Opracowanie inteligentnej odzieży ciepłochronnej z synergicznym działaniem pasywnych i aktywnych materiałów o właściwościach termoregulacyjnych dla osób pracujących w warunkach mikroklimatu zimnego

Celem projektu było opracowanie prototypu inteligentnej odzieży ciepłochronnej, wykazującej synergiczne działanie termoregulacyjne w zmiennych warunkach pracy w środowisku zimnym przez wykorzystanie ultralekkich, wysoko izolujących cieplnie aerożeli (materiał pasywny), gwarantujących wysoki poziom ochrony przed zimnem oraz materiałów przemiany fazowej (materiał aktywny) dla zapewnienia efektu chłodzenia przy wzmożonym wysiłku fizycznym.

W ramach realizacji 3. etapu projektu dokonano walidacji opracowanego modelu inteligentnej odzieży ciepłochronnej w oparciu o wyniki badań laboratoryjnych i opracowano prototyp odzieży, zgłoszenie wzoru użytkowego inteligentnej odzieży ciepłochronnej oraz materiały promocyjne, w tym krótki film promujący opracowane rozwiązanie, a także materiały informacyjne do udostępnienia w mediach społecznościowych i serwisie internetowym CIOP-PIB.

Realizację prac badawczych w ramach 3. etapu projektu rozpoczęto od opracowania metodyki walidacji modelu inteligentnej odzieży ciepłochronnej oraz przeprowadzenia badań walidacyjnych modelu odzieży z wykorzystaniem manekina termicznego. Założono, że badania te będą obejmowały określenie izolacyjności cieplnej całego zestawu odzieżowego, w którym opracowana kurtka z dodatkiem aerożelu i PCM stanowi jeden z elementów i rozkładu temperatur w warstwach zestawu odzieżowego, jak również wyznaczenie zmian gęstości strumienia ciepła z wybranych segmentów manekina i izolacyjności cieplnej dla samej kurtki. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zestaw odzieży z modelem inteligentnej odzieży ciepłochronnej charakteryzuje się izolacyjnością cieplną na zbliżonym poziomie do zestawu z odzieżą referencyjną bez dodatków, co oznacza, że nie stwierdzono wyraźnego wpływu dodatków zastosowanych w odzieży na izolacyjność cieplną zestawu odzieżowego. Właściwości termoregulacyjne zastosowanego w modelu odzieży dodatku PCM potwierdziły natomiast zmiany temperatur na poszczególnych warstwach odzieży sięgające nawet 7C w przypadku pomiaru temperatury na ramieniu manekina w polarze. Badanie samej kurtki na manekinie termicznym także wykazało największą wartość gęstości strumienia ciepła odbieranego z ramion manekina dzięki zastosowaniu PCM, przy czym efekt ten widoczny jest przez ok. 6 – 8 minut. Wnioski z tych badań stanowiły podstawę do modyfikacji konstrukcji modelu inteligentnej odzieży ciepłochronnej.

W tym celu opracowano nowe projekty pakietów tekstylnych z dodatkiem aerożelu i PCM do zastosowania w inteligentnej odzieży ciepłochronnej. Zgodnie z opracowanymi projektami wykonano 3 grupy wariantów pakietów tekstylnych, różniących się pod względem szerokości kanałów na aerożel, masy aerożelu w kanale oraz masy aerożelu w pakiecie. Pakiety te z uwzględnieniem pakietów referencyjnych oraz bez dodatku PCM poddano badaniom laboratoryjnym w zakresie masy i grubości oraz oporu cieplnego i oporu pary wodnej, w tym również z uwzględnieniem badań po 5 cyklach konserwacji. Przeprowadzone badania pozwoliły wytypować pakiet tekstylny z 15,7 g aerożelu zawierający po 2 g w kanałach o szerokości 3 cm i po 1 g w kanałach o szerokości 2,5 cm, który charakteryzował się wyższą wartością oporu cieplnego (0,362 m²·K/W) o 40% w porównaniu do próbki referencyjnej.

Biorąc pod uwagę konstrukcję opracowanego pakietu tekstylnego, zaprojektowano i wykonano prototyp inteligentnej odzieży ciepłochronnej, z uwzględnieniem wniosków z badań przeprowadzonych na modelu odzieży. W szczególności, podjęto decyzję o zastąpieniu kurtki przez kamizelkę, przeznaczoną do dwustronnego stosowania w zależności od przewidywanych warunków użytkowania. W przypadku potrzeby odprowadzania ciepła generowanego przez użytkownika, np. na skutek wzmożonej aktywności fizycznej, opracowaną kamizelkę należy stosować stroną z PCM o właściwościach termoregulacyjnych w kierunku ciała, aby PCM zawarte w odzieży znajdowały się jak najbliżej ciała i odbierały nadmiar ciepła. Natomiast w przypadku pracy stacjonarnej, kamizelka powinna być stosowana stroną z dodatkiem wysoko izolującego cieplnie aerożelu w kierunku ciała, co pozytywnie wpływa na ograniczenie strat ciepła z ciała człowieka.

