Komfort i mikroklimat w obuwiu. Comfort and microclimate in shoes

Transkrypt

1 Komfort i mikroklimat w obuwiu Comfort and microclimate in shoes Zbigniew Olejniczak, Bogusław Woźniak Instytut Przemysłu Skórzanego w Łodzi, Zakład Obuwia i Morfofizjologii Stopy, ul. Zgierska 73, Łódź, * z.olejniczak@ips.lodz.pl Streszczenie Obuwie z uwagi na charakter swego zastosowania musi spełniać szereg funkcji, z których stosunkowo ważną jest komfort fizjologiczno- higieniczny, zapewniający wytworzenie takiego mikroklimatu wokół stopy, który daje pozytywne odczucia fizjologiczne, sensoryczne i psychologiczne. Obecnie obuwie produkuje się z maksymalnym wykorzystaniem materiałów syntetycznych. Obuwie to z uwagi na zastosowane materiały charakteryzuje się niekorzystnymi własnościami higieniczno - fizjologicznymi. Ocena właściwości biofizycznych obuwia stanowią więc ciągle aktualny problem badawczy.w pracy opisano sposoby badania higieniczności materiałów obuwniczych oraz obuwia. Summary Footwear, taking account of character of its use, must meet a set of functions, from which quite important is physiological - hygienic comfort, ensuring generation of such the microclimate around a foot, that gives positive physiological feelings, sensuous and psychological. Nowadays footwear is produced with the maximal making use of synthetic materials. This footwear, owing to the applied materials, characterizes unsuitable hygienicphysiological features. Evaluation of biophysical features of footwear has been still actual research problem. The present paper describes the methodology of testing shoe hygienic properties. Słowa kluczowe: ochrona stop, higieniczność obuwia, mechaniczny i fizjologiczny komfort Key words: food protection, sanitary footwear, mechanical and physiological comfort 1. Podstawy teoretyczne modelowania własności biofizycznych dzianin W pracy[1] sformułowano poglądowy model transportu ciepła i wilgoci dla systemu dzianina-człowiek. Zgodnie z kanonem budowy dzianin o podwyższonych walorach biofizycznych w strukturze wyrobu występują dwie warstwy: konduktywno-dyfuzyjna i sorpcyjna. Poglądowy model transportu ciepła i wilgoci dla systemu dzianina człowiek przedstawia rysunek 3. Strefy otoczenie dzianina (odzież) - ciało scharakteryzowane są wg [1] następująco: 1) Strefa zewnętrzna (konwekcyjna) - otoczenie, którą określają temperatura T o, wilgotność W o, prędkość powietrza C o [m/s], oraz w której funkcjonują znane równania konwekcji ciepła i masy: q = o (T z T o (1.1) k = o (w z w o ) (1.2) gdzie: q strumień ciepła [W/m 2 ] - współczynnik przejmowania ciepła [W/m 2 K] K - gęstość strumienia masy [kg/m 2 s] T z - temperatura zewnętrzna dzianiny [K] - współczynnik przejmowania masy [m/s] W - wilgotność [g H 2 O/m 2 ] Rysunek. 3. Poglądowy model transportu ciepła i wilgoci dla systemu dzianina-człowiek [1] 2) Strefa odzieży (dwuwarstwowej) konduktywno - sorpcyjna charakteryzująca się przestrzenną budową o określonej sieci kanalików prześwitów i porowatości, w której funkcjonują prawa:

