[Najnowszy numer] [Prenumerata] [Spis treści]     

Funkcjonalizacja odzieży chroniącej przed zimnem poprzez implementację aerożeli i materiałów przemiany fazowej (PCM)

W przypadku odzieży ciepłochronnej, szczególnie do prac w bardzo niskich temperaturach otoczenia, dużym problemem jest jednoczesne zapewnienie odpowiedniego poziomu ochrony przed zimnem oraz ergonomii odzieży. Odzież ta zwykle wykonywana jest z grubych, wielowarstwowych układów materiałów, co powoduje, że swoboda ruchów użytkownika jest znacznie ograniczona. Ponadto podczas intensywnego wysiłku fizycznego odzież ta często ulega zawilgoceniu na skutek wydzielania potu przez użytkownika, co z kolei powoduje obniżenie jej izolacyjności cieplnej i zwiększenie odczucia dyskomfortu. W niniejszej pracy przedstawiono koncepcję oraz założenia do konstrukcji nowej odzieży ciepłochronnej, w której grube materiały izolacyjne zastępowane są znacznie cieńszymi innowacyjnymi materiałami z dodatkiem aerożelu. Jednoczesne zastosowanie w odzieży materiałów przemiany fazowej (PCM), dzięki ich właściwościom termoregulacyjnym, powinno zapewnić przez dłuższy czas użytkowania utrzymanie temperatury skóry pracownika na poziomie odpowiadającym warunkom komfortu, nawet przy zmieniającej się temperaturze otoczenia lub zmianie intensywności wysiłku fizycznego.

tekst:
mgr inż. Agnieszka Greszta
Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy

Referat "Funkcjonalizacja odzieży chroniącej przed zimnem poprzez implementację aerożeli i materiałów przemiany fazowej (PCM)" został wygłoszony przez A. Gresztę podczas 13. ogólnopolskiej konferencji ATESTU, która odbyła się w dniach 1-3 czerwca w Krakowie.

Praca w środowisku zimnym wiąże się z koniecznością stosowania odzieży ciepłochronnej o określonej izolacyjności cieplnej. Aby osiągnąć wymagany poziom izolacyjności, często konieczne jest stosowanie grubej włókniny lub wielu warstw materiałów, co niestety zwiększa objętość odzieży. Konsekwencją tego jest ograniczenie swobody ruchów użytkownika, w tym zdolności wykonywania precyzyjnych czynności oraz zwiększenie obciążenia pracą [1, 2].

Badania wykazują, że tradycyjne materiały izolacyjne tracą w znacznym stopniu swoje zdolności izolacyjne pod wpływem prania, ściskania, a także na skutek zawilgocenia [3]. Problemy te można znacznie ograniczyć stosując w odzieży materiały izolacyjne z aerożelem. Aerożele to ultralekkie materiały o wyjątkowo niskiej przewodności cieplnej (zwykle nie przekraczającej 0,02 W/mˇK), które w ponad 90% składają się z powietrza [4]. Mogą występować w postaci proszku, granulatu lub monolitu. Znaczna część aerożeli, w tym m.in. aerożele krzemionkowe, charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami hydrofobowowymi, dzięki czemu praktycznie nie wchłaniają wilgoci. Przewagą materiałów izolacyjnych na bazie aerożelu w porównaniu do tradycyjnych materiałów izolacyjnych jest to, że nawet przy niższej grubości wykazują wyższe wartości oporów cieplnych [5]. Ponadto materiały te są w stanie zachować swoje doskonałe właściwości termoizolacyjne nawet przy dużych obciążeniach ściskających [6]. Zaletą aerożeli jest też bardzo mała gęstość, dzięki której możliwe jest uzyskanie wyjątkowo lekkich materiałów izolacyjnych, a przez to również zmniejszenie masy odzieży. Wymienione korzyści wynikające z zastosowania aerożeli sprawiają, że materiały te cieszą się coraz większym zainteresowaniem wśród naukowców pracujących m.in. nad metodami ich aplikacji, jak również wśród producentów materiałów tekstylnych oraz producentów odzieży.

Dobranie odpowiedniej odzieży ochronnej do pracy w środowisku zimnym nie jest sprawą łatwą, tym bardziej że w ciągu zmiany roboczej pracownik może wykonywać prace o zmiennej intensywności, często następuje również zmiana samego środowiska termicznego. Rozwiązaniem może być zastosowanie w odzieży materiałów przemiany fazowej (z ang. Phase Change Materials - PCM). Są to materiały, które wykazują zdolność do zmiany swojego stanu skupienia w określonym przedziale temperatur. Materiały te absorbują, magazynują i uwalniają znaczne ilości energii w postaci ciepła utajonego w ściśle określonym zakresie temperatury nazywanym temperaturą przemiany fazowej, zmieniając przy tym swój stan skupienia (np. ze stałego w ciekły i odwrotnie) [7]. W zastosowaniach odzieżowych praktyczne znaczenie mają przeważnie tylko PCM w postaci soli lub wosków, zamkniętych w mikro- lub makrokapsułkach.

Zastosowanie w odzieży PCM o temperaturze przemiany fazowej zbliżonej do temperatury skóry w stanie komfortu sprawia, że w przypadku akumulacji ciepła w organizmie i wzrostu temperatury skóry, wzrasta temperatura PCM w odzieży, w wyniku czego zaczynają się one topić, odbierając przy tym ciepło wydzielane przez organizm. Poprzez zastosowanie PCM w odzieży można zatem znacznie ograniczyć obciążenie cieplne jej użytkownika, np. podczas wzmożonej aktywności fizycznej, wykonywania pracy w barierowej odzieży ochronnej czy też podczas pracy w środowisku gorącym [8-10].

W niniejszym artykule przedstawiono analizę aktualnego stanu wiedzy na temat wykorzystania aerożeli i PCM w materiałach tekstylnych i odzieży, w tym odzieży ciepłochronnej, w celu funkcjonalizacji tych wyrobów. Ponadto przedstawiono również koncepcję i założenia do konstrukcji nowej, aktywnej odzieży ciepłochronnej, łączącej w sobie zalety aerożeli i PCM, przeznaczonej w szczególności do pracy w chłodniach.