Opracowany prototyp jako element zestawu odzieżowego do ochrony przed zimnem został następnie poddany walidacji, obejmującej badania z wykorzystaniem manekina termicznego i kamery termowizyjnej oraz badania użytkowe z udziałem ochotników, realizowane w komorze klimatycznej. Badania laboratoryjne z wykorzystaniem manekina termicznego obejmowały dwa etapy badań. Pierwszy etap dotyczył porównania prototypu kamizelki z kamizelką referencyjną (bez dodatków) w zakresie izolacyjności cieplnej, przebiegu zmian gęstości strumienia ciepła oraz temperatury na powierzchni odzieży, zaś drugi etap dotyczył wyznaczenia izolacyjności cieplnej zestawu z prototypem kamizelki w celu określenia temperatury do dalszych badań odzieży z udziałem ochotników. W wyniku przeprowadzonych badań uwidoczniono oczekiwany wzrost gęstości strumienia ciepła dostarczanego do manekina w celu utrzymania jego stałej temperatury 34°C w warunkach dynamicznych, co potwierdziło właściwości termoregulacyjne opracowanego prototypu. Największą różnicę między prototypem inteligentnej odzieży ciepłochronnej z zastosowaniem dodatków a odzieżą referencyjną o jednakowej konstrukcji, ale bez dodatków na poziomie 22 W/m² stwierdzono w przypadku segmentu dolnej części pleców manekina. Wykazano również wzrost izolacyjności cieplnej prototypu kamizelki założonej stroną PCM do wewnątrz o 20% oraz stroną z PCM na zewnątrz o 26% w porównaniu do odzieży referencyjnej bez dodatków. Wyniki te pozwoliły na pozytywną ocenę uzyskanego efektu termoregulacyjnego i termoizolacyjnego w prototypie, co stanowiło podstawę do kontynuacji badań walidacyjnych i realizację badań użytkowych.

    Walidacyjne badania użytkowe realizowano również w dwóch wariantach odzieżowych – 1) z prototypem inteligentnej odzieży ciepłochronnej w formie kamizelki z dodatkiem aerożelu i PCM oraz 2) z kamizelką o jednakowej konstrukcji, ale bez dodatków (wariant referencyjny). Badania przeprowadzono z udziałem 6 ochotników. W związku ze zmianą konstrukcji odzieży niezbędne było zmodyfikowanie opracowanej w 2. etapie metodyki badań. W celu oceny efektu termoregulacyjnego w I i II fazie badań zaplanowano wzmożoną aktywność fizyczną uczestników badań, natomiast w celu oceny efektu termoizolacyjnego w fazie III i IV badań przewidziano zmniejszony poziom aktywności fizycznej uczestników badań. Badania realizowano w komorze klimatycznej w temperaturze otoczenia (-5)°C. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono pozytywny wpływ PCM zastosowanych w prototypie inteligentnej odzieży ciepłochronnej na kształtowanie się zmian temperatury w mikroklimacie pod bielizną oraz lokalnej temperatury skóry. W 1. fazie badań przy wzmożonej aktywności fizycznej w wariancie z prototypem zaobserwowano ograniczenie dynamiki wzrostu temperatury pod bielizną, co jest bardzo korzystne z punktu widzenia zapewnienia komfortu cieplnego użytkownika i zapobieganiu jego przegrzewaniu. W przypadku zastosowania prototypu kamizelki z dodatkami w 1. fazie eksperymentu zaobserwowano nawet obniżenie temperatury pod bielizną w porównaniu z początkiem eksperymentu o ok. 0,5°C. W fazie badania z obniżoną aktywnością fizyczną zaobserwowano z kolei odwrotną zależność, tj. utrzymywanie się temperatury pod bielizną na wyższym poziomie o nawet 1°C w przypadku zastosowania prototypu niż w przypadku wariantu referencyjnego. Wynik ten jest również korzystny i potwierdza skuteczne działanie zastosowanego w prototypie odzieży dodatku – wysokoizolacyjnego aerożelu.

Widok opracowanego prototypu inteligentnej odzieży ciepłochronnej wraz ze schematem prezentującym rozmieszczenie dodatków w odzieży przedstawia poniższy rysunek.

Projekt III.PB.08. Prototyp inteligentnej odzieży ciepłochronnej w formie dwustronnej kamizelki wraz ze schematem rozmieszczenia w niej dodatku aerożelu i materiałów przemiany fazowej (PCM)

W ramach realizacji 3. etapu projektu opracowano dokumentację techniczną, a także zgłoszono wzór użytkowy dotyczący dwustronnej kamizelki ciepłochronnej wspomagającej termoregulację użytkownika (zgłoszenie nr W.131 103).

Wyniki przedstawiono w 1 publikacji popularnonaukowej, w filmie (w wersji polskiej i angielskiej) pt. Innowacyjna kamizelka ciepłochronna – CIOP-PIB zamieszczonym na Youtube, w materiałach informacyjnych (zamieszczonych na stronie internetowej CIOP-PIB) oraz zaprezentowano na 1 konferencji krajowej.