Воздухопроницаемость

Воздухопроницаемость – это способность материалов пропускать воздух. Необходимым условием для прохождения воздуха через материал является наличие перепада давления воздуха (DР) по обеим сторонам пробы материала. Чем выше величина перепада давления, тем интенсивнее процесс прохождения воздуха через материал. При небольших скоростях прохождения воздуха через материалы зависимость скорости движения воздуха от величины перепада давления имеет линейный характер и выражается уравнением Д’Арси:

. (57)

Такая зависимость имеет место при небольших величинах или при плотной структуре текстильного полотна. С увеличением скорости движения воздуха через материалы может наблюдаться отклонение от линейного характера зависимости скорости от перепада давления. В этой связи для материалов бытового назначения, предназначенных для изготовления одежды, в соответствии со стандартом (ГОСТ 12088–77) воздухопроницаемость оценивается при перепаде давления = 49 Па (5 мм вод. столба), что соответствует условиям эксплуатации одежды в климатических условиях средней полосы России, где скорость ветра составляет не более 8–10 м/с.

Общепринятой характеристикой воздухопроницаемости является коэффициент воздухопроницаемости , дм³/(м²∙ с):

, (58)

где – объем воздуха, дм³, проходящий через рабочую часть пробы материала, площадь которой , м², за время , равное 1 с, при перепаде давления .

При использовании м³ в качестве единицы измерения объема воздуха, проходящего через пробу материала, получаемое значение коэффициента воздухопроницаемости (м³/(м²×с)) численно равно скорости движения воздуха через материал (м/с).

Воздухопроницаемость современных материалов колеблется в широких пределах – от 3,5 до 1500 дм³/(м²∙ с) (табл. 8 ).

Таблица 8 Группировка тканей по воздухопроницаемости

(по данным Н. А. Архангельского)

Группа тканей	Ткани	Общая характеристика воздухопроницаемости группы тканей	, дм3/(м2∙ с), при = 49 Па
I	Плотные драп и сукно, хлопчатобумажные ткани, диагональ, начесное сукно	Очень малая	Менее 50
II	Костюмные шерстяные ткани, сукно, драп	Малая	50–135
III	Бельевые, платьевые, демисезонные, легкие костюмные ткани	Ниже средней	135–375
IV	Легкие бельевые и платьевые ткани	Средняя	375–1000
V	Наиболее легкие платьевые ткани с большими сквозными порами	Повышенная	1000–1500
VI	Марля, сетка, канва, ажурный и филейный трикотаж	Высокая	Более 1500

Воздушный поток проходит через поры текстильного материала, поэтому показатели воздухопроницаемости зависят от структурных характеристик материала, определяющих его пористость, число и размеры сквозных пор. Материалы из тонких сильно скрученных нитей имеют большое число сквозных пор и соответственно большую воздухопроницаемость по сравнению с материалами из толстых пушистых нитей, в которых поры частично закрыты выступающими волокнами или петлями нитей.

Важнейшими структурными характеристиками текстильных полотен, имеющих сквозные поры, которыми главным образом определяется их воздухопроницаемость, являются толщина полотна, величина сквозной пористости и характеристический размер поперечника (диаметр) сквозных пор. Определить значения скорости прохождения воздуха через материал при разных перепадах давления можно используя математическую модель, предложенную А.В. Куличенко, которая имеет вид

, (59)

где – вязкость воздуха, мПа ∙ с; – диаметр сквозных пор, м;

– сквозная пористость; – толщина материала, м.

В тех случаях, когда материалы не имеют сквозных пор, их воздухопроницаемость определяется величиной общей пористости, размерами пор и толщиной полотен. Так, для нетканых материалов на основе волокнистых холстов зависимость коэффициента воздухопроницаемости от их структуры выражена экспериментально полученными А. В. Куличенко уравнениями, имеющими общий вид

, (60)

где – заполнение нетканого материала волокнами; L – толщина материала; – параметр, связанный с геометрическими характеристиками волокон.

К числу важнейших факторов, от которых зависит воздухопроницаемость материалов, относится их влажность. Значение этого фактора тем выше, чем большей плотностью характеризуется материал и чем выше гигроскопические свойства волокон, из которых он изготовлен. Так, по данным Б. А. Бузова, при 100 %-й влажности шерстяных суконных тканей воздухопроницаемость по сравнению с воздушно-сухим их состоянием снижается в 2–3 раза. Уменьшение воздухопроницаемости материалов при увлажнении связано с набуханием волокон и появлением микро- и макрокапиллярной влаги, что вызывает резкое сокращение числа и размеров пор и, в конечном итоге, приводит к повышению аэродинамического сопротивления материала и, соответственно, к снижению коэффициента воздухопроницаемости.

Деформация текстильных материалов вызывает существенные изменения в их структуре (в частности, нарушается пористость), что приводит к изменению воздухопроницаемости. Исследования, проведенные в Ивановской государственной текстильной академии проф..В. В. Веселовым, показали, что при несимметричном двухосном растяжении ткани наблюдается вначале некоторое уменьшение воздухопроницаемости, а затем ее возрастание до 60 % от исходного значения. Это обусловлено сложным характером перестройки структуры материала, которая связана с растяжением и сжатием нитей основы и утка.

Наиболее значительно влияние деформаций растяжения на воздухопроницаемость проявляется в трикотажных полотнах. В отличие от тканей трикотажные полотна имеют более высокую растяжимость, что связано с большей подвижностью их структуры, чувствительной даже к невысоким величинам прикладываемых к ним растягивающих усилий. Структурные изменения в трикотажных полотнах при приложении к ним таких усилий заключаются прежде всего в изменениях конфигурации петель. Сами нити, особенно в легко растягивающихся полотнах, могут быть напряжены незначительно. Высокая растяжимость трикотажных полотен при приложении к ним внешних нагружений является причиной не только их структурных изменений, но и изменений величин показателей их свойств, в частности проницаемости.

Для таких высокорастяжимых полотен зависимость воздухопроницаемости от величины их пространственной деформации растяжения имеет линейный характер (рис.) и выражается уравнением вида ,

где – коэффициент воздухопроницаемости в исходном недеформированном состоянии; – пространственная деформация; – коэффициент, характеризующий изменение воздухопроницаемости полотна при его растяжении и зависящий от структуры полотна.

При проектировании изделий необходимы сведения не только о воздухопроницаемости материалов, из которых изготовляются те или иные изделия, но и о воздухопроницаемости пакета одежды. С увеличением числа слоев материала в пакете снижается общая воздухопроницаемость пакета (рис.22). Наиболее резкое снижение воздухопроницаемости (до 50 %) наблюдается при увеличении числа слоев материала до двух; дальнейшее повышение числа слоев влияет в меньшей степени. С введением воздушных прослоек между слоями воздухопроницаемость пакета зависит от толщины воздушной прослойки.

Рис. 22 Зависимость коэффициента воздухопроницаемости

трикотажных полотен от величины поверхностной деформации :

1 – поперечновязаное, интерлок (ПА нить эластик + ПУ эластомерная нить);

2 – поперечновязаное, гладь (пряжа хлопчатобумажная);

3 – поперечновязаное рисунчатое (пряжа ПАН);

4 – поперечновязаное, интерлок (пряжа шерстяная)

Рис. 23 Зависимость воздухопроницаемости пакетов

тканей в зависимости от числа слоев: 1 – драп; 2 – сукно

Общая воздухопроницаемость многослойного пакета одежды рассчитывается по формуле Клейтон, которая может давать погрешность до 10 % :

, (61)

где , , …, – коэффициенты воздухопроницаемости каждого слоя в отдельности.

Воздухопроницаемость материалов является также технологическим свойством, так как она оказывает влияние на параметры влажно-тепловой обработки швейных изделий на паровоздушных прессах и манекенах.

Влагопроницаемость

Организм человека в процессе жизнедеятельности постоянно выделяет пары воды, накопление которых в пододежном и внутриобувном пространстве может вызвать неприятные ощущения, прилипаемость одежды, намокание прилегающих слоев, что приводит к снижению теплозащитных свойств изделия.

Способность материалов проводить влагу из среды с повышенной влажностью в среду с пониженной влажностью является их важным гигиеническим свойством. Благодаря этому свойству обеспечивается вывод излишков парообразной и капельно-жидкостной влаги из пододежного и внутриобувного слоя или изоляция тела человека от воздействия внешней влаги (атмосферные осадки, гидроизоляционная одежда и обувь и т. п.).

Процесс переноса влаги через материалы включает следующие составляющие:

– диффузия и конвективный перенос;

– сорбция влаги из внутреннего (пододежного или внутриобувного) пространства, перенос через полимер и десорбция во внешнюю среду;

– капиллярная конденсация, капиллярное поднятие и последующая десорбция.