Aerożel jako przyszłościowy materiał termoizolacyjny do odzieży ochronnej

il. 1. Mikrostruktura aerożelu krzemionkowego
(źródło własne).

Aerożele wykazują ogromny potencjał jako materiały termoizolacyjne do zastosowania w odzieży ochronnej, zarówno ciepłochronnej, przeznaczonej do pracy w środowisku zimnym, jak i w odzieży chroniącej przed czynnikami gorącymi, w tym m.in. odzieży strażackiej [11-12]. Ich fenomen wynika z unikalnej, wysokoporowatej, rozbudowanej struktury z licznymi krętymi ścieżkami i "ślepymi zaułkami", które utrudniają przepływ ciepła [13]. Przykładowo strukturę najbardziej popularnego aerożelu, tzn. aerożelu krzemionkowego tworzą cząstki o średnicy 1-10 nm, połączone w trójwymiarową sieć z licznymi porami o średnicy rzędu 10-100 nm [14-15] (il. 1). Dzięki takiej budowie aerożele mają znacznie lepsze właściwości izolacyjne od innych dotychczas stosowanych materiałów izolacyjnych, a nawet lepsze od nieruchomego powietrza [15].

Najbardziej znaną, powszechnie stosowaną metodą wytwarzania materiałów tekstylnych z aerożelem jest metoda zol-żel. Polega ona na przygotowaniu zolu krzemionkowego i naniesieniu go na materiał tekstylny (przeważnie włókninę). Następnie, po usunięciu nadmiaru zolu, przeprowadza się proces żelowania i starzenia, po czym włóknina jest suszona w warunkach nadkrytycznych z użyciem dwutlenku węgla i na koniec dogrzewana [16].

Xiong z zespołem [17], stosując metodę zgrzewania, opracowali cienki laminat odzieżowy na bazie włóknin z warstwą aerożelu w postaci granulatu (0,1-0,7 mm). Jako środek wiążacy zastosowali niskotopliwy klej w postaci proszku. Badania wykazały, że dodatek kleju pograsza jednak właściwości izolacyjne laminatu, obniżając wartość oporu cieplnego o 13,7%.

Bhuiyan i inni [18] do łączenia warstw włóknin i cząstek aerożelu zamiast kleju wykorzystali właściwości termoplastyczne włókien wchodzących w skład włókniny. Otrzymany materiał miał służyć jako wkładka chroniąca przed czynnikami gorącymi i przenikaniem ciekłych chemikaliów w odzieży ochronnej. Podobną technikę aplikacji aerożelu zastosowała Greszta z zespołem [19] w celu uzyskania cienkich wkładów termoizolacyjnych do odzieży chroniącej przed zimnem (il. 2). W wyniku zastosowania aerożelu nastąpiło korzystne obniżenie przewodności cieplnej wkładu włókninowgo o ok. 13% w porównaniu do wkładu bez aerożelu.

il. 2. Schemat procesu wytwarzania wkładu włókninowego z aerożelem do odzieży chroniącej przed zimnem [19].

Prace badawcze nad materiałem aerożelowym do odzieży chroniącej przed zimnem prowadzili również Xiong z zespołem [20]. Zastosowana przez nich metoda polegała na enkapsulacji cząstek aerożelu wewnątrz 3-warstwowego kompozytu, w otworach wykonanych za pomocą lasera w warstwie środkowej (włókninie puszystej lub piance poliuretanowej). Warstwę górną i dolną kompozytu stanowiła włóknina termoplastyczna płaska o grubości 0,16 mm.

Ciekawym przykładem materiału termoizolacyjnego z aerożelem do ochrony przed zimnem jest 2-warstwowa włóknina HydrospaceTM z kanałami wypełnionymi aerożelem, opracowana na Uniwersytecie w Leeds (Wielka Brytania) [14]. Pomiary kamerą termowizyjną po umieszczeniu włókniny na podgrzewanej płycie wykazały, że temperatura na powierzchni kanałów z aerożelem była o 2,5°C niższa niż w przypadku kanałów wypełnionych powietrzem, co świadczy o mniejszych stratach ciepła.

Badania nad implementacją aerożeli do tkanin prowadzone są głównie pod kątem ich wykorzystania do ochrony przed czynnikami gorącymi. Najczęściej wykorzystywaną metodą jest metoda powlekania. Stosowali ją m.in. Shaid [21], Bhuiyan [22], Miśkiewicz [23], Krzemińska [24]. Skutecznym rozwiązaniem zwiększającym odporność odzieży ochronnej na czynniki gorące są trudnopalne pakiety tkaninowe z kanałami wypełnionymi aerożelem, opracowane przez Krzemińską z zespołem [25]. Pakiety te wykonano w formie wymiennych wkładów do umieszczania w specjalnych kieszeniach, naszywanych po wewnętrznej stronie odzieży (il. 3).

il. 3.Pakiety tkaninowe z aerożelem do stosowania w odzieży chroniącej przed czynnikami gorącymi [25].

Duże możliwości w zakresie aplikacji aerożelu dają dzianiny dystansowe ze względu na ich przestrzenną strukturę. Islam i inni [26] formowali aerożel wewnątrz dzianin dystansowych stosując popularną metodę zol-żel. Dzięki wypełnieniu pustek powietrznych aerożelem nastąpiło zwiększenie oporu cieplnego dzianin aż o ponad 40%.

Pierwsze badania nad możliwością wykorzystania materiałów aerożelowych w odzieży dotyczyły skafandrów kosmicznych dla astronautów i zostały zapoczątkowane przez NASA [27]. Firma Aspen Aerogels z USA odpowiadając na potrzeby NASA opracowała elastyczny kompozyt włókninowy z aerożelem o nazwie Spaceloft™, który okazał się być aż 3-krotnie bardziej efektywny niż najlepsza dostępna na rynku izolacja odzieżowa. Kompozyt ten w późniejszych latach firma Corpo Nove zaaplikowała do kurtek zimowych, które przetestowano w ekstremalnie trudnych warunkach podczas wyprawy na Antarktydę [28].

