Külmladudes töötavad inimesed veedavad oma vahetuse −18 kuni −30 °C juures, vaheldumisi raskusi tõstes ja peaaegu liikumatult tõstukil töötades. Tavapärane soe töörõivas pakub kandjale samasugust soojusisolatsiooni sõltumata tema füüsilisest aktiivsusest. Aga kas rõivas saaks kohanduda kandja kehasoojuse muutustega?
Sellele küsimusele otsis vastust Tallinna Tehnikakõrgkooli korraldatava vebinarisarja viiendal kohtumisel Ameerika Ühendriikides Colorados asuva ettevõtte Textile Testing & Innovation asutaja dr Barbara Pause. Ta tutvustas faasimuutusmaterjalide ehk PCM-ide (inglise keeles phase change materials) kasutamist kehasoojuse salvestamiseks ja vabastamiseks. Tegu on osaga vebinaride sarjast, mis leiab aset 2027. aastal mais Tallinna Tehnikakõrgkoolis toimuva 12. Euroopa kaitseriietuse konverentsi ECPC2027 raames.
Kuidas faasimuutusmaterjalid toimivad
Faasimuutusmaterjalid neelavad sulamisel ja vabastavad tahkumisel suure hulga latentset soojust, kusjuures materjali temperatuur püsib faasimuutuse ajal peaaegu muutumatuna. Näiteks neelab jää sulamisel umbes 335 J/g energiat – sama palju, kui kulub vee soojendamiseks ligikaudu 80 °C võrra.
Faasimuutusmaterjale on rohkem kui 500 ning need erinevad nii faasimuutuse temperatuurivahemiku kui ka soojuse salvestamise võime poolest. Tekstiilides kasutatakse peamiselt parafiine, sest need on stabiilsed, mittetoksilised, mittekorrodeerivad, laialdaselt kättesaadavad ja suhteliselt odavad. Puhta parafiini latentse soojuse salvestusvõime võib ületada 200 J/g.
Kulutõhusamate segude, näiteks umbes 80% oktadekaani sisaldavate segude salvestusvõime on mõnevõrra väiksem, kuid nende sulamisvahemik on laiem. Sarnaste omadustega on ka biopõhised rasvhapped, näiteks kookosõlist saadav müristiinhape. Soolahüdraate kasutatakse seevastu peamiselt tehnilistes rakendustes.
Kapslist kangani
Kuna faasimuutusmaterjal vaheldub tahke ja vedela oleku vahel, tuleb see vedela materjali lekkimise vältimiseks kapseldada. Üks võimalus on mikrokapseldamine: faasimuutusmaterjal paigutatakse 5–30 µm läbimõõduga kapslitesse, mille sisust moodustab ligikaudu 80 mahuprotsenti PCM ning mida ümbritseb õhuke polümeerkest, tavaliselt akrüülvaigust. Kapseldatud PCM-id on saadaval eri tüüpidena, mille faasimuutuse temperatuurid jäävad vahemikku −10 kuni 50 °C. Iga kapslitüüp toimib kindlas, suhteliselt kitsas temperatuurivahemikus.
Tekstiilmaterjalidesse saab kapsleid neid viia peamiselt kolmel viisil:
- Kiudude ja lõngade kaudu. PCM-i saab lisada märgketruse teel valmistatud akrüülkiududesse või kahekomponendilistesse polüesterkiududesse. Sellised kiud võivad sisaldada 5–7 massiprotsenti PCM-i. Õhu läbilaskvus säilib üldjuhul hästi, kuid soojuse salvestamise võime on piiratud.
- Katete abil. Akrüül-, polüuretaan- või silikoonkatted võivad sisaldada kuni 50 massiprotsenti PCM-i, võimaldades salvestada rohkem soojust, kuid vähendades samal ajal kanga hingavust. Kompromissina võib kasutada siiditrükki, mille puhul kantakse PCM-i sisaldav segu ainult osale kanga pinnast.
- Polümeerkiledes. PCM-i saab lisada ka polümeerkiledesse, näiteks silikoonkiledesse. Mõnel juhul on võimalik kasutada ka kapseldamata ristseotud parafiini.
Aktiivne soojusbarjäär
Vastupidiselt levinud arvamusele ei anna rõivasse lisatud PCM salvestatud soojust tingimata otse nahale tagasi. Selle peamine ülesanne on salvestada ja vabastada soojust vastavalt ümbritseva keskkonna ning rõivakihtide temperatuurile. Füüsilise aktiivsuse suurenedes toodab keha rohkem soojust, kui rõivasüsteem suudab ära juhtida. Sellisel juhul neelab PCM osa liigsest soojusest. Kui füüsiline aktiivsus väheneb ja keha toodab vähem soojust, vabastab PCM salvestatud soojuse, aidates vähendada keha jahtumist.
Seega ei suurenda PCM otseselt kanga soojusisolatsiooni, vaid puhverdab inimkeha jahtumist ja soojuse muutumist rõivasüsteemis.
Oluline on ka rõiva disain. Õhuke ja tihe alusmaterjal soodustab soojuse jõudmist PCM-ini ja selle neeldumist, samal ajal kui kohev ja paks soojustuskiht aitab vabanevat soojust kauem rõivasüsteemis hoida.
