cZłoWieKA
. W
yKorZySTAnieWArSTWmATeriA-łóWbAZoWychW
odZieżyochronnej
[6]
W następnym badaniu postanowiono zbadać wytrzyma-łość odzieży ochronnej oraz reakcje jej użytkowników na zadane obciążenia cieplne.
W badaniu wykorzystano odzież ochronną z warstwą ba-zową wykonaną z bawełny, modakrylu, mieszanki wełny, oraz materiału zmiennofazowego. PCM zbudowany był z zastrzeżonej mieszanki modakrylu, sztucznego jedwa-biu, paramidu oraz elastanu. Użytkownicy zostali na-stępni poddani wysiłkowi fizycznemu według protokołu praca/odpoczynek. W analizie, badana była postawa za pomocą stadiometru oraz masa ciała. W badaniu prze-prowadzano również skanowanie ciała użytkowników za pomocą absorpcjometrii rentgenowskiej podwójnej energii, natomiast maksymalne zużycie tlenu określano za pomocą kalorymetrii pośredniej. Tętno oraz tempe-ratura rdzenia ciała monitorowane było w sposób ciągły.
Podczas badaniu proszono uczestników o ocenę odczuć termicznych, dyskomfortu termicznego oraz oceny po-strzeganego wysiłku.
Oprócz badania reakcji fizjologicznych użytkowników, przeprowadzono również badanie wydajności materia-łów z których wykonana była odzież ochronna. Badanie wydajności termicznej, które odzwierciedla odporność ludzkiej skóry na oparzenia drugie stopnia, zostało wy-konane dla próbek niepodlegających kondycjonowanie zgodnie z normą NFPA. Próbki wykonane zostały z ma-teriałów o których wspomniano powyżej. Materiały ele-mentów wielowarstwowych umieszczone zostały w od-powiednim pojemniku oraz poddane działaniu źródła ciepła. Źródłem ciepła konwekcyjnego były dwa palniki gazowe, natomiast źródłem promieniowania cieplnego były lampy kwarcowe. Strumień ciepła przez badane próbki mierzony był poprzez termoparę umieszczoną na wewnętrznej stronie próbek. Wielkość przepływu ciepła porównywana była z krzywą Stoll’a (Stolland Chianta, 1969), która przedstawia granicę pojawiania się pęcherzy na ludzkiej skórze w funkcji ilości ciepła oraz czasu, oraz wskaźnik wydajności był określany. Czas do oparzeń drugiego stopnia uzyskiwany był poprzez zmniejszenie o połowę wskaźnika wydajności.
Całkowita strata ciepła określa odporność termiczną oraz potencjał ewaporacyjny odzieży oraz łączy te po-miary w celu określenia wydajności. Całkowita strata wskazuje na zdolność próbki do rozpraszani ciepła. Ba-danie przeprowadzone zostało zgodnie z normą NFPA.
Stanowisko badawcze składało się z gorącej płytki, oraz osłon które zapewniały ograniczenie straty ciepła w dół oraz w bocznych kierunkach. Warunki otoczeniu w któ-rym miało miejsce badanie zostało dostosowane zgodnie z wytycznymi znajdującymi się w normie NFPA. Średnia rzeczywista odporność termiczna oraz średnia widoczna wewnętrzna odporność na parowanie próbki były okre-ślane podczas badania.
Wyniki badań wykazały, iż tętno uczestników oraz tem-peratura rdzenia ich ciała były bardzo podobne, zarówno w warunkach reakcji w każdym punkcie czasowym jak i w czasie kolejnych aktywności fizycznych oraz okresów odpoczynku. Ponadto wskaźniki wrażeń termicznych, dyskomfortu termicznego oraz oceny postrzeganego wysiłku nie różniły się pomiędzy poszczególnymi mate-riałami.