Nuckols z zespołem [29] opracowali nowy model kombinezonu dla nurków z aerożelową warstwą izolującą. Badania wykazały, że kombinezon ten charakteryzował się izolacyjnością cieplną o ok. 76% wyższą niż izolacyjność odzieży z powszechnie stosowaną włókniną Thinsulate o podobnej grubości i gramaturze 400 g/m². Korzystny wpływ aerożelu na właściwości termoizolacyjne odzieży dla nurków potwierdziły badania z użyciem kamery termowizyjnej w komorze klimatycznej w temp. -10°C. Temperatura na powierzchni odzieży aerożelowej okazała się być wyraźnie niższa, co wskazuje na niższe straty ciepła w porównaniu do zwykłej odzieży dla nurków zawierającej włókninę Thinsulate.

Obecnie na rynku dostępne są już kurtki zimowe, w których zamiast tradycyjnej ociepliny wykorzystywane są kompozyty aerożelowe.

Jedną z pierwszych firm, która opracowała odzież aerożelową była firma HANESBRANDS INC. z USA. Odzież ta została przetestowana podczas wspinaczki na Mount Everest w 2010 roku. Opracowany kombinezon miał grubość zaledwie 6 mm i składał się z 4 warstw [30-31]:

zewnętrznej warstwy chroniącej przed wiatrem, wykonanej z poliestru,

warstwy izolacyjnej, którą stanowił kompozyt włókninowy z aerożelem o nazwie Zeroloft™,

folii, która odbija promieniowanie cieplne od ciała,

wewnętrznej warstwy odprowadzającej wilgoć, wykonanej z poliestru.

W odzieży dostępnej na rynku najczęściej wykorzystywany jest kompozyt włókninowy z aerożelem krzemionkowym. Z uwagi na skłonność aerożelu do wykruszania się ze struktury kompozytu i unoszenia się w powietrzu, kompozyt ten zwykle poddawany jest procesowi laminowania. Przykładem mogą być panele izolacyjne AEROTHERMŽ o grubości zaledwie 2 mm. Producent tych paneli, firma Aerogel Technologies Inc. z USA, deklaruje, że przy ciśnieniu 15 psi (1 psi = 6894 Pa) panele te zachowują ponad 95% swojej pierwotnej grubości oraz ponad 97% swojej pierwotnej wydajności termicznej [32]. Podobne panele izolacyjne do odzieży, a także rękawic i obuwia oferuje również firma PrimaLoft Inc. (USA) (il. 4) [33]. Wadą laminowanych kompozytów aerożelowych jest jednak ich mniejsza elastyczność, trudności w konfekcjonowaniu oraz brak oddychalności [5].

il. 4. Przykładowy panel izolacyjny do odzieży firmy PrimaLoft Inc.
(źródło własne).

Badacze z firmy Lukla LLC (USA) opracowali nowy rodzaj kompozytu aerożelowego o nazwie SOLARCORE. Jest to kompozyt na bazie elastycznego polimeru, który można ciąć i przeszywać, ale podobnie jak laminowane kompozyty włókninowe nie zapewnia on oddychalności [34].

Znane są przykłady wyrobów odzieżowych, w których materiały aerożelowe występują w całej objętości oraz takie, gdzie materiały te zastosowane są tylko w wybranych obszarach. Metoda pełnego pokrycia pozwala na zmaksymalizowanie izolacyjności cieplnej odzieży. Taka konstrukcja odzieży wymaga jednak dużych nakładów finansowych ze względu na wysokie koszty produkcji kompozytów aerożelowych. Ponadto duży problem stanowi bardzo słaba oddychalność odzieży aerożelowej. Chcąc ograniczyć ten problem, producenci odzieży często stosują otwory wentylacyjne w obszarach takich jak np. pachy, krocze, szew boczny itp.

Bardziej optymalnym rozwiązaniem, zwiększającym komfort fizjologiczny użytkownika, jest umieszczenie materiałów aerożelowych jedynie w najbardziej strategicznych obszarach odzieży w celu zapewnienia odpowiednio wysokiej ochrony przed zimnem. Firma The Faction Collective SA (Szwajcaria) w kurtce Faction Darwin naszyła gotowe panele izolacyjne AEROTHERMŽ na plecach i ramionach. Z kolei w bluzie polarowej marki OROS, aerożelowy materiał izolacyjny SOLARCOREŽ wycięto zgodnie z określonym wzorem i zaaplikowano jedynie w jej przedniej części [34].

Wykorzystanie właściwości termoregulacyjnych PCM w odzieży ochronnej

Pomimo że PCM znane są od wielu lat, to jednak głównie wykorzystywane są do zapewnienia efektu chłodzenia w warunkach obciążenia cieplnego w środowisku gorącym.

Materiały przemiany fazowej (PCM) doskonale nadają się na materiały chłodzące do odzieży dzięki zdolności odbierania i absorbowania energii cieplnej wydzielanej przez organizm podczas procesu ich topnienia oraz w mniejszym stopniu na materiały ogrzewające dzięki zdolności uwalniania tej energii podczas procesu krystalizacji [35]. PCM mogą być wykorzystywane również jako materiały termoregulacyjne do regulowania temperatury w mikroklimacie pododzieżowym, m.in. podczas pracy w środowisku o częstej zmienności temperatur lub na stanowiskach wymagających wykonywania prac o zmiennej intensywności. O efektywności działania PCM świadczy przede wszystkim wartość entalpii całkowitej PCM (ciepło utajone), która wskazuje, jaka ilość energii cieplnej na jednostkę masy może zostać zaabsorbowana lub uwolniona przez PCM podczas procesu przemiany fazowej. Wyższa entalpia zapewnia silniejszy i dłuższy efekt chłodzenia lub ogrzewania [35-36]. W przypadku materiałów odzieżowych z PCM oraz wymiennych pakietów wypełnionych PCM ich efektywność w odzieży zależy głównie od masy wprowadzonego PCM, jego rozmieszczenia, a także odizolowania od środowiska zewnętrznego [37]. Przy opracowywaniu materiałów i odzieży z PCM należy zwrócić uwagę również na kilka innych kwestii, w tym: odpowiednią temperaturę przemiany fazowej PCM (powinna wynosić od 15 do 35°C, w zależności od przeznaczenia i umiejscowienia w odzieży), przewidywany gradient temperatury pomiędzy ciałem człowieka a otoczeniem, wysoką pojemność cieplną PCM, niewielką różnicę pomiędzy temperaturą topnienia i krystalizacji PCM, ich stabilność termiczną, wysoką przewodność cieplną, brak toksyczności oraz niską higroskopijność [35, 38-39].

