Tepelná odolnost materiálu pro hasičské záchranné oděvy

Jawad Naeem, M.Sc.

Doctoral thesis

Thermal Protective Performance of Firefighter Protective Clothing

Abstract:

Tato studie souvisí s možným zlepšením tepelné ochranné výkonnosti hasičského ochranného oděvu při vystavení různým úrovním hustoty sálavého tepelného toku. Ochranný oděv hasiče se obvykle skládá ze tří vrstev: vnější skořepiny, bariéry proti vlhkosti a tepelné vložky. Zvýší-li se tepelný ochranný výkon hasičského ochranného oděvu, zvýší se doba expozice proti sálavému tepelnému toku, což hasiči poskytne další čas, aby mohl pokračovat ve své práci, aniž by utrpěl těžká zranění způsobená popálením kůže. Tento výzkum se zabývá základním porozuměním hasičského oděvu, tj. složení materiálu, standardy používanými pro hodnocení hasičského ochranného oděvu, typem prostředí, ve kterém hasič normálně plní své povinnosti, s různými typy zranění způsobených popálením kůže a různým typem zařízení používaných pro hodnocení tepelných vlastností a tepelně ochranného výkonu hasičského ochranného oděvu. V počáteční fázi bylo provedeno vyhodnocení tepelně izolačních vlastností a tepelně ochranné výkonnosti vzorků hasičů. Byly provedeny čtyři kombinace vzorků. Každé uspořádání vzorku má vnější plášť, bariéru proti vlhkosti a tepelnou bariéru. Později bylo provedeno zlepšení tepelně izolačních vlastností hasičského ochranného oděvu pomocí vrstev obsahujících aerogel. Byly zkoumány čtyři různé vícevrstvé kombinace hasičského ochranného oděvu. Dva vzorky mají kombinace sestávající z vnější vrstvy, bariéry proti vlhkosti a tepelné vložky. V dalších dvou vzorcích byla také použita vrstva aerogelu jako náhrada tepelné bariéry. Zpočátku byly zkoumány vlastnosti, jako je tepelný odpor, tepelná vodivost a odpor vodních par vícevrstvých textilních sestav. Později byly tyto kombinace vystaveny různým úrovním hustoty sálavého tepelného toku, tj. při 10 kW / m2, 20 kW / m2, 30 kW / m2 a 40 kW / m2 podle normy ISO 6942. Bylo zjištěno, že kombinace, ve kterých byla aerogelová vrstva použita jako náhrada za tepelnou bariéru, získaly větší tepelný odpor, odolnost vůči vodní páře a mají nižší hodnoty hustoty tepelného toku. Čím menší je hodnota hustoty přenášeného tepelného toku, tím lepší bude tepelný ochranný výkon, protože na zvýšení teploty těla hasiče bude potřebovat více času. To umožní hasičům účinně a efektivně vykonávat své povinnosti, aniž by utrpěli významná zranění způsobená popálením. Poté byla vnější strana vnějšího pláště potažena vrstvou stříbrných kovových částic technologií magnetronového rozprašování. Potahování vnější vrstvy vnějšího pláště stříbrnými částicemi bylo prováděno ve třech úrovních tloušťky, tj. 1 ?m, 2 ?m a 3 ?m, v tomto pořadí. Všechny nepotažené a postříbřené vzorky byly poté charakterizovány na zkoušečce propustnosti vzduchu, Permetestu a stroji pro přenos tepla sáláním. U vzorků nepropustných a postříbřených vzorků byl zaznamenán zanedbatelný rozdíl v hodnotách propustnosti vzduchu a relativní propustnosti pro vodní páru. Významný pokles byl však zaznamenán u hodnoty přenášené hustoty tepelného toku Qc (kW / m2) a procentuálního faktoru přenosu (procento TF Qo) v případě vzorků potažených stříbrem, pokud byly vystaveny 10kW / m2, 20 kW / m2, 30 kW / m2 a 40 kW / m2. To ukazuje na značné zlepšení tepelné ochranné výkonnosti vzorků potažených stříbrem ve srovnání s nepotaženými vzorky. Tyto hodnoty hustoty přenášeného tepelného toku se dále snižují se zvyšováním tloušťky povlakové vrstvy částic stříbra. Také stříbrem potažený vzorek má nižší hodnoty emisivity ve srovnání s nepotaženým vzorkem, což naznačuje lepší reflexní vlastnosti. Vzorky potažené stříbrem byly promyty podle standardu NFPA 18

Abstract:

This study is related to the possible improvement in thermal protective performance of firefighter protective clothing when exposed to different levels of radiant heat flux density. Firefighter protective clothing normally consists of three layers: outer shell, moisture barrier and thermal liner. When thermal protective performance of firefighter protective clothing is enhanced, the time of exposure against radiant heat flux is increased, which will provide extra amount of time to firefighter to carry on their work without suffering from severe skin burn injuries. This research deals with basic understanding of firefighter clothing i.e. material composition, standards used for evaluation of firefighter protective clothing, the type of environment in which firefighter normally perform their duties along with different type of skin burn injuries and the different type of equipment used for evaluation of thermal properties and thermal protective performance of firefighter protective clothing. In the initial phase, evaluation of thermal insulation properties and thermal protective performance of firefighter clothing specimens was performed. Four sample combinations were made. Each sample arrangement has outer shell, moisture barrier and thermal barrier. Later on, improvement in thermal insulation properties of firefighter protective clothing was made with the help of aerogel blankets. Four different multilayer combinations of firefighter protective clothing were investigated. Two samples have combinations consisting of outer shell, moisture barrier and thermal liner. In other two samples, aerogel sheet was also employed as a substitute to thermal barrier. Initially, properties like thermal resistance, thermal conductivity, and water vapor resistance of multilayer fabric assemblies were investigated. Later on these combinations were exposed to different levels of radiant heat flux density i.e. at 10 kW/m2, 20 kW/m2, 30 kW/m2 and 40 kW/m2 as per ISO 6942 standard. It was noted that those combinations in which aerogel blanket was used as substitute to thermal barrier acquire greater thermal resistance, water vapor resistance and have less transmitted heat flux density values. The lesser the value of transmitted heat flux density, the better will be thermal protective performance as more amount of time will take for rise in temperature of firefighter's body. This will allow firefighters to perform their duties efficiently and effectively without acquiring significant burn injuries. Afterwards, the exterior side of outer shell was coated with layer of silver metallic particles through magnetron sputtering technology. Coating of outer shell with silver metallic particles was performed at three level of thickness i.e. 1?m, 2?m and 3?m respectively. All the uncoated and silver coated specimens were then characterized on air permeability tester, Permetest and radiant heat transmission machine. A negligible difference was witnessed in the values of air permeability and relative water vapor permeability for uncoated and silver coated specimens. However, a significant decline was recorded for the value of transmitted heat flux density Qc (kW/m2) and percentage transmission factor (percentage TF Qo) in case of silver coated specimens when subjected to 10kW/m2, 20 kW/m2, 30 kW/m2 and 40 kW/m2. This indicates considerable improvement in thermal protective performance of silver coated specimen as compared to uncoated specimens. These values of transmitted heat flux density go on further reduction with increase in thickness of coating layer of silver particles. Also the silver coated specimen has lower emissivity values as compared to uncoated specimen indicating better reflective properties. The silver coated specimens were washed as per NFPA 1851 standard for investigating durability of coating and thermal protective performance. It was inferred that there was negligible decline in thermal protective performance of silver coated specimens afte

Abstract:

51 pro zkoumání trvanlivosti potahování a tepelné ochrany. Bylo zjištěno, že po různých cyklech praní došlo k zanedbatelnému snížení tepelné ochranné výkonnosti vzorků potažených stříbrem. Po odděleních byla měřena jejich odrazivost a propustnost. Vzorky, které jsou impregnovány kovovými částicemi stříbra, mají lepší hodnoty odraznosti a nízké hodnoty propustnosti. Dále byla hodnocena stabilita povlaku stříbra pro různé abrazivní cykly.

Keywords

Hasičský ochranný oděv, tepelný ochranný výkon, tepelná izolace, hustota přenášeného tepelného toku.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 7. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. Dr. Ing. Zdeněk Kůs

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering