Membranowy mętlik - część I

Wojciech Wierba

Gdy przyjdzie nam wybrać odzież wierzchnią odpowiednią dla naszej aktywności górskiej, porazi nas różnorodność tkanin, z jakich jest uszyta. Sam gubię się w tych nazwach najczęściej kończących się na „tex”, zwłaszcza, że ciągle, jak grzyby po deszczu, pojawiają się nowe. Co wybrać? To pytanie tłucze się po skołatanej głowie i nie daje spokoju. A przecież odzież górska nie należy do tanich i decyzja o wydaniu ciężko zarobionych pieniędzy powinna być dobrym wyborem. Nim udamy się do sklepu, wyruszmy w długi zimowy wieczór na membranowy szlak.

W sosie własnym

Można przyjąć, że komfortowe warunki dla nagiego człowieka to temperatura 32 stopnie Celsjusza i 30 procent wilgotności względnej. Ale przecież nie wybieramy się w góry jak na plażę nudystów, jednak podane powyżej parametry odnoszą się również do sytuacji, gdy mamy na sobie ubranie. Po prostu, aby odczuwać maksymalny komfort, cienka warstwa powietrza otaczająca naszą skórę pod warstwą ubrania powinna mieć odpowiednią temperaturę i wilgotność. Takie warunki powinna, w zmiennych warunkach atmosferycznych i zróżnicowanym wysiłku, zapewnić nasza odzież. I jeśli z utrzymaniem ciepła, ochroną przed wiatrem i deszczem praktycznie każda nowoczesna odzież radzi sobie znakomicie, to problem pojawia się przy konieczności zapewnienia stosunkowo niskiej wilgotności względnej. A przecież każdy z nas się poci, szczególnie podczas znacznego wysiłku. Jest to proces fizjologiczny pozwalający organizmowi na skuteczną termoregulację. W spoczynku, na przykład podczas snu, ciało ludzkie wydziela przez skórę około 1500 g/m2/24h (około 60 ml na godzinę) potu, w trakcie spaceru około 0,5 l/h, a podczas intensywnego wysiłku ta ilość może dochodzić do 2 litrów na godzinę. Przy długotrwałym wysiłku ilość wydzielanego potu przyjmuje się na średnim poziomie około 1 l/h. Dużo? Tak!I nic nie pomoże wodoszczelna, wiatroszczelna i ciepła odzież, jeśli ją przepocimy, a na wewnętrznej powierzchni kurtki skropli się para wodna pochodząca z naszego potu. Będziemy się czuli jak konserwa „w sosie własnym”, wilgotny polar przestanie izolować termicznie i o żadnym komforcie nie będzie mowy.I tu wkraczają tkaniny oddychające.

Na początku był goreteks

Aby zapewnić komfort turysty w różnych warunkach atmosferycznych przy zmiennym wysiłku, od bezruchu podczas odpoczynku do przecierania szlaku w głębokim śniegu z ciężkim plecakiem, producenci odzieży stanęli przed wielkim wyzwaniem. Należało opracować tkaninę, która byłaby wodoszczelna, wiatroszczelna i umożliwiała transport pary wodnej na zewnątrz ubioru. I jeśli pierwsze dwa warunki są stosunkowo łatwe do spełnienia, to w połączeniu z ostatnim zadaniem wydaje się, że mamy do czynienia z rzeczą niemożliwą do wykonania. Postęp technologiczny, a zwłaszcza innowacyjne badania firmy W.L. Gore & Associates doprowadziły do stworzenia w 1968 roku tkaniny o nazwie goreteks spełniającej wszystkie trzy wymagania.Działanie membrany goreteks opiera się na różnicy wielkości najmniejszej spotykanej w przyrodzie kropli wody i wielkości molekuły pary wodnej, która wynosi w przybliżeniu 15 milionów razy. I tak dochodzimy do, narzucającej się, „koncepcji sita”. Z jednej strony materiału mamy „duże” krople wody, a z drugiej „malutkie” molekuły pary wodnej. Firmie Gore udało się wyprodukować mikroporowy materiał ePTFE (e – expanded, PTFE - politetrafluoroetylen o handlowej nazwie Teflon) o ponad 1,4 miliona porów (dziurek w formie krętych kanalików pokrywających 80 % powierzchni) na 1 centymetr kwadratowy. Średnica tych kanalików (~0,2 µm) jest około 20 000 razy mniejsza niż wielkość najmniejszej kropli wody, a ponad 700 razy większa od molekuły pary wodnej. Kropla wody nie przeciśnie się przez taką barierę, a para wodna w miarę swobodnie może cyrkulować.Proste, chociaż mam świadomość ogromu pracy i środków włożonych w badania i eleganckie rozwiązanie. Oczywiście membrana jest tak cienka i delikatna, że musi być laminowana do tkaniny nośnej; sama „potargałaby się” pod własnym ciężarem. Laminowanie do tkaniny nośnej pogarsza trochę oddychalność.I byłoby tak prosto i pięknie, gdyby nie brud. Okazało się, że tak wykonana membrana goreteks jest tak długo wodoszczelna, jak długo jest czysta. Zabrudzenia wnikające w kanaliki powodują zjawisko odwróconej osmozy i tkanina zaczyna przeciekać. Ta, w odczuciu użytkowników, poważna wada zmusiła producenta do osłonięcia membrany ePTFE cienką warstwą poliuretanu, która mocno ogranicza świetne właściwości sita teflonowego. Aby para wodna przeniknęła przez cienką warstwę poliuretanu, musi najpierw skondensować (skroplić) się do postaci ciekłej, a następnie zostać odparowana na zewnątrz (dokładniej: w kierunku ośrodka o mniejszej wilgotności). Konieczność kondensacji i odparowania wody w poliuretanie odpowiada za znaczne pogorszenie własności membrany ePTFE, ponieważ proces ten wymaga czasu i różnicy temperatur.

