SZTUKA KOMPROMISU WYNIKAJĄCA Z WIEDZY – PARĘ SŁÓW O MEMBRANIE

Czy mamy świadomość, że dobre zarządzanie problematyką środków ochrony indywidualnej strażaka to sztuka kompromisu pomiędzy: ochroną termiczną, „oddychalnością” i komfortem noszenia? Jakie w tym wszystkim znaczenie ma membrana?

Strażacy podczas wykonywania swoich czynności często podejmują wysiłek fizyczny, który jest równy wysiłkowi fizycznemu wyczynowych sportowców. Jednak nasze ubrania, rękawice, byty czy hełmy nie mogą być tak lekkie i cienkie jak np. u narciarzy czy saneczkarzy. Muszą one (od komfortu noszenia po ochronę osobistą) w niektórych przypadkach spełniać sprzeczne wymogi, które zmuszają producentów do stosowania kompromisów. Na świecie od dziesięcioleci bada się złożone powiązania między oczekiwaniami strażaków z zapewnieniem im skutecznej ochrony i oddychalności ich środków ochrony indywidualnej a nowoczesnymi technologiami (materiały). Wszystko to ma na celu jeszcze głębsze zrozumienie wielu interakcji i ich konsekwencji.

Ubrania ochronne strażaków w większości wariantów zawierają trzy lub cztery warstwy tekstylne. Jest to: materiał zewnętrzny, zlaminowana z nośnikiem membrana, izolacja termiczna i podszewka. Taka konstrukcja zapewnia najlepsze połączenie różnych ważnych właściwości ochronnych jakie są pożądane przy wykonywaniu zawodu strażaka.

Materiał zewnętrzny i podszewka wewnętrzna zawsze tworzą ramę konstrukcyjną ubrania i są niezmienne w swoim położeniu aby spełniać wymogi normy PN-EN 469. Pozostałe warstwy (membrana, warstwa termoizolacyjna) mogą zmieniać swoje położenie względem ramy konstrukcyjnej. Dotyczy to również orientacji membrany. Ma to bezpośredni wpływ na oddychalność (wchłanianie wilgoci i odprowadzanie wilgoci) a tym samym na ochronę i komfort odzieży. Dlatego też ubrania wykonane z tych samych materiałów ale z różną orientacją membrany i warstwy termoizolacyjnej względem siebie osiągają różne współczynniki HTI 12/24, RHTI 12/24 i RET. 

Przykłady struktur warstwowych ubrania ochronnego zgodnego z PN-EN 469

Zatem zastosowane materiały i ich rozmieszczenie względem siebie ma kolosalne znaczenie dla parametrów całego ubrania. Budowa odzieży ochronnej pozostaje zadaniem złożonym, w którym należy wziąć pod uwagę szeroki zakres czynników wpływających aby osiągnąć oczekiwany przez nas efekt.

Główną i najważniejszą funkcją odzieży ochronnej strażaka jest jej ochrona termiczna. Odzież strażacka zawiera zatem w swojej strukturalnej budowie izolację termiczną, w której włókna tekstylne lub systemy splotów ułożone w taki sposób, że zawierają niezliczone drobne pory na powietrze i w ten sposób izolują przewodzenie ciepła na ciało. Ochrona termiczna (zabezpieczenie przed płomieniem i ciepłem promieniowania) działa najlepiej, gdy izolacja termiczna pozostaje możliwie sucha. Jeśli jest wilgotna lub nawet nasączona, traci swoje działanie. Energia cieplna jest wtedy doprowadzana do ciała do 23 razy szybciej, a ryzyko poparzenia wzrasta gwałtownie. Sytuacja taka jest możliwa w dwóch przypadkach. Jeśli np. woda gaśnicza lub deszcz zamoczą ubranie z zewnątrz, albo gdy ciepło i wysiłek fizyczny strażaka podczas użytkowania są tak wysokie, że pot ciała jest pochłaniany przez izolację termiczną oraz wilgoć i ta nie może być usunięta wystarczająco szybko na zewnątrz.

Niezależnie jednak od tego, czy strażak w danym momencie jest narażony na ekstremalne promieniowanie cieplne czy płomień, musi być zawsze równocześnie jak najlepiej chroniony przed wodą z zewnątrz i wodą od środka (przegrzaniem ciała). 

Wydolność fizyczna strażaka a komfort noszenia

Zwiększona waga ubrania spowodowana wodą wytwarzaną przez strażka w postaci potu zmniejsza jego komfort. Jest to poważny czynnik, który ingeruje w interakcję pomiędzy izolacją cieplną, barierę wilgoci i termoregulacją ciała. Aby utrzymać najwyższą możliwą wydolność strażaka, jego ciało musi być zatem chronione przed przegrzaniem. W przypadku wzrostu temperatury wnętrza ciała, w wyniku wysiłku i wysokich temperatur otoczenia, pot z powierzchni skóry musi odparować. To odparowanie odprowadza energię cieplną z ciała i ochładza je. Pocenie w postaci ciekłej nie pochłania prawie żadnej energii cieplnej i dlatego powinno być szybko usuwane na zewnątrz bez osadzania się w warstwie odzieży, zwłaszcza w izolacji termicznej.

Zdolność oddychania odzieży jest zatem niezwykle ważna nie tylko dla zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa termicznego ale także komfortu noszenia. Odparowany pot powinien być w stanie jak najszybciej przeniknąć przez wszystkie warstwy ubrania. Chłodzenie skóry działa skuteczniej, gdy odparowywany pot przenika w błonę membrany tak blisko ciała jak to tylko możliwe i jest odprowadzany na zewnątrz poprzez oddychającą warstwę zewnętrzną.

Membrana – jej orientacja „do wewnątrz” lub „na zewnątrz”

Dzisiejsze ubrania ochronne strażaków zmniejszają ryzyko zwilżenia izolacji termicznej dzięki barierze chroniącej przed wilgocią, tj. wodoodporną i jednocześnie przepuszczającą parę wodną (oddychającą) membranę. Z uwagi na swoją „delikatność” i aby uzyskała ona postać spoiwa materiałowego, membrana jest zawsze laminowana na podłoże tekstylne. Tworzy skuteczną barierę pomiędzy wewnętrznymi warstwami ubrania a materiałem zewnętrznym przed przenikaniem wody i zanieczyszczeń, ale pozwala też na ucieczkę potu w postaci pary wodnej na zewnątrz.

Konstrukcja odzieży (układ komponentów), a tym samym ułożenie membrany w jej wnętrzu zależy przede wszystkim od wcześniejszej analizy ryzyka dla użytkownika i parametrów jakie chcemy osiągnąć na podstawie tej analizy. Tylko dzięki nim można podjąć zasadniczą decyzję o tym, gdzie w strukturze warstwowej odzieży membrana zapewni najwyższy kompromis pomiędzy ochroną termiczną a oddychalnością. Czy zorientowana na tkaninę zewnętrzną ("Membrana od zewnętrz", grafika 1), czy na ciało ("Membrana od wewnątrz", grafika 2)? Każdy wariant ma zalety i ograniczenia, które należy zawsze zważyć.

"Membrana od zewnętrz"

Struktura ubrania "membrana od zewnętrz" powoduje, że znajduje się ona bezpośrednio za tkaniną zewnętrzną i wyróżnia się przede wszystkim silną ochroną przed wilgocią zewnętrzną odzieży. Materiał nośny membrany i warstwa izolacyjna pozostają w dużej mierze funkcjonalne nawet przy „mokrym” pożarze wewnętrznym i dużej ilości wody deszczowej. Kolejną zaletą jest to, że można dobrać lżejszy ale szczelnie tkany materiał zewnętrzny odporny na działanie płomienia. Sprawia to, że ubiór staje się bardziej elastyczny i nawet silna wilgoć z zewnątrz tylko nieznacznie zwiększa jego wagę.

Wadą jest to, że w przypadku silnego pocenia się, wewnętrzna wyściółka pochłania pot i przenosi go na sąsiadującą warstwę izolacyjną oraz warstwę nośną membrany. Osłabia to ochronę cieplną. Ponadto waga odzieży wzrasta, gdy izolacja termiczna i materiał nośny membrany są namoczone, a wilgoć w postaci pary wodnej nie może szybko „uciec” na zewnątrz przez membranę. Efekt chłodzenia skóry jest zatem odpowiednio niższy. Schnięcie takiego ubrania też trwa dłużej.

"Membrana od wewnątrz"

Korzystniejszą pod tym względem oddychalności jest struktura warstwowa z membraną "od wewnątrz", tj. bezpośrednio opierającej się na warstwie termoizolacyjnej. Dzięki temu membrana wspomaga silniejsze oddawanie ciepła i odparowywanie wilgoci wyprodukowanej przez strażaka. Zapewnia, że duża część potu w postaci pary wodnej wydostaje się przez pozostałe warstwy na zewnątrz.

Zalety takiego rozwiązania redukowane są niestety poprzez możliwość nasączenia wodą z zewnątrz nośnika membrany przez co ochrona termiczna spada, oddychalność się zmniejsza a waga ubrania wzrasta.  Aby chronić nośnik membrany przed nasączeniem wilgocią od strony materiału zewnętrznego trzeba zatem dobierać cięższe i „bardziej szczelne hydrofobowo” tkaniny zewnętrzne co wiąże się oczywiście ze wzrostem masy.

Jednym z wariantów ułożenia membrany w ubraniu ochronnym jest jej ułożenie z nośnikiem bezpośrednio za podszewką, tj. przed warstwą termoizolacyjną (grafika 3). Zasadniczo, ten wariant ma te same zalety i wady co struktura warstwy z membraną "od wewnątrz" ale poprawia oddychalność odzieży. Zwiększa się natomiast  wnikanie wilgoci w materiał nośny i warstwę termoizolacyjną co przekłada się na komfort użytkownika i zmniejszenie ochrony cieplnej w przypadku odzieży mokrej.

