Development and Evaluation of Firefighting Garment with Both Cooling and Drinking

Abstract

Fire fighter personal protective equipment (FPPE) consisted of helmet, hood, self-contained breathing apparatus (SCBA), gloves and boots. It always worn during fire fighting, and firefighters is exposed to high temperature work environment, affecting dehydration and heat illness. This study investigated the effectiveness of wearing cooling garment under FPPE for alleviating heat strain and firefighting task evaluation during firefighting activities in summer. The study consists of two parts: The first part covers the separate and combined effects of skin cooling and cold fluid ingestion on the alleviation of heat strain when wearing protective firefighting clothing at an air temperature of 30oC with 50%RH. We developed a vest with a dual function of cooling and providing water supply (1.2% body mass). Protocol consisted of a 10 min rest on a chair followed by 30 min 5.5 km hr-1 exercise on a treadmill and a 20 min recovery in a sitting position on the chair. Eight males participated in the following four conditions: control [CON], drinking only [DO], cooling only [CO], and both cooling and drinking [CD]. The results showed that rectal (Tre), mean skin temperature (Tsk) and heart rate (HR) during recovery were lower for CD than for CON (P < 0.05), while no significant differences between the four conditions were found during exercise. CO significantly reduced mean Tsk and HR and improved thermal sensation, whereas DO was effective for relieving thirst and lowering HR in recovery. CD condition showed significant difference Tsk (1.5 ± 0.2oC) than CON. The second part covers the efficiency of mobility of the newly-developed Nomex cooling shirt worn under firefighting personal protective equipment (FPPE) during simulated firefighting tasks. Sixteen firefighters participated in the following four experimental conditions: FPPE (Control), cooling vest A + FPPE (Vest A), cooling vest B + FPPE (Vest B), and Nomex cooling shirt + FPPE (Nomex cooling shirt). As a result, there were no significant differences in completion time, heart rate, total sweat rate, and blood lactate acid among the four conditions. Clothing microclimate temperature on the chest was lower for Nomex cooling shirt (31.2 ± 1.1oC) than Control (33.6 ± 0.8oC) or Vest A (33.5 ± 0.9oC) (P < 0.001). Clothing microclimate humidity and sweat sensation showed no differences among the four conditions. Firefighters felt less hot and less uncomfortable with Nomex cooling shirt and Vest B, compared to Vest A and Control (all P < 0.05). There were no significant differences in mass perception among Vest A, B and Nomex cooling shirt, while Nomex cooling shirt was perceived as less stiff than Vest A and B. In summary, we developed a novel vest with a double function of skin cooling and cold water drinking for firefighters and also developed a cooling garment in shirt form made of Nomex fabric based on fire fighters feed backs in the present study. The first experiment proved that through wearing the novel vest, the combined effect of skin cooling and fluid ingestion was synergistically manifested in Tre, Tsk and subjective perception in recovery. The second part, conducted on the improved garment design from vest form to shirt form, proved that wearing the Nomex cooling shirt under FPPE did not interrupt fire firefighters mobility and show the lowest heart rate.

소방용 개인보호구는 소방헬멧, 방화두건, 개인용 산소호흡기, 방화복, 장갑 그리고 안전화로 구성되어 있다. 이는 출동 및 화재진압 시 항시 착용되는 보호구로서 환경온과 더불어 고열의 작업환경에 노출되어 탈진 및 생리적 부담에 영향을 준다. 본 연구는 여름철 소방활동 시, 개인소방보호장비 안에 냉각의류를 입고 서열부담 경감 및 작업능률을 생리적 반응과 모의 소방 훈련시간을 통해 평가하였으며 두 부분으로 구성되어 있다. Part 1에서는 냉각과 음수가 동시에 가능한 냉각조끼를 개발하였다. 이를 착용 하여 환경온도 30oC , 50%RH에서 소방 방화복 착용 시 피부냉각, 차가운 음료의 음수 그리고 동시에 이루어진 조건에서 서열부담경감 효과를 살펴보았다. 안정기 10분, 5.5km/h 빠른 트레드밀 걷기 30분 그리고 회복기 20분 프로토콜로 진행되었다. 조건은 다음과 같다. 대조군[CON], 음수조건[DO], 냉각조건 [CO], 냉각과 음수조건[CD]. 결과, 회복기일 때의 직장온도(Tre), 평균피부온도(Tsk), 그리고 심박수(HR)는 CON조건에서 보다 CD 조건에서 더 낮은 수치로 나타난 반면(P < 0.05), 운동 중일 때는 4 가지 조건 간에 유의한 차이가 발견되지 않았다. CO 조건에서 평균피부온도 Tsk 와 HR 는 유의하게 안정화 되었으며 한서감각에서 다른 조건에 비해 나음을 보였다. DO는 회복기에서의 갈증감 해소와 HR 수치 감소에 효과적이었다. CD 조건은 평균 피부온도에서 CON 조건에 비해 평균 1.5 ± 0.2oC 유의하게 낮은 값을 보였다. Part 2에서는 새로 개발된 노멕스 냉각 셔츠를 개인소방방화복 안에 입고 모의소방동작을 실행했을 때의 동작효율성에 관한 것이다. 16명의 소방관들이 다음 4가지 조건 하에서의 실험에 참여했다. 소방복 (Control), 냉각조끼 A + 소방복 (Vest A), 냉각조끼 B + 소방복 (Vest B) 그리고 노멕스 쿨링 셔츠 + 소방복 (Nomex cooling shirt). 결과, 완료시간, 심박수, 총 발한량 그리고 젖산 농도에서는 4가지 조건 모두 유의한 차이를 보이지 않았다. 가슴부위의 의복내온도는 노멕스 냉각 셔츠(31.2 ± 1.1oC)가 CON (33.6 ± 0.8oC) 과 Vest A (33.5 ± 0.9oC) 착용 조건보다 더 낮았다. (P < 0.001). 4가지 조건 간 의복내습도와 습윤감에서는 차이가 나타나지 않았다. 소방관들은 Vest A, 대조군과 비교했을 때 노멕스 냉각 셔츠와 Vest B가 덜 덥고, 덜 불편하다고 느꼈다. (P < 0.05). Vest A, Vest B 그리고 노멕스 냉각 셔츠 모두 무게감에 있어서 유의한 차이는 없었으나, Vest A와 Vest B보다 노멕스 냉각셔츠가 더 부드럽다고 인식되었다. 종합하면, 우리는 소방관들을 위한 피부냉각과 음수용 냉수공급의 양기능을 가진 새로운 조끼를 개발하였으며 본 연구에서 얻은 소방관들의 의견을 반영하여 노멕스 원단으로 만든 셔츠 형태의 냉각의류를 개발하였다. 첫 실험에서는 새로운 조끼를 입었을 때 피부냉각와 음수가 회복기에서의 직장온도(Tre), 평균피부온도(Tsk), 그리고 주관감에 효과를 주었다는 점을 살펴보았다. 두번 째 실험은 조끼형태에서 셔츠형태로 개선된 형태로, 개인소방보호복 안에 노멕스 냉각셔츠를 입는 것이 소방관들의 동작성을 저해하지 않으며 가장 낮은 심박수를 보여주었다.