Wskaźnik wydajności ochrony termicznej dla materia-łu wykonanego z bawełny był znacząco większy aniżeli miało to miejsce w przypadku innych materiałów. Mate-riał wykonany z wełny posiadał większą wartość wskaź-nika niż materiał modakrylowy. Wskaźnik całkowitej straty ciepła wyniósł 409.7 +- 1.2, 420.7 +- 3.4,767.0 +- 6.4, and 895.1 +-62.6W/m2 odpowiednio dla materiału modakrylowego, wełny, bawełny, oraz materiału PCM.
Przed prowadzeniem badania istniało przypuszczenie, iż dysproporcja między zdolnościami do rozpraszania ciepła warstw bazowych, odzwierciedlona byłaby we właściwościach termoregulacyjnych oraz odczuć per-cepcyjnych użytkowników. Badania wykazały, że ma-teriały wykonane z modakrylu oraz wełny posiadają właściwości pozwalające na mniejsze o około 46% roz-praszanie ciepła, aniżeli ma to miejsce w przypadku ma-teriału PCM. Pomimo tego odczucia termoregulacyjne użytkowników odzieży wykonanej z tych materiałów nie różniły się. Tego typu wyniki, można tłumaczyć faktem, iż wartości wskaźnika całkowitej straty ciepła uzyskane podczas badań, nie muszą odzwierciedlać wydajności materiałów w odniesieniu do dopasowania do ciała, ruchu materiału na ciele użytkownika, oraz warunków otoczenia.
m
ożliWościWyKorZySTAniAmATeriAłóWTeK-STylnychZAWierAjących
Pcm [4]
Wydajność materiałów tekstylnych zawierających PCM może być zazwyczaj rozpatrywana w trzech zasadni-czych kategoriach: oporu cieplnego, właściwości regu-lacji termicznej, oraz innych właściwości. Właściwości związane z oporem cieplnym mogą być podzielone na
dwie podkategorie: tradycyjny opór cieplny oraz dyna-miczny opor cieplny. Pierwszy określany jest za pomocą standardowych metod stacjonarnych wykorzystujących aparat z gorącymi płytami. Jednak według Pause metody te nie nadają się do badania materiałów PCM ze wzglę-du na fakt iż długie, ciągłe naprężenia termiczne mogą aktywować zmianę fazy która będzie zaburzała wyniki pomiarów. Prace Zukerman’a przedstawiają pomiary oporu cieplnego dla tkanin powlekanych z dodatkiem lub bez dodatku PCM. Opór cieplny tkanin powleka-nych z dodatkiem materiału PCM jest większy niż ma to miejsce dla tkanin bez dodatku PCM. Zachowanie endotermiczne i egzotermiczne tkanin było przedmio-tem badania Vigo i Frost’a wykorzystując skaningową kalorymetrię różnicową. Pause zaproponowała metodę badawczą oraz aparat badawczy do pomiaru podstawo-wego i dynamicznego oporu cieplnego, którego schemat przedstawiono poniżej.
gdzie: 1. Panel radiacyjny z czujnikiem temperatury, 2. Próbka badawcza, 3. Panel grzewczy/chłodzący z czujnikiem temperatury, 4. Izolacja cieplna, 5. Zasilanie panelu grzewczego, 6. Komputer.
Według Pause pomiar dynamicznego oporu cieplne-go powinien przebiegać w dwóch oddzielnych etapach.