2 przewodzenia ciepła Fouriera q = - t dt/dx (1.3) dyfuzji masy Ficka k= - D t dw/dx (1.4) gdzie: t współczynnik przewodzenia ciepła tekstyliów (dzianiny) T - temperatura [K] x droga transportu ciepła i masy [m] D t współczynnik dyfuzji molekularnej [m 2 /s] Strefa wewnętrzna (biologiczna, pododzieżowa) ciało - dzianina określona przez zmianę temperatury i wilgotności, jak również układem równań dyfuzyjnych analogicznych jak równania [1]. Według autorów pracy [1], zasadnicze trudności związane z przewidywaniem własności biofizycznych dzianin dwuwarstwowych na podstawie modelu fenomenologicznego związane są z faktem jednoczesnego występowania w strukturze dzianin mieszaniny powietrza i wilgoci w postaci fazy ciekłej i parowej. W niestacjonarnych warunkach użytkowania zawartość wilgoci i powietrza w wyrobie przyjmuje różne wartości w zależności od intensywności wysiłku i warunków zewnętrznych a także cech metabolicznych organizmu. Z tego względu wyznaczane w/w wielkości empiryczne modelu, takie jak α, β, λ i D na podstawie badań eksperymentalnych mikroklimatu pododzieżowego i zewnętrznego dla poszczególnych obszarów mogą być jedynie miarę właściwości lokalnych stref transportu ciepła i wilgoci w układzie otoczenie - człowiek odzież dla warunków w których pomiar został dokonany. W ten sposób wyznaczone wielkości empiryczne modelu nie mogą służyć do przewidywania własności biofizycznych dzianin w niestacjonarnych warunkach użytkowania. Ponadto dostępne metody nie umożliwiają wyznaczenie gradientu wilgoci w strukturze dzianiny dwuwarstwowej wykonanej z surowców o różnym powinowactwie do wilgoci. Złożoność systemu obuwie człowiek oraz wyżej wymienione względy sprawiają, iż przewidywanie komfortu fizjologicznego na drodze teoretycznej jest trudne. 2. Odniesienia normatywne Dla obuwia do użytku w pracy nieobligatoryjnie obowiązuje szereg norm PN-EN ISO :2012. Zawarte są w nich metody badań oraz wymagania dotyczące obuwia bezpiecznego, ochronnego i zawodowego. W obuwiu wykonanym ze skóry i innych materiałów, higieniczność wewnętrznych elementów takich jak podszewka charakteryzują właściwości sorpcyjne, przepuszczalność czy też wskaźnik przepuszczalności pary wodnej. Dla materiałów podpodeszwowych ważne są możliwości sorpcji i desorpcji wody. Dla obuwia całogumowego i całotworzywowego w ogóle nie są określone wymagania w zakresie higieniczności. Dla materiałów podpodeszwowych i skórzanych przeznaczonych na elementy obuwia można również stosować nieobligatoryjne normy PN-P-22160:1982 oraz PN-EN ISO 14368:2005, w której podano metody badania sorpcji i desorpcji oraz przepuszczalności pary wodnej dla wybranych materiałów obuwniczych. Dla całego obuwia można jeszcze określić jego właściwości termoizolacyjne, co charakteryzuje zdolność oddawania ciepła do otoczenia przez obuwie (PN-EN ISO 20344: PN-EN ISO 20347:2012). 3. Nowe technologie w obuwnictwie wpływające na komfort i higieniczność użytkowania obuwia Jak w każdej dziedzinie życia ludzkiego, również w branży obuwniczej cały czas szuka się nowych lepszych materiałów i technologii, często wykorzystując lub adoptując materiały opracowane pierwotnie dla innych zastosowań (szczególnie z odzieżownictwa). Na wewnętrzne elementy obuwia wykorzystano na przykład syntetyczne materiały membranowe (odzieżowe materiały wielowarstwowe), takie jak Sympatex, Tepor-Tex czy Gore-Tex. Zapewniają one nieprzemakalność obuwia, zapewniając przepuszczalność par wilgoci i powietrza. Materiały te znajdują głownie zastosowanie w obuwiu sportowym, górskim, trekkingowym czy turystycznym oraz specjalistycznym, np. dla leśników, myśliwych czy tez dla wojska. Zasadę