Joanna Alvarez
Instytut Przemysłu Skórzanego w Łodzi, Oddział w Krakowie, ul. Zakopiańska 9; 30-418 Kraków, e-mail: jalvarez@ips.krakow.pl
Streszczenie
Przeprowadzono analizę porównawczą trzech znormalizowanych dynamicznych metod badawczych stosowanych do oceny odporności obuwia na wodę, zgodnych z trzema normami: PN-EN 13073, PN-O-91123 oraz PN-EN ISO 20344. Celem było zwrócenie uwagi na możliwości i ograniczenia każdej z tych metod, wynikające z zasady prowadzenia badań, zaangażowania ludzi lub konstrukcji oprzyrządowania. Stwierdzono, że konsekwencją dużych różnic w metodach, wynikających z powyższych czynników są zróżnicowane możliwości i ograniczenia dotyczące np. potrzeby zaangażowania osoby testującej w badanie, powierzchni wymaganej do przeprowadzenia badań, bezpieczeństwa i wygody prowadzenia badań, dokładności odczytu pomiaru lub typu badanego obuwia. Te ograniczenia w drodze doskonalenia metod, można i powinno się eliminować. Bez względu na wyniki analiz, wszystkie te metody z powodzeniem mogą być stosowane do prowadzenia testów obuwia pod względem odporności na wodę, jednak wyniki uzyskane z tych metod dla tego samego rodzaju obuwia mogą się różnić. Dla weryfikacji tej tezy konieczne jest przeprowadzenie badań porównawczych tego samego obuwia przy użyciu trzech analizowanych metod.
Summary
A comparative analysis of three standard dynamic test methods used to evaluate water resistance of footwear was carried out, compliant with three standards: PN-EN 13073, PN-O-91123, PN-EN ISO 20344. The aim of study was to draw attention to the possibilities and limitations of each of these methods, resulting from the principle of measurements, people involvement or equipment design. It was found that the consequence of large differences between methods, resulting from above factors led to diverse possibilities and restrictions such as: the need to involve testers, the area required for testing, the safety and comfort for testing, accuracy of measurement readings as well as the range of tested shoe types. These limitations can and should be eliminated by means of improvement methods. Regardless of the results of the analysis, all of these methods can be successfully used for water resistance testing of footwear; however the results of these methods, for the same type of footwear may vary. For verification of this thesis it is necessary to conduct comparative studies of the same footwear using the three analysed methods.
Słowa kluczowe: obuwie, metody badań odporności na wodę, analiza porównawcza. Key words: footwear, shoes, water resistance dynamic test methods, comparative analysis.
1. Wprowadzenie
Pierwotną funkcją obuwia była ochrona stóp i ułatwienie przemieszczania się w zróżnicowanym terenie. Z czasem wymagania rozszerzały się, czego skutkiem jest obecnie wąsko wyspecjalizowane obuwie, zapewniające szeroko rozumiany komfort użytkowania i wysokie parametry higieniczne, które stały się podstawą przy projektowaniu oraz konstruowaniu nowoczesnych rozwiązań technologicznych i materiałowych w obuwiu [1
]
. Przy doborze materiałów do jego produkcji uwzględnia sięwymagania wynikające z fizjologii stóp, a odpowiedni mikroklimat wewnątrz obuwia reguluje się poprzez dobór i konstrukcję poszczególnych elementów układu materiałowego. Odporność na wodę, nazywana też wodoodpornością jest oczekiwaną cechą obuwia ochronnego, wojskowego, górskiego, a w szczególności dziecięcego. W kontakcie z wodą, śniegiem lub błotem obuwie zostaje narażone na zawilgocenie jego wnętrza. Zjawisko to można przykładowo zobrazować schematycznie w odniesieniu do obuwia skórzanego – Rysunek 1.
