Bahnbrechende Anwendung einer feuchtigkeitsabsorbierenden Folie zur Verringerung von Hitzestress in persönlichen Schutzanzügen

Neue Verbundfolie senkt den Hitzeindex oder die "gefühlte Lufttemperatur" um etwa 40%

29.03.2022 - Singapur

Ein Forscherteam der National University of Singapore (NUS) hat ein neuartiges super-hygroskopisches Material entwickelt, das die Schweißverdunstung in einem persönlichen Schutzanzug verbessert, um einen Kühleffekt zu erzeugen und so den thermischen Komfort für die Benutzer, wie z. B. medizinisches Personal und andere Beamte, zu verbessern. Diese Erfindung wurde durch Labortests validiert, die in Zusammenarbeit mit Forschern der HTX (Home Team Science & Technology Agency) in Singapur durchgeführt wurden.

Die neue Trockenmittelfolie, die biokompatibel und ungiftig ist, hat eine schnelle Absorptionsrate, eine hohe Absorptionskapazität und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften. Das bedeutet, dass das Material sehr robust und langlebig ist und sich für praktische Anwendungen eignet, z. B. für Schutzanzüge, die von medizinischem Personal getragen werden. Außerdem ist es erschwinglich, leicht, einfach zu verarbeiten und wiederverwendbar.

"Bei einer Raumtemperatur von etwa 35Grad Celsius erfährt ein Mitarbeiter des Gesundheitswesens, der eine Stunde lang einen Schutzanzug trägt, typischerweise einen Hitzeindex von etwa 64 Grad Celsius. Dies verursacht Unbehagen und kann bei längerer thermischer Belastung zu einem Hitzschlag und sogar zum Tod führen. Unser neuartiger Verbundfilm, der Feuchtigkeit einschließt, erzielt eine kühlende Wirkung innerhalb des Schutzanzugs durch Verdunstungskühlung - indem er die Schweißverdunstung von der Haut erhöht", erklärte der Leiter des Forschungsteams, Assistant Professor Tan Swee Ching, vom Department of Materials Science and Engineering des NUS College of Design and Engineering.

Die Anbringung eines Stücks der neuartigen Verbundfolie in einem Schutzanzug - beispielsweise am Rücken des Anzugs - könnte den Hitzeindex um etwa 40 % senken und damit die Wahrscheinlichkeit eines Hitzschlags deutlich verringern.

Diese Erfindung wurde am 20. Februar 2022 in der renommierten Fachzeitschrift Small veröffentlicht.

Dieser Forschungsdurchbruch zeigt das positive Ergebnis der Nutzung der sich ergänzenden Stärken von NUS und HTX, um greifbare Vorteile für das Heimteam[1] und die Allgemeinheit zu schaffen. Durch die Kombination der wissenschaftlichen Kenntnisse des NUS-Teams über fortschrittliche Hydrogel-Materialien und des tiefen Verständnisses von HTX für die Bedürfnisse und technischen Möglichkeiten des Home Teams war das gemeinsame Forschungsteam in der Lage, das neuartige feuchtigkeitsabsorbierende Material für praktische Anwendungen anzupassen und zu optimieren, um die Leistung und Produktivität der Einsatzkräfte zu verbessern.

Abkühlung durch erhöhte Schweißverdunstung

Medizinische Schutzanzüge verfügen über hervorragende antibakterielle und wasserdichte Eigenschaften. Dieses hohe Schutzniveau verhindert jedoch die Ableitung von Wasserdampf, der durch verdunsteten Schweiß entsteht, und behindert den Wärmeverlust des Körpers. Aus diesem Grund klagen Anwender, wie z. B. Beschäftigte im Gesundheitswesen, die vor allem in tropischen Umgebungen lange Zeit Schutzanzüge tragen müssen, häufig über berufsbedingte Hitzestress.

Lösungen für das Wärmemanagement, wie z. B. luftgekühlte Kleidung mit elektrischen Ventilatoren oder die Einnahme von Eisbrei, sind aufgrund von Einschränkungen wie Sperrigkeit, hohem Gewicht und begrenzter Wirksamkeit unpraktisch. Hochentwickelte Textilien und Beschichtungen sind zwar vielversprechende Lösungen, aber sie sind schwierig herzustellen und die Produktionskosten sind hoch.