membrany wykorzystano również w obuwniczym systemie GEOX, zapewniającym wentylację poprzez otwory w spodzie obuwia (podeszwie). Podobne rozwiązania stosuje w swych wyrobach firma ADIDAS stosując technologiczne systemy zintegrowane z międzypodeszwą buta którego perforacja pozwala na odprowadzanie wilgoci w wilgotnych warunkach i zapewnia komfort fizjologiczny dzięki dookolnej wentylacji stopy [2, 5]. Poprawę własności termoregulacyjnych obuwia, można także uzyskać poprzez zastosowanie w wewnętrznych elementach obuwia materiałów przemiany fazowej (Phase Change Materials - PCM). Takie tekstylia określane są jako termoregulujące lub tekstylia entalpiczne [6,7] tzn. tekstylia, które pochłaniają lub uwalniają ciepło w zależności od zmiany parametrów otoczenia i poziomu fizycznej aktywności użytkownika. Pojawiają się już doniesienia o badaniach nad zastosowaniem tego typu materiałów w obuwnictwie. Amerykańskie firmy FotJoy, Nike, Etonic i Reebok podjęły próby wyprodukowania ekskluzywnego obuwia do golfa przy użyciu 56

3 materiałów podszewkowych zawierających włókna PCM [8]. Opracowano również materiały z efektem cieplnym hydratacji przy absorbowaniu wilgoci przez modyfikowane włókna celulozowe z dużą ilością grup hydrofilowych. Inne rodzaj włókien na bazie poliakrylu ma możliwość absorbowania wilgoci 3,5 razy więcej od bawełny [3]. Na uwagę zasługują również próby połączeń skóry naturalnej z włóknem LYCRA firmy DuPont, w wyniku których otrzymano wyjątkowo miękkie skóry dające duży komfort użytkowania[3]. Rozpowszechniła się również metoda laminowania dwoin skórzanych lakierowanymi foliami poliuretanowymi lub na bazie PVC, dającymi rozwarstwionej skórze efektowny wygląd, przy pogorszeniu się cech higienicznych, które zbliżone są do właściwości skór syntetycznych [9]. 4. Aktualny stan wiedzy w zakresie badań komfortu fizjologicznego obuwia W znanych metodach badań higieniczności materiałów obuwniczych najczęściej porównywane są właściwości różnych materiałów i na tej podstawie określana jest ich higieniczność. Autorzy różnie interpretują udział procesów sorpcji, przepuszczalności pary wodnej i temperatury w kształtowaniu się warunków ciepła i wilgoci wewnątrz użytkowanego obuwia oraz znaczenie i rolę tych procesów w ocenie higieniczności obuwia czy materiałów obuwniczych. Udowodniono, że korzystny wpływ na zmianę przepuszczalności pary wodnej przez materiały obuwnicze wywiera poprawa ich właściwości sorpcyjnych [2, 3, 10, 13, 15]. Niektórzy badacze wręcz uważają, że te właśnie cechy w największym stopniu decydują o właściwościach higienicznych obuwia [2, 3, 13, 15]. Znakomita większość wszystkich znanych metod oceny komfortu obuwia w funkcji temperatury i wilgotności jego wnętrza skupia się nad określaniem higieniczności zastosowanych materiałów poprzez badanie próbek w warunkach laboratoryjnej symulacji układu stopa - obuwie - otoczenie (określanie przepuszczalności pary wodnej i właściwości sorpcyjnych). Tak otrzymywane wyniki porównuje się do wartości temperatur i wilgotności uzyskiwanych w tracie rzeczywistych badań użytkowych wyciągając odpowiednie wnioski czy wręcz dopasowując modele matematyczne przepływu ciepła i wilgoci w układzie obuwie otoczenie [10,16]. Badania prowadzone przez różnych autorów [2,3, ] wykazały, że zawartość wilgoci wewnątrz użytkowanego obuwia (mierzona w % wilgotności względnej) szybko rośnie w krótkim okresie czasu osiągając stan nasycenia. Może przekraczać 90 %, co określa się stanem całkowitego braku komfortu fizjologicznego. Pierwszy zdefiniował to F. Lanmgaier[10]. Stwierdził on również, że podobny stan nasycenia zachodzi również w przypadku temperatury mierzonej wewnątrz użytkowanego obuwia Dla określenia komfortu i mikroklimatu wnętrza użytkowanego obuwia najczęściej bada się próbki materiałów w warunkach laboratoryjnych. Stosuje się również inne metody badawcze. Obecnie najbardziej znane są metody SATRY i CTC [17 20]. W Centrum Technologicznym SATRA (Wielka Brytania) opracowano metodę, która pozwala jednocześnie określić wskaźnik sorpcji i przepuszczalności pary wodnej dla wierzchów obuwia i wyściółek. Ta metoda może służyć do prognozowania właściwości materiałów podczas ich użytkowania. Prowadzono również badania nad gromadzeniem się wilgoci i jej rozprzestrzenianiem się w czasie noszenia obuwia w różnych jego częściach, a także nad określeniem wpływu rodzaj materiału wierzchniego na. ilość i rozprzestrzenianie się wchłoniętej wilgoci. Prowadzono również badania porównawcze fizjologicznego oddziaływania obuwia ze skór sztucznych i naturalnych na stopę. Otrzymano dane o zmianach temperatury i wilgotności wnętrza obuwia. Najlepsze odczucie komfortu wykazano dla miejsc w obszarze stopy przy temperaturze ciała (24~26) o C. Wilgotność względna wewnątrz obuwia ze skóry naturalnej wyniosła średnio 64,33%, natomiast dla obuwia ze skór syntetycznych uzyskiwano znacznie wyższe wartości wilgotności [21]. Stwierdzono też, że skóra licowa podlegająca działaniu pary wodnej ma zdolność przepuszczania wilgoci do otoczenia, przy stosunkowo małej absorpcji, a ta sama skóra wykończona lakierem ma znacznie mniejszy współczynnik przepuszczalności pary wodnej przy jednoczesnym powiększeniu zdolności absorpcji, co świadczy o współzależności obu zjawisk. W badaniach prowadzonych metodą opracowaną w C.T.C. (Francja) uwzględnia się równocześnie oba wskaźniki. Wyniki - krzywe kinetyki procesu pozwalają ocenić szybkość przewodzenia i absorpcji pary wodnej oraz zmiany tych szybkości. Metodą tą badano właściwości higieniczne różnych materiałów podszewkowych i na wierzchy obuwia. Własności higieniczne materiałów podszewkowych przedstawiono graficznie w postaci, tzw. trójkąta higienicznego. W zakresie badanych materiałów podszewkowych stwierdzono, że najkorzystniejsze właściwości, najbardziej zbliżone do właściwości skóry naturalnej mają podszewki zawierające w warstwie tworzywa skórę naturalną oraz podszewki charakteryzujące się wysoką przepuszczalnością pary wodnej [20]. W Polsce, w Akademii Ekonomicznej w Krakowie w Instytucie Towaroznawstwa, pod koniec lat 80-tych opracowano metodę badania właściwości cieplnowilgotnościowych materiałów obuwniczych, ciągle rozwijaną z wykorzystaniem symulacyjnych technik komputerowych [22]. Aktualnie komputerowy system 57