Kompromisy dotyczące szczególnych wymagań

Wielorakie interakcje pomiędzy izolacją termiczną, położeniem membrany, termoregulacją ciała i warunkami pracy (umiarkowane lub nieoczekiwanie silne wydzielanie ciepła, jak np. w przypadku Flashover czy Backdraftu) silnie wpływają na funkcjonalność odzieży ochronnej strażaka.

W celu osiągnięcia właściwej równowagi oczekiwań należy zatem na podstawie analizy ryzyka określić jakie parametry mają być na najwyższym poziomie a jakie na poziomie akceptowalnym. Jak już taką decyzję podejmiemy producenci dobiorą nam materiały, które we właściwej orientacji względem siebie spełnią nasze oczekiwania.

Należy jednak pamiętać zawsze, że każde rozwiązanie stanowi kompromis w odniesieniu do konkretnych wymagań. Aby ocenić ich mocne strony w praktycznym zastosowaniu, opracowano różne procedury badań. Kluczowym parametrem tych badań jest wg normy PN-EN 449 „czas ucieczki” oparty o wzrost temperatury o 12° - odczuwalny ból skóry.

Współczynniki HTI 12/24 i RHTI 12/24 – określają ilość sekund jakie pozostały strażakowi na ucieczkę w przypadku nagłego stresu cieplnego, aby mógł wydostać się ze strefy zagrożenia bez obrażeń. Jeśli izolacja termiczna jest nasączona wodą, czas reakcji ulega skróceniu. Absorpcja wody obniża nie tylko ochronę termiczną, ale również konserwację odzieży bo suszenie wymaga więcej czasu. Dłuższy jest zatem czas osiągniecia przez odzież pełnych właściwości ochronnych.  

System GORE^® PARALLON^TM

Firma Gore opracowała nowatorską technologię w konstrukcji odzieży strażackiej. Bazuje ona na zdobytej przez lata wiedzy i zmianach konfiguracji materiałowych, która zapewnia stabilność ochrony cieplnej nawet w sytuacjach pożarowych „na granicy” - gdy zbiegają się ze sobą różne niekorzystne okoliczności (duży bodziec energetyczny z wilgocią).

System GORE^® PARALLON^TM składa się z dwóch barier przeciwwilgociowych. Podszewka wewnętrzna i izolacja termiczna posiadają oddychającą, wodoodporną membranę po swojej zewnętrznej stronie. Jest to pierwszy przypadek, kiedy izolacja termiczna jest chroniona przed wilgocią z obu stron, bez wpływu na jej oddychalność.

GORE^® wykonało testy porównawcze kompletnych ubrań (z identycznym materiałem zewnętrznym) z tą membraną, ze swoimi innymi powszechnie już stosowanymi membranami GORE-TEX®. Testy wykazały, że nastąpił znaczny postęp, bo ubrania z tą membraną zachowały oczekiwaną ochronę termiczną, bez względu na to czy materiał zewnętrzny czy podszewka zostały całkowicie nasączone wodą. Utrzymano zatem oczekiwany czas przenikania ciepła i „ucieczki”. Zachowana została dobra oddychalność, polepszona została za to ochrona termiczna w kontakcie z gorącymi powierzchniami. Zmniejszono absorpcję wody, przez całe ubranie dużo szybciej można użyć w akcji po procesie suszenia.

Innowacja ta stanowi kolejny krok w długim okresie rozwoju ubrań ochronnych strażaków. Dogłębna znajomość wielopłaszczyznowych oddziaływań pomiędzy ochroną cieplną a barierą wilgociową może w przyszłości przyczynić się do dalszej optymalizacji materiałów w produkcji odzieży strażackiej.

Legenda do tekstu:

HTI - płomień

Wskaznik przenikania ciepła HTI12- określa czas, po którym przy działaniu płomienia (plomien przyłożony z zewnatrz)  temperatura wzrasta o 12° (odczuwalny ból skóry)

Wskaznik przenikania ciepla HTI24 - określa czas, po którym przy działaniu płomienia (plomien przlozony z zewnatrz)  temperatura wzrasta o 24° (ryzyko oparzeń 2 stopnia)

Wkaznik przenikania ciepla HTI24-HTI12 - określa czas jaki pozostaje strażakowi od odczucia pierwszego bólu do ucieczki bez oparzenia.

RHTI - promieniowanie

Wskaznik przenikania ciepła RHTI12 - określa czas, po którym przy działaniu promieniowania cieplnego  temperatura wzrasta o 12° (odczuwalny ból skóry)

Wskaznik przenikania ciepla RHTI24 - określa czas, po którym przy działaniu promieniowania cieplnego  temperatura wzrasta o 24° (ryzyko oparzeń 2 stopnia)

Wskaznik przenikania ciepla RHTI24-RHTI12 - określa czas jaki pozostaje strażakowi od odczucia pierwszego bólu do ucieczki bez oparzenia.

Opór pary wodnej „RET” (na odzieży oznaczony jako „Z”) - zdolność uwolnienia pary wodnej (potu) wytworzonego przez użytkownika. Im mniejszy RET tym lepsza oddychalność.