Peleton

Do wyścigu za liderem ruszyły inne firmy, ponieważ oddychające tkaniny stały się symbolem nowoczesnej odzieży górskiej, oczywiście z korzyścią dla komfortu turystów.Dzięki doskonale sformułowanym przez firmę W.L. Gore & Asociates zastrzeżeniom patentowym konkurenci musieli zainteresować się innymi materiałami i technologiami niż ePTFE. Odejście od koncepcji sita zaowocowało powstaniem membrany sympatex. Pozbawiona porów (kanalików), całkowicie wodoszczelna i wiatroszczelna, jest wykonana z hydrofilnego blokopoliestru o grubości 10 mikrometrów (produkowana jest również membrana o grubości 15 mikrometrów) i przepuszcza parę wodną na zasadzie chemicznej. Niezbędna jednak jest w tym przypadku kondensacja pary wodnej w membranie i odparowanie wody. Swoje własności hydrofilne (wodolubne) zawdzięcza dipolom (cząsteczki o nierównomiernie rozmieszczonym ładunku elektrycznym), które przyciągają molekuły pary wodnej do wnętrza membrany. Nieodzowna jest również różnica temperatur i wilgotności. Większość konkurentów zwróciła się w stronę poliuretanu i na tej bazie powstała cała gama dobrze lub średnio działających membran. Membrany oparte na mikroporowatym poliuretanie działają na podobnej zasadzie jak goreteks, tylko osnową dla sita jest inny materiał. Mikroporowata struktura uzyskiwana w procesie koagulacji poliuretanu z rozpuszczalnikiem i wodą ma średnicę porów od 2 do 7 mikrometrów. Zapewnia ona odprowadzanie pary wodnej, a jednocześnie wodoszczelność. Największym problemem była, obecnie skutecznie rozwiązanym, trudność w trwałym przymocowaniu do powierzchni tkaniny oraz często trwałość zalaminowania szwów. Membrany poliuretanowe łuszczyły się po pewnym czasie (zależnie od intensywności używania i liczby prań ten okres wynosi od 2 do 5 lat) i zaczynały przeciekać. W dążeniu do poprawy parametrów membran, a szczególnie transportu pary wodnej, wymyślono wiele patentów, jak chociażby dodatek cząsteczek ceramiki. Membrana Triplepoint Ceramic powstaje w wyniku kilkukrotnego nanoszenia membrany poliuretanowej z dodatkiem cząsteczek ceramicznych, dokoła których tworzą się mikropory. Nie wszystkie firmy zarzuciły eksperymenty z teflonem i stosunkowo niedawno BH Technologies wprowadziła na rynek tkaninę eVent. Jest to mikroporowata membrana ePTFE o zmiennej strukturze polimerowej, co przekłada się na odpowiednie potraktowanie powierzchni membrany na poziomie molekularnym.Dzięki temu eVent nie potrzebuje żadnej dodatkowej poliuretanowej warstwy penetrującej, jak w przypadku innych tkanin oddychających, zabezpieczającej powierzchnię membrany przed zabrudzeniami, łojem i detergentami. Pory membrany są cały czas otwarte, brak jest konieczności sublimacji pary wodnej i jej odparowania, czyli transport wilgoci odbywa się bezpośrednio, bez zatrzymywania jej w membranie. Dodatkowym atutem eVentu jest przepuszczanie powietrza przez membranę, umożliwiające bezpośrednią wentylację (Direct Venting™ Technology). Parametry tej membrany są tak dobre, że firmie Gore wyrósł potężny konkurent.Czy meta jest już blisko? Na szczęście nie i nawet pokuszę się o stwierdzenie, że meta oddala się szybko od stawki. Lider został wchłonięty przez peleton, a w nim samym ciągle zachodzą przetasowania. W ostatnich dwóch latach pojawił się nowy, całkiem odmienny od koncepcji sita, pomysł na oddychającą membranę. Szwajcarska firma Schoeller Textil AG opracowała membranę c_change™ bazującą na elastycznej strukturze polimerowej (http://www.c-change.ch/). Membrana reaguje na różnicę temperatur pomiędzy wnętrzem odzieży, a otoczeniem. W przypadku, gdy temperatura naszego ciała w wyniku aktywności podnosi się, struktura polimerowa (pod wpływem różnicy temperatur) otwiera się (cząsteczki odsuwają się od siebie) i umożliwia transport ciepła i wilgoci na zewnątrz oraz wentylację ciała. Gdy temperatura na zewnątrz spada, a nasze ciało nie produkuje wystarczającej ilości ciepła, na przykład podczas odpoczynku, membrana zamyka się (cząsteczki zbliżają się do siebie, tworząc całkowicie szczelną powłokę), utrzymując ciepło i zapobiegając wychłodzeniu spowodowanemu wiatrem.Parametry membrany c_change™ są bardzo obiecujące, a dodatkowo cieszy fakt, że poszukiwania coraz lepszych membran idą w wielu kierunkach, nie tylko w stronę koncepcji sita.

Parametry, liczby…

Nim w drugiej części artykułu omówimy różne membrany, należy zrozumieć parametry, którymi będziemy się posługiwać, dokonując porównania.Aby stosunkowo łatwo można było porównywać właściwości rożnych tkanin, w tym membranowych, w powszechnym użyciu są trzy parametry:

- MVTR (Moisture Vapor Transmission Rate, jednostką jest g/m²24h) – określa ilość pary wodnej w gramach, która przedostaje się przez jeden metr kwadratowy tkaniny membranowej w ciągu 24 godzin. Pomiary przeprowadzane są najczęściej przy wilgotności względnej 95% po jednej stronie próbki i temperaturze 37 stopni Celsjusza.

- R_et (Resistance to Evaporating Heat Transfer, norma DIN 54 101 i ISO DIS 11092, jednostką jest 10-3m²mbar/W) - współczynnik oporności parowania opisuje właściwości tkaniny w zakresie transportu potu z powierzchni skóry i jego niższa wartość oznacza większe zdolności do oddychania.

- R_ct (Resistance to Cold Transfer, jednostką jest 10-3m²K/W) - współczynnik oporności transportu ciepła opisuje zdolności termicznej izolacji materiału i im jego wartość większa tym lepiej.Parametr MVTR jest dosyć jasny, przy średnim wysiłku nasze ciało produkuje około 1 litra wilgoci na godzinę, czyli kurtka o powierzchni około 1 metra kwadratowego powinna mieć MVTR co najmniej 24 000 g/m²24h, aby zapewnić nam komfort. Niestety, w praktyce, dane podawane przez producenta odnoszą się do najkorzystniejszych, z punktu widzenia oddychania, warunków pomiarowych, a my pocimy się w górach, a nie w laboratorium.Współczynnik Ret jest mniej intuicyjny i dlatego podaję wielkości liczbowe, jakie powinien osiągać ten współczynnik dla różnych zastosowań:

- R_et mniejszy niż 60 – pełny komfort nawet przy dużym, ciągłym wysiłku;

- R_et od 60 do 130 – komfort przy średnim wysiłku;

- R_et od 130 do 200 – komfort przy małym wysiłku;

- R_et większy od 300 – tkanina nie kwalifikuje się jako oddychająca.

Współczynnik R_et podawany jest dla poszczególnych warstw ubioru, natomiast wypadkowy współczynnik Ret dla ubrania składającego się z kilku warstw jest gorszy. Gdy ubierzemy bieliznę termoaktywną, polar i kurtkę z goreteksu to wypadkowy Ret wyniesie około 145. Parametr R_ct jest na ogół podawany w przypadku tkanin i ubioru mającego spełniać rolę warstwy ocieplającej, rzadziej w odniesieniu do tkanin membranowych.

Na dalszą wędrówkę membranowym szlakiem zapraszam za miesiąc, porównamy wtedy większość membran obecnych na rynku.