Metody i przyrządy pomiarowe stosowane do badań transportu wilgoci w materiałach obuwniczych i odzieżowych

Pełen tekst

(1)Zesz yty Naukowe nr. 685. 2005. Akademii Ekonomicznej w Krakowie. Ewa Marcinkowska Katedra Towaroznawstwa Przemys∏owego. Metody i przyrzàdy pomiarowe stosowane do badaƒ transportu wilgoci w materia∏ach obuwniczych i odzie˝owych 1. Wprowadzenie Problematyka badania i oceny parametrów mikroklimatu warstw przyskórnych w obuwiu i pod odzie˝à poruszana jest w wielu publikacjach. Publikacje z tego zakresu zosta∏y przedstawione m.in. w pracach [27, 51]. Jak wynika z ich analizy, a tak˝e z analizy aktualnej literatury dotyczàcej w∏aÊciwoÊci u˝ytkowych materia∏ów w∏ókienniczych oraz skór i tworzyw skóropodobnych, szereg wyspecjalizowanych oÊrodków badawczych prowadzi∏o, i nadal prowadzi, badania dotyczàce wymiany wilgoci oraz jednoczesnej wymiany wilgoci i ciep∏a w tych materia∏ach. Na uwag´ zas∏ugujà m.in. badania wykonane pod kierunkiem J. Mecheelsa i K.H. Umbacha [4, 5, 44–46] (Bekleidungsphysiologisches Institut, Hohenstein), W. Diebschlaga, W. Nockera [8] i innych [9, 49]. Wiele prac dotyczàcych komfortu fizjologicznego odzie˝y opublikowali tak˝e pracownicy uniwersytetów i oÊrodków badawczych w Stanach Zjednoczonych [7, 15, 16, 21, 41, 47, 52], w Kanadzie [10–12], Australii [13, 24, 25, 37, 38], Chinach [26, 48], Japonii [18, 19, 43, 53], Korei [32], Francji [3] i w Czechach [22, 23, 34–36]. W Polsce, Instytut W∏ókiennictwa w ¸odzi prowadzi prace dotyczàce metod badaƒ i oceny w∏aÊciwoÊci fizjologiczno-higienicznych materia∏ów odzie˝owych, komfortu fizjologicznego odzie˝y, a tak˝e technologii dzianin o wysokim komforcie fizjologicznym [6, 14]. Ocena w∏aÊciwoÊci biofizycznych odzie˝y z punktu widzenia bezpieczeƒstwa i ochrony zdrowia cz∏owieka jest przedmiotem zainteresowaƒ Centralnego Instytutu Ochrony Pracy w ¸odzi [2, 20]. Na Wydziale W∏ókienniczym Politechniki ¸ódzkiej w Instytucie Me-.

(2) 20. Ewa Marcinkowska. trologii, W∏óknin i Odzie˝ownictwa problematykà transportu wilgoci przez wielowarstwowe uk∏ady tekstylne, zarówno z punktu widzenia opracowaƒ teoretycznych, jak i oryginalnych metod pomiaru, zajmuje si´ zespó∏ pod kierunkiem prof. W. Wi´êlaka. Zespó∏ ten opublikowa∏ szereg prac badawczych dotyczàcych tej problematyki [50, 51, 54, 55]. Kontakt tekstylia – cia∏o ludzkie, jak pisze W. Wi´êlak [51], realizuje si´ w ró˝norodnych formach w procesie u˝ytkowania odzie˝y powszechnego u˝ytku oraz specjalnego przeznaczenia. Osiàgnićia nauk technicznych i medycznych oraz nowe technologie przyczyniajà si´ do powstawania nowych zastosowaƒ tekstyliów. Tworzone sà nowe rodzaje odzie˝y i os∏on osobistych o nieznanych wczeÊniej w∏aÊciwoÊciach. Stàd te˝ coraz cz´Êciej zwraca si´ uwag´ na oddzia∏ywania powstajàce na granicy tych powierzchni, majàce wp∏yw na warunki komfortu u˝ytkowania, m.in. na zapewnienie w∏aÊciwej temperatury i wilgotnoÊci w warstwach przyskórnych. Brak odpowiednich sposobów badania oraz urzàdzeƒ pomiarowych stwarza koniecznoÊç zajmowania si´ tymi zagadnieniami. Celem artyku∏u jest prezentacja metod i przyrzàdów pomiarowych stosowanych do badania przenoszenia wilgoci w materia∏ach odzie˝owych obuwniczych, a tak˝e zasady dzia∏ania prototypowego systemu komputerowego „Hy-Tester”, który zosta∏ zaprojektowany i zbudowany, w ramach projektów badawczych finansowanych przez KBN, przez zespó∏ Katedry Towaroznawstwa Przemys∏owego AE w Krakowie we wspó∏pracy z pracownikami Instytutu W∏ókienniczego AT-H w Bielsku-Bia∏ej.. 2. Zasada dzia∏ania przyrzàdów pomiarowych, wielkoÊci mierzone Jak twierdzà autorzy publikacji [51], istniejà trzy koncepcje przyrzàdów do badaƒ mikroklimatu, a mianowicie: oparte na uk∏adzie p∏ytowym, rurowym lub o kszta∏cie manekina. W rozwiàzaniu przyj´tym przez W. Wi´êlaka i zespó∏ [51] wykorzystano koncepcj´ rurowà. Stanowisko badawcze tworzà uk∏ady zasilania, pomiarowy oraz rejestrujàcy i obróbki danych. Uk∏ad pomiarowy sk∏ada si´ z walcowej komory w∏aÊciwej o Êrednicy 500 mm i komory izolacyjnej, której zadaniem jest ograniczenie wymiany ciep∏a mi´dzy komorà w∏aÊciwà a otoczeniem. Komora w∏aÊciwa przedzielona jest na dwie cz´Êci pakietem badanych materia∏ów. Temperatura wn´trza komory jest mierzona przez oporowy czujnik. W dolnej cz´Êci pod pakietem umieszczona jest „pocàca si´” powierzchnia (symulujàca skór´), która za pomocà uk∏adu kapilarnego zwil˝ana jest wodà. WielkoÊç „pocenia” mo˝na zmieniaç przez nak∏adanie na „skór´” specjalnych przes∏on. BezpoÊrednio pod skórà umieszczone jest êród∏o ciep∏a, utrzymujàce sta∏à temperatur´ na jej powierzchni. Odpowiednià temperatur´ uzyskuje si´ za pomocà termostatu. Temperatur´ powierzchni parujàcej mierzy si´ czujnikiem oporowym. Do pomiaru iloÊci od-.

(3) Metody i przyrzàdy pomiarowe stosowane do badaƒ transportu wilgoci.... 21. parowanej wody zastosowano uk∏ad kapilar. W przestrzeni mi´dzy skórà a pakietem oraz nad pakietem rozmieszczone sà czujniki temperatury, wilgotnoÊci i ciÊnienia, za pomocà których bada si´ parametry mikroklimatu po obu stronach pakietu. W za∏o˝eniach budowy przyrzàdu przyj´to zasad´, ˝e wszystkie parametry b´dà rejestrowane w czasie prowadzenia eksperymentu w okreÊlonych odst´pach próbkowania. Rejestrowane parametry pozwolà okreÊliç: – czàstkowe i ca∏kowite gradienty temperatury, – gradient ciÊnienia, – gradient wilgotnoÊci wzgl´dnej powietrza, pr´dkoÊç powietrza nad pakietem, – iloÊç cieczy dozowanej symulujàcej pot. Wszystkie przedstawione parametry sà zapisywane w czasie rzeczywistym, przy u˝yciu wielokana∏owej aparatury rejestrujàcej. PrzepuszczalnoÊç pary wodnej przez pakiet materia∏ów okreÊlono zale˝noÊcià [55]: t. λ=. t. ∫ wndt / ∫ wpdt,. 0. (1). 0. gdzie: λ – wspó∏czynnik przepuszczalnoÊci pary wodnej, wn – wilgotnoÊç bezwzgl´dna pod próbkà [g/kg], wp – wilgotnoÊç bezwzgl´dna przy zape∏nianiu wodà cylindra bez próbki [g/kg], t – czas obserwacji [min]. Przeprowadzone na omawianym urzàdzeniu badania wst´pne pozwoli∏y autorom na sformu∏owanie nast´pujàcych wniosków [51]: – przy konstrukcji przyrzàdu pomiarowego nale˝y dà˝yç do maksymalnego ograniczenia przestrzeni mi´dzy „skórà” a pakietem badanych materia∏ów. Przestrzeƒ ta powinna byç mo˝liwie bliska obj´toÊci pakietów; – jako skór´ korzystnie jest stosowaç spiek szklany, ze wzgl´du na sta∏oÊç w∏aÊciwoÊci fizycznych w czasie i odpowiednià porowatoÊç umo˝liwiajàcà proces kontrolowanego pocenia si´; – proces „pocenia si´” najkorzystniej jest realizowaç drogà uk∏adu kapilarnego lub wkraplania wody na powierzchni´ skóry (w zale˝noÊci od celu eksperymentu). Niekorzystny jest proces niekontrolowanego nawil˝ania „skóry” do okreÊlonej masy, ze wzgl´du na niekontrolowany przebieg parowania w poczàtkowej fazie eksperymentu i nieustalony stan równowagi cieplnej uk∏adu pomiarowego. Na koncepcji „p∏yty” zbudowany zosta∏ równie˝ z∏o˝ony uk∏ad pomiarowy, za pomocà którego autor [12] analizowa∏ wp∏yw kondensacji potu na wielkoÊç strat cieplnych w ró˝nych uk∏adach materia∏owych. W Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein zbudowano zestaw urzàdzeƒ laboratoryjnych do pomiaru tzw. fizjologicznych cech materia∏ów tekstyl-.

(4) 22. Ewa Marcinkowska. nych i odzie˝y [45]. Badania prowadzi si´ m.in. na modelu skóry ludzkiej, który symuluje wydzielanie ciep∏a i wilgoci przez cia∏o cz∏owieka. IzolacyjnoÊç cieplnà materia∏ów tekstylnych i ich zdolnoÊç do transportu wilgoci mierzy si´ zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych. W urzàdzeniu do symulacji wydzielania i odparowywania potu z ludzkiej skóry [44, 45] zastosowano p∏ytk´ ze spieków metaloceramicznych. P∏ytka ta zwiàzana jest z blokiem grzejnym i zaopatrywana w ciep∏à wod´ przez urzàdzenie dozujàce. Próbk´ k∏adzie si´ na elementach dystansowych lub bezpoÊrednio na powierzchni p∏ytki i mocuje za pomocà ramki. Druga strona próbki wystawiona jest na oddzia∏ywanie klimatyzowanego powietrza, o znanych parametrach, które krà˝y w komorze ze sta∏à pr´dkoÊcià. Regulator PID utrzymuje sta∏à temperatur´ p∏ytki. Ka˝dy odp∏yw ciep∏a na zewnàtrz powoduje odpowiedni dop∏yw pràdu do elementu grzejnego p∏ytki i jest rejestrowany. Najcz´Êciej odparowanie potu ze skór nast´puje jeszcze w kana∏ach potowych i tylko w przypadkach ekstremalnych wyst´pujà krople potu na powierzchni skóry. Zatem aby warunki pomiaru zbli˝yç do rzeczywistych, na powierzchni´ p∏ytki nak∏ada si´ cienkà foli´, która charakteryzuje si´ tym, ˝e woda nie przechodzi przez nià, natomiast para wodna napotyka na niewielki opór przenikania. Przedstawiony przyrzàd umo˝liwia równie˝ pomiary przenikania ciep∏a na sucho (przy suchej p∏ytce ceramicznej) oraz prowadzenie pomiarów w warunkach nieustalonych, czyli symulowanie nag∏ej zmiany temperatury otoczenia albo nag∏ej zmiany wydzielania potu. Pomiary w stanie równowagi (statyczne) na przedstawionym urzàdzeniu „p∏ytowym” sà przedmiotem niemieckiej normy DIN 54101 [9] i jej odpowiednika – mi´dzynarodowej normy ISO 11092 [17]. Dla odzie˝y wojskowej i ochronnej tak˝e wprowadzono badania na tym modelu („NATO-Prüfvorschrift” [5]). Sposób badania wymiany wilgoci i ciep∏a w warunkach dynamicznych oraz urzàdzenia pomiarowe, a tak˝e odpowiednie kryteria oceny, jak podajà autorzy publikacji [45], sà przedmiotem „Standard-Prüfvorschrift” BPI 1.2 i BPI 1.3 [40, 41]. Na podstawie wyników badaƒ przedstawionych w przytoczonych pracach wprowadzono pierwszà normalizowanà metod´ badaƒ komfortu odzie˝y w DIN 54101 i ISO 11092. We wst´pie normy podano, ˝e ocena w∏aÊciwoÊci fizycznych materia∏ów tekstylnych, które kszta∏tujà komfort u˝ytkowania, powiàzana jest z ró˝nymi rodzajami (mechanizmami) przep∏ywu ciep∏a i wilgoci. Ka˝dy z tych rodzajów mo˝e wyst´powaç oddzielnie lub równoczeÊnie, w stanie równowagi lub w warunkach nieustalonych, poza tym mechanizmy te mogà zmieniaç si´ w czasie. Nale˝y podkreÊliç, ˝e norma dotyczy tylko warunków badania w stanie równowagi. Zaizolowana cieplnie, pocàca si´ p∏yta (cz´sto okreÊlana jako „model skóry”) ma symulowaç procesy wydzielania ciep∏a i wilgoci, które wyst´pujà na skórze ludzkiej. Pomiary opisane w omawianej normie obejmujà jeden lub obydwa procesy, które mogà byç badane oddzielnie lub równoczeÊnie, w ró˝nych warunkach otoczenia, wynikajàcych z kom-.