Määrava tähtsusega on PCM-i faasimuutuse temperatuur. Külmlaotöötajate rõivakihtides mõõdetud temperatuuriprofiilid näitasid, et eri kihtide töötemperatuurid võivad märkimisväärselt erineda: aluspesus oli temperatuur ligikaudu 26–32 °C, töörõivas 17–23 °C ning sooja voodriga töörõivas 8–16 °C. Ühe rõivakihi jaoks valitud PCM ei pruugi teises kihis üldse toimida, kui selle faasimuutuse temperatuur ei vasta vastava kihi temperatuurile. See võib olla üks põhjus, miks rõivakihtidesse integreeritud PCM ei anna alati oodatud tulemust.
Külmlaotöötajatele sobiva rõivasüsteemi arendus
Barbara Pause ja tema ettevõte Textile Testing & Innovation töötasid välja külmlaotöötajatele sobiva rõivasüsteemi, lähtudes külmladude tegelikest töötingimustest. Külmhoonetes vahelduvad suure füüsilise koormusega ülesanded ja vähest liikumist nõudev tõstukitöö. See esitab rõivastele vastandlikke nõudmisi: füüsilise töö ajal toodab keha palju soojust, kuid tõstukil istudes väheneb soojatootmine märgatavalt.
Arenduse eesmärk oli kohandada rõivasüsteemi soojuslikku toimivust vastavalt kandja muutuvale füüsilisele aktiivsusele. Selleks töötati välja arvutimudel ja tarkvara, millega sai modelleerida keha soojatootmise, rõivakihtide temperatuuride ja soojusülekande vahelisi seoseid ning määrata nende põhjal sobiva PCM-i tüübi, koguse ja paiknemise.
Lähtepunktiks oli kolmest kihist koosnev rõivasüsteem: 100% villasest materjalist aluspesu, töörõivas ja sooja vatiinvoodriga külmakaitseülikond. Arendajad analüüsisid eri tööülesannete mõju keha soojatootmisele ning modelleerisid rõivakihtide temperatuurid, et leida PCM-ile sobiv faasimuutuse temperatuur, vajalik kogus ja optimaalne asukoht.
Arenduses kasutati tarkvarapõhist metoodikat, mis lähtus töötajate tegelikust töökorraldusest. Analüüsi aluseks võeti 90-minutilised tööperioodid, millele järgnesid 30-minutilised soojenduspausid. Keha soojatootmist hinnati sõltuvalt tööülesandest: sorteerimis-, tõstuki- ja kontrolltööde puhul jäi see vahemikku 70–200 W. Töötaja päeva jooksul esinevaid 20–30 erinevat tegevusprofiili arvestades arvutati soojusbilansid, mille põhjal määrati PCM-i vajalik kogus ja sobivaim paiknemine rõivasüsteemis.
Parimaks asukohaks osutus voodri ja soojustusvatiini vaheline kiht. Õhuke ja tihe vooder võimaldab soojusel PCM-ini jõuda, samal ajal kui kohev vatiin aitab soojust rõivasüsteemis hoida.
Arvutuste põhjal vajas ülikond ligikaudu 30 kJ latentse soojuse salvestusvõimet. Selle tagamiseks kasutati umbes 155 g heksadekaani mikrokapsleid, mille latentse soojuse salvestusvõime oli ligikaudu 190 J/g. Kapslid kanti polümeerisegu abil siiditrükiga kergele lauskangale. Lahendus suurendas ülikonna kaalu vaid 10–15%.
Tulemused tegelikus töökeskkonnas
Välikatsetes võrreldi PCM-iga ja PCM-ita külmakaitseülikonna toimivust eri tööetappides: tõstukiga töötamisel, raskuste tõstmisel ja kandmisel ning sellele järgnenud tõstukitöö ajal. PCM-iga rõivas püsis soojusliku mugavuse vahemikus stabiilsemana, samal ajal kui PCM-ita rõiva sisekliima temperatuur langes tõstukitöö ajal märgatavalt ja tõusis raskuste käsitsemisel järsult.
PCM-i kogust veidi suurendades õnnestus pikendada tööperioodi 90 minutilt 110 minutile. See vähendas vajadust teha töö ajal soojenduspausi soojas ruumis. Metoodikat ja tulemusi käsitleb põhjalikumalt Barbara Pause’i raamat, mille on avaldanud kirjastus Cambridge Scholars Publishing.
Peamised järeldused
Faasimuutusmaterjalid võivad parandada töörõivaste soojuslikku mugavust külmades töötingimustes, kus töötajate füüsiline aktiivsus vaheldub. Nende toimivus sõltub aga sobiva faasimuutuse temperatuuriga materjali valikust ja selle õigest paigutamisest rõivasüsteemis. Uuritud lahenduses andis parima tulemuse PCM-i paigutamine voodri ja soojustusvatiini vahele.
Külmlaotöötajatele sobiva rõivasüsteemi arendamisel võimaldas PCM-i koguse suurendamine pikendada tööperioodi 90 minutilt 110 minutile, suurendades ülikonna kaalu vaid 10–15%. Parem soojuslik mugavus võib aidata parandada töötajate töötingimusi ja toetada nende töövõimet. Mõju tööviljakusele vajab aga eraldi hindamist.
Vebinar on täies ulatuses järelvaadatav SIIN.
Vaata lisa ECPC2027 konverentsi ja veebiseminaride sarja kohta: https://ecpc2027.ee ja ECPC LinkedIn.