Pierwszy etap obejmuje wstępne schładzanie próbki po-niżej zakresu przemiany fazowej, a w tym samym czasie wstępne ogrzewanie płyty metalowej powyżej tego zakre-su. W drugim etapie próbkę doprowadza się do kontaktu z wstępnie nagrzaną płytą metalową. Wzrost temperatu-ry z drugiej strony próbki jest rejestrowany w czasie. Po-miar kończy się w momencie gdy temperatura przekro-czy zakres zmiany fazy. Pomiar jest powtarzany z próbką kontrolną, która jest taka sama ale nie zawiera materiału PCM. Dla próbki bez dodatku PCM, pomiar czasu jest bezpośrednio związany z podstawowym oporem ciepl-nym materiału. Z kolei dla materiału z PCM zarejestro-wany czas uzależniony jest zarówno od podstawowego oporu cieplnego jak i od dynamicznego. Porównując wy-niki pomiarów można określić dynamiczny opór ciepl-ny będący wynikiem absorpcji ciepła przez PCM. Hittle
28
Nauka. Gospodarka. Społeczeństwo 8 (1) 2014 • ISSN 2082-6117 • wsm.warszawa.pl
i Andre zaproponowali metodę pomiaru podobnej do tej którą zaproponowała Pause. Przyrząd pomiarowy składa się z centralnego elementu, dwóch zimnych płyt, dwóch radiatorów oraz dwóch wentylatorów. Wszystkie elementy podłączone są do komputera. Nad elementem centralnym umieszczany jest pręt metalowy na którym zawieszona może być próbka.
Zhang skonstruował materiał nietkany wykorzystu-jąc aktywne termicznie włókna składawykorzystu-jące się z rdzenia PEG (MW 1000) i osłony polipropylenowej. Tego typu materiał został przyłączony wraz z normalnym polipro-pylenowym materiałem nietkanym o tej samej gęstości do cienkiej blachy metalowej. Wewnętrza temperatura materiałów nietkanych była mierzona za pomocą ter-mopary w przedziale temperatur od 0° C do 50° C oraz od 50° C do 0° C. Zhang w swoich badaniach również wykorzystywał komorę klimatyczną do badania odzie-ży zawierającej PCM. Próbki były przymocowywane do urządzenia symulującego skórę użytkownika, a następ-nie dokonywano jej pomiarów temperatury w różnych zakresach temperatury (-20 do +20° C) oraz ciepła me-tabolicznego. Ponadto Zhang badał tkaniny z dodatkiem PCM w postaci glikolu polietylenowego pod względem właściwości antybakteryjnych, właściwości odporno-ściowych, antymarszczeniowych, zużycia, chłonności, sorpcji płynów, poprawy odporności na ściernie i szar-panie,
Z kolei Shim wykorzystywał badanie manekina wyko-rzystując różnego rodzaju odzież zawierającą jedną lub dwie warstwy pianki PCM. Odzież projektowana była na kilka sposobów, jak na przykład jednowarstwowe ubranie z materiałem PCM, dwuwarstwowe ubranie, którego warstwa wewnętrza zawierała PCM, a warstwa zewnętrzna nie, itd. Wyniki pomiarów wykazywały, że wielkość efektu cieplnego zależy od ilości warstw PCM w odzieży, kierunku warstwy PCM w stosunku do cia-ła użytkownika oraz powierzchni ciacia-ła objętej odzieżą z PCM.
Materiały tekstylne z dodatkiem PCM mogą mieć bar-dzo szeroki zastosowanie. Pause wskazuje, że naprężenia termiczne chemicznych i nietkanych ubrań ochronnych zmniejszają się pod wpływem wprowadzenia do struk-tury materiału PCM w postaci cienkiego filmu polime-rowego oraz nałożeniu na wewnętrzną stronę materiału poprzez laminowanie. Z kolei Colvin i Brtyant zaprojek-towali strój chłodzący. Strój ten jest w postaci kamizelki zawierającej torebki z materiałem PCM na bazie węglo-wodoru parafinowego. Kamizelka posiada sześć kiesze-ni i torebek zawierających kapsułkowany materiał PCM w postaci plastra miodu, który umieszczony jest
w kie-szeniach. Co również ważne, Pause opracowała system ubrania składający się z trzech warstw. Pierwsza warstwa składa się z materiału o grubości 0,1 mm wykonanego z nylonu tafty pokrytego powłoką poliuretanową o gru-bości 0,1 mm, która zawiera materiał PCM o średnicy 10 mikronów. Druga warstwa jest płatem bawełny wykona-nym z włókien akrylowych z których około 10% całko-witej masy składa się z mikrosfer zawierających węglo-wodory parafinowe. Ostatnia warstwa to tkany materiał powłoki wykonany z nylonu. Innym rozwiązaniem za-prezentowanym przez Payne’a była bariera termiczna dla odzieży noszonej przez strażaków, płetwonurków, astro-nautów i alpinistów.