Materiały przemiany fazowej w postaci mikrokapsułek mogą być aplikowane do materiałów włókienniczych już na etapie wytwarzania włókien. Taką technologię stosuje m.in. firma Outlast Technologies Ins. (USA) [7]. Produkowane przez nią włókna poliakrylonitrylowe o nazwie handlowej Outlast zawierają jedynie 5-10% mikrokapsułek PCM. Stąd ich entalpia całkowita również jest niewielka i wynosi ok. 4,2-8,4 J/g. Włókna te wykorzystwane są do produkcji tkanin i dzianin na odzież, bieliznę (głównie sportową), a także pościel, kołdry, poduszki czy śpiwory [40].

W przypadku płaskich wyrobów włókienniczych mikrokapsułki PCM najczęściej nanoszone są metodą powlekania [41-42], napawania [43-45] lub drukowania [43].

Sanchez z zespołem [41] w celu wytworzenia tkanin o właściwościach termoregulacyjnych powlekali je różnymi mieszankami polimerowymi z dodatkiem mikrokapsułek PCM. Najwyższą pojemność cieplną (7,6 J/g) uzyskano stosując 35% wag. PCM w stosunku do środka wiążącego. Naniesiona powłoka z PCM wykazywała stosunkowo dobrą odporność na ścieranie i prasowanie, ale nieco gorszą odporność na pranie. Podobnie Nejman i Cieślak [42] podjęły próby aplikacji mikrokapsułek PCM do tkanin i dzianin poprzez powlekanie ich pastami poliakrylowymi zawierającymi 40% wag. PCM o temperaturze topnienia 18°C, 28°C oraz ich mieszankę 50/50. Wyższe wartości entalpii (tzn. 56-60 J/g) uzyskano dla dzianin, co wynikało z lepszego pokrycia ich powierzchni pastą polimerową z PCM.

Dirlik-Uysal i inni [46] porównywali dzianiny bawełniane z mikrokapsułkami PCM aplikowanymi dwoma metodami: powlekania i napawania. W obu metodach zwiększenie stężenia środka wiążącego zapewniło mniejszy ubytek PCM w procesie prania, przy czym lepszą trwałość powłoki i jednocześnie mniejszą sztywność zginania dzianin uzyskano metodą powlekania.

Baltušnikaite i inni [47], chcąc poprawić komfort użytkowania odzieży zimowej dla żołnierzy, wykonali próby napawania tkanin podszewkowych dwoma kąpielami, różniącymi się rodzajem mikrokapsułek PCM. Zastosowanie mikrokapsułek PCM, które tworzyły wiązania chemiczne z włóknami (bez użycia środka wiążącego), skutkowało wyższą wartością entalpii topnienia podszewki, a więc i lepszą zdolnością do regulowania temperatury w mikroklimacie pododzieżowym. W przypadku mikrokapsułek PCM, które wymagały użycia żywicy w celu połączenia z tkaniną, doszło do ich częściowego uszkodzenia podczas napawania, stąd niższa wartość entalpii tkaniny. Technikę napawania stosowali również Safavi i inni [44], z tym że podłoże tekstylne stanowiła włóknina polipropylenowa. Do przygotowania kąpieli użyto 57-67% mikrokapsułek PCM o temperaturach topnienia 18 i 28°C. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że próbki zawierające PCM o temperaturze topnienia 28°C są bardziej skuteczne pod względem wspomagania funkcji termoregulacyjnych organizmu człowieka w zmiennym otoczeniu niż próbki z PCM o temperaturze topnienia 18°C.

Bendkowska i Wrzosek [43] porównywali właściwości termoregulacyjne włóknin igłowanych i wodno-igłowanych z mikrokapsułkami PCM aplikowanymi metodą napawania i sitodruku. Stosując pierwszą z metod, uzyskano materiał zawierający od 15 do 27% wag. PCM, zaś metodą sitodruku - od 20 do 32% wag. PCM. Kim i inni [48] modyfikowali właściwości tkanin poliestrowo-bawełnianych na mundury dla żołnierzy poprzez nadrukowywanie na ich powierzchni mieszanki powlekającej z dodatkiem akrylowego środka wiążącego i mikrokapsułek PCM. Prace prowadzono z użyciem drukarki półautomatycznej do sitodruku. Najlepsze właściwości termoregulacyjne i mechaniczne uzyskano dla tkanin zawierających 24% mikrokapsułek PCM oraz stosując temperaturę suszenia 110°C.

Bartkowiak i Dąbrowska [38] opracowały 2 rodzaje dzianin z materiałami przemiany fazowej (PCM) na wyroby odzieżowe do stosowania pod barierową odzieżą ochronną w celu ograniczenia obciążenia cieplnego pracowników. Wytworzyły one 2-warstwową dzianinę z przędzy zawierającej PCM, przeznaczoną na bieliznę oraz 3-warstwową dzianinę z niedoprzędem z PCM, przeznaczoną na kamizelkę. Do wytworzenia przędzy i niedoprzędu użyły włókien celulozowych z PCM o nazwie handlowej SmartCel™clima, charakteryzujących się entalpią ok. 33-35 J/g oraz temperaturą topnienia 29°C.

Pomimo że PCM znane są od wielu lat, to jednak głównie wykorzystywane są do zapewnienia efektu chłodzenia w warunkach obciążenia cieplnego w środowisku gorącym. Natomiast mało jest prac badawczych dotyczących wykorzystania tych materiałów w odzieży chroniącej przed zimnem, czy to w celu zapewnienia efektu ogrzewania czy też efektu termoregulacji przy pracach o zmiennej intensywności.

