Badania transportu pary wodnej w skórach i tworzywach skóropodobnych

Transkrypt

1 Zeszyty Naukowe nr 718 Akademii Ekonomicznej w Krakowie 2006 Ewa Marcinkowska Katedra Towaroznawstwa Przemysłowego Waldemar Żuk Katedra Towaroznawstwa Przemysłowego Badania transportu pary wodnej w skórach i tworzywach skóropodobnych 1. Wprowadzenie Materiały, które wchodzą w skład ubioru, izolują organizm przed wpływem zbyt niskiej lub wysokiej temperatury, deszczem, wiatrem i śniegiem. Temperatura skóry zależy od miejsca na ciele, a także od temperatury otoczenia. Człowiek czuje się dobrze, kiedy temperatura powierzchni skóry waha się pomiędzy 27 (średnia temperatura stopy) a 32,5 (średnia temperatura tułowia) [19]. Nawet nieduże odstępstwa od wskazanych wartości temperatury są odczuwane jako marznięcie lub pocenie się. Wzrost temperatury otoczenia o 10 powoduje, że temperatura kończyn zbliża się do temperatury wewnętrznej ciała, a człowiek odczuwa dyskomfort. W temperaturze 35 średnia temperatura ciała równa jest temperaturze otoczenia. Jeśli obuwie i odzież wykonane jest z materiałów o niekorzystnych właściwościach higienicznych, para wodna, która powstaje w procesie termoregulacji, nie jest odprowadzana na zewnątrz. Może wówczas wystąpić niepożądane zjawisko jej kondensacji i wskutek tego zawilgocenia materiałów. W lecie prowadzi to do zahamowania odparowania potu i niepożądanego przegrzania organizmu, w zimie natomiast do dyskomfortu związanego ze znacznym obniżeniem oporności cieplnej ubioru i nadmiernego ochłodzenia ciała ( zimne stopy ). Właściwości higieniczne materiałów stosowanych w obuwiu i w odzieży to: przepuszczalność i sorpcja pary wodnej, przepuszczalność powietrza i izolacyjność

2 100 Ewa Marcinkowska, Waldemar Żuk cieplna. Wymienione właściwości wszystkie razem, kompleksowo, odpowiedzialne są za właściwy mikroklimat przy ciele, decydują więc o komforcie bądź dyskomforcie, który odczuwa człowiek. Symulacja fizyczna transportu pary wodnej przez materiał i pomiary mikroklimatu, jaki powstanie pod próbką, jest jednym ze sposobów badania higieniczności materiałów stosowanych w ubiorze człowieka. Dlatego też prace prowadzone w Katedrze Towaroznawstwa Przemysłowego [4, 7 10] rozwinęły się w kierunku badań symulacyjnych oraz skonstruowania urządzenia wspomaganego komputerowo. Urządzenie powstało w ramach projektów badawczych realizowanych we współpracy z Instytutem Inżynierii Tekstyliów i Materiałów Polimerowych ATH w Bielsku-Białej, finansowanych przez były KBN [5, 6]. 2. Zasada badania właściwości higienicznych za pomocą systemu Hy-tester W symulatorze systemu Hy-tester próbka materiału stanowi przegrodę pomiędzy ośrodkiem wewnętrznym (przestrzeń zamknięta próbką) a ośrodkiem zewnętrznym, czyli obiegiem powietrza nad próbką. Zasada badania oparta jest na bilansie materiałowym (1) wody dostarczanej pod próbkę i usuwanej w sposób kontrolowany z powietrza nad próbką. Strumień wody W podawany do symulatora tworzy strumień pary wodnej M nawilżający powietrze w komorze, strumień pary wodnej S zaabsorbowany przez próbkę oraz część J x, która przechodzi przez próbkę do zewnętrznego obiegu zgodnie ze wzorem (1): W = M + S + J x, (1) gdzie: W strumień wody podawanej do komory pomiarowej symulatora pod próbkę [g/s], M strumień pary wodnej nawilżającej powietrze w komorze pod próbką [g/s], S strumień pary wodnej sorbowanej przez próbkę [g/s], J x strumień pary wodnej przechodzący przez próbkę [g/s]. Przepływająca przez próbkę para wodna zwiększa wilgotność bezwzględną w obiegu nad próbką. Aby pomiar przebiegał prawidłowo, ilość wody znajdująca się w obiegu (ośrodek zewnętrzny nad próbką) musi być stała. Uzyskuje się to przez zastosowanie układu regulacyjnego, który w przypadku wzrostu wilgotności w obiegu nad próbką ponad zadaną wartość, przepuszcza ściśle określoną część powietrza z obiegu przez układ osuszający i zawraca ponownie do obiegu zewnętrznego. Tym samym, układ ten utrzymuje wilgotność powietrza nad próbką na stałym, zadanym poziomie.

3 Badania transportu pary wodnej w skórach Miary transportu pary wodnej Jak pisze S. Doroszewicz [2], współczynnik przenikania P jest wielkością fenomenologiczną, która charakteryzuje kinetykę transportu gazów i par. W pomiarach współczynnika przenikania zarówno skóra, jak i tworzywo skóropodobne traktowane są jak czarna skrzynka. Wyniki pomiarów współczynnika przenikania stanowią informację o transporcie przez polimer, nie dając bezpośrednio podstaw do wnioskowania o przenikaniu w tworzywie polimeru. Dopiero w połączeniu z pomiarami sorpcji na podstawie pomiarów przenikalności można uzyskać informacje wystarczające do wnioskowania o mechanizmie przenoszenia w układzie penetrant polimer. W praktyce, w analizie problemów dotyczących oceny właściwości higienicznych materiałów stosowanych w ubiorze człowieka, współczynnik przenikania ma znaczenie podstawowe, ponieważ w określonych warunkach transportu stanowi informację ilościową charakteryzującą strumień penetranta. Określa bilans ilości penetranta po obydwu stronach materiału. W tabeli 1 przedstawiono miary przepuszczalności pary wodnej wraz z przykładami ich stosowania. Podano założenia upraszczające równanie (2), które opisuje zależność gęstości strumienia pary j x, przenikającej przez materiał o grubości x przy różnicy ciśnienia pary wodnej p: Tabela. 1. Stosowane miary przepuszczalności pary wodnej j x = P p x. (2) Lp Nazwa Współczynnik paroprzepuszczalności (Permeability) Współczynnik (zastępczy) przenikania pary wodnej (Permeance) Gęstość strumienia pary wodnej (Water Vapor Transmission) Równanie Wymiar P, P*, P** P = j x Δx/Δp g/(m s Pa) P* j x /Δp g/(m 2 s Pa) P** j x g/(m 2 s) Założenia upraszczające równanie (2) Brak założeń upraszczających x = const Δp/Δx = const Przykłady stosowania ASTM E96-00e1 [1] PN-EN 12086:2001 [12] ASTM E96-00e1 [1] PN-76/C [13] ASTM E96-00e1 [1] ISO 17699:2003 [3] PN-EN 31092:1998/04 [11] PN-76/C [13] W wyniku przyjęcia kolejnych założeń upraszczających podstawowe równanie (2), otrzymuje się stosowane w praktyce miary przepuszczalności pary wodnej [1, 3, 11, 12, 14 18]. W inżynierii chemicznej do opisu procesu wymiany masy stosuje

4 102 Ewa Marcinkowska, Waldemar Żuk się współczynnik przenikania P * (tabela 1). Ten sposób opisu zjawiska uwzględnia występujący moduł napędowy procesu przenikania pary wodnej, czyli różnicę ciśnienia pary Δp w ośrodkach po obu stronach badanego materiału, nie uwzględnia jednak jego grubości Δx. Najczęściej stosowaną miarą oceny przepuszczalności pary wodnej materiałów używanych w obuwiu i odzieży jest gęstość strumienia pary j x (tabela 1). W pomiarach nie bierze się wówczas pod uwagę różnicy prężności pary na grubości próbki Δp/Δx. Przyjmuje się jedynie nie dokonując pomiaru tej różnicy określone warunki badania, bez uwzględnienia wpływu materiału na te warunki. Zakłada się więc, że wszystkie badane materiały mierzy się przy takiej samej różnicy ciśnienia Δp. W tabeli 2 znajdują się wskaźniki, które w badaniach w symulatorze wylicza się na podstawie danych zarejestrowanych w czasie pomiaru. Są to zdefiniowane wielkości fizyczne, takie jak: gęstość strumienia pary wodnej j x, współczynnik przenikania P * oraz szybkość sorpcji S i pojemność sorpcyjna S p, która może być wyznaczona jako maksymalna zawartość wody w próbce w danych warunkach pomiaru. W kolumnie 2 w tabeli 2 podano sposób wyliczenia przedstawionych wskaźników na podstawie danych rejestrowanych bezpośrednio w czasie pomiaru. Tabela. 2. Wskaźniki przepuszczalności i sorpcji pary wodnej oznaczane za pomocą systemu Hy-tester Lp. Wskaźnik Równanie Miara 1 Gęstość strumienia pary wodnej j x (Water Vapor Transmission) j x = D E ω g/(m 2 s) 2 Współczynnik przenikania pary wodnej P* (zastępczy) (Permeance, Permeability) P* = j x / p g/(m 2 s Pa) 3 Szybkość sorpcji pary wodnej S S = W (J x + M) g/s 4 Pojemność sorpcyjna S p 1 t S p = S dt m 0 g/g Objaśnienia: ω prędkość obrotowa pompy osuszającej; E stała przyrządu; D stała określona warunkami pomiaru W systemie komputerowym Hy-tester wpływ badanych materiałów na parametry powietrza pod próbką oraz wzajemne oddziaływanie pomiędzy materiałem a powietrzem o określonych parametrach, przy założonym, stałym nawilżaniu ośrodka wewnętrznego, można wyrazić przy pomocy wielkości, które mierzy się w symulatorze bezpośrednio, a także pośrednio, a mianowicie: wilgotności względnej pod próbką i wilgotności względnej ośrodka zewnętrznego, temperatury powierzchni próbki, pod próbką i ośrodka zewnętrznego,

5 Badania transportu pary wodnej w skórach 103 ilości wody usuwanej z obiegu zewnętrznego, ciśnienia pary nasyconej dla temperatury nad i pod próbką, różnicy prężności pary, temperatury punktu rosy. 4. Materiał doświadczalny, sposób badania Badania wykonano na materiałach stosowanych na podszewki i wierzchy obuwia całorocznego, które różniły się powinowactwem do wody oraz przepuszczalnością powietrza i pary wodnej, a mianowicie na: podszewce cielęcej, garbowania chromowego z licem naturalnym, o grubości 0,37 mm, boksie bydlęcym, garbowania chromowego z licem naturalnym, krytym, o grubości 1,45 mm, na wierzchy obuwia, tworzywie sztucznym koagulacyjnym z przekładką tkaninową bawełnianą, wykończonym powłoką poliuretanową o nazwie handlowej Bergamo i grubości 0,80 mm, na wierzchy obuwia całorocznego. Cienka podszewka cielęca to skóra o bardzo dobrej sorpcji pary wodnej i przepuszczalności. Boks bydlęcy i tworzywo skóropodobne Bergamo to materiały o istotnie różnej zdolności sorpcji pary wodnej, ale zbliżonej przepuszczalności. Przyjęto następujące założenia dotyczące sposobu badania materiałów w symulatorze: 1) parametry ośrodka zewnętrznego nad próbką: temperatura 22±1, wilgotność względna 50±0,2%, szybkość przepływu powietrza 0,1 m/s; 2) parametry ośrodka wewnętrznego pod próbką: temperatura 35±1, wilgotność względna, wynikowa (dąży do stanu ustalonego), ruch powietrza ustalony, laminarny; 3) stała szybkość dozowania wody do ośrodka wewnętrznego pod próbkę, 1,5 mg/min. 4) średnica próbki: 70 mm. Dobór materiału doświadczalnego oraz przyjęty sposób badania stworzył podstawę analizy wpływu właściwości sorpcyjnych i przepuszczalności pary wodnej materiałów na kształtowanie się wilgotności pod próbką oraz określenie zależności między badanymi wielkościami.