Ponadto Doherty zaproponował strój chłodzący skła-dający się z dwóch głównych części. Pierwsza warstwa zewnętrzna wykonana jest z metalizowanej skóry, któ-ra odbija światło októ-raz ciepło o dużym natężeniu. Druga warstwa składa się z elastycznej tkaniny (np. bawełna, włókna aramidowa, itd.) zawierającej kieszenie. W każ-dej z kieszeni znajduje się torebka z materiałem PCM (n-alkan). Z kolei Sayler stwierdził, że mieszanina ma-teriału PCM, krzemionki oraz sadzy może być wyko-rzystywana jako mikrofalowy magazyn energii cieplnej w materiałach tekstylnych, opakowaniach itd. Następnie Zhang stwierdził, że łączenie materiału PCM z technolo-gią uwięzionego powietrza może być obiecującym obsza-rem do dalszych badań. Ponadto zaproponował łączenie PCM z materiałami z grupy związków metali z węglem (ZrC, itd.), które mogą przekształcić promieniowanie bliskie podczerwonego na ciepło, jak również z niektó-rymi kwasami akrylowymi lub kopolimerami poliakryl-nirtylowymi, które mogą pochłaniać wilgoć z powietrza i wydzielać ciepło.
P
odSumoWAnieW różnych gałęziach przemysłu w tym również w ochro-nie przeciwpożarowej, pracownicy napotykają na wa-runki wysokiej temperatury gdzie narażeni są na naprę-żenia termiczne. Jak wiadomo wzrost temperatury ciała obniża sprawność fizyczną osób pracującym w wysokich temperaturach. Wykorzystanie odzieży ochronnej po-garsza ilość wymienianego ciepła oraz wilgoci z ciała użytkownika i może prowadzić do pojawiania się do-datkowych obciążeń cieplnych. Materiały PCM nie wy-magają zasilania elektrycznego, jednak z drugiej strony wymagają określonego czasu do regeneracji. Między in-nymi z tych powodów idealnie nadają się do pracy gdzie wysokie temperatury pojawiają się w interwałach, gdzie osoba narażona jest wielokrotnie przez kilka minut na działanie źródła ciepła.
b
ibliogrAfiA1. Bühler M., Popa A.M., Scherer L.J., Lehmeier F.K.S, Rossi R.M., Heat protection by different phase change materials, Applied Thermal Engineering, 2013.
2. Cardoso I., Gomes J.R., The application of microcapsules of PCM in flame resistant non-woven materials, International Journal of Clothing Science and Technology, 2009.
3. Eyglunet B., Thermique théorique et pratique à l’usage de l’ingénieur, Hermes, 1994.
4. Gökhan E., Enhancing The Thermal Properties of Textiles With Phase Change Materials, Research Journal Textile na Apparel, 2004.
5. Kim, J., Cho, G., Textile Research Journal, 2002.
6. Ontario Fire Service Section 21 Advisory Committee, Heat and Cold Stress, Ministry of Labour, 2002.
7. Rossi R.M., Bolli W.P., Phase change materials for improvement of heat protection, Advanced Engineering Materials, 2005.
8. Su, J., Wang, L., Ren, L., Huang, Journal of Applied Polymer Science, 2007.
W analizie stwierdzono, że wyłącznie sprzężenie ochro-ny w postaci mikrokapsułek PCM z wykończeniem ma-teriału zmniejszającym palność jest najbardziej opty-malnym rozwiązaniem z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej. Ustalono, że zdolność buforowania ciepła w odniesieniu do objętości dla niektórych mate-riałów niepalnych i nieorganicznych (zeolity lub hydra-ty soli), jest większa niż dla parafin. Oznacza to, że tego
typu materiały są bardziej wydajne z punktu widzenia ochrony cieplnej w konstrukcjach materiałów tekstyl-nych. W zależności od czasu ekspozycji na działanie wy-sokich temperatur różnego rodzaju materiały PCM cha-rakteryzują się różną efektywność spowolniania wzrostu temperatury.
