Ett team av forskare från National University of Singapore (NUS) har utvecklat ett nytt superhygroskopiskt material som förbättrar svettavdunstning i en personlig skyddsdräkt, för att skapa en kylande effekt för bättre termisk komfort för användare som sjukvårdspersonal och andra frontlinjetjänstemän. . Denna uppfinning validerades genom laboratorietester utförda i samarbete med forskare från HTX (Home Team Science &Technology Agency) i Singapore.

Den nya torkmedelsfilmen, som är biokompatibel och ogiftig, har snabb absorptionshastighet, hög absorptionskapacitet och utmärkta mekaniska egenskaper. Detta innebär att materialet är mycket robust och hållbart för praktiska applikationer som för skyddsdräkter som bärs av vårdpersonal. Den är också prisvärd, lätt, lätt att tillverka och återanvändbar.

"Under rumstemperatur på cirka 35ºC upplever en vårdpersonal som bär en skyddsdräkt i en timme vanligtvis ett värmeindex på cirka 64ºC. Detta orsakar obehag och förlänger termisk påfrestning kan resultera i värmeslag och till och med dödsfall. Vår nya kompositfuktighet -Fångande film uppnår en kylande effekt i skyddsdräkten via evaporativ kylning - genom att öka svettavdunstningen från huden", förklarade forskargruppsledaren biträdande professor Tan Swee Ching, som är från institutionen för materialvetenskap och teknik under NUS College of Design och teknik.

Att fästa en ny kompositfilm i en skyddsdräkt – till exempel på baksidan av dräkten – kan sänka värmeindexet med cirka 40 %, vilket avsevärt minskar sannolikheten för värmeslag.

Rapporten publicerades i Small den 20 februari 2022.

Detta forskningsgenombrott visar det positiva resultatet av att utnyttja de kompletterande styrkorna hos NUS och HTX för att skapa påtagliga fördelar för hemmalaget och det bredare samhället. Genom att kombinera NUS-teamets vetenskapliga kunskap om avancerade hydrogelmaterial och HTX:s djupa förståelse för hemmalagets behov och tekniska kapacitet kunde det gemensamma forskarteamet anpassa och optimera det nya fuktinfångande materialet för praktiska tillämpningar för att förbättra prestandan och produktiviteten hos frontlinjeofficerare.

Kylning genom att öka svettavdunstningen

Medicinska skyddsdräkter har utmärkta antibakteriella och vattentäta egenskaper. Denna höga skyddsnivå stoppar dock ventileringen av vattenånga som produceras av förångad svett och förhindrar värmeförlust från kroppen. Det är därför användare som sjukvårdspersonal som behöver ha på sig skyddsdräkter under långa timmar, särskilt i tropiska miljöer, ofta rapporterar om yrkesmässig värmepåfrestning.

Värmehanteringslösningar som luftkylning av plagg med elektriska fläktar eller intag av isslam är opraktiska på grund av begränsningar som skrymmande, tung vikt och begränsad effektivitet. Även om avancerade textilier och beläggningar är lovande lösningar, är de svåra att tillverka och produktionskostnaderna är höga.

NUS-teamet kom på en praktisk strategi för att övervinna de nuvarande utmaningarna genom att utnyttja principen om evaporativ kylning. Deras lösning innebär att man använder en superhygroskopisk kompositfilm för att kontrollera fuktnivån i mikromiljön i skyddsdräkten. När den fuktfångande kompositfilmen absorberar vattenånga i skyddsdräkten sjunker fuktighetsnivån. Detta påskyndar i sin tur svettavdunstningen från huden. Som ett resultat avleds mer värme från människokroppen genom svettning, vilket ger termisk komfort för användare som sjukvårdspersonal.

För att undersöka effektiviteten av deras lösning genomförde NUS-teamet tester i samarbete med forskare från HTX, med en 20-zons "Newton"-docka i en klimatkammare. Detta är en viktig experimentell milstolpe för att bedöma genomförbarheten av att applicera kompositfilmen på skalan av helkroppskläder.

Med kompositfilmen sjönk den relativa luftfuktigheten (RH) under måttliga svettningar med cirka 40 % – från 91 % till 48,2 % efter en timmes svettning och till 53,2 % efter två timmars svettning. Teamet fann också att inom den första timmen efter svettning, sjönk värmeindexet eller "upplevd lufttemperatur" avsevärt från 64,6ºC till 40ºC vid en lufttemperatur på 35ºC. På denna nivå, medan användarna fortfarande känner sig heta, är sannolikheten för att få värmeslag, värmekramper och värmeutmattning minskar anmärkningsvärt.

"Dessa experiment visar att vår fuktfångande film effektivt minskar RH inuti skyddsdräkten, vilket minskar värmeindexet avsevärt och förbättrar den termiska komforten för användarna," Asst. Prof. Tan förklarade.

I ett annat laboratorieexperiment visade forskargruppen också att kroppstemperaturen (eller hudtemperaturen) kunde reduceras avsevärt med 1,5ºC genom avdunstningskylning. Detta bevisar ytterligare att kompositfilmen potentiellt kan hjälpa användare – som sjukvårdspersonal, soldater eller brandmän – att lindra termisk stress, särskilt under ansträngande aktiviteter.

Regenerering av NUS-teamets kompositfilm är också mer energieffektiv, eftersom det kräver en lägre temperatur för att frigöra den instängda fukten. Vid 50ºC släpper kompositfilmen 80 % av sitt vatteninnehåll efter 10 minuter och detta når 95 % efter 40 minuter. De flesta hygroskopiska material regenereras vid en temperatur på mer än 100ºC, under en varaktighet på mer än en timme.

"Från resultaten av olika studier i det här projektet är vi hoppfulla att den fuktinfångande filmen kan bäddas in i personlig skyddsutrustning (PPE) och/eller personlig skyddskläder (PPC) hos hemteamofficerarna, för att förbättra den termiska komforten och förbättra prestandan för frontlinjens officerare", säger Ying Meng Fai, direktör, Human Factors &Simulation Center of Expertise, på HTX.

Uppmuntrat av resultaten från sin senaste studie arbetar NUS-teamet nu för att förbättra sitt hygroskopiska material så att det kan absorbera mer och snabbare. Teamet planerar också att tillämpa sin kylningsstrategi på andra typer av skyddskläder, till exempel för brandmän.

Dessutom har Asst. Prof. Tan och hans team letar efter möjligheter att kommersialisera denna teknik. + Utforska vidare

En ny film som avdunstar svett sex gånger snabbare och håller 15 gånger mer fukt