Bartkowiak z zespołem [39] wykorzystując PCM opracowały komplet odzieży ochronnej i bielizny z funkcją termoregulacji przeznaczony dla ratowników górniczych. W wyrobach tych zastosowano wymienne woreczki z siatki dzianinowej z kanałami wypełnionymi naprzemiennie dwoma rodzajami makrokapsułek PCM, tzn. o temperaturze topnienia 32°C i 37°C (il. 5). Zastosowanie dwóch rodzajów PCM miało umożliwić uzyskanie stopniowego efektu pochłaniania ciepła generowanego przez ratowników z uwagi na szerszy zakres temperatur działania makrokapsułek.

Wang i inni [8] badali wpływ materiałów przemiany fazowej zaaplikowanych do włókniny w odzieży chroniącej przed zimnem na rozkład temperatury i wilgotności względnej w tej odzieży, a także na temperaturę skóry użytkowników. Badania prowadzono w temperaturze -15°C przy zmiennej aktywności (spoczynek/marsz po bieżni). W wyniku zastosowania PCM zauważono korzystne zmniejszenie szybkości zmian temperatury skóry na plecach oraz zmniejszenie wpływu temperatury otoczenia i rodzaju aktywności na temperaturę wewnątrz odzieży.

Gao i inni [49] opracowali trzy kamizelki grzejące z wymiennymi wkładami z PCM o temperaturach przemiany fazowej 24, 28 i 32°C. Kamizelki te badano na manekinie termicznym przy temperaturze otoczenia -4°C, po uprzednim podgrzaniu PCM w temp. ok. 40°C. Efekt ogrzewania trwał ok. 3-4 h, przy czym najlepszą skuteczność wykazywała kamizelka z PCM o najwyższej temperaturze przemiany fazowej (32°C).

Bendkowska [50] badała wpływ PCM na komfort fizjologiczny użytkowników odzieży chroniącej przed złą pogodą. Do badanych kurtek wprowadzano 3 różne włókniny z PCM. Testy użytkowe przeprowadzono w temp. 0 i -10°C. Badania wykazały, że włókniny te wpływają na poprawę mikroklimatu pododzeżowego, o czym świadczy m.in. mniejsza zmiana temperatury skóry na klatce piersiowej oraz mniejsza ilość wydzielanego potu. Korzystny wpływ działania PCM potwierdziły również subiektywne odczucia osób badanych.

Lee i inni [51] oceniali z kolei właściwości termoregulacyjne mundurów dla żołnierzy wykonanych z tkanin powlekanych pastą drukarską z akrylowym środkiem wiążącym i mikrokapsułkami PCM o stężeniu 8 i 16%. W badaniach użytkowych wykazano, że w przypadku tego typu odzieży zarówno temperatura, jak i wilgotność skóry uczestników badań znajdowały się w zakresie komfortu (temperatura skóry: 33,5-33,8°C, wilgotność skóry: 25,5-61,0%) w przeciwieństwie do mundurów bojowych niezawierających PCM.

Dane literaturowe wskazują, że materiały tekstylne z PCM znajdują zastosowanie także w odzieży motocyklowej, odzieży sportowej, ubraniach specjalnych strażackich, kamizelkach kuloodpornych, kombinezonach dla nurków, kombinezonach dla kosmonautów, kombinezonach lotniczych czy mundurach polowych [9, 52].

Założenia materiałowe i konstrukcyjne do inteligentnej odzieży ciepłochronnej z funkcją termoregulacji, wykorzystującej aerożel i PCM

Podczas wykonywania prac w środowisku zimnym bardzo ważne jest zapewnienie odzieży ciepłochronnej o odpowiedniej izolacyjności cieplnej. Nie jest to proste zadanie, szczególnie na stanowiskach pracy, gdzie pracownik narażony jest na duże zmiany temperatur w krótkich przedziałach czasowych lub wykonuje prace o różnym stopniu ciężkości. Dodatkowym problemem jest zbyt duża masa odzieży i jej grubość, która w mniejszym lub większym stopniu powoduje ograniczenia ruchowe. Stąd, w celu poprawy komfortu osób pracujących w takich warunkach, w CIOP-PIB podjęto prace badawcze w kierunku opracowania nowej aktywnej odzieży ciepłochronnej. Odzież ta będzie łączyć w sobie zalety aerożeli, które uznawane są za najlepszy rodzaj izolacji cieplnej oraz materiałów przemiany fazowej (PCM) w celu wspomagania funkcji termoregulacyjnych podczas pracy i utrzymania temperatury skóry pracownika na niemal stałym poziomie (w granicach komfortu, tj. 33-35°C).

Założono, że odzież ta będzie przeznaczona zwłaszcza dla osób pracujących w chłodniach. Nie wyklucza się jednak możliwości rozszerzenia obszaru jej zastosowań na inne grupy odbiorców, np. budowniczych dróg, pracowników budowlanych, pracowników sektora paliwowo-energetycznego, monterów urządzeń telekomunikacyjnych, osoby pracujące w rolnictwie czy leśnictwie itp., ale po uprzednim uwzględnieniu ewentualnych innych zagrożeń (niż mikroklimat zimny) i dostosowaniu odzieży w tym zakresie.

Opracowywana odzież powinna spełniać wymagania normy PN-EN 342:2018-01 [53]. Biorąc pod uwagę warunki temperaturowe panujące w chłodniach oraz zalecenia ww. normy w zakresie doboru izolacyjności cieplnej odzieży, założono, że odzież ta będzie przeznaczona głównie do prac lekkich w temp. od -2°C do -9°C przy prędkości ruchu powietrza ok. 0,4 m/s oraz do sporadycznych, lekkich, maksymalnie 1-godzinnych prac wykonywanych w temp. do -25°C. Odzież ta powinna charakteryzować się izolacyjnością cieplną z zakresu 0,310-0,390 m²K/W.