Rysunek 1. Schematyczne zobrazowanie zjawiska przemakania obuwia skórzanego Źródło: opracowanie własne na podstawie danych literaturowych [2]. W celu zapobiegania przemakaniu materiałów
obuwniczych stosuje się odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne, eliminujące to zjawisko, takie jak np.:
hydrofobowe wykończenia – w przypadku stosowania skór naturalnych na wierzchy obuwia; różne środki chroniące buty przed wilgocią, wodą
oraz powstawaniem plam – w przypadku stosowania na wierzchy obuwia skór naturalnych, materiałów skóropodobnych lub tekstylnych; stosowanie na podszewki obuwia
paroprzepuszczalnych membran wodoodpornych w postaci tzw. laminatów lub wielosklejek w kompozycji z podszewką i tekstylnym materiałem ochronnym [1].
Zdecydowana większość materiałów stosowanych w produkcji obuwia powszechnego użytku nie stanowi bariery dla wody, która penetruje przez materiały zarówno wierzchu, jak i podszewki w miejscach ich połączenia z podeszwą oraz wzdłuż linii szwów konstrukcyjnych w wierzchu i podpodeszwie. Z tego względu korzystne jest ograniczenie ich liczby lub zlokalizowanie poza obrębem miejsc zginania, jak też zabezpieczenie przed przemoczeniem, np. poprzez uszczelnienie taśmami wodoodpornymi czy stosowanie wodoodpornych nici. Z uwagi na to, że podczas chodzenia stopa wykonuje ruch zginający obuwie, czego efektem jest zasysanie wody do jego wnętrza, zaleca się także wykorzystanie otoku w konstrukcji obuwia na etapie łączenia wierzchów ze spodami systemem klejenia z podeszwą lub zastosowanie metody bezpośredniego wtrysku [3].
Chociaż zjawisko przemoczenia noszonego obuwia jest powszechne doświadczane, a konsekwencje tego zjawiska dla zdrowia użytkownika oraz samego obuwia są znane, to liczba prac naukowych dotyczących tej problematyki jest niewielka. W szczególności niewiele jest prac dotyczących metodologii oceny parametru odporności obuwia na wodę. Nie spotyka się także analiz porównujących metody badawcze stosowane do oceny tego parametru. W niniejszej publikacji autorka podjęła taką próbę, dokonując porównania trzech różnych dynamicznych metod opisanych w dokumentach normalizacyjnych, celem zwrócenia uwagi na możliwości i ograniczenia każdej z tych metod, wynikające z zasad prowadzenia badań lub budowy wykorzystywanej aparatury badawczej.
2. Charakterystyka metod stosowanych do badań odporności obuwia na wodę
Najprostszą metodą badania odporności obuwia na wodę jest statyczny test polegający na ocenie działania wody na obuwie wstawione do pojemnika z wodą sięgającą do odpowiedniego poziomu i organoleptycznej ocenie jego przemoczenia [4]. W trakcie takiego badania dokonuje się cyklicznej (co około 15 minut) kontroli – aż do momentu przemoknięcia lub osiągnięcia przyjętego maksymalnego czasu badania (180 minut). Inna statyczna metoda polega na napełnieniu wodą obuwia i określeniu momentu przeniknięcia pierwszych kropli wody na wskroś układu [2]. Obie te metody nie uwzględniają zginania się obuwia, które jest wynikiem ruchu stopy podczas jego eksploatowania. Tak więc nie oddają one w pełni rzeczywistych warunków użytkowania obuwia w zetknięciu z wodą lub wilgocią. Drugą grupę metod stanowią dynamiczne metody badania odporności obuwia na wodę. Analizowane w pracy dynamiczne metody dotyczą badania obuwia z zamknięta cholewką i polegają na rzeczywistym lub symulowanym w aparacie badawczym ruchu zginającym obuwie podczas jego użytkowania w deszczu i wilgoci (powierzchni pokrytej wodą lub zbiorniku z wodą). Wszystkie te metody są zaimplementowane w polskich lub międzynarodowych normach i powinny być prowadzone w określonych warunkach klimatycznych, podobnych do warunków klimatyzacji próbek obuwia. W każdej z tych metod obuwie testowane jest przy założeniu, że musi ono być zanurzone w wodzie do odpowiedniego poziomu powyżej linii łączenia wierzchu ze spodem (którego częściami mogą być otok, pas albo podeszwa, w zależności od metody konstrukcji), przy czym podczas badania zalecana jest ostrożność, by woda nie dostała się do obuwia poprzez górny brzeg cholewki. Opcjonalne jest zabezpieczenie cholewki, np. folią. We wszystkich aparatach stosowanych do badań liczba zgięć testowanego obuwia kontrolowana jest zautomatyzowanym licznikiem. Niezależnie od stosowanej metody możliwa jest wagowa ocena masy wody wchłoniętej przez badane obuwie.
ISO 20344 p. 5.15.1, pozwala na badanie odporności całego obuwia na przenikanie wody podczas użytkowania go przez testera wykonującego określoną
możliwość odwracania się po obu stronach rynny dzięki ruchomym platformom o odpowiedniej wysokości, umiejscowionych w pobliżu każdego z jej końców.
Rysunek 2. Schemat stanowiska do dynamicznego badania odporności obuwia na wodę metodą I zgodnie z normami PN-EN 13073 i PN-EN ISO 20344 p. 5.15.1
Źródło: własne na podstawie [6]
Rysunek 3. Aparat do dynamicznego badania odporności obuwia na wodę metodą II – eksploatowany m.in. przez IPS O/Kraków – zgodnie z normą PN-O-91123 [Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.].
Źródło: własne – IPS O/Kraków 2013. W celu uniknięcie rozpryskiwania się wody wskazane
jest zwolnienie tempa chodzenia – minimalnie do 1 kroku na 1 sekundę. Po wykonaniu 100 kroków ocenia się wnętrze obuwia wzrokowo oraz dotykiem w celu stwierdzenia śladów penetracji wody. Jeśli nie wystąpiła, serię badań 100 kroków powtarza się, aż do wykrycia penetracji. W przypadku wystąpienia przemoczenia, zaznacza się miejsca i obszar na sugerowanym w normie diagramie w celu sporządzenia protokołu z badań, w którym zamieszcza się liczbę wykonanych kroków w rynnie oraz ogólną powierzchnię, na której nastąpiła penetracja wody, wyrażoną w cm2
i kończy się badanie. Jeśli obuwie nie przemaka, badanie kończy się po wykonaniu przez testera 500 kroków, po czym bada się pozostałe dwie pary obuwia z próby. Pomiar obarczony jest błędem wynikającym z indywidualnych różnic w chodzie.
2.2. Dynamiczna znormalizowana metoda badawcza (II) – z wykorzystaniem aparatu IPS O/Kraków, zbudowanego zgodnie ze standardemPN-O-91123 Metoda II, zgodna z normą PN-O-91123 i Procedurą badawczą opracowaną na podstawie tej normy [7, 8], pozwala na badanie odporności całego obuwia na przenikanie wody przy użyciu aparatu (Rysunek 3) zobrazowanego schematycznie (Rysunek 4), który symuluje zginający ruch buta podczas jego użytkowania w wodzie. Zasada wyznaczania polega na ustaleniu czasu, po którym nastąpił spadek oporu elektrycznego w obwodzie wskutek przemoknięcia obuwia.
Rysunek 4. Schemat aparatu do dynamicznego badaniaodporności obuwia na wodę zgodnie z normą PN-O-91123
Źródło: opracowanie własne, na podstawie źródła literaturowego [7]. Badaną półparę obuwia (pozbawioną wyściółek oraz
wypełnioną kulkami stalowymi o określonej średnicy i w ilości pokrywającej pojedynczą warstwę w obuwiu – przodostopie) umieszcza się wewnątrz komory wypełnionej przygotowanym wodnym elektrolitem montując przodostopie i piętę buta na podporach oraz regulując ustawienie w zależności od rozmiaru buta. W jego wnętrzu umieszcza się uniwersalną rozpórkę przegubową, stabilizującą jego położenie. Ponadto obciąża się go za pomocą ciężarka na dźwigni (70 kg – dla obuwia męskiego, 60 kg – dla obuwia damskiego, 30 kg – dla obuwia dziecięcego). Wartości odpowiadające liczbie zgięć zapisuje się dwukrotnie: w chwili spadku oporu czynnego poniżej wyjściowej granicy czułości aparatu V1 = 250 kΩ, kiedy następuje
zamknięcie obwodu elektrycznego i automatyczne wyłączenie aparatu oraz w chwili spadku oporu czynnego poniżej nowo ustawionej czułości V2 =
50 kΩ. Z licznika odczytuje się ogólną liczbę zgięć do chwili przeniknięcia elektrolitu do wnętrza obuwia. Maksymalny czas trwania badania wynosi 360 minut. Po wyjęciu półpary obuwia z wody i opróżnieniu jej wnętrza z kulek stalowych ocenia się miejsce przemoknięcia przy pomocy zewnętrznie zamontowanego czujnika elektrycznego, w którym natężenie światła sugeruje miejsce i obszar penetracji wody. Przemakalność obuwia (t), oblicza się wg wzoru (1):
[min] (1) w którym:
Lv1 – liczba zgięć do chwili zatrzymania się aparatu
przy czułości V1; Lv2 – liczba zgięć do chwili
zatrzymania się aparatu przy czułości V2; a – stała
aparatu (60 zgięć/min)
Badanie powtarza się dla drugiego buta pobranego z próby do badań laboratoryjnych. Wynik wyznaczania czasu przemakania obuwia podaje się dla każdej półpary w minutach, wraz z określeniem miejsca przemoknięcia.
2.3. Dynamiczna znormalizowana metoda badawcza (IIIa) – z wykorzystaniem aparatów: STM 505 i EL-17W, zbudowanych zgodnie z normą PN-EN ISO 20344
Metoda IIIa, zgodna z normą PN-EN ISO 20344 p. 5.15.2 [9] pozwala na badanie odporności całego obuwia na wodę poprzez symulowanie naturalnego chodu człowieka podczas użytkowania obuwia w wodzie przy użyciu odpowiednio skonstruowanych aparatów typu: model STM 505 Dynamic footwear water resistance tester lub model EL-17W Whole shoe flexing machine – (Rysunek 5), których zasadę działania zobrazowano schematycznie na Rysunku 6. Zgodnie z tą metodą odporność obuwia na wodę wyznacza czas, po jakim nastąpiło przeniknięcie wody do jego wnętrza.
a) b)
Rysunek 5. Aparaty do dynamicznego badania odporności obuwia na wodę metodą IIIa: a) model STM 505 i b) model EL-17W – zgodnie z normą PN-EN ISO 20344 p. 5.15.2 [10, 11].
Rysunek 6. Schemat pneumatycznego mechanizmu zginającego obuwie podczas dynamicznego badania odporności obuwia na wodę zgodnie z normą PN-EN ISO 20344 p. 5.15.2.
Źródło: opracowanie własne na podstawie źródła literaturowego [10]. Zaprezentowane powyżej aparaty wyposażone są
w dwa niezależne, pneumatycznie uruchamiane mechanizmy zginające obuwie na linii zginania (stawy śródstopno-paliczkowe) pod odpowiednim kątem z częstotliwością 60±6 zgięć na minutę. Obuwie montuje się z umieszczonym wewnątrz papierem absorbującym wilgoć na mechanizmie zginającym. Ustawia się je na podstawie metalowej ramki – wzdłuż teoretycznej linii zginania i stabilizuje przy użyciu mechanizmu zaciskowego w odpowiedniej pozycji, a następnie opuszcza się do wnętrza zbiorników wypełnionych wodą. Stan badanego obuwia kontroluje się cyklicznie (co 10 minut), aż do momentu penetracji wody do obuwia lub zakończenia badania trwającego 80 minut. Jako wynik badania odporności na wodę podaje się czas, w którym wystąpiło przemoknięcie obuwia w minutach wraz z oszacowanym obszarem przemoknięcia w cm2. Penetracja wody może zostać
wykryta również przez czujniki, o ile zamontowano takie w aparacie.
2.4. Dynamiczna znormalizowana metoda badawcza (IIIb) – z wykorzystaniem aparatu Shoe-Flex-Machine zbudowanego zgodnie z normą PN-EN ISO 20344
Innym przykładem urządzenia symulującego długotrwały chód w wodzie i wilgoci, działającego zgodnie z normą PN-EN ISO 20344 p. 5.15.2 [9], jest model Shoe-Flex-Machine (Rysunek 7). Aparat, w odróżnieniu od wyżej opisywanych, posiada w swoim wyposażeniu mocowane na uchwytach modele stóp wyposażone w czujniki wody i powiązane za pomocą odpowiednich złączy z rejestratorem liczby wykonanych zgięć i wyświetlaczami sygnalizującymi obszar obuwia, w którym doszło do penetracji przez wodę, umieszczonymi na panelu sterowania.
Rysunek 7. Aparat do dynamicznego badania odporności obuwia na wodę metodą IIIb – model Shoe-Flex-Machine – zgodnie z normą PN-EN ISO 20344 p. 5.15.2.
Źródło: własne – Zakład Funkcjonalności Obuwia IPS O/Kraków (2013) [12]. Badanie polega na umieszczeniu obuwia na
dostosowanych do jego rozmiaru modelach stóp, które zanurza się w komorze wypełnionej wodą. Moment penetracji obuwia przez wodę ocenia się podczas kontroli odbywających się w określonym interwale czasu (co 10 minut) lub po wykryciu obecności wody (zasygnalizowanym na panelu sterowania) przez czujniki umieszczone na modelach stóp. W przypadku nie zarejestrowania przemoknięcia, badanie kontynuuje się przez kolejne 10-minutow etapy, aż do penetracji obuwia przez wodę lub do czasu zakończenia badania, tj. po upływie 80 minut testowania. W przypadku przemoknięcia obuwia, badaną próbę ocenia się bezpośrednio po wystąpieniu sygnału świetlnego i dźwiękowego dokonując kontroli i oględzin
przemokniętych obszarów przy użyciu papieru absorbującego wilgoć. Po zakończeniu testu zapisuje się końcowy stopień penetracji obuwia przez wodę w cm2 wraz z całkowitą liczbą wykonanych zgięć. 2.5. Porównanie metod
W celu dokonania analizy porównawczej wyżej opisanych dynamicznych metod badawczych w kontekście odporności obuwia na wodę, w Tabeli 1 zestawiono ich możliwości i ograniczenia, przy czym koszty aparaturowe i usługowe nie były przedmiotem analiz.
Analiza możliwości i ograniczeń METODA I METODA II METODA IIIa METODA IIIb Oznakowanie ISO1 –/+ – + + Zgodność ze standardem PKN2 + + + +
Zaawansowane technicznie stanowisko
badawcze/aparatura – +/– + +
Badanie każdego rodzaju obuwia (męskie,
damskie, dziecięce) z zamkniętą cholewką +/– + + +/– Pomiar w warunkach rzeczywistych –
z udziałem testera z uwzględnieniem rozmiaru obuwia
+ – – –
Pomiar w warunkach oddających rzeczywiste odczucia podczas zjawiska przemakania obuwia
+ – – –
Symulowanie naturalnego chodu człowieka podczas użytkowania obuwia w wodzie i wilgoci
– + + +
Badanie całej pary obuwia w jednym czasie + – + +
Licznik zgięć na wyposażeniu aparatury
pomiarowej – + + +
Regulacja mechanizmu zginającego do
rozmiaru badanego obuwia – + + –
Wykorzystanie modeli stóp wyposażonych
w czujniki obecności wody – – – +
Konieczność wyznaczania przed badaniem
teoretycznej linii zginania na obuwiu – – + –
Konieczność cyklicznej organoleptycznej
kontroli stanu przemoknięcia obuwia + – + +
Zautomatyzowana funkcja sygnalizowania
momentu przemoknięcia obuwia – + – +
Uchwycenie momentu zawilgocenia wnętrza
obuwia niezależnie od cyklicznej kontroli +/– + – +/– Zautomatyzowana funkcja wyciągania
