuální indikaci expoziční dávky UV záření kalibrovatelnou barevnou změnou, vyznačující se tím, že je tvořen polymemí podkladovou vrstvou opatřenou UV záření citlivým nánosem, který obsahuje nanoskopickou vrstvu oxidu titaničitého, zinečnatého nebo ceričitého fotoexcitovatelného zářením z UV, s tím, že tato primární nanoskopická vrstva je dále opatřena přetiskem sekundární vrstvou barviva, vykazujícího sníženou stabilitu ve spojem s nanočásticemi výše uvedeného oxidu a související změnu zbarvení sekundární vrstvy.
2. 2. Plošný tenkovrstvý element podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi primární nanoskopickou vrstvou oxidu titaničitého, zinečnatého nebo ceričitého a sekundární vrstvou barvívaje vložena mezivrstva na bázi polymemího UV filtru.
3. 3. Plošný tenkovrstvý element podle nároku 1, vyznačující se tím, že polymemí podkladovou vrstvou je bílá nebo čirá PET fólie.
4. 4. Plošný tenkovrstvý element podle nároku 1, vyznačující se tím, že polymemí podkladová vrstva je opatřena lepivými plochami pro snadné uchycení.
5. 5. Plošný tenkovrstvý element podle nároku 1, vyznačující se tím, že je vytvořen jako součást balicí fólie.