Type de document

Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2015

Langue

Français

Résumé

Les contraintes thermiques liées au port des vêtements individuels de protection (VIP) contre la chaleur et les flammes sont un problème préoccupant pour la santé et la sécurité des pompiers. Les matériaux utilisés dans la fabrication des VIP ont souvent le désavantage d’être lourds, rigides et d’empêcher l’évacuation de la chaleur produite par l’activité physique lors d’une intervention. Deux nouvelles technologies de matériaux ont été développées par le Groupe CTT, un centre de transfert technologique spécialisé dans la recherche et la conception de matériaux textiles, et ses partenaires industriels, afin de réduire les astreintes physiologiques des travailleurs exposés au stress thermique. L’une de ces technologies consiste en un système d’absorption de la chaleur, et l’autre est un nouveau matériau qui entre dans la fabrication d’un VIP. Réalisée en deux volets, cette étude avait comme objectif d’évaluer l’efficacité de ces deux technologies par une analyse de la réponse physiologique de sujets exposés à des conditions environnementales contrôlées.

Des sujets masculins (huit pour chacun des volets de l’étude) ont exécuté sur un tapis roulant des tests d’efforts avec une charge de travail équivalente à 250 Watts, dans une chambre climatique où la température et l’humidité relative étaient contrôlées et fixées à 35°C et 50 %, respectivement. Le protocole expérimental utilisé était basé sur la méthode d’essai normalisée ASTM F2300-10. Les astreintes thermophysiologiques exercées par les différentes conditions expérimentales ont été comparées à l’aide des variables suivantes : la consommation d’oxygène, la fréquence cardiaque, la perte hydrique, les températures cutanée et interne du corps, le taux d’humidité et la température à l’intérieur du VIP, ainsi que la perception psychophysique des sujets.

Dans le premier volet de l’étude, l’efficacité d’un système d’absorption de la chaleur, composé de nouveaux matériaux à changement de phase (MCP), a été évaluée. Une veste en tulle de nylon (prototype 1), munie de sachets contenant les MCP, était portée par-dessus un T-shirt de coton à l’intérieur d’un VIP standard. Les effets des MCP ont été évalués sous trois conditions expérimentales : 1) VIP standard seulement, 2) VIP standard et veste contenant les MCP, et 3) VIP standard et veste contenant une substance contrôle ayant un poids égal au MCP. Les résultats ont montré que les MCP permettent de réduire la température cutanée et de ralentir la progression de la température interne. Par contre, les effets sur la fréquence cardiaque et la déshydratation n’ont pas pu être établis de manière significative, possiblement en raison du fait que la veste n’était pas en contact direct avec le corps et que le T-shirt de coton a pu nuire à l’évaporation de la sueur. Le poids de la veste n’a pas semblé avoir un effet significatif sur les variables mesurées, au regard de la condition 3 par rapport aux deux autres conditions. À la suite de ces résultats, un nouveau prototype de veste a été conçu.

Dans le second volet, un nouveau matériau intégré double densité pour la fabrication d’un VIP a été évalué et comparé aux matériaux utilisés dans les habits de pompier standard. De plus, l’utilisation de MCP dans une nouvelle veste améliorée à la suite des résultats du premier volet, a aussi été évaluée. Remplaçant le T-shirt de coton, cette veste (prototype 2), fabriquée d’un tissu extensible conducteur et portée directement sur la peau, sous le VIP, a permis un meilleur échange thermique avec la peau. Quatre conditions expérimentales ont été comparées afin de mettre en évidence les effets du nouveau matériau double densité, ainsi que de la nouvelle veste contenant les MCP : 1) VIP standard et T-shirt, 2) VIP standard et MCP, 3) VIP à double densité et T-shirt, et 4) VIP à double-densité et MCP. Les résultats ont démontré que l’introduction des MCP dans les VIP (standard et à double densité) favorise une réduction significative des astreintes thermophysiologiques, lorsque la veste permet un transfert thermique optimal avec la peau de l’utilisateur, comme c’était le cas pour le prototype 2. Pour sa part, le VIP à double densité semble créer un effet d’isolation plus important que celui du VIP standard. Cette isolation aurait un effet négatif sur le confort en conservant davantage la chaleur à l’intérieur du VIP lorsque la température interne du corps devient élevée. Toutefois, cette isolation semble devenir avantageuse lorsque la veste est portée sous l’habit, permettant de conserver l’effet refroidissant des MCP à l’intérieur du VIP et ainsi de maintenir une température interne basse.