Wymagania dla materiału zewnętrznego odzieży chroniącej przed zimnem
wg PN-EN 342:2018-01 [53]

Zakłada się, że będzie to dwuczęściowy zestaw składający się z kurtki oraz spodni typu ogrodniczki. Innowacją w niniejszym rozwiązaniu będzie jednoczesne wykorzystanie aerożelu jako ultralekkiego materiału izolacyjnego, zapewniającego skuteczną ochronę przed zimnem oraz materiałów przemiany fazowej (PCM), głównie w celu zapewnienia efektu chłodzenia organizmu podczas wzmożonego wysiłku fizycznego oraz narażenia na znaczne wahania temperatur w środowisku pracy.

W przypadku kurtki rozważa się możliwość zastosowania dodatkowej warstwy w postaci zintegrowanej rozpinanej kamizelki, która stanowiłaby nośnik dla pakietów tekstylnych z PCM. Aby zapewnić efektywne odbieranie nadmiaru ciepła wytwarzanego przez organizm za pomocą PCM, kamizelka ta powinna być wykonana z cienkiego, elastycznego materiału i odpowiednio wymodelowana, aby zapewnić jak najlepsze przyleganie wyrobu do sylwetki użytkownika. Efektywność mikrokapsułek PCM jest bowiem tym większa, im materiały te znajdują się bliżej skóry. Z kolei w przypadku materiałów izolacyjnych z aerożelem bardziej korzystne jest umiejscowienie ich w warstwach odzieży możliwie najbardziej oddalonych od skóry. Badania wykazały bowiem, że przewodność cieplna aerożeli wzrasta wraz ze wzrostem temperatury [54].

il. 5. Termogram bielizny dla ratowników górniczych z wyjmowanymi woreczkami wypełnionymi makrokapsułkami PCM [10].

Materiały tekstylne, które zostaną zastosowane w odzieży powinny wykazywać jak najlepsze właściwości użytkowe oraz związane z komfortem fizjologicznym i jednocześnie spełniać wymagania normy PN-EN 342:2018-01, w tym m.in. dotyczące właściwości ochronnych.

il. 6. Aktywna odzież ciepłochronna z zaznaczonymi obszarami występowania pakietów z: aerożelem (obszar A), z aerożelem i mikrokapsułkami PCM (obszar B).

W przypadku prac wykonywanych w chłodniach przeważnie nie ma potrzeby stosowania w odzieży ciepłochronnej materiałów membranowych o podwyższonych właściwościach wodoodpornych. Stąd przyjęto, że jako materiał zewnętrzny zostanie zastosowana oddychająca, możliwie lekka tkanina bez warstwy wodoodpornej, spełniająca wymagania normy PN-EN 342:2018-01 (tabela poniżej) [53]. Tkanina ta powinna charakteryzować się przepuszczalnością powietrza wyższą niż 100 mm/s (po praniu), aby umożliwić prawidłowe oddychanie skóry i nie doprowadzić do wzrostu zawartości dwutlenku węgla w warstwach przyskórnych powyżej wartości (0,03-0,04)% [55]. Z drugiej strony, aby zapewnić użytkownikowi odpowiednią ochronę przed zimnem, przepuszczalność powietrza tkaniny zewnętrznej nie może być zbyt wysoka. Stąd przy dobieraniu tej warstwy odzieży należy zachować kompromis pomiędzy zapewnieniem komfortu fizjologicznego a utrzymaniem ciepłochronności odzieży.

Założono, że funkcję warstwy termoizolacyjnej będzie pełniła cienka ocieplina w formie włókniny puszystej, możliwie najbardziej odporna na zbijanie się podczas prania. W obszarach, które w mikroklimacie zimnym najbardziej marzną pracownikom (oprócz dłoni i stóp), tzn. na szyi, klatce piersiowej i plecach, górnej powierchni rąk oraz na nogach od góry do kolan (z przodu i z tyłu), oprócz tradycyjnej ociepliny zostanie zastosowany cienki pakiet z cząstkami aerożelu. Natomiast w miejscach nadmiernego wydzielania ciepła podczas wzmożonego wysiłku, tzn. w bluzie - na klatce piersiowej i plecach oraz w spodniach - poniżej pasa z tyłu, dodatkowo zostanie zastosowany pakiet z mikrokapsułkami PCM. Koncepcję nowej odzieży ciepłochronej przedstawiono na il. 6.

Podsumowanie

Oczekiwania pracowników w stosunku do odzieży ochronnej, w tym odzieży chroniącej przed zimnem, narastają z upływem czasu. Już nie wystarczy, aby odzież tylko chroniła przed zagrożeniami w środowisku pracy, ale coraz większą wagę przywiązuje się do komfortu termofizjologicznego oraz ergonomii i funkcjonalności odzieży. Obecnie stosowana odzież ciepłochronna, aby zapewnić odpowiednią izolację przed zimnem, wykonywana jest z grubych, wielowarstwowych układów materiałów, które często sprawiają, że staje się ciężka i niewygodna w użytkowaniu. Stąd w CIOP-PIB podjęto się opracowania nowej, aktywnej odzieży ciepłochronnej, wykorzystującej aerożel jako ultralekki materiał izolacyjny oraz materiały przemiany fazowej (PCM) dla wspomagania funkcji termoregulacyjnych organizmu.

Materiały tekstylne z PCM znajdują zastosowanie także w odzieży motocyklowej, odzieży sportowej, ubraniach specjalnych strażackich, kamizelkach kuloodpornych, kombinezonach dla nurków...