str. 31-39
e-mail: lukasz.dul@itc.pw.edu.plW
STĘPS
trażacy oraz inne osoby pracujące w odzieży ochronnej, podczas akcji ochrony przeciwpożaro-wej zużywają bardzo dużo energii na wykonywa-nie zadań gaśniczych oraz pomocniczych. Dodatkowo narażeni są na obciążenie związane jest z koniecznością noszenia ubrań ochronnych które charakteryzują się znacznym ciężarem oraz niewielkim przepuszczeniem wilgoci. Alternatywą dla tego typu problemów może być wykorzystanie materiałów z dodatkiem mikrokapsu-łek PCM. Zadaniem tego typu materiałów miałoby być utrzymanie temperatury w zakresie komfortowym przy równoczesnej ochronie przeciwpożarowej. Istotnym wa-runkiem przy wykorzystaniu materiałów do konstrukcji ubrań ochrony przeciwpożarowej jest spełnienie wyma-gań znajdujących się w standardach przeciwpożarowych w tym przede wszystkim mówiących o odpowiedniej ognioodporności materiałów. Stąd też w pracy przedsta-wione zostały metody wykorzystania materiałów zmien-nofazowych do produkcji inteligentnych tkanin ochron-nych jak również metody ewaluacji wydajności tkanin zawierających w strukturze materiał zmiennofazowy.P
rZeglądTechnologiiWyKorZySTAniAmATe-riAłóWZmiennofAZoWychW
ProduKcjiinTeli
-genTnychTKAninochronnych
[2] [6]
Materiały zmiennofazowe PCM charakteryzują się jest
„utajonym” ciepłem, które może być magazynowane lub uwolnione w wąskim zakresie temperatury. Materiały zmiennofazowe posiadają możliwość zmiany swojego
stanu w pewnym zakresie temperatur. Materiały te po-chłaniają energię podczas ich podgrzewania, podczas zmiany fazy, oraz oddawania energii do otoczenia w za-kresie przemiany fazowej podczas odwrotnego proce-su chłodzenia. Efekt izolacyjny uzyskiwany dzięki tego rodzaju materiałom zależy od temperatury oraz czasu.
Włączenie materiału PCM do materiału tekstylnego poprzez powlekanie lub enkapsulację w celu uzyskania termo-regulowanych, inteligentnych materiałów tek-stylnych może powodować określone korzyści, dlatego w ostatnim czasie cieszy się rosnącym zainteresowaniem.
Dlatego też dokonano przeglądu właściwości tego typu materiałów oraz ich zastosowania dla regulowanych, inteligentnych materiałów tekstylnych. Przedstawiono materiały zmiennofazowe różnego rodzaju, a następ-nie przeprowadzono analizę wykorzystania materiałów PCM w strukturach tekstylnych. Dokonano również przeglądu możliwości wykorzystania materiałów do konstrukcji odzieży ochronnej.
Przed zastosowaniem materiału zmiennofazowego w strukturze materiału tekstylnego, materiał tego rodza-ju zostaje zamknięty w niewielkich przestrzeniach kuli-stych w celu przechowania go podczas gdy znajduje się w stanie ciekłym. Tego rodzaju mikrokapsułki posiadają przybliżoną średnicę równą od 1 lm do 30 lm. Mikro-kapsułki są odporne na oddziaływania mechaniczne, cieplne oraz większość chemicznych. W momencie gdy poddawane są wzrostowi temperatury w związku z wyż-szą temperaturą otoczenia, mikrokapsułki pochłaniają ciepło. Materiał zmiennofazowy znajdujący się w nich topnieje. Pozyskują ciepło z otoczenia i magazynują nadwyżki energii. W momencie gdy dochodzi do