Мембраны. Немного физики

Статья для тех, кому интересны физические основы работы мембранных тканей. Так процессы, происходящие в поровых и непоровых мембранах, имеют разную природу. Отсюда их отличия, сильные и слабые стороны.

11358

Высокие технологии, изначально работающие 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-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? Кто 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, так же забивает поры. Поэтому уход за поровыми мембранами требует особого внимания и осторожности. А поддержание гидрофобности внешней ткани – пропитка, основой правильной работы этого сложного механизма.

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.

Непоровая мембрана меньше загрязняется, так как в ней нет пор и нечему забиваться. Эластичность этого полимера даёт возможность производить тянущиеся ткани на его основе

И здесь не обошлось без слабых мест

Тесты показывают, что поровые мембраны более устойчивы к образованию конденсата на внутренней поверхности и лучше работают в условиях повышенной влажности – JIS L 1099 A1.

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.

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, поровые мембраны мало зависят 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 методов. В последнее время всё больше интереса вызывают комбинированные мембраны, которые включают поровую мембрану у наружнего слоя и тонкую непориовую со стороны тела. Таким образом 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®.