W artykule przedstawiono różne metody otrzymywania materiałów termoizolacyjnych z dodatkiem aerożelu i materiałów o właściwościach termoregulacyjnych z dodatkiem PCM, określając przy tym ich efektywność, ale też i wady. Mimo że na rynku pojawiło się wiele wyrobów odzieżowych z izolacją cieplną w postaci kompozytu aerożelowego do stosowania w środowisku zimnym, to jednak ich podstawową wadą jest bardzo słaba oddychalność. Prace badawcze nad wykorzystaniem PCM w odzieży ciepłochronnej są rzadkością. W materiałach tych dostrzega się jednak duży potencjał, gdyż dzięki nim możliwe jest regulowanie temperatury w mikroklimacie pododzieżowym, co wydaje się być szczególnie przydatne w odzieży ciepłochronnej dla osób pracujących m.in. w chłodniach na stanowiskach, na których pracownik narażony jest na duże zmiany temperatury w krótkich odstępach czasu oraz wykonuje prace o różnym stopniu ciężkości. Przewiduje się, że jednoczesne zastosowanie w odzieży ciepłochronnej aerożeli i PCM wpłynie na poprawę komfortu pracy w mikroklimacie zimnym oraz zmniejszenie obciążenia cieplnego pracowników.

Opracowano na podstawie wyników V etapu programu wieloletniego "Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy", finansowanego w zakresie badań naukowych i prac rozwojowych ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (projekt nr III.PB.08 pt. "Opracowanie inteligentnej odzieży ciepłochronnej z synergicznym działaniem pasywnych i aktywnych materiałów o właściwościach termoregulacyjnych dla osób pracujących w warunkach mikroklimatu zimnego"). Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy.

BIBLIOGRAFIA

[1] Marszałek A., Bartkowiak G.: Odzież ochronna do pracy w zimnym środowisku - zasady projektowania i doboru. Bezpieczeństwo Pracy: Nauka i Praktyka. 2013, 2: 8-12.

[2] Faerevik H., Wiggen O.: Clothing and protection in Arctic environments. Ambience 14 & 10i3m, 2014, Tampere, Finland.

[3] Mäkinen H., Jussila K.: Cold-protective clothing: types, design and standards. In: Wang F., Gao. G. (eds.). Protective clothing: Managing thermal stress. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, Textile Institute, 2014, pp. 3-38.

[4] Aegerter M.A., Leventis N., Koebel M.M.: Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. New York: Springer, 2011.

[5] Venkataraman M., Mishra R., Kotresh T.M. et al.: Aerogels for thermal insulation in high-performance textiles. Textile Progress. 2016, 48(2): 55-118.

[6] http://aerotherminsulation.com/sites/default/files/Aerotherm%20Tech%20Datasheet%202012.pdf (dostęp 10 kwietnia 2020 r.)

[7] Zwolińska M., Bogdan A.: Związki zmiennofazowe w zastosowaniach techniczno-użytkowych i ergonomicznych. Bezpieczeństwo Pracy. 2012, 4: 22-25.

[8] Wang S-X., Li Y., Tokura H. et al.: Effect of Phase Change Materials on Temperature and Moisture Distributions in Clothing during Exercise in Cold Environment, JFBI. 2008, 1(1): 29-40.

[9] Bartkowiak G., Dąbrowska A., Marszałek A.: Analysis of thermoregulation properties of PCM garments on the basis of ergonomic tests. Textile Research Journal. 2013, 83 (2): 148-159.

[10] Łężak K. et al.: Zestawy odzieżowe z funkcją termoregulacji dla ratowników górniczych. Bezpieczeństwo Pracy - Nauka i Praktyka. 2019, 7: 21-25.

[11] Jin L., Hong K., Yoon K.: Effect of Aerogel on Thermal Protective Performance of Firefighter Clothing. Journal of Fiber Bioengineering and Informatics. 2013, 6(3): 315-324.

[12] Kim H.H, Park, P.K., Kim Y.S. et al.: Study on the Weight Reduction of Firefighter's Protective Clothing by Using Air Layer and Aerogels. Fire Science and Engineering, 2018, 32(1):81-88.

[13] Norris P.M., Shrinivasan S.: Aerogel: unique material, fascinating properties and unlimited applications. Annual Review of heat transfer. 2005, 14: 394-395.

[14] Höffele S., Russell S.J., Brook D.B.: Light-Weight Nonwoven Thermal Protection Fabrics containing Nanostructured Materials, International Nonwovens Journal. 2005, 14(4): 10-16.

[15] Křemenáková D., Militký J., Venkataraman M., Mishra R.: Chapter 20. Thermal Insulation and Porosity - From Macro- to Nanoscale. In: Šesták J., Hubík P., Mareš J.J. (eds.), Thermal Physics and Thermal Analysis. Springer International Publishing, 2017, pp. 425-448.

[16] Coffman B.E. et al.: Aerogel blanket insulation materials for cryogenic applications. AIP Conference Proceedings, 2010, 1218, 913.

[17] Xiong X. et al.: Transport Properties of Aerogel-based Nanofibrous Nonwoven Fabrics. Fibers and Polymers. 2016, 17(10): 1709-1714.

[18] Bhuiyan M.A.R., Wang L., Shaid A. et al.: Silica aerogel-integrated nonwoven protective fabrics for chemical and thermal protection and thermophysiological wear comfort, Journal of Materials Science. 2020, 5(6): 2405-2418.

[19] Greszta A, Bartkowiak G, Dąbrowska A et al.: Multilayer Nonwoven Inserts with Aerogel/PCMs for the Improvement of Thermophysiological Comfort in Protective Clothing against the Cold, Materials. 2022, 15(6):2307.

[20] Xiong X., Yang T., Mishra R. et al.: Thermal and compression characteristics of aerogel-encapsulated textiles. Journal of Industrial Textiles. 2017, 47(8): 1998-2013.

[21] Shaid A., Fergusson M., Wang L.: Thermophysiological comfort analysis of aerogel nanoparticle incorporated fabric for fire fighter's protective clothing. Chem Mater Eng. 2014, 2(2):37-43.

[22] Bhuiyan M.A., Wang L., Shaid A. et al.: Polyurethane-aerogel incorporated coating on cotton fabric for chemical protection. Progress in Organic Coating. 2019, 131: 100-110.

[23] Miśkiewicz P., Frydrych I., Tokarska M.: Study on the use of aerogel on the surface of basaltic fabric, Autex Research Journal. 2020, 20(2): 168-177.

[24] Krzemińska S., Cieślak M., Kamińska I. et al.: Application of silica aerogel in composites protecting against thermal radiation, Autex Research Journal. 2020, 20(3): 274-287.