4 Hy-tester pozwala na symulację warunków transportu wilgoci w odzieży i w obuwiu podczas ich użytkowania [22, 26]. Podstawy tej metody, zaadoptowanej na potrzeby badania ciepłochronności materiałów obuwniczych, wykorzystuje się m. in. w Instytucie Przemysłu Skórzanego w Łodzi dla określania stopnia izolacji obuwia od zimna i ciepła [27]. Od dłuższego czasu poszukuje się innych sposobów badania parametrów mikroklimatu w obuwiu. W Instytucie Obuwniczym w Pirmasens w latach 80- tych badania wilgotności i temperatur w obuwiu prowadzone były przy użyciu specjalnie skonstruowanego kopyta - sondy pomiarowej przedstawionej na rysunku 4 [28]. Badano temperaturę wewnątrz obuwia w korelacji z temperaturą ciała w śródstopiu, relatywną wilgotność względną i cząstkową prężność pary wodnej wewnątrz obuwia dla różnych typów obuwia. Doświadczenia prowadzono na przemian w warunkach dynamicznych i statycznych. Rysunek 5. Współczesny model stopy do badań zdolności termoizolacyjnych obuwia [29] Rysunek. 4. Kopyto służące do pomiarów wilgoci i temperatury w obuwiu (Instytut Obuwniczy w Pirmasens, 1984 r.) [28]. Możliwości współczesnej techniki pozwoliły na rozwój metod pomiarowych. Budowane są coraz doskonalsze, sterowane komputerowo sztuczne manekiny utrzymujące zadaną temperaturę i wilgotność powierzchni, zarówno reprezentujące całego człowieka wykorzystywane dla badania odzieży, jak i jego kończyny, np. ręce czy stopy [14, 15]. Na rysunku 5 pokazano współczesny model stopy do badań zdolności izolacyjnych obuwia z możliwością wydzielania potu (firma NORTHWEST, USA) [29]. Na rys 6 pokazano schemat zarządzania wilgocią i temperaturą w modelu stopy opatentowanym przez ośrodek badawczy Pittard (Wielka Brytania) [30]. Rysunek 6. Schemat systemu kontroli wilgoci i temperatury w modelu sztucznej stopy opracowanej w Wielkiej Brytanii [30] Innym sposobem może być też wykorzystanie mocy obliczeniowej współczesnych komputerów przez opracowanie odpowiednich programów symulacyjnych. Działania takie na obecną chwilę są jednakże trudne i kosztowne [12]. 5. Podsumowanie Materiały stosowane na wewnętrzne elementy obuwia decydują w istotny sposób o higieniczności obuwia. Są one położone najbliżej ciała człowieka i ich właściwości muszą pozwalać na efektywne odprowadzanie ciepła i wilgoci wydzielanych przez stopę. Stosowane materiały tekstylne: tkaniny, dzianiny czy włókniny charakteryzują się najczęściej jednorodną strukturą, w której gradient temperatury lub wilgoci zależy od właściwości wierzchu obuwia (możliwości oddawania przez cholewkę ciepła i wilgoci do otoczenia). Jak stwierdzono [1], gradient wilgoci dla takich tekstyliów utrzymuje się na względnie stałym poziomie. Higieniczne właściwości wewnętrznych materiałów obuwniczych normatywnie określa się 58

5 właściwościami sorpcyjnymi i przepuszczalnością pary wodnej (za wyjątkiem obuwia całogumowego i całotworzywowego). Badane są także właściwości termoizolacyjne całego obuwia. W literaturze zostało określone pojęcie dyskomfortu użytkowania, choć badacze nie są zgodni przy określeniu jego parametrów (zwłaszcza temperatury). Aktualnie w obuwiu, zwłaszcza turystycznym i sportowym, znajdują już zastosowanie nowoczesne materiały opracowane z myślą o odzieży, takie jak membrany czy tekstylia z udziałem włókien wykonanych z dodatkiem materiałów przemiany fazowej. Znajdują także zastosowanie materiały o strukturze przestrzennej (np. dzianiny dystansowe), które posiadają możliwość akumulacji wilgoci wewnątrz pustych przestrzeni wewnętrznych. 