Мембраны: немного физики
Статья о физических основах работы мембранных тканей. Процессы, происходящие в поровых и непоровых мембранах, имеют разную природу. Отсюда их отличия, сильные и слабые стороны.
Высокие технологии, изначально работавшие в космосе или на сложном производстве, со временем становятся повседневными. Так, мембранные материалы, несколько десятилетий назад родившиеся в научных лабораториях, теперь служат нам в одежде и обуви.
Мембрана – это барьер, который пропускает через себя одни вещества и останавливает другие. Впервые применить это свойство мембран в одежде догадались в фирме Gore в 70-хх годах прошлого века. Именно в это время стало технологически возможным создать прочную поровую мембрану на основе полимеров. Радиус пор подбирался так, чтобы они не пропускали капли воды из внешней среды и не создавали препятствия для выхода пара наружу.
Капля тумана – 0,1 мм (100000 нм)
Крупная капля дождя – 6,5 мм (6500000 нм)
Молекула воды – 0,2 нм
d пор в мембране = 140 - 200 нм
Зачем это нужно?
Простой полиэтиленовый плащ отлично защитит от дождя и ветра, но не спасёт от намокания. А всё потому, что одной из важнейших постоянных человеческого тела является температура. Она может колебаться в узких пределах. При любой активности мы вырабатываем тепло, излишки которого незамедлительно сбрасываются в окружающую среду. Одним из механизмов отвода тепла является потоотделение: ежесуточно человек выделяет не менее полулитра пота в нормальных условиях, при высоких нагрузках и температурах это значение достигает 12 литров.
Но полиэтилен препятствует отводу паров воды, и она конденсируется на его поверхности, опять превращаясь в воду – порочный круг замыкается, под плащом пасмурно и сыро, особенно если снаружи тепло и солнечно.
Как работают поровые мембраны?
Поровая мембрана позволяет избежать «застоя» паров воды под одеждой.
Водяной пар – газообразное состояние той же воды, что падает на нас снаружи в жидком состоянии в виде капель.
Расстояние между молекулами воды в паре так велико, что каждая молекула выступает как отдельный «игрок»: поровая мембрана для неё не является серьёзным препятствием и молекула свободно выходит наружу. Движение пара в поровой мембране можно описать как поток через отверстия.
В капле те же молекулы воды связаны силой поверхностного натяжения, они живут плотными сообществами. Такой конгломерат не может разом пройти сквозь пору пока не растечётся по поверхности монослоем в размер молекулы. В этот момент мембрана начинает пропускать воду. Чтобы предотвратить такой ход событий на поверхность мембраны наносят специальное гидрофобное покрытие с плохой смачиваемостью – DWR. С этим покрытием молекулы воды не могут прореагировать и капля не растекаясь скатывается с поверхности. Да и сама пористая мембрана производится из гидрофобных полимеров, например, политетрафторэтилена, чтобы у молекул пара не было возможности остаться на стенке поры по пути наружу.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ) – превосходит по химической стойкости все полимеры: не смачивается водой и не растворяется в обычных растворителях. Полимер с самой большой молекулярной массой.
Почему молекулы пара начинают целенаправленно двигаться наружу? Что их подталкивает?
Всё мире стремится к равновесию, по крайне мере, так говорит физика. Любое движение обусловлено избытком энергии/вещества в одном месте и недостатком в другом. Когда парциальное давление водяного пара под мембраной (под курткой) превышает его парциальное давление во внешней среде, молекулы воды начинают двигаться сквозь мембрану наружу. Процесс останавливается, когда давление пара внутри и снаружи выравнивается.
Значит, если снаружи влажно, то отвод водяного пара прекращается, и мы промокаем? Да, но только в случае, когда температуры под курткой и снаружи близки по значениям. Если стоит холодная влажная погода, то отвод водяного пара будет продолжаться даже в таких условиях, так как парциальное давление зависит от температуры, и разница в давлениях сохранится.