Cette étude démontre la pertinence de la recherche et du développement de nouveaux matériaux dans le but d’améliorer l’efficacité de la thermorégulation lors du travail en ambiance chaude. Les conclusions obtenues ouvrent la voie à une optimisation de la disposition et de l’efficacité des MCP dans un VIP.

Abstract

The heat stress associated with wearing heat- and flame-resistant personal protective clothing (PPC) is a serious problem for the health and safety of firefighters. The materials used in the manufacture of PPC often have the disadvantage of being heavy and rigid and of preventing evacuation of the heat generated by physical activity during an intervention. Two new material technologies have been developed by Groupe CTT (a technology transfer centre specialized in research and the design of textile materials) and its industrial partners in order to reduce the physiological effects suffered by workers exposed to heat stress. One of these technologies consists of a heat absorption system, while the other is a new material used in the manufacture of PPC. The aim of this study, which was carried out in two parts, was to evaluate the efficacy of these two technologies by analyzing the physiological response of subjects exposed to controlled environmental conditions.

Male subjects (eight for each part of the study) performed stress tests on a treadmill with a workload equal to 250 watts, in a climatic chamber where the temperature and humidity were controlled and set at 35°C and 50% respectively. The experimental protocol used was based on the ASTM F2300-10 standardized test method. The thermophysiological responses elicited by the various experimental conditions were compared using the following variables: oxygen consumption, heart rate, water loss, skin and internal body temperatures, humidity and temperature levels inside the PPC, as well as the subjects’ psychophysical perceptions.

The efficacy of a heat absorption system, composed of new phase-change materials (PCM), was evaluated in the first part of the study. A nylon mesh vest (prototype 1) equipped with pouches containing the PCMs, was worn over a cotton T-shirt inside a standard PPC outfit. The effects of the PCMs were evaluated under three experimental conditions: (1) standard PPC only, (2) standard PPC and a vest containing the PCMs, and (3) standard PPC and a vest containing a control substance equal in weight to the PCMs. The results showed that the PCMs reduced skin temperature and slowed the rise in the internal body temperature. However, no significant effects on heart rate and dehydration could be established, possibly due to the facts that the vest was not in direct contact with the body and that the cotton T-shirt may have impeded sweat evaporation. The vest’s weight did not appear to have a significant effect on the variables measured with respect to the third condition, compared to the other two conditions. A new prototype vest was designed in light of these results.

In the second part of the study, a new double-density integrated material for the manufacture of PPC was evaluated and compared to the materials used in standard firefighter clothing. The use of PCMs in a new vest enhanced on the basis of the results of the first part of the study, was also evaluated. Replacing the cotton T-shirt, this vest (prototype 2), made from a conductive stretch fabric worn directly against the skin under the PPC, allowed a better heat exchange with the skin. Four experimental conditions were compared to cast light on the effects of the new double-density material and of the new vest containing the PCMs: (1) standard PPC and T-shirt, (2) standard PPC and PCMs, (3) double-density PPC and T-shirt, and (4) double-density PPC and PCMs. The results showed that inserting PCMs into the PPC (standard and double-density) significantly reduced the thermophysiological effects, with the vest allowing optimal heat exchange with the user’s skin, as was the case with prototype 2. The double-density PPC appears to have a bigger insulation effect than that of standard PPC. This insulation property appears to negatively affect user comfort because it keeps the heat inside the PPC when the body’s internal temperature is raised. However, it appears advantageous when the vest is worn under the PPC because it keeps the cooling effect of the PCMs inside the PPC, thus maintaining a lower internal body temperature.

This study demonstrated the relevance of research and the development of new materials to the aim of improving the efficacy of thermoregulation during work in hot environments. The findings open the doorway to optimizing the system and the efficacy of the PCMs in PPC.

ISBN

9782896318285

Mots-clés

Service des incendies, Fire service, Charge thermique, Heat load, Vêtement de protection, Protective clothing, Évaluation du matériel, Evaluation of equipment, Épreuve d'effort, Exercise test, Thermorégulation, Regulation of body temperature, Mesure de la fréquence cardiaque, Heart rate monitoring, Mesure de la consommation d'oxygène, Oxygen consumption monitoring, Température corporelle, Body temperature, Température cutanée, Skin temperature, Recherche sur l'homme, Human experiment, Québec

Numéro de projet IRSST

0099-8490

Numéro de publication IRSST

R-891

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