В зависимости от размеров пор в материале может наблюдаться преобладание тех или иных составляющих процесса влагопереноса. В макропористых материалах (с преобладанием макрокапилляров с размерами поперечника от 10^{-7 м и более) наблюдается преобладание процесса диффузии. В тех случаях, когда материалы гидрофильны, наблюдается проявление также второй составляющей. В микропористых материалах (с преобладанием микрокапилляров, имеющих поперечные размеры менее 10-7 м) наблюдается преобладание переноса за счет сорбции – десорбции и капиллярного поднятия. Для гетеропозных материалов, т. е. имеющих микро- и макропоры, характерно наличие всех трех составляющих процесса влагопереноса.}

Влагопроницаемость материала существенно зависит от сорбционных свойств волокон и нитей его составляющих. Процесс влагопереноса у гидрофильных и гидрофобных материалов неодинаков. Гидрофильные материалы активно поглощают влагу и, таким образом, как бы увеличивают поверхность испарения, что практически не характерно для гидрофобных материалов. Наступление динамического равновесия между процессами сорбции и десорбции у гидрофильных материалов требует значительного времени, а у гидрофобных происходит очень быстро.

В зависимости от средней плотности структуры материала преобладает тот или иной способ прохождения влаги. В текстильных материалах (с поверхностным заполнением более 85 %) преобладает перенос влаги путем ее сорбции – десорбции волокнами материала. Влагопроницаемость таких материалов зависит главным образом от способности волокон поглощать влагу. В материалах с поверхностным заполнением менее 85 % влага проходит, в основном, через поры материала. Влагопроницаемость таких материалов зависит от их структурных параметров. При заполнении по массе менее 30 % способность тканей пропускать влагу практически не зависит от гидрофильности волокон и нитей.

На влагопроводность материала также оказывает влияние движение воздуха через материал. При малых скоростях воздуха преобладает процесс прохождения влаги путем сорбции – десорбции. С увеличением скорости движения воздуха более активно проявляется процесс диффузии влаги через поры. При скорости воздуха 3–10 м/с наблюдается тесная корреляционная связь между показателями воздухо- и влагопроницаемости.

Способность материалов пропускать пары влаги называется паропроницаемостью.

Коэффициент паропроницаемости ,г/(м² ∙ с), показывает, какое количество водяных паров проходит через единицу площади материала в единицу времени:

, (62)

где А – масса водяных паров, прошедших через пробу материала, г; S – площадь пробы материала, м²; – продолжительность испытания, с.

Коэффициент паропроницаемости зависит от величины воздушной прослойки –расстояния от поверхности материала до поверхности испарения влаги, мм. С ее уменьшением коэффициент увеличивается. Поэтому в обозначении коэффициента паропроницаемости всегда указывается величина , при которой проводились испытания. Величина должна быть минимальной и одинаковой при испытаниях материалов для их сопоставления, так как сопротивление прохождению паров влаги складывается из сопротивления слоя воздуха между материалом и поверхностью испарения и из сопротивле­ния самого материала.

Увеличение перепада температуры и перепада относительной влажности воздуха, т. е. парциального давления водяных паров, по обеим сторонам материала вызывает повышение интенсивности процесса паропроницаемости. Проведение испытаний при температуре воды 35–36 °С приближает условия испытания к условиям эксплуатации одежды, так как эта температура соответствует температуре тела человека.

Относительная паропроницаемость , %, – отношение массы паров влаги А, испарившихся через испытываемый материал, к маcce паров влаги В, испарившихся с открытой поверхности воды, находившейся в тех же условиях испытания:

100 % . (63)

В связи со значительным влиянием толщины воздушной прослойки между пробой материала и поверхностью испарения влаги применяется характеристика, называемая сопротивление паропроницаемости. Этот показатель измеряется в мм толщины слоя неподвижного воздуха, оказывающего такое же сопротивление прохождению водяных паров, как и испытываемый материал.

В зависимости от сопротивления паропроницаемости И. А. Димитриевой предложено делить ткани на четыре группы (табл. 9)

Таблица 9 Группировка, тканей в зависимости от

их сопротивления переносу водяных паров

Проницаемость текстильных материалов при прохождении через них капельно-жидкой влаги оценивается с помощью характеристик водопроницаемости и водоупорности.

Водопроницаемость — способность текстильных материалов пропускать воду при определенном давлении. Основная характеристика этого свойства – коэффициент водопроницаемости дм³/(м² ∙ с). Он показывает, какое количество воды проходит через единицу площади материала в единицу времени:

, (64) где V – количество воды, прошедшее через пробу материала, дм³;

S – площадь пробы, м²; – время, с.