Особенности поровых мембран
Рабочие характеристики поровой мембраны в первую очередь определяются количеством пор, их размером, распределением по поверхности и толщиной мембраны, а не химическими свойствами материала, из которого она изготовлена. Со временем на поверхности мембраны появляются грязевые отложения, они сильно снижают её качество, закупоривая поры и меняя свойства. Неправильно подобранное моющее средство, например порошок, также забивает поры. Поэтому уход за поровыми мембранами требует особого внимания и осторожности. А гидрофобность внешней ткани – основа правильной работы этого сложного механизма, поддерживается при помощи пропиток.
Непоровые мембраны. Зачем нужны они?
Непоровые мембраны – отдельный класс мембран, работа которых основана на совершенно иных физических процессах. Как следует из названия, в них нет пор, однако материал мембраны имеет неравномерную структуру, причина которой – свободный объём между большими молекулами полимера. Этот объём достаточен для движения небольших молекул воды по мембране – диффузии. Молекулярный размер этих полостей не сравним с размерами пор.
Водяной пар химически связывается с гидрофильной внутренней поверхностью мембраны. В случае интенсивной работы с повышенным потоотделением влага конденсируется на ней. Материал мембраны, обычно полиуретан, начинает набухать, впитывая в себя молекулы воды. Все молекулы под действием температуры начинают двигаться быстрее: гибкий, за счёт влаги, полимер расширяется, пространство между цепочками увеличивается и диффузия молекул воды ускоряется. Она происходит до тех пор, пока концентрация молекул воды в мембране не станет одинаковой по всей толщине мембраны. Основными движущими силами процессов в непоровой мембране являются: разница концентрации молекул воды в ней и разница температур с двух сторон от мембраны. Движение направлено из области с высокой концентрацией воды в область с низкой концентрацией воды. Молекулы, проходящие через свободные полости в мембране, достигают наружней поверхности и уходят в окружающую среду.
Внешняя поверхность непоровой мембраны всегда защищена гидрофобной тканью с плотным плетением, которая не пропускает капли воды снаружи и не препятствует отводу пара.
Полиуретан – прочный, устойчивый к старению, эластичный материал. Гидрофилен. Плёнки из полиуретана легко наносятся на поверхности любой конфигурации. Обладает относительно низкой молекулярной массой.
Слабые и сильные стороны
Непоровая мембрана меньше загрязняется, так как в ней нет пор и нечему забиваться. Эластичность этого полимера даёт возможность производить тянущиеся ткани на его основе.
Проблемным местом непоровой мембраны нужно назвать ограничение её работы при низких температурах. Влага на внутренней поверхности мембраны превращается в изморозь, это затрудняет отведение пара и причиняет дискомфорт. В случае с поровой мембраной изморозь не во всех случаях образуется на внутренней стороне мембраны, так как точка росы может оказаться в другом месте за счёт интенсивного потока пара через мембрану.
Тесты показывают, что поровая мембрана более устойчива к образованию конденсата на внутренней поверхности и лучше работает в условиях повышенной влажности – JIS L 1099 A1.
Непоровая мембрана начинает работать с небольшой задержкой: ей требуется время на набухание (намокание), чтобы выйти на максимальные рабочие показатели. Тесты показывают, что эффективность непоровой мембраны возрастает с ростом абсолютной влажности под одеждой, поровая мембрана мало зависит от этого параметра. В условиях активной работы при невысокой влажности окружающего воздуха, хорошие непоровые мембраны обходят поровые по паропроницаемости – JIS L 1099 B1.
Из-за гидрофильности самой мембраны её водостойкость ниже, чем у полностью гидрофобной пористой. Когда верхний защитный слой ткани с непоровой мембраной начинает пропускать влагу, она мгновенно проникает внутрь.
Комбинированные мембраны
Хорошие результаты часто получают на стыке технологий. В последнее время всё больше интереса вызывают комбинированные мембраны, которые включают поровую мембрану у наружнего слоя и тонкую непоровую со стороны тела. Так производители защищают пористую мембрану от загрязнений тела и увеличивают показатели паропроницаемости.
Так же интересен опыт создания поровой мембраны из волокон полиуретана, реализованный в тканях Polartec® NeoShell®.
Характеристики мембран
- Влагостойкость
- Паропроницаемость (A1, B1)
- Ret