Das NUS-Team hat eine praktische Strategie zur Überwindung der derzeitigen Probleme entwickelt, indem es sich das Prinzip der Verdunstungskühlung zunutze macht. Ihre Lösung besteht in der Verwendung eines superhygroskopischen Verbundfilms, um den Feuchtigkeitsgehalt in der Mikroumgebung des Schutzanzugs zu kontrollieren. Wenn die feuchtigkeitsabsorbierende Verbundfolie Wasserdampf im Schutzanzug absorbiert, sinkt der Feuchtigkeitsgehalt. Dies wiederum beschleunigt die Schweißverdunstung von der Haut. Infolgedessen wird durch Schwitzen mehr Wärme aus dem menschlichen Körper abgeleitet, was den Anwendern, z. B. im Gesundheitswesen, thermischen Komfort bietet.

Um die Wirksamkeit ihrer Lösung zu untersuchen, führte das NUS-Team in Zusammenarbeit mit Forschern von HTX Tests mit einer 20-Zonen-"Newton"-Puppe in einer Klimakammer durch. Dies ist ein wichtiger experimenteller Meilenstein bei der Bewertung der Machbarkeit der Anwendung der Verbundfolie im Maßstab der Ganzkörperbekleidung.

Mit der Verbundfolie sank die relative Luftfeuchtigkeit (RH) bei mäßigem Schwitzen um etwa 40 % - von 91 % auf 48,2 % nach einer Stunde Schwitzen und auf 53,2 % nach zwei Stunden Schwitzen. Das Team fand auch heraus, dass der Hitzeindex oder die gefühlte Lufttemperatur" innerhalb der ersten Stunde nach dem Schwitzen deutlich von 64,6 °C auf 40 °C bei einer Lufttemperatur von 35 °C sank. Bei diesem Wert fühlen sich die Benutzer zwar immer noch heiß, aber die Wahrscheinlichkeit eines Hitzeschlags, von Hitzekrämpfen und Hitzeerschöpfung ist deutlich geringer.

"Diese Experimente zeigen, dass unsere feuchtigkeitsabsorbierende Folie die relative Luftfeuchtigkeit im Schutzanzug wirksam reduziert, wodurch der Hitzeindex erheblich gesenkt und der thermische Komfort für die Benutzer verbessert wird", erklärte Prof. Tan.

In einem weiteren Laborexperiment zeigte das Forschungsteam, dass die Körpertemperatur (bzw. die Hauttemperatur) durch Verdunstungskälte deutlich um 1,5 Grad Celsius gesenkt werden konnte. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass die Verbundfolie den Nutzern - wie z. B. medizinischem Personal, Soldaten oder Feuerwehrleuten - helfen kann, thermischen Stress abzubauen, insbesondere bei anstrengenden Tätigkeiten.

Die Regeneration der Verbundfolie des NUS-Teams ist auch energieeffizienter, da sie eine niedrigere Temperatur erfordert, um die eingeschlossene Feuchtigkeit freizusetzen. Bei 50 Grad Celsius gibt die Verbundfolie nach 10 Minuten 80 % ihres Wassergehalts ab, nach 40 Minuten sind es 95 %. Die meisten hygroskopischen Materialien regenerieren sich bei einer Temperatur von mehr als 100 Grad Celsius über eine Dauer von mehr als einer Stunde.

"Die Ergebnisse der verschiedenen Studien in diesem Projekt lassen uns hoffen, dass die feuchtigkeitsabsorbierende Folie in die persönliche Schutzausrüstung (PSA) und/oder die persönliche Schutzkleidung (PSK) der Einsatzkräfte integriert werden kann, um den thermischen Komfort zu erhöhen und die Leistungsfähigkeit der Einsatzkräfte zu verbessern", so Ying Meng Fai, Direktor des Kompetenzzentrums für menschliche Faktoren und Simulation bei HTX.

Verfeinerungen und Kommerzialisierung

Ermutigt durch die Ergebnisse ihrer jüngsten Studie arbeitet das NUS-Team nun an der Verbesserung ihres hygroskopischen Materials, damit es mehr und schneller absorbieren kann. Das Team plant außerdem, seine Kühlungsstrategie auf andere Arten von Schutzkleidung anzuwenden, z. B. auf solche für Feuerwehrleute.

Darüber hinaus suchen Prof. Tan und sein Team nach Möglichkeiten, diese Technologie zu vermarkten.

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