Современная спортивная одежда уже немыслима без мембранных материалов. Эти  технологии обеспечивают тот функционал, который необходим спортсменам самых разных видов спорта. Эта статья для тех, кому интересно, что же представляет из себя эта «начинка». Характеристики и физические механизмы (в том числе и их эффективность) свойств мембранных тканей двух категорий: микропористых и гидрофильных. 

О Gore-Tex

В 1969 году Боб Гор открыл особый способ обработки политетрафторэтилена (тефлона), и это послужило отправной точкой применения полимеров в текстильной промышленности. Первая ткань под названием GORE-TEX появилась в 1978 году. В основе технологии лежит простой процесс – тефлон растягивается механическим путем до состояния микропористой мембраны, которую можно классифицировать как тянутую полукристаллическую пленку. Производится мембрана путем экструзии под давлением. Сырье вытягивается под температурой, немного меньшей температуры плавления, дальше от температуры стеклования, для предотвращения кристализации, часто в присутствии ароматических углеводородов, которые создают поры за счет образования микрокапель. Гидрофобные свойства тефлоновой мембраны означают, что жидкость отталкивается от пор, в то время, как водяной пар проходить сквозь них может. На фотографии видна структура мембраны в виде трехмерной полимерной сетки с порами.

Водонепроницаемые свойства мембраны Gore-Tex обуславливаются двумя факторами – гидрофобностью неполярных молекул политетрафторэтилена, за счет термодинамических энтропийных факторов отталкивающихся от полярных молекул воды, что позволяет отстранять воду от поверхности полимера, и высоким капиллярным давлением воды в порах, которое действует (как сила) наружу по причине несмачиваемости полимера водой (если бы он смачивался, вода бы сама лезла внутрь – по причине того же капиллярного давления). Выглядит заманчиво, надо сказать.
Вот что говорит производитель о водонепроницаемых свойствах мембраны:

«Мембрана GORE-TEX® гарантирует 100% водонепроницаемость. Она содержит около 1,4 миллиарда пор на 1 кв. см, но размер пор в 20 000 раз меньше капли воды. Это не позволяет воде при давлении не более 30 атмосфер (= 30 м водяного столба) пройти сквозь нее. Для сравнения: дождь в городских условиях создает давление 5-7 м водяного столба. »

Оценим капиллярное давление, которое создается в порах против давящего сверху столба воды. Примем довольно условное приближение, которое, однако, не противоречит сильно реальности – то, что пора представляет собой круглый в сечении капилляр с абсолютно несмачивающимися водой стенками. Вода образует в таком капилляре сферический выпуклый мениск (сферический – для того, чтобы упростить расчеты). В таком приближении оценить капиллярное давление позволяет уравнение Лапласа:
В данном уравнении ? – поверхностное натяжение воды, а r – радиус кривизны мениска. В нашем приближении (мениск сферический) радиус кривизны мениска равен радиусу самой поры. Поверхностное натяжение воды при температуре 20' C равно 72,7 мДж/м2.

Соответственно, капиллярное давление для пор радиусом 0,1225 микрон (из данных производителя о том, что размер пор мембраны в 700 раз превышает размер молекулы водяного пара, средний диаметр которой равен 3,5 ангстрёма (0,35 нанометра)) будет равно:
В итоге, только за счет капиллярного давления, мембрана выдерживает почти 12 метров водяного столба, и за счет гидрофобности полимерных участков этот показатель может быть несколько (на пол-атмосферы) увеличен. И это только минимум. При более низких температурах высота столба увеличится, так как поверхностное натяжение воды растет при уменьшении температуры. Однако, есть и отрицательные стороны у такого механизма задерживания воды.

Первым из таких казусов выступает тот физический факт, что если, в результате высокого давления столба мембрана напитана водой, то капиллярные явления не наблюдаются, за счет того, что искривленной поверхности раздела фаз (жидкость – воздух в порах), обеспечивающей избыточное давление, попросту не существует. Посему, вода сквозь мокрую мембрану попросту течет.

Избыточное давление может быть вызвано не только водой, но и любыми другими предметами. При давлении какого-либо мокрого предмета на мембрану она неизбежно намