Bybrydende påføring af fugtopfangende film for at reducere varmestress i personlige værnedragter

Et team af forskere fra National University of Singapore (NUS) har udviklet et nyt super-hygroskopisk materiale, der forbedrer svedfordampningen i en personlig beskyttelsesdragt, for at skabe en kølende effekt for bedre termisk komfort for brugere såsom sundhedspersonale og andre frontlinjeofficerer . Denne opfindelse blev valideret gennem laboratorietest udført i samarbejde med forskere fra HTX (Home Team Science &Technology Agency) i Singapore.

Den nye tørremiddelfilm, som er biokompatibel og ikke-toksisk, har hurtig absorptionshastighed, høj absorptionskapacitet og fremragende mekaniske egenskaber. Dette betyder, at materialet er meget robust og holdbart til praktiske anvendelser, såsom beskyttelsesdragter, som bæres af sundhedspersonale. Den er også overkommelig, let, nem at fremstille og genbrugelig.

"Under en stuetemperatur på omkring 35º C oplever en sundhedspersonale, der ifører sig en beskyttelsesdragt i en time, typisk et varmeindeks på omkring 64º C. Dette forårsager ubehag og forlænger termisk belastning kan resultere i hedeslag og endda død. Vores nye sammensatte fugtighed -fangende film opnår en kølende effekt i beskyttelsesdragten via fordampningsafkøling - ved at øge svedfordampningen fra huden," forklarede forskningsteamleder adjunkt Tan Swee Ching, der er fra Institut for Materialevidenskab og Teknik under NUS College of Design og teknik.

Ved at fastgøre et stykke ny kompositfilm i en beskyttende dragt - for eksempel på bagsiden af ​​dragten - kan varmeindekset nedbringes med omkring 40 %, hvilket bemærkelsesværdigt sænker sandsynligheden for hedeslag.

Rapporten blev offentliggjort i Small den 20. februar 2022.

Dette forskningsgennembrud demonstrerer det positive resultat af at udnytte de komplementære styrker ved NUS og HTX til at skabe håndgribelige fordele for hjemmeholdet og det bredere samfund. Ved at kombinere NUS-teamets videnskabelige viden om avancerede hydrogelmaterialer og HTX's dybe forståelse af hjemmeholdets behov og tekniske kapaciteter, var det fælles forskerhold i stand til at tilpasse og optimere det nye fugtopfangende materiale til praktiske anvendelser for at forbedre ydeevnen og produktiviteten af frontlinjeofficerer.

Køling ved at øge svedfordampningen

Medicinske beskyttelsesdragter har fremragende antibakterielle og vandtætte egenskaber. Dette høje beskyttelsesniveau stopper dog udluftningen af ​​vanddamp produceret af fordampet sved og forhindrer varmetab fra kroppen. Dette er grunden til, at brugere som f.eks. sundhedspersonale, der har brug for at iføre sig beskyttelsesdragter i lange timer, især i tropiske miljøer, ofte rapporterer om varmebelastning på arbejdspladsen.

Termiske styringsløsninger såsom luftkølende beklædningsgenstande med elektriske ventilatorer eller indtagelse af isopslæmning er upraktiske på grund af begrænsninger såsom omfangsrigt, tung vægt og begrænset effektivitet. Mens avancerede tekstiler og belægninger er lovende løsninger, er de svære at fremstille, og produktionsomkostningerne er høje.

NUS-teamet kom med en praktisk strategi til at overvinde de nuværende udfordringer ved at udnytte princippet om fordampningskøling. Deres løsning involverer at bruge en superhygroskopisk kompositfilm til at kontrollere fugtighedsniveauet i mikromiljøet i beskyttelsesdragten. Når den fugtindfangende kompositfilm absorberer vanddamp i beskyttelsesdragten, falder fugtighedsniveauet. Dette fremskynder igen svedfordampningen fra huden. Som følge heraf spredes mere varme fra den menneskelige krop gennem sveden, hvilket giver termisk komfort for brugere såsom sundhedspersonale.

For at undersøge effektiviteten af ​​deres løsning gennemførte NUS-teamet tests i samarbejde med forskere fra HTX ved at bruge en 20-zoners "Newton" dukke i et klimakammer. Dette er en vigtig eksperimentel milepæl i vurderingen af ​​gennemførligheden af ​​at påføre kompositfilmen på skalaen af ​​helkropsbeklædning.

Med kompositfilmen faldt den relative luftfugtighed (RH) under moderat svedetilstand med omkring 40 % - fra 91 % til 48,2 % efter en times sveden og til 53,2 % efter to timers sveden. Holdet fandt også, at inden for den første time efter sveden faldt varmeindekset eller "følt lufttemperatur" markant fra 64,6ºC til 40ºC ved en lufttemperatur på 35ºC. På dette niveau, mens brugerne stadig føler sig varme, er sandsynligheden for at få hedeslag, varmekramper og varmeudmattelse reduceres bemærkelsesværdigt.

"Disse eksperimenter viser, at vores fugtopfangende film effektivt reducerer RH inde i beskyttelsesdragten, og dermed reducerer varmeindekset betydeligt og forbedrer den termiske komfort for brugerne," Asst. Prof. Tan forklarede.

I et andet laboratorieeksperiment viste forskerholdet også, at kropstemperaturen (eller hudtemperaturen) kunne reduceres betydeligt med 1,5ºC gennem fordampningskøling. Dette beviser yderligere, at den sammensatte film potentielt kan hjælpe brugere – såsom sundhedspersonale, soldater eller brandmænd – med at lindre termisk stress, især under anstrengende aktiviteter.

Regenerering af NUS-teamets kompositfilm er også mere energieffektiv, da det kræver en lavere temperatur for at frigive den indespærrede fugt. Ved 50ºC frigiver kompositfilmen 80% af sit vandindhold efter 10 minutter, og dette når 95% efter 40 minutter. De fleste hygroskopiske materialer regenererer ved en temperatur på mere end 100º C over en varighed på mere end en time.

"Ud fra resultaterne af forskellige undersøgelser i dette projekt håber vi, at den fugtopfangende film kan indlejres i Personal Protective Equipment (PPE) og/eller Personal Protective Clothing (PPC) hos hjemmeholdets officerer for at forbedre den termiske komfort og forbedre ydeevnen for frontlinjeofficererne," sagde Ying Meng Fai, direktør, Human Factors &Simulation Center of Expertise, på HTX.

Opmuntret af resultaterne af deres seneste undersøgelse arbejder NUS-teamet nu på at forbedre deres hygroskopiske materiale, så det kan absorbere mere og hurtigere. Holdet planlægger også at anvende deres afkølingsstrategi på andre typer beskyttelsesbeklædning, såsom dem til brandmænd.

Desuden har Asst. Prof. Tan og hans team leder efter muligheder for at kommercialisere denne teknologi. + Udforsk yderligere

En ny film, der fordamper sved seks gange hurtigere og holder 15 gange mere fugt