[25] Krzemińska S., Greszta A., Miśkiewicz P.: Characterization of heat protective aerogel-enhanced textile packages, International Journal of Heat and Technology. 2020, 38(3): 659-672.

[26] Islam S.R., Yu W., Naveed T.: Influence of silica aerogels on fabric structural feature for thermal isolation properties of weft-knitted spacer fabrics, Smart and Interactive Textile Materials. 2019, 14: 1-11.

[27] Bheekhun N., Talib A.R., Hassan M.R.: Aerogels in Aerospace: An Overview. Advances in Materials Science and Engineering, 2013, 1-18.

[28] https://spinoff.nasa.gov/spinoff2001/ch5.html (dostęp 12 kwietnia 2020 r.)

[29] Nuckols M.L. et al.: Diving for science, in Proceedings of the American Academy of Underwater Sciences 28th Symposium, N.W. Pollock, ed., AAUS, Dauphin Island, AL, 2009.

[30] https://www.feedthehabit.com/outdoors/champion-high-altitude-super-suit-prototype-at-outdoor-retailer/ (dostęp 12 kwietnia 2020 r.)

[31] https://ceramics.org/ceramic-tech-today/aerogel-nanotech-ultrathin-high-altitude-champion-supersuit-on-everest-its-warm (dostęp 12 kwietnia 2020 r.)

[32] http://aerotherminsulation.com (dostęp 14 kwietnia 2020 r.)

[33] https://www.primaloft.com (dostęp 14 kwietnia 2020 r.)

[34] Du Y., Kim H.E.: A market research on the development trends of aerogel daily clothing, Fashion & Textile Research Journal. 2019, 21(1): 96-103.

[35] Gao C.: Phase-change materials (PCMs) for warming or cooling in protective clothing, Protective Clothing Managing Thermal Stress. Woodhead Publishing Series in Textiles, 2014, pp. 227-249.

[36] Hassabo A.G., Mohamed A.: Enhancement of Thermo-Regulating Textile Materials Using Phase Change Material (PCM), Evolution in Polymer Technology Journal. 2019, 2(1): 1-11.

[37] Speckmen K., L., Allan A., E., Sawka M. et al.: Perceptives in microclimate cooling involving protective clothing in hot environments. International Journal of Industrial Ergonomics. 1998, 3, 121-147.

[38] Bartkowiak G., Dąbrowska A.: Assessment of the Thermoregulation Properties of Textiles with Fibres Containing Phase Change Materials on the Basis of Laboratory Experiments. Fibres & Textiles in Eastern Europe, 2012, 20, 1(90): 47-52.

[39] Bartkowiak G., Marszałek A., Dąbrowska A.: Thermal Load of Mine Rescuer in the Underwear and Protective Clothing with Phase Change Materials in Simulated Utility Conditions, Materials. 2020, 13, 4320.

[40] Mehling H., Cabeza L.: Heat and cold storage with PCM: An up to date introduction into basics and application. Berlin: Springer, 2008.

[41] Sánchez A. et al.: Development of thermo-regulating textiles using paraffin wax microcapsules. Thermochimica Acta. 2010, 498:16-21.

[42] Nejman A., Cieślak M.: The impact of the heating/cooling rate on the thermoregulating properties of textile materials modified with PCM microcapsules. Applied Thermal Engineering. 2017, 127:212-223.

[43] Bendkowska W., Wrzosek H.: Experimental Study of the Thermoregulating Properties of Nonwovens Treated with Microencapsulated PCM. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe. 2009, 17, 5(76): 87-91.

[44] Safavi A., Amani-Tehran M., Latifi M.: Evaluation of dynamic thermal behavior of fibrous layers in presence of phase change material microcapsules. Thermochimica Acta. 2014, 594, 20: 16-23.

[45] Karaszewska A. et al.: Thermal-regulation of nonwoven fabrics by microcapsules of n-eicosane coated with a polysiloxane elastomer, Materials Chemistry and Physics. 2019, 226(15): 204-213.

[46] Dirlik-Uysal Ç.D. et al.: Comparison of binder influence and rigidity on knitting fabrics treated with PCMs by padding and coating, 17th World Textile Conference AUTEX 2017- Textiles - Shaping the Future, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 254(2017).

[47] Baltušnikaite, J. et al.: Investigation of Thermo-regulating Properties of Multilayer Textile Package, MATERIALS SCIENCE (MEDŽIAGOTYRA). 2015, 21(3): 419-424.

[48] Kim I., Lee K., Cho G.: Heat Storage/Release Characteristics and Mechanical Properties of Combat Uniform Fabrics Treated with Microcapsules Containing Octadecane as Phase Change Materials. Fibers and Polymers. 2016, 17(10): 1726-1734.

[49] Gao CH., Kuklane K., Holmér I.: The heating effect of phase change material (pcm) vests on a thermal manikin in a subzero environment, 7th International Thermal Manikin and Modelling Meeting - University of Coimbra, 2008.

[50] Bendkowska W.: Badania komfortu fizjologicznego odzieży zawierającej materiały przemiany fazowej. Przegląd Włókienniczy - Włókno, Odzież, Skóra. 2007, 5: 39-43.

[51] Lee E., Han S., Lee K. et al.: Thermal properties of combat uniforms treated with microencapsulated octadecane and change in clothing microclimate via thermal manikin. The Journal of The Textile Institute. 2018, 109(5): 585-595.

[52] Babu, V.R, Arunraj, A.: Thermo regulated clothing with phase change materials. Journal of Textile Engineering & Fashion Technology. 2018, 4(5): 344-347.

[53] PN-EN 342:2018-01 Odzież ochronna. Zestawy odzieżowe i wyroby odzieżowe chroniące przed zimnem.

[54] Moretti E. et al.: Thermal and acoustic properties of aerogels: preliminary investigation of the influence of granule size. Energy Procedia. 2017, 111: 472-480.

[55] Więźlak W., Elmrych-Bocheńska J., Zieliński J.: Odzież: Budowa, własności i produkcja. Radom: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - PIB, 2009.

Brak komentarzy

Dodaj swój komentarz