(5) Metody i przyrzàdy pomiarowe stosowane do badaƒ transportu wilgoci.... 23. binacji takich parametrów, jak: temperatura, wilgotnoÊç wzgl´dna i pr´dkoÊç przep∏ywu powietrza oraz faza gazowa lub ciek∏a. W omawianej normie opisano metody pomiaru oporu cieplnego i oporu pary wodnej, w warunkach wymiany ustalonej mi.in. p∏askich wyrobów tekstylnych, skóry oraz wielowarstwowych uk∏adów stosowanych w odzie˝y i w innych wyrobach w∏ókienniczych. Technika pomiarowa zastosowana w normie ogranicza si´ do wyznaczenia maksymalnego oporu cieplnego i oporu pary wodnej, parametry te zale˝à od wymiarów i konstrukcji przyrzàdu. Opór cieplny zdefiniowano jako iloraz ró˝nicy temperatury mi´dzy dwoma stronami materia∏u i wynikajàcej z tej ró˝nicy wielkoÊci przep∏ywu strumienia ciep∏a przez jednostk´ powierzchni w kierunku zgodnym z gradientem temperatury. „Suchy” strumieƒ ciep∏a mo˝e sk∏adaç si´ z jednego lub wićej rodzajów ruchu ciep∏a: unoszenia, przewodzenia i promieniowania. Opór cieplny jest wielkoÊcià charakterystycznà dla materia∏ów lub uk∏adów w∏ókienniczych, okreÊlajàcà przep∏yw suchego strumienia ciep∏a przez danà powierzchni´ w wyniku utrzymania sta∏ej ró˝nicy temperatury. Opór pary wodnej zdefiniowano jako iloraz ró˝nicy ciÊnienia pary wodnej mi´dzy dwoma stronami materia∏u i wynikajàcej z tej ró˝nicy wielkoÊci przep∏ywu strumienia ciep∏a parowania przez jednostk´ powierzchni w kierunku zgodnym z gradientem ciÊnienia. Strumieƒ ciep∏a parowania mo˝e sk∏adaç si´ z dyfuzji i unoszenia. Opór pary wodnej jest wielkoÊcià charakterystycznà dla materia∏ów lub uk∏adów w∏ókienniczych, okreÊlajàcà „utajony” strumieƒ ciep∏a parowania przep∏ywajàcy przez danà powierzchni´ w wyniku utrzymania sta∏ej ró˝nicy ciÊnienia pary wodnej. Norma podaje ponadto definicj´ wskaênika przenikania pary wodnej (wielkoÊç bezwymiarowa) oraz przepuszczalnoÊci pary wodnej (w gramach na metr kwadratowy razy godzina razy pascal). Wskaênik przenikania pary wodnej jest to iloraz oporu cieplnego i oporu pary wodnej, zgodnie z odpowiednim równaniem, natomiast przepuszczalnoÊç pary wodnej to odwrotnoÊç ilorazu oporu pary wodnej i „utajonego” ciep∏a parowania wody w temperaturze p∏yty pomiarowej. Na podstawie omawianej mi´dzynarodowej normy ISO 11092 wprowadzono norm´ europejskà EN 31092:1993, która w 1998 r. uzyska∏a status polskiej normy PN-EN 31092:1998. „Tekstylia. Wyznaczanie w∏aÊciwoÊci fizjologicznych. Pomiar oporu cieplnego i oporu pary wodnej w warunkach stanu ustalonego” [33]. Szereg prac badawczych w tej dziedzinie zosta∏o wykonanych przez Japoƒczyków. S. Kawabata [19] skonstruowa∏ urzàdzenie nazwane jego imieniem (Kawabata Termolabo) i opracowa∏ metody badaƒ materia∏ów tekstylnych zwiàzanych z wymianà ciep∏a i wilgoci. Podstawowym elementem systemu Kawabaty jest równie˝ „pocàca si´”, goràca p∏yta. Przyrzàd TERMO-LABO II B charakteryzuje si´ sta∏à pr´dkoÊcià przep∏ywu powietrza w zakresie ma∏ych pr´dkoÊci przep∏ywu rz´du 10 cm/s (pozwala to na uzyskanie dok∏adniejszych wyników pomiarów), ulepszonà p∏ytà grzewczà (zminimalizowano straty ciep∏a.

(6) 24. Ewa Marcinkowska. i wody) oraz znormalizowanym po∏o˝eniem próbki w przyrzàdzie. W czasie pomiarów mo˝na porównaç dwa równoczeÊnie wyst´pujàce zjawiska: transport wody i ciep∏a przez próbk´. Urzàdzenie TERMO LABO II s∏u˝y do pomiaru wy∏àcznie w∏aÊciwoÊci cieplnych p∏askich wyrobów w∏ókienniczych; sk∏ada si´ z trzech odr´bnych cz´Êci oraz odpowiednich systemów kontrolnych: czujnika temperatury, p∏yty grzewczej z regulowanà temperaturà i pojemnika z wodà o sta∏ej temperaturze. Mierzy si´ trzy parametry: odczucie „ciep∏o-zimno” [ρ max] w czasie 1 minuty, przewodnoÊç i dyfuzj´ cieplnà w czasie 2–3 minut oraz zdolnoÊç utrzymywania ciep∏a w czasie 2–5 minut. Obszerne badania skutków modyfikacji powierzchni w∏ókien oraz wp∏ywu rodzaju w∏ókna (poliester, akryl, we∏na, bawe∏na) na dynamik´ transportu pary wodnej i ciep∏a wykonali wspólnie pracownicy uniwersytetów w Stanach Zjednoczonych i Japonii [52, 53]. Badaniami transportu pary wodnej i ciep∏a zajmowali si´ równie˝ J.H. Wang i H. Yasuda [47, 52]. Skonstruowali oni urzàdzenie [47] do pomiaru przep∏ywu przez materia∏y wielowarstwowe strumienia wilgoci w warunkach dynamicznych z udzia∏em gradientu temperatury. Do badania transportu pary wodnej i wody zastosowali dwie niezale˝ne metody, a mianowicie metod´ pary wodnej oraz metod´ kropli, symulujàc ró˝ne warunki u˝ytkowania. W obu metodach zastosowano t´ samà komor´ dyfuzyjnà, w której tylko pierwsza, dolna warstwa, ulega∏a zmianie: – w metodzie pary wodnej, aby symulowaç odpowiedni przep∏yw pary wodnej, zastosowano szeÊç warstw Gore-Texu, – w metodzie „kropli” zastosowano jednà warstw´ folii aluminiowej, na której umieszczono kropl´ wody symulujàcà pot (kropla wody styka si´ z badanym materia∏em). Badanymi parametrami by∏y temperatura i ciÊnienie pary wodnej w poszczególnych komorach kolumny dyfuzyjnej. Na podstawie analizy otrzymanych wyników autorzy sformu∏owali szereg wniosków. Z punktu widzenia niniejszej pracy wa˝ny jest wniosek, ˝e „badane materia∏y z w∏ókien syntetycznych poddane wst´pnej obróbce hydrofilowej bàdê hydrofobowej wykazywa∏y znaczne ró˝nice przy pomiarze ciÊnienia pary wodnej”. Stwierdzenie to wskazuje, ˝e czu∏ym wskaênikiem, którym mo˝na pos∏ugiwaç si´ w badaniach w∏aÊciwoÊci przep∏ywowych tekstyliów, jest pr´˝noÊç pary wodnej, która kszta∏tuje si´ pod badanym materia∏em. W Instytucie W∏ókiennictwa w ¸odzi [14] opracowano metodyk´ badaƒ odzie˝y powszechnego u˝ytku na cz∏owieku, w ró˝nych warunkach otoczenia oraz obcià˝enia fizycznego. Stwierdzono, ˝e wskaênikiem o najwi´kszej czu∏oÊci jest wilgotnoÊç mikroklimatu pod odzie˝à. K. Hong i N.R. Hollies (Uniwersytet Meryland) [16] stwierdzili równie˝, ˝e podstawowym parametrem okreÊlajàcym w∏aÊciwoÊci higieniczne materia∏ów odzie˝owych jest iloÊç wilgoci zgromadzonej w warstwie materia∏u znajdujàcej si´ przy skórze. Jednak, ich zdaniem, komfortu cieplnego nie mo˝na przewidywaç na podstawie badaƒ w stanie równowagi. Prowadzili oni badania tzw..

(7) Metody i przyrzàdy pomiarowe stosowane do badaƒ transportu wilgoci.... 25. wilgotnoÊci powierzchniowej przed osiàgnićiem równowagi wymiany masy. Symulowali stan stresu termicznego i nast´pujàce po nim szybkie wydzielanie potu. Wydzielanie wilgoci ze skóry roÊnie wtedy w sposób ciàg∏y, a˝ osiàgnie wartoÊç sta∏à. Nast´puje to wówczas, gdy skóra jest ca∏kowicie wilgotna. Strumieƒ wilgoci przenikajàcej przez materia∏ roÊnie wed∏ug pewnej krzywej, a˝ osiàgnie wartoÊç sta∏à, poniewa˝ potrzebny jest pewien czas, aby nawil˝yç powietrze (nasyciç mikroklimat) pod badanym materia∏em i materia∏. Odpowiednia powierzchnia na wykresie krzywej przenikania wilgoci przez materia∏ w∏ókienniczy wskazuje sum´ wilgoci zgromadzonej w przestrzeni przyskórnej, w warstwach powierzchniowych materia∏u i w materiale. Pocàca si´ skóra by∏a imitowana przez wilgotnà irch´ podgrzewanà do temperatury cia∏a przez goràcà p∏yt´. W celce pomiarowej umieszczono próbk´, a po jej obu stronach miniaturowe czujniki wilgotnoÊci i temperatury. W wyniku badaƒ otrzymano krzywe ilustrujàce zmiany wilgotnoÊci wewn´trznej i zewn´trznej warstwy materia∏u. Na podstawie przeprowadzonych badaƒ autorzy [16] stwierdzili, ˝e wyst´pujà du˝e ró˝nice „w dynamice wilgotnoÊci powierzchniowej” w zale˝noÊci od sk∏adu badanego materia∏u. Tkaniny bawe∏niane wykaza∏y najni˝sze wartoÊci ciÊnienia pary wodnej w zewn´trznej i wewn´trznej warstwie powierzchniowej materia∏u. Równie˝ szybkoÊç wzrostu ciÊnienia pary wodnej w tych materia∏ach by∏a najni˝sza. Najwi´ksze wartoÊci ciÊnienia pary wodnej odnotowano dla tkanin poliestrowych. Krzywa wzrostu ciÊnienia przebiega te˝ dla tych tkanin najbardziej stromo. Uzyskane wyniki pozwalajà wyt∏umaczyç, dlaczego wyroby bawe∏niane uwa˝ane sà przez u˝ytkowników za lepsze od poliestrowych: – cz∏owiek odczuwa komfort cieplny, je˝eli ciÊnienie pary wodnej w wewn´trznej warstwie materia∏u jest niskie, – mniejsza pr´dkoÊç wzrostu ciÊnienia pary wodnej w wewn´trznej warstwie powierzchniowej w czasie stresu cieplnego pozwala ∏atwiej dostosowaç si´ do zmian temperatury. G.E. Lamb [21] zaproponowa∏ adaptacj´ przyrzàdu stosowanego w badaniach przep∏ywu ciep∏a w warunkach tunelu powietrznego, do pomiarów wskaênika dyfuzji pary wodnej. Autor zamierza równie˝ podjàç, na podstawie wyników tej pracy, badania dotyczàce komfortu u˝ytkowania materia∏ów tekstylnych, z uwzgl´dnieniem wp∏ywu na ten komfort warunków Êrodowiska, z zastosowaniem teorii M. Take-Uchi [43] zarówno do badania przep∏ywu ciep∏a, jak i dyfuzji pary wodnej. W pracy [13] zamieszczone sà wyniki badaƒ przewodnictwa cieplnego czterech materia∏ów tekstylnych (we∏ny, bawe∏ny oraz tkanin z polipropylenu i akrylu) o ró˝nej zawartoÊci wilgoci. Autorzy – pracownicy Laboratorium We∏ny w Sydney i Uniwersytetu w Nowej Po∏udniowej Walii – wykorzystali do pomiarów wymiany ciep∏a w stanie nieustalonym przyrzàd p∏ytowy. Stwierdzili, ˝e na zjawisko przep∏ywu ciep∏a i masy w wilgotnych materia∏ach istotny wp∏yw majà ich zdolnoÊci sorpcyjne..