6 104 Ewa Marcinkowska, Waldemar Żuk 5. Wyniki badań i ich analiza Na rysunku 1 przedstawiono krzywe wilgotności względnej, które zostały zarejestrowane dla trzech różnych materiałów, przy podawaniu do modułu 1,5 mg wody na minutę. Badano skórę cielęcą podszewkową, a więc materiał o przewidywanej wysokiej przepuszczalności pary wodnej, boks bydlęcy kryty o mniejszej przepuszczalności pary wodnej (ze względu na powłokę wykończeniową) i bardzo dobrej sorpcji oraz tworzywo skóropodobne (hydrofobowe) Bergamo. Były to materiały o przewidywanej porównywalnej przepuszczalności pary wodnej, gorszej od przepuszczalności podszewki cielęcej i istotnie zróżnicowanej sorpcji. Zarejestrowane krzywe wilgotności powietrza w komorze pomiarowej mają różny przebieg. Najwyższa wartość wilgotności względnej w stanie ustalonej wymiany masy występuje pod próbką tworzywa skóropodobnego Bergamo. Wilgotność pod próbką rośnie stosunkowo szybko w ciągu pierwszych 15 minut pomiaru, następnie proces staje się wolniejszy i po mniej więcej 2 godzinach szybkość zmniejsza się do zera. W stanie równowagi wilgotność w komorze pomiarowej wynosi 63,5%. Przebieg krzywej wilgotności pod próbką podszewki cielęcej jest płaski. Można to wyjaśnić faktem, że stan równowagi wilgotności względnej pod próbką tego materiału ustala się na niskim poziomie, poza tym ustala się znacznie szybciej. Tak więc, najniższą wartość wilgotności pod próbką uzyskano w badaniach podszewki cielęcej, która ma najlepsze właściwości higieniczne, gdyż jest materiałem hydrofilowym i ma naturalne lico. Proces sorpcyjno-desorpcyjny przebiega w tym przypadku bez zakłóceń. Skóra sorbuje całą ilość podawanej pary wodnej i jednocześnie wysycha desorbując wilgoć w powietrzu obiegowym. Badany boks bydlęcy na wierzchy obuwia ma lico kryte. Dzięki temu obuwie wykonane z takiego boksu łatwo nie przemaka, jednak wysycha powoli. Powłoka kryjąca uniemożliwia szybką desorpcję wilgoci do otoczenia. Porównując dwa badane materiały na wierzchy obuwia, tj. boks bydlęcy i tworzywo skóropodobne Bergamo (rys. 1), można stwierdzić, że boks ma zdecydowanie lepsze właściwości higieniczne. W badaniach boksu obserwuje się niższą wilgotność pod próbką. Na rysunku 2 przedstawiono przepuszczalność pary wodnej trzech porównywanych materiałów, to jest podszewki cielęcej, boksu bydlęcego i tworzywa sztucznego Bergamo, rejestrowaną w pomiarach opisanych powyżej, a więc dla 1,5 mg wody podawanej na minutę, co odpowiada gęstości strumienia 0,57 g/(m 2 min). Przepuszczalność badanych materiałów wyrażono jako gęstość strumienia pary wodnej przepływającej przez próbkę. Gdy porówna się tak wyrażoną przepuszczalność pary wodnej, okazuje się, że boks bydlęcy i tworzywo Bergamo mają identyczną wartość gęstości strumienia przenoszonej pary w 50 minucie pomiaru (0,44 g/(m 2 min)), która poza tym w tworzywie ma tendencję rosnącą (rys. 2).

7 Badania transportu pary wodnej w skórach 105 Wilgotność względna [%] Czas [min] Bergamo Boks bydlęcy Podszewka cielęca Rys. 1. Krzywe wilgotności względnej powietrza pod próbkami różnych materiałów 0,7 Gęstość strumienia pary [g/(m 2 min)] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Czas [min] Bergamo Boks bydlęcy Podszewka cielęca Rys. 2. Przepuszczalność różnych materiałów wyrażona gęstością strumienia pary wodnej