obuwia z wody po zadanej liczbie zgięć – – + +
Możliwość opuszczenia stanowiska
badawczego przez testera lub operatora – – + +
Zdjęcie/demontaż obuwia na potrzeby
cyklicznych kontroli przemoknięcia + +/– + +
Wysoka dokładność pomiaru bez względu na
błąd kontrolny testera lub operatora +/– + +/– +/–
Wykorzystanie papieru absorbującego
wilgoć do kontroli przemoknięcia – – + +
Wysoka powtarzalność prowadzonych badań – + + +
Objaśnienia:
1) PKN – Polski Komitet Normalizacyjny
3. Podsumowanie
Przeprowadzona analiza porównawcza trzech znormalizowanych dynamicznych metod oceny odporności obuwia na wodę pozwoliła wyeksponować możliwości i ograniczenia tych metod wynikające z czynników zewnętrznych lub aparaturowych, a tym samym wnioskować, że bez względu na typ zastosowanej metody, umożliwiają one stosunkowo łatwo zbadać obuwie pod względem odporności na wodę. Instytucje oferujące badanie tego parametru dysponują aparaturą skonstruowaną w oparciu o normy, która pozwala na sprawne i rzetelne przeprowadzenie badań, niezależnie od sposobu zaangażowania pracownika/testera. Przedstawione w publikacji opracowanie w zamyśle autorki przyczyni się do niwelowania wątpliwości zleceniodawców, co do słuszności wyboru jednostki badawczej, która dysponuje określoną aparaturą. Konieczne jest jednak przeprowadzenie badań porównawczych tego samego obuwia przy użyciu trzech analizowanych metod. Takie eksperymentalne porównanie będzie przedmiotem projektowanych prac badawczych Instytutu Przemysłu Skórzanego w Łodzi, Oddział w Krakowie.
4. Literatura
1. J. Alvarez, I. Wierzbicka: Ocena wpływu zastosowanych membran na przemakalność obuwia [w:] Obuwie: projektowanie i technologie wytwarzania, pod red. L. Przyjemskiej, B. Rajchel-Chyla, J. Alvarez, Instytut Przemysłu Skórzanego, 2014, ISBN 978-83-932150-1-0,113-125.
2. E. Wiśnios, M. Pawłowa, J. Rudecka: Badania wodoodporności obuwia w warunkach dynamicznych[w:] Obuwie: projektowanie i technologie wytwarzania, pod red. L. Przyjemskiej, B. Rajchel-Chyla, J. Alvarez, Instytut Przemysłu Skórzanego, 2014, ISBN 978-83-932150-1-0, 126-133.
3. M. Grabkowski: Technika wytwarzania obuwia T.1 i 2. Radom, Politechnika Radomska, 2000. 4. Procedura Badawcza Instytutu Przemysłu
Skórzanego Oddział w Krakowie Nr BM-11 Wydanie 1. 2013, Wyznaczanie przemakalności obuwia w warunkach statycznych.
5. PN-EN 13073:2002 Footwear – Test methods for whole shoe – Water resistance (Obuwie – Metody badania całego obuwia – Odporność na wodę). 6. PN-EN ISO 20344:2012 Personal protective
equipment – Test methods for footwear (Środki ochrony indywidualnej – Metody badania obuwia), p. 5.15.1.
7. PN-O-91123:1990 Shoe – Determination of water permeability (Obuwie – Wyznaczanie przemakalności).
8. Procedura badawcza Instytutu Przemysłu Skórzanego Oddział w Krakowie Nr BM-14 Wydanie 1. 2016,Obuwie. Wyznaczanie przemakalności.
9. PN-EN ISO 20344:2012 Personal protective equipment – Test methods for footwear (Środki ochrony indywidualnej – Metody badania obuwia), p. 5.15.2.
10. https://www.satra.co.uk [data dostępu: 05.12.2016].
11. http://www.soraco.it [data dostępu: 05.12.2016]. 12. Procedura Badawcza Instytutu Przemysłu
Skórzanego Oddział w Krakowie Nr BF-5 PROJEKT 2012, Wyznaczanie wytrzymałości obuwia na przemakanie w warunkach dynamicznych.