6. Literatura 1 K. Kowalski, M. Nyka, T. Manduk, G. Orlikowska-Wykin, W. Korliński: Wpływ rodzaju surowca na parametry mikroklimatu pododzieżowego w niestacjonarnych warunkach użytkowania, Materiały 42 Międzynarodowego Kongresu Federacji Dziewiarzy IFKF 2004, Łódź, październik A. Wilford: Membranes for Footwear, World Footwear V/VI 2000 Vol.14 nr 3, s Wilford: New materials to enhance comfort, World wear III/IV 2000 Vol.14 No 2 s B. Rajchel-Chyla B, R. Gajewski: Obuwie sportowe i typu sportowego rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne i ich wpływ na komfort użytkowania, 5 Materiały firmy Adidas. 6 S.L. Harlan: A new concept in temperatureadaptable fabrics containing polyethylene glycols for skiing and skiing-like activities, 98 National Meeting American Chemical Society, Miami Beach, Florida, W. Bentkowska: Komfort termofizyczny odzieży sportowej zawierającej PCM (Phase Change Materials, Przegląd Włókienniczy 3 / 2001 s R. Graves: Golf Shoes Go Hi-Tech, PGA of America Shoe News, February Skupiński I.: Folie lakierowane Pormair, Przegląd Skórzany 10, 1995 s F. Langmaier: Hygiena a komfort obuté nohy, Kozarstvi 1990 R. 40 nr 12 s I. Duda I., E. Marcinkowska: Z badań nad oceną właściwości higienicznych materiałów obuwiowych, Przegląd Skórzany 1984,4 (451), s C. Nachiappan i in.: Komfort - das Schlagwort in Schuhindustrie, Schuhtechnik Int R. 88 nr 1/2 s F. Langmaier i in.: Wpływ właściwości materiałów obuwniczych na mikroklimat noszonego obuwia, Przegląd Skórzany XLIII 1988 nr 9 str H.O. Nilson: Comfort Climate Evaluation with thermal Manikin Methods and computer simulation models, National Institut for Working Life, Sztokcholm KuklaneK., Holmer i., Giechsbret G.: One week sweating simulation test with a thermal foot model, materiały z Third International Meeting on Thermal Manikin Testing 3IMM Sztokcholm, Szwecja, X 1999 s Informacja własna z CTC (Francja). 17 S. Tailby: Building in comfort, World Footwear XI/XII 1998 Vol.12 nr 6, s A. Wilford: Footwear comfort, World Footwear III/IV 2000 Vol.13 No 5, s S. Tailby: Comfort footwear, World Footwear III/IV 1997 Vol.11 nr 2, s A. Wiltord: Footwear Comfort back to basic, World Footwear IX/X 1999 Vol.12 nr 5, s The Challenge of Comfort, Foto Shoe, 1994, R 20, nr 5., s E. Marcinkowska.: Nowa metoda badania właściwości cieplno-wilgotnościowych materiałów obuwiowych, Przegląd Skórzany Nr 5/1991 s E. Marcinkowska., W. Żuk: Badania cieplnowilgotnościowe materiałów obuwniczych. Sposób pomiaru, Przegląd Skórzany Nr 1/1992 s E. Marcinkowska, W. Żuk: Water Vapor Permeability measurements with the Hy-Tester Physical Simulator, Journal of ALCA, 95(9),2000, s E. Marcinkowska, W. Żuk: Hy-Tester an Instrument for Testing Comfort Properties of leather and Leatherlike Materials, Journal of ALCA, 96(3),2001, s E. Marcinkowska.: Wskaźniki określające właściwości materiałów w badaniach symulacyjnych, materiały Międzynarodowej Konferencji: Towaroznawstwo wobec integracji z Unią Europejską s , Radom A. Woźniak-Mileszczak: Zależność pomiędzy izolacyjnymi właściwościami materiałów stosowanych do produkcji obuwia do użytku w pracy a jego cechami użytkowymi (na podstawie badań IPS), Materiały z V Ogólnopolskiej Konferencji Środki ochrony indywidualnej do użytku w pracy Nauka Produkcja Stosowanie, Szczyrk, X 2001r. 28 B. Kurz: Mesung des Microklimat, Schuhtechnik, 1992, 7-8 s Materiały firmy MEASUREMENT NORTHWEST, New York, USA

6 30 M. Wilson: Footwear breathability and sweat management, World Footwear I/II 1996 Vol 8 nr 6, s