8 106 Ewa Marcinkowska, Waldemar Żuk Podszewka cielęca natomiast już po 5 minutach uzyskuje stałą gęstość strumienia, a mianowicie 0,57 g/(m 2 min). Wartość strumienia jest więc w tym przypadku równa szybkości podawania wody do modułu. Towarzyszy temu niska wilgotność względna pod próbką, która wynosi 47% (rys. 1) i w tych warunkach nie ulega już zmianie. Na rysunku 3 pokazano wartość współczynnika przenikania pary wodnej wszystkich badanych materiałów. Taka miara jest bardziej jednoznacznym określeniem zdolności przepuszczania pary wodnej. Ocena wyników badań jest wówczas prosta, im wyższy współczynnik, tym materiał powinien być bardziej higieniczny. W badaniach transportu pary wodnej w warunkach nieizotermicznych temperatura powierzchni próbki różni się od temperatury w głębi fazy gazowej. Prężność pary nasyconej w próbce jest różna od prężności pary nasyconej wnętrza fazy. Może to skutkować wykropleniem się pary wodnej w jego strukturze oraz niższą ustaloną wartością wilgotności względnej we wnętrzu fazy, pomimo ciągłego podawania wody do symulatora. Występuje zawilgocenie próbki materiału. Zjawisko to jest związane z przekroczeniem temperatury punktu rosy. Współczynnik przenikania pary [mg/(m 2 min Pa)] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Czas [min] Bergamo Boks bydlęcy Podszewka cielęca Rys. 3. Przepuszczalność różnych materiałów wyrażona współczynnikiem przenikania pary wodnej W zbudowanym systemie pomiarowym ma miejsce bezstykowy, ciągły pomiar temperatury zewnętrznej powierzchni próbki. Porównując ją z temperaturą punktu rosy obliczoną dla wilgotności powietrza panującej pod próbką można stwierdzić, czy w strukturze badanego materiału nastąpiło wykroplenie pary wodnej (rys. 4).

9 Badania transportu pary wodnej w skórach 107 Temperatura [ ] Czas [min] Temperatura powierzchni próbki Temperatura punktu rosy ( Bergamo ) Temperatura punktu rosy (boks bydlęcy) Rys. 4. Temperatura punktu rosy oraz temperatura powierzchni próbki boksu bydlęcego i tworzywa skóropodobnego Bergamo Posługując się wykresem zależności hipotetycznej temperatury punktu rosy od czasu (przy określonej szybkości podawania wody) (rys. 4), za okres higienicznego użytkowania można przyjąć przedział czasu od początku pomiaru do momentu, w którym temperatura punktu rosy osiągnie temperaturę powierzchni próbki. Przykładowo, dla materiału wierzchniego Bergamo przy podawaniu 1,5 mg wody na minutę krzywa temperaturowa do momentu osiągnięcia punktu rosy ogranicza obszar suchego transportu pary wodnej do ok. 105 minut. Po tym czasie tworzywo staje się wilgotne. Dla porównania krzywa temperatury punktu rosy w badaniach boksu bydlęcego osiąga w tym samym czasie temperaturę o 2,2 niższą. Po 105 minutach pomiaru boksu bydlęcego wartość temperatury punktu rosy nie przekroczyła temperatury powierzchni próbki, materiał pozostał suchy. 6. Wnioski 1. Podjęta w pracy tematyka badawcza dotyczy zjawisk fizykochemicznych kluczowych dla zrozumienia funkcji ochronnych odzieży i obuwia. Tematyka ta obejmuje procesy termodyfuzji, sorpcji i kondensacji pary wodnej.

10 108 Ewa Marcinkowska, Waldemar Żuk 2. Przepuszczalność pary wodnej materiałów stosowanych w obuwiu i w odzieży, wyrażana w większości norm europejskich i krajowych gęstością strumienia masy, stanowi podstawę oceny materiału z punktu widzenia higieny jego użytkowania. 3. W normie amerykańskiej dla opisu transportu pary wodnej zdefiniowano obok gęstości strumienia masy (Water Vapor Transmission), współczynnik przenikania masy (Water Vapor Permeance) oraz wskaźnik, który uwzględnia grubość materiału (Water Vapor Permeability). 4. Do oceny właściwości higienicznych materiałów z zastosowaniem symulatora Hy-tester zaproponowano kompleksowy wskaźnik oceny, określający komfortowy mikroklimat związany z suchym transportem pary wodnej. 5. Wskaźnik ten wyraża się alternatywnie jako wartość wilgotności względnej, która ustala się w stanie równowagi wymiany masy, gdy nie zostaje przekroczony punkt rosy. W przeciwnym przypadku jest to czas od początku pomiaru do momentu kondensacji pary wodnej w strukturze próbki badanego materiału. Literatura [1] ASTM E96-00e1. Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. [2] Doroszewicz S., Metoda dielektryczna badania kinetyki przenikania pary wodnej przez folie opakowaniowe, Monografie i Opracowania, nr 399, SGH, Warszawa [3] ISO 17699:2003. Footwear. Test methods for uppers and lining. Water vapour permeability and absorption. [4] Marcinkowska E., Wskaźniki określające właściwości higieniczne materiałów w badaniach symulacyjnych [w:] Towaroznawstwo wobec integracji z Unią Europejską, red. J. Żuchowski, Politechnika Radomska, Radom [5] Marcinkowska E. i in., Badania transportu wilgoci w materiałach odzieżowych i obuwniczych z wykorzystaniem nowych metod i przyrządów pomiarowych, Projekt KBN 7T08E01909, Instytut Włókienniczy Filia PŁ w Bielsku-Białej, Bielsko-Biała [6] Marcinkowska E. i in., Symulacja fizyczna w badaniach procesów wymiany masy w tekstyliach i materiałach skóropodobnych, Projekt KBN 7T08E ATH w Bielsku-Białej, Bielsko-Biała [7] Marcinkowska E., Żuk W., Hy-Tester. An Instrument for Testing Comfort Properties of Leather and Leatherlike Materials, The Journal of the American Leather Chemists Association 2000, vol. 95, nr 9. [8] Marcinkowska E., Żuk W., Komputerowy system do badania właściwości higienicznych materiałów stosowanych w odzieży i w obuwiu, Towaroznawcze Problemy Jakości, Polish Journal of Commodity Science, Politechnika Radomska, Radom 2004, nr 1. [9] Marcinkowska E., Żuk W., Opis patentowy, , PL. Zgłosz. P z Opubl WUP 06/01. Urządzenie do badania właściwości higienicznych materiałów kapilarno-porowatych, stosowanych zwłaszcza do wyrobu odzieży i obuwia, AE w Krakowie, Kraków, Pl. [10] Marcinkowska E., Żuk W., Zgłoszenie patentowe P z Sposób pomiaru przepuszczalności i sorpcji pary wodnej materiałów kapilarno-porowatych, zwłaszcza tekstylnych, AE w Krakowie, Kraków.

11 Badania transportu pary wodnej w skórach 109 [11] PN-EN 31092:1998/Ap1:2004. Tekstylia. Wyznaczanie właściwości fizjologicznych. Pomiar oporu cieplnego i oporu pary wodnej w warunkach stanu ustalonego (metoda pocącej się zaizolowanej cieplnie płyty). [12] PN-EN 12086:2001. Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Określanie właściwości przy przenikaniu pary wodnej. [13] PN-76/C Procesy podstawowe inżynierii chemicznej. Przenoszenie masy. Nazwy i określenia. [14] PN-71/P Metody badań wyrobów włókienniczych. Wyznaczanie przepuszczalności pary wodnej. [15] PN-91/P Skóry wyprawione. Wyznaczanie przepuszczalności pary wodnej w warunkach nieizotermicznych. [16] PN-EN 13515:2004. Obuwie. Metody badania wierzchów i podszewek. Przepuszczalność i absorpcja pary wodnej. [17] PN-EN ISO 14268:2003. (U) Skóra wyprawiona. Badania fizyczne i mechaniczne. Wyznaczanie przepuszczalności pary wodnej (DIN 53333, IUP 15 Herfeld-method). [18] PN-EN 344:1996. Wymagania i metody badania obuwia bezpiecznego i zawodowego do użytku w pracy. [19] Werkstoffkartei, :1979 Bekleidungshygiene. Werkstoffe. Wärmeleitfähigkeit. Steam Transport in Leathers and Leather-Like Materials In the paper the results of measurements of moisture transport in materials employed in footwear, using the simulator Hy-tester, are presented. The measurements were made under non-isothermal conditions, similar to those which appeared while using shoes. Parameters used in standardized tests for permeability and steam sorption are discussed. For testing the materials a new index, connected with the exceeding of the dew-point, is proposed. The index informs about the microclimate which is formed in layers near the skin due to the interaction of parameters characterizing the material hygienic properties.