(8) Ewa Marcinkowska. 26. 3. Prototyp komputerowego systemu pomiarowego. Zasada dzia∏ania Zrealizowany w latach 1995–1997 projekt badawczy pt. „Badania transportu wilgoci w materia∏ach odzie˝owych i obuwniczych z wykorzystaniem nowych metod i przyrzàdów pomiarowych” [1] oraz projekt wykonany w latach 2000–2002 pt. „Symulacja fizyczna w badaniach procesów wymiany masy w tekstyliach i w materia∏ach skóropodobnych” [42] pozwoli∏y na zbudowanie urzàdzenia do badania w∏aÊciwoÊci higienicznych materia∏ów stosowanych w obuwiu. Za∏o˝enia metodyczne sposobu badania transportu wilgoci [28, 31] by∏y ca∏kowicie odmienne od za∏o˝eƒ przyj´tych w analizowanych powy˝ej pracach. Podstawowe ró˝nice dotyczy∏y bilansowania iloÊci dostarczanej i odprowadzanej pary wodnej oraz warunków badania procesu. Prototypowy system pomiarowy „Hy-Tester” sk∏ada si´ z nast´pujàcych podstawowych urzàdzeƒ: – komputera wraz z dodatkowym osprz´tem, w sk∏ad którego wchodzi: barometr cyfrowy, przep∏ywomierz powietrza i mikromanometr, – bloku symulatora, – bloku absorpcyjno-nawil˝ajàcego, – bloku sterujàco-pomiarowego. Za∏o˝enia dotyczàce zasady dzia∏ania prototypowego systemu pomiarowego przedstawiono w postaci schematu na rys. 1. Próbka badanego materia∏u (1) stanowi przegrod´ pomi´dzy oÊrodkiem (2) pod próbkà a obiegiem powietrza (3) nad próbkà. Obieg (3) jest po∏àczony poprzez trójdro˝ny element regulacyjny (4) z kolumnà osuszajàcà (5) i nawil˝ajàcà (6). Zasada dzia∏ania urzàdzenia oparta jest na ró˝niczkowym bilansie materia∏owym równanie (2) wody dostarczanej do oÊrodka pod próbkà i usuwanej w sposób kontrolowany z obiegu powietrza nad próbkà. G=. dY1 dτ. +. dX + Y2Q, dτ. (2). gdzie: G – strumieƒ masy wody dostarczanej pod próbk´ [g/s], Y1 – wilgotnoÊç bezwzgl´dna powietrza pod próbkà [g wody/g suchego powietrza], X – Êrednia wilgotnoÊç bezwzgl´dna próbki [g wody/g suchej próbki], Y2 – wilgotnoÊç bezwzgl´dna powietrza w obiegu [g wody/g suchego powietrza], Q – strumieƒ powietrza suchego przep∏ywajàcy przez kolumn´ osuszajàcà [g/s], Y3 – wilgotnoÊç bezwzgl´dna powietrza za kolumnà osuszajàcà [g wody/ g suchego powietrza]..

(9) Metody i przyrzàdy pomiarowe stosowane do badaƒ transportu wilgoci.... 27. 3. 5. 6. 4 1. 2 m, X. Y2. Q, Y2. Z, Y1. G. Rys. 1. Schemat dzia∏ania prototypowego systemu pomiarowego „Hy-Tester” 1 – próbka materia∏u, 2 – oÊrodek pod próbkà, 3 – obieg powietrza nad próbkà, 4 – element regulacyjny, 5 – kolumna osuszajàca, 6 – kolumna nawil˝ajàca èród∏o: opracowanie w∏asne.. Aby system dzia∏a∏ poprawnie, iloÊç wody znajdujàcej si´ w obiegu (3) musi byç sta∏a oraz wilgotnoÊç powietrza opuszczajàcego kolumn´ osuszajàcà (5) musi byç zerowa. Uzyskuje si´ to przez zastosowanie elementu regulacyjnego (4), który w przypadku wzrostu wilgotnoÊci w obiegu (3) ponad zadanà wartoÊç, przepuszcza cz´Êç powietrza zawartego w obiegu (3) przez kolumn´ (5), osuszajàc je ca∏kowicie i zawracajàc do obiegu (3). Tym samym utrzymuje w nim wilgotnoÊç na sta∏ym, zadanym poziomie. Kolumna nawil˝ajàca (6) s∏u˝y do nawil˝ania powietrza w obiegu wówczas, gdy przed pomiarem wilgotnoÊç ta ró˝ni si´ od za∏o˝onej. Prawa strona bilansu materia∏owego (2) sk∏ada si´ trzech cz∏onów. Pierwszy z nich obrazuje wzrost iloÊci pary wodnej zawartej w oÊrodku pod próbkà badanego materia∏u. Podawanie z zewnàtrz pary wodnej do zamkni´tego oÊrodka (2) powoduje wzrost wilgotnoÊci Y1 w tym oÊrodku. Tym samym powstaje gradient ciÊnienia czàstkowego pary wodnej na gruboÊci próbki. Wzrost wilgotnoÊci jest tym wi´kszy, im wi´kszy jest strumieƒ pary wodnej G podawany do oÊrodka (2). Decydujàcy wp∏yw na wilgotnoÊç bezwzgl´dnà powietrza Y1 w oÊrodku (2) ma badany materia∏. Cz´Êç pary wodnej zostaje zaabsorbowana przez próbk´ (1), natomiast pozosta∏a jej cz´Êç przechodzi przez nià do zewn´trznego obiegu 3. Drugi cz∏on bilansu (2) zwiàzany jest z w∏aÊciwoÊciami sorpcyjnymi materia∏u. Stworzony gradient ciÊnienia pary wodnej powoduje intensyfikacj´ procesów sorpcyjnych i zwiàzany z tym wzrost Êredniej zawartoÊci wody X w ba-.

(10) Ewa Marcinkowska. 28. danej próbce. Przep∏ywajàca przez próbk´ para wodna zwi´ksza wilgotnoÊç bezwzgl´dnà Y2 w obiegu (3). Uk∏ad regulacyjny (4) przeciwdzia∏a temu wzrostowi w ten sposób, ˝e przepuszcza ÊciÊle okreÊlonà cz´Êç powietrza z obiegu (3) przez kolumn´ osuszajàcà (5). ZawartoÊç pary wodnej w powietrzu po opuszczeniu kolumny osuszajàcej (5) jest zerowa, w zwiàzku z czym na podstawie iloÊci powietrza przepuszczonego przez kolumn´ osuszajàcà mo˝na wnioskowaç o iloÊci zaabsorbowanej przez sorbent wilgoci: GA = Y2Q,. (3). gdzie: G A – strumieƒ masy (iloÊç wody zaabsorbowana w jednostce czasu przez sorbent) [g/s]. Strumieƒ pary wodnej GA przepuszczonej przez kolumn´ osuszajàcà i zaabsorbowanej przez sorbent, odniesiony do powierzchni roboczej próbki, jest równowa˝ny z g´stoÊcià strumienia pary wodnej, czyli masà pary wodnej przenoszonà przez jednostk´ powierzchni próbki w jednostce czasu, wyra˝onà w g/(m2 . s).. 4. Podsumowanie Przeprowadzone studia literaturowe oraz zrealizowane w∏asne projekty badawcze umo˝liwi∏y zaprojektowanie, budow´ i dalszà rozbudow´ komputerowego systemu pomiarowego „Hy-Tester”, który s∏u˝y do pomiaru szeregu wielkoÊci opisujàcych transport wilgoci w skórach, tworzywach skóropodobnych i materia∏ach tekstylnych. Zasada dzia∏ania urzàdzenia zosta∏a oparta na bilansie materia∏owym wody dostarczanej do oÊrodka z jednej strony próbki i usuwanej z oÊrodka nad jej drugà powierzchnià. Konstrukcja urzàdzenia jest modu∏owa i podzielona na bloki: symulatora, absorpcyjno-nawil˝ajàcy i sterujàco-pomiarowy. Pomiar sterowany jest przez komputer, z którym po∏àczone sà wszystkie urzàdzenia i mierniki. Symulator pozwala na naÊladowanie warunków pojawiajàcych si´ we wn´trzu obuwia oraz w warstwach przyskórnych pod odzie˝à poprzez mo˝liwoÊç kontrolowanej emisji pary wodnej i regulacji temperatury. Zadaniem bloku absorpcyjno-nawil˝ajàcego jest utrzymywanie za∏o˝onej, sta∏ej wartoÊci wilgotnoÊci powietrza nad powierzchnià próbki. SkutecznoÊç uk∏adu osuszajàcego, który warunkuje precyzyjny pomiar wilgoci usuwanej przez ten uk∏ad, zosta∏a starannie przeanalizowana. Wybrano z∏o˝ony uk∏ad z osuszaniem wst´pnym przez ˝el krzemionkowy i koƒcowym przez oleum. Blok sterujàco-pomiarowy zapewnia kontrol´ i precyzj´ pomiarów poprzez realizacj´ i analiz´ sygna∏ów mierników wilgotnoÊci wzgl´dnej, temperatury i pr´dkoÊci przep∏ywów. Efektem prowadzonych badaƒ by∏o uzyskanie w styczniu 2001 r. patentu, oznaczonego numerem P. 318224, na wynalazek pt. „Urzàdzenie do badania w∏aÊciwoÊci higienicznych materia∏ów kapilarno-porowatych” [30] oraz opra-.

(11) Metody i przyrzàdy pomiarowe stosowane do badaƒ transportu wilgoci.... 29. cowanie w lutym 1998 r. zg∏oszenia patentowego P. 325000 „Sposób badania przepuszczalnoÊci pary wodnej materia∏ów kapilarno-porowatych” [29]. Literatura 0[1] Badania transportu wilgoci w materia∏ach odzie˝owych i obuwniczych z wykorzystaniem nowych metod i przyrzàdów pomiarowych, E. Marcinkowska, E. Nycz, W. ˚uk, Projekt badawczy KBN 7 T08 019 09, Politechnika ¸ódzka, Instytut W∏ókienniczy, Filia w Bielsku-Bia∏ej, 1997. 0[2] Bartkowiak G., O pewnych problemach oceny w∏aÊciwoÊci biofizycznych odzie˝y, cz. I, II, „Przeglàd W∏ókienniczy” 1995, nr 1, 2. 0[3] Boulanger J.P., Bony M., Querio M., Le confort de la chaussure: Une notionmesurable? Materiaux a dessur et doublures: les propriétés hygiéniques et le confort, „Technicuir” 1976, nr 5. 0[4] Caps R., Konstruktionsprinzipien für wärmeisolierende Textilschichten mit gutem Feuchtetransportvermögen in Abhängigkeit von den Tragebedingungen von Kleidung für niedrige Temperaturen, Schlussbericht zum AIF-Forschungsvorhaben, 1989, 6647 [w:] R. Caps, K. Umbach, Optimierung der Wärmeisolation von Polyester-Vliesstoffen, „Melliand Textilberichte” 1990, nr 6. 0[5] Clothing, NATO publication 1984 [w:] K.H. Umbach, Messmethoden zur Prüfung physiologischer Anforderungsprofile an Zivil-, Arbeits- und Schutzbekleidung sowie Uniformen, „Melliand Textilberichte” 1987, nr 11. 0[6] Czaplicki Z., Ceglarska L., Grabowska B., Dzianiny warstwowe przeznaczone na wyroby opatrunkowe, „Przeglàd W∏ókienniczy” 1992, nr 12. 0[7] Dent R.W., Transient Comfort Phenomena Due to Sweating, „Textile Research Journal” 2001, nr 9. 0[8] Diebschlag W., Nocker W., A Comparative Analysis of the Comfort of Leather and Substitute Materials, Especially for Footwear, „Journal American Leather Chemists Association” 1978, nr 7. 0[9] DIN 54101 T1 (E). Bestimmung bekleidungsphysiologischer Eigenschaften, 1984. [10] Farnworth B., Mechanisms of Heat Flow through Clothing Insulation, „Textile Research Journal” 1983, nr 12. [11] Farnworth B.A., Numerical Model of Combined Diffusion of Heat and Water Vapor through Clothing, „Textile Research Journal” 1986, nr 56. [12] Farnworth B., Dalhan P., An Apparatus to Measure the Water Vapour Resistance of Textiles, „Journal Textile Institut” 1984, nr 2. [13] Fohr J.P., Couton D., Treguier G., Dynamic Heat and Water Transfer through Layered Fabrics, „Textile Research Journal” 2002, nr 1. [14] Grabowska B., Badania komfortu fizjologicznego odzie˝y powszechnego u˝ytku, „Odzie˝” 1988, nr 9. [15] Hatch K.L., Woo S.S., Barker R.L., Radhakrishnaiah P., In Vivo Cutaneous and Perceived Comfort Response to Fabric, Part I: Thermophysiological Comfort Determinations for Three Experimental Knit Fabrics, „Textile Research Journal” 1990, nr 7. [16] Hong K., Hollies N.R., Dynamic Moisture Vapor Transfer through Textiles, „Textile Research Journal” 1988, nr 12. [17] ISO 11092. Textiles-physiological effects-measurement of thermal and water-vapour resistance under steady-state conditions (sweating guarded-hotplate test)..

(12) 30. Ewa Marcinkowska. [18] Kawabata S., The Standardization and Analysis of Hand Evaluation, The Textile Machinery Society of Osaka Japan, 1984, nr 37 [w:] G.P. Pontrelli, Tragekomfort durch Textilgestaltung, „Melliand Textilberichte” 1989, nr 12. [19] Kawabata S., Niwa M., Sakaguchi H., Application of the New Thermal Tester „Thermolabo” to the Evaluation of Clothing Comfort, The Textile Machinery Society of Japan, Osaka Japan, 1985 [w:] K.L. Hatch, S.S. Woo, R.L. Barker, P. Radhakrishnaiah, In Vivo Cutaneous and Perceived Comfort Response to Fabric, Part I: Thermo-physiological Comfort Determinations for Three Experimental Knit Fabrics, „Textile Research Journal” 1990, nr 7. [20] Kowalczyk H., Wybrane aspekty komfortu u˝ytkowania odzie˝y ochronnej dla personelu medycznego, „Przeglàd W∏ókienniczy” 1999, nr 12. [21] Lamb G.R., Heat and Water Vapour Transport in Fabrics Under Ventilated Conditions, „Textile Research Journal” 1992, nr 7. [22] Langmaier F., Mládek M., Hygienické parametry koÏedûln˘ch materiálÛ a jejich vztah ke komfortu, respektive ke zdravotní nezávadnosti obuti, „KoÏafiství” 1979, nr 3. [23] Langmaier F., Mládek M., Studie mikroklimatu obuvi, „KoÏafiství” 1973, nr 4. [24] Li Y., Holocombe B.V., A Two-stage Sorption Model of the Coupled Diffusion of Moisture and Heat in Wool Fabrics, „Textile Research Journal” 1992, nr 4. [25] Li Y., Holocombe B.V., Apcar F., Moisture Buffering Behavior of Hygroskopic Fabric during Wear, „Textile Research Journal” 1992, nr 11. [26] Li Y., Zhu Q., Yeung K.W., Influence of Thickness and Porosity on Coupled Heat and Liquid Moisture Transfer in Porous Textiles, „Textile Research Journal” 2002, nr 5. [27] Marcinkowska E., Symulacja procesów wymiany ciep∏a i wilgoci w badaniach i ocenie jakoÊci materia∏ów, Seria specjalna: Monografie, nr 116, Akademia Ekonomiczna w Krakowie, Kraków 1993. [28] Marcinkowska E., ˚uk W., „Hy-Tester” An Instrument for Testing Comfort Properties of Leather and Leatherlike Materials, „Journal of the American Leather Chemists Association” 2000, vol. 95, nr 9. [29] Marcinkowska E., ˚uk W., Sposób badania przepuszczalnoÊci pary wodnej materia∏ów kapilarno-porowatych, Zg∏oszenie patentowe P. 325000, 1998. [30] Marcinkowska E., ˚uk W., Urzàdzenie do badania w∏aÊciwoÊci higienicznych materia∏ów kapilarno-porowatych, Patent P. 318224, 1997. [31] Marcinkowska E., ˚uk W., Water Vapor Permeability Measurement with the „Hy-Tester” Physical Simulator, „Journal of the American Leather Chemists Association” 2001, vol. 96. [32] Park S.I., Baik D.H., Heat and Mass Transfer Analysis of Fabric in the Tenter Frame, „Textile Research Journal” 1997, nr 5. [33] PN-EN 31092. Tekstylia. Wyznaczanie w∏aÊciwoÊci fizjologicznych. Pomiar oporu cieplnego i oporu pary wodnej w warunkach stanu ustalonego, 1998. [34] Sára A., Langmaier F., The Simultaneous Transfer of Heat and Moisture in Leather, „Journal of the Society of Leather Technologists and Chemists” 1984, vol. 67, nr 2. [35] Sára A., Langmaier F., Vliv sorpãního tepla na mûfiení transportních parametrÛ. I. Difuzní koeficient ze sorpãních mûfiení – volné tûlísko, „KoÏafiství” 1987, nr 3. [36] Sára A., Langmaier F., Vliv sorpãního tepla na mûfiení transportních parametrÛ. III. Difuzní koeficient z mûfiení propustnosti pro vodní páru, „KoÏafiství” 1986, nr 5. [37] Schneider A.M., Holocombe B.V., Properties Influencing Coolness to the Touch of Fabrics, „Textile Research Journal” 1991, nr 8. [38] Schneider A.M., Hoschke B.N., Goldschmidt H.J., Heat Transfer through Moist Fabrics, „Textile Research Journal” 1992, nr 2..

