Wykaz Projektów
Streszczenie

Modelowanie odporności na przenikanie ciepła przez tekstylne struktury materiałowe z warstwą aerożelu pod kątem ich zastosowania w odzieży chroniącej przed czynnikami gorącymi

Kierownik projektu: dr inż. Sylwia Krzemińska

Streszczenie projektu:

Celem projektu było opracowanie modelu materiału tekstylnego z warstwą aerożelu jako struktury izolującej do wykorzystania w odzieży chroniącej przed przenikaniem ciepła.

Przeprowadzono analizę właściwości dostępnych na rynku aerożeli pod kątem właściwości izolacyjnych, rodzaju powierzchni oraz wielkości cząstek, mając na względzie aplikację do materiałów włókienniczych zabezpieczających przed czynnikami gorącymi. Do badań laboratoryjnych wytypowano 3 rodzaje aerożeli, charakteryzujące się odmiennym uziarnieniem (granulat, proszek) i wielkością cząstek (2–4000 mm), o zbliżonej przewodności cieplnej (0,012 W/m×K) i hydrofobowej powierzchni. Badania aerożeli obejmowały: wyznaczenie wpływu oddziaływania czynników gorących, takich jak ciepło i promieniowanie cieplne, ocenę stabilności termicznej aerożeli przed działaniem i po działaniu wybranych czynników gorących występujących w warunkach użytkowania odzieży ochronnej przy wykorzystaniu techniki termograwimetrii (TGA) oraz scharakteryzowanie wpływu oddziaływania ciepła na strukturę i wielkość cząstek badanych aerożeli metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).

Badania odporności aerożeli na ciepło wykazały, że jeden z granulatów i proszek charakteryzowały się korzystnie niewielkim ubytkiem masy (do 2,8%) po ekspozycji na działanie ciepła w warunkach temperatury 180°C i 260°C przy krótszym (5 min), jak i przy dłuższym (60 lub 240 min) czasie oddziaływania. Analiza wyników termograwimetrii wykazała, że w przypadku granulatu 5% ubytek masy następował przy temperaturze wynoszącej ok. 492°C, co świadczy o wysokiej stabilności termicznej aerożelu. Badania SEM struktury aerożeli wykazały, że oddziaływanie ciepła powodowało spadek rozmiaru cząstek, który w przypadku granulatów był znacznie większy (25–50%; odpowiednio z 1356 do 1026,9 µm w przypadku pierwszego granulatu KG i z 361,4 do 184,8 µm w przypadku drugiego granulatu CG) niż dla proszku CP (6,1%; z 7,17 do 6,73 µm).

Na podstawie wyników badań, do wstępnych prób wytworzenia modelu materiału z udziałem aerożeli wybrany został jeden aerożel w formie granulatu (CG) i jeden w formie proszku (CP).

Zakres prac obejmował także opracowanie założeń do modelowania struktur tekstylnych z udziałem aerożelu. Założenia uwzględniły właściwości materiału z udziałem aerożeli, wybór rodzaju aerożelu, proponowane metody łączenia materiału z aerożelem i schemat materiału.

Przeprowadzono próby wprowadzenia aerożelu do materiałów włókienniczych przeznaczonych do zastosowania w odzieży chroniącej przed czynnikami gorącymi. Pod uwagę wzięto różne grupy materiałów, względem których sprawdzono efektywność aplikacji aerożeli mierzoną poprawą odporności na działanie promieniowania cieplnego, jak i możliwości techniczne wprowadzenia. Analiza badań wytworzonych materiałów z udziałem aerożelu, obejmujących: tkaninę z aerożelową powłoką klejową, włókninę z udziałem aerożelu, błony z aerożelem w całej masie lub w kieszonce z błon, pakiety z dzianiny dystansowej, tkaniny powleczonej lub membrany wypełnione aerożelem, pozwoliła na wytypowanie najkorzystniejszego rozwiązania. Do dalszych prac w projekcie wytypowano model materiału w formie pakietu wykonany z tkaniny niepalnej powlekanej dyspersją akrylowo-styrenową w celu uszczelnienia oraz pakiet wytworzony z membrany na nośniku aramidowym, uszczelniany taśmami. Materiały te charakteryzowały się wysoką odpornością na promieniowanie cieplne na poziomie 3. i 4. klasy ochrony zgodnie z wymaganiami normy przedmiotowej PN-EN 11612:2015-11 oraz wytrzymałością na zniszczenie podczas ekspozycji na promieniowanie cieplne.

Projekt  III.N.14. Wyniki badań odporności na działanie promieniowania cieplnego układów z udziałem aerożelu, zróżnicowanych pod względem konstrukcji (JG I a – układ z 6 tunelami bez wyodrębnionej zakładki; JG II a – układ z 6 tunelami z zakładką; JG III a – układ z 7 tunelami z zakładką; JG IV a – układ z 10 tunelami z zakładką)

Realizowano prace w zakresie modelowania konstrukcji układów (pakietów) z udziałem aerożelu, ukierunkowane głównie na ustalenie wymiarów podstawowych elementów w celu uzyskania wysokiej odporności na czynniki gorące, ze szczególnym uwzględnieniem oddziaływania promieniowania cieplnego. Wykonane modele układów z aerożelem zróżnicowano pod względem zastosowanego materiału zewnętrznego (membrana, tkanina powleczona dyspersją polimerową lub warstwą teflonową) i formy wprowadzonego aerożelu (granulat, błona z aerożelem). Układy poddano badaniom laboratoryjnym w zakresie właściwości ochronnych, uwzględniających wyznaczenie odporności na promieniowanie cieplne, ciepło konwekcyjne i ciepło kontaktowe, a także w zakresie wybranych parametrów użytkowych (masa, grubość, wytrzymałość połączeń) oraz pod kątem komfortu termofizjologicznego. W wyniku przeprowadzonych prac wytypowano optymalny model układu, zapewniający wysoką odporność na promieniowanie cieplne (RHTI24 > 95 s), ciepło od płomienia (HTI > 20 s), ciepło kontaktowe (tt > 15 s) na poziomie najwyższych klas ochrony zgodnie z wymaganiami z PN-EN ISO 11612:2015-11, o niskiej masie ok. 25 g i grubości ok. 1 cm, wykonany z membrany poliuretanowej na nośniku aramidowym i wypełniony aerożelem krzemionkowym w formie granulatu.

Opracowany model materiału tekstylnego z warstwą aerożelu i materiały informacyjne przygotowane do udostępnienia w serwisie internetowym CIOP-PIB zostały przedstawione i poddane weryfikacji podczas seminarium dla producentów odzieży ochronnej z wykorzystaniem ankiety (21 ankiet).

Układ wykonany z membrany poliuretanowej na nośniku aramidowym, złożony z elementów o specjalnej konstrukcji tworzących tunele do umieszczania aerożelu, jest przedmiotem zgłoszenia wzoru użytkowego pt. „Pakiet z warstwą aerożelu do ochrony przed przenikaniem ciepła”.

Przygotowano także dokumentację techniczną układu z warstwą aerożelu do ochrony przed przenikaniem ciepła.

Wyniki projektu przedstawiono w 3 publikacjach w czasopismach o zasięgu międzynarodowym i 1 publikacji przygotowanej do czasopisma o zasięgu międzynarodowym oraz zaprezentowano w referacie na 1 konferencji krajowej.



Jednostka: Pracownia Odzieży Ochronnej

Okres realizacji: 01.01.2017 – 31.12.2019