Коэффициент водопроницаемости определяют, замеряя время прохождения через пробу материала воды объемом 0,5 дм³ под давлением Н = 5 ∙ 10³ Па. Для материалов спленочным покрытием или водоотталки-вающей отделкой коэффициент водопроницаемости определяют при дождевании в течение 10 мин (ГОСТ 30292–96).

Водоупорность(водонепроницаемость) – сопротивление текстильных материалов проникновению через них воды. Водоупорность характеризуетсянаименьшим давлением, при котором водa начинает проникать через материал (табл. 10 ).

Таблица 10 Нормы водоупорности плащевых тканей

Ткани	Водоупорность , мм вод. ст., не менее	ГОСТ
Плащевые и курточные из синтетических нитей: с пленочным покрытием в З слоя: – до стирки – после трех стирок с пленочным покрытием в 1 слой Из химических волокон и смешанной пряжи: – для плащей – для спортивной одежды и курток Плащевые хлопчатобумажные с водоотталкивающей отделкой		28486–90 28486–90 28486–90     29222–91 29222–91   7297–90

По времени промокания при дождевании оценивают водоупорность материалов с водоотталкивающей пропиткой или пленочным покрытием (ГОСТ 30292–96).

Водопроницаемость, водоупорность и водооттаткивание зависят от структурных показателей заполнения полотен, от их толщины, сорбционных свойств и способности к смачиванию. Для ряда швейных изделий, защищающих человека от атмосферных осадков (плащей, пальто, костюмов, зонтов, палаток и т. п.), водоупорность материалов является одним из важнейших показателей качества.

Водонепроницаемость плащевых тканей оценивают также по способности плащевых материалов к водоотталкиванию, которая определяется по состоянию намокшей поверхности пробы после ее дождевания и встряхивания (табл. 11 ).

Таблица 11 Состояние поверхности материалов после дождевания

В соответствии с ГОСТ 28486–90 нормы водоотталкивания установлены в баллах и составляют для плащевых и курточных тканей из синтетических нитей с пленочным покрытием в 3 слоя не менее 80 баллов, в 1 слой – не менее 70 баллов, с водоотталкивающей отделкой – до 70 баллов.

Пылепроницаемость

Материалы в процессе носки изделий способны пропускать в пододежный слой или удерживать в своей структуре частицы пыли. Это приводит к загрязнению как самих материалов, так и слоев изделия, располагающихся под ними. Частицы пыли проникают сквозь материал в основном тем же путем, что и воздух – через сквозные поры материала. Удерживаются частицы пыли в структуре материала вследствие механического сцепления их с неровностями поверхности волокон и масляной смазки. Кроме того, процессу захвата материалом частиц пыли способствует их электризуемость при трении. Мельчайшие частицы пыли (менее 50 мкм) не имеют зарядов, однако способны при трении друг о друга или о материал приобретать заряд короткой продолжительности. При наличии на поверхности материала статического электричества заряженные частицы пыли притягиваются к поверхности волокон, где они впоследствии удерживаются благодаря механическому сцеплению или смазке. Таким образом, чем выше электризуемость материала, тем в большей степени он загрязняется. Рыхлая пористая структура материала из волокон с неровной поверхностью обладает способностью захватывать большее количество пыли и удерживать ее более длительное время, чем плотная структура материала, имеющего гладкие ровные волокна. По этим причинам наибольшей пылеемкостью обладают шерстяные и хлопчатобумажные ткани. Добавление в нихполиэфирныхволокон уменьшает пылеемкость.

Пылепроницаемость– способность материалов пропускать частицы пыли. Она характеризуется коэффициентом пылепроницаемости ,г/(см² ∙ с):

, (65)

где – масса пыли, прошедшей через пробу материала, г; – площадь пробы, м²; – время испытания, с.

Относительная пылепроницаемость , %, показывает отношение массы пыли, прошедшей через материал , к массе пыли, использованной в испытании, :

100 % . (66)

Пылеемкость – способность материала воспринимать и удерживать пыль. Она характеризуется относительной пылеемкостью , %, – отношением массы пыли, поглощенной материалом, , к массе пыли, использованной в испытании, :

100 % . (67)

Показатели пылепроницаемости и пылеемкости определяют путем просасывания через материал с помощью пылесоса навески пыли, имеющей определенный состав и размер частиц. Взвешиванием устанавливают количество пыли, прошедшей через материал и осевшей на материале.

Материалы разных видов имеют отличающиеся значения показателей пылепроницаемости и пылеемкости (табл.12).

Таблица 12 Пылепроницаемость и пылеемкость материалов

(по данным М. И. Сухарева)