(13) Metody i przyrzàdy pomiarowe stosowane do badaƒ transportu wilgoci.... 31. [39] Standard-Prüfvorschrift BPI 1.2: Bestimmung der Pufferwirkung von Textilien mit dem Thermoregulationsmodell der menschlichen Haut (Hautmodell), Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein e.V., 1985 [w:] K.H. Umbach, Messmethoden zur Prüfung physiologischer Anforderungsprofile an Zivil-, Arbeits- und Schutzbekleidung sowie Uniformen, „Melliand Textilberichte” 1987, nr 11. [40] Standard-Prüfvorschrift BPI 1.3: Bestimmung der Wärmeisolation eines feuchten Textils mit dem Thermoregulationsmodell der menschlichen Haut (Hautmodell), Bekleidungsphysiologisches Institut Hohenstein e.V., 1985 [w:] K.H. Umbach, Messmethoden zur Prüfung physiologischer Anforderungsprofile an Zivil-, Arbeits- und Schutzbekleidung sowie Uniformen, „Melliand Textilberichte” 1987, nr 12. [41] Sweeney M.M., Branson D.H., Sensorial Comfort, Part I: A Psychophysical Method for Assessing Moisture Sensation in Clothing, „Textile Research Journal” 1990, nr 7. [42] Symulacja fizyczna w badaniach procesów wymiany masy w tekstyliach i materia∏ach skóropodobnych, E. Marcinkowska, K. Kobiela-Mendrek, E. Nycz, W. ˚uk, Projekt badawczy KBN 7 T08E 067 16, Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Bia∏ej, Instytut W∏ókienniczy, Bielsko-Bia∏a, 2002. [43] Take-Uchi M., Analysis of Wind Effect on the Thermal Resistance of Clothing with the Aid of Darcy's Law and Heat Transfer Equation, Sen-i Gakkaishi 1983, 39, T-95 [w:] G.R. Lamb, Heat and Water Vapour Transport in Fabrics Under Ventilated Conditions, „Textile Research Journal” 1992, nr 7. [44] Umbach K.H., Feuchtetransport und Tragekomfort in Mikrofaser-Textilien, „Melliand Textilberichte” 1993, nr 2. [45] Umbach K.H., Messmethoden zur Prüfung physiologischer Anforderungsprofile an Zivil-, Arbeits- und Schutzbekleidung sowie Uniformen, „Melliand Textilberichte” 1987, nr 11. [46] Umbach K.H., Veränderung des Tragekomforts von Kleidung durch Gebrauchs- und Pflegeeinflüsse, „Melliand Textilberichte” 1989, nr 7. [47] Wang J.H., Yasuda H., Dynamic Water Vapour and Heat Transport through Layered Fabrics, Part I: Effect of Surface Modification, „Textile Research Journal” 1991, nr 1. [48] Wang Z., Li Y., Kowk Y.L., Mathematical Simulation of the Perception of Fabric Thermal and Moisture Sensation, „Textile Research Journal” 2002, nr 4. [49] Werkstoffkartei, 10002, Bekleidungshygiene. Schuhwerkstoffe, Feuchte-Kennwerte, 1983. [50] Wi´êlak W., Kobza W., Zieliƒski J., The Modeling of the Microclimate Formed by a Single-layer Clothing Material Pack, „Fibres & Textiles in Eastern Europe” 1996, nr 2–4. [51] Wi´êlak W., Zieliƒski J., Szymaƒska Z., Uk∏ad pomiarowy do oceny transportu potu w pakietach tekstyliów, „Przeglàd W∏ókienniczy” 1994, nr 10, 12. [52] Yasuda T., Miyama M., Yasuda H., Dynamic Water Vapor and Heat Transport through Lyaered Fabrics, Part II: Effect of the Chemical Nature of Fibres, „Textile Research Journal” 1992, nr 4. [53] Yoneda M., Kawabata S., Theoretical Consideration on the Objective Measurement of Fabric Warm/Cool Feeling, Textile Machinery Society of Japan, Osaka 1982 [w:] A. Schneider, B.V. Holocombe, Properties Influencing Coolness to the Touch of Fabrics, „Textile Research Journal” 1991, nr 8. [54] Zieliƒski J., Mo˝liwoÊci rejestracji i oceny transportu wilgoci przez wielowarstwowe pakiety tekstyliów, „Przeglàd W∏ókienniczy” 1997, nr 4. [55] Zieliƒski J., Transport pary wodnej i wody przez pakiety materia∏ów odzie˝owych, „Przeglàd W∏ókienniczy” 2002, nr 4..

(14) 32. Ewa Marcinkowska. Methods and Measuring Instruments Used for Testing the Migration of Humidity in Footwear and Clothing Materials A review of apparatuses for testing the hygienic properties of textiles, leathers and leather-like materials as well as the methods for testing the migration of steam is presented. Also the first standardized method for evaluating the comfort of clothes contained in DIN and ISO as well as in PN-EN is given. Against this background the principle of operation of a computer measuring system, developed as a result of the realized personal research projects, is presented. The principle of operation of the prototype system has been based on the material balance of water delivered to the medium from one side of a sample and removed from the medium over its other surface. The structure of the apparatus is modular and divided into simulator, absorptive-moistening and controlling-measuring blocks. The simulator makes it possible to simulate the conditions occurring in the layers near the skin, under clothes and inside shoes, due to controlled emission of steam and regulation of temperature. The measurement is controlled by a computer, to which all the devices and measuring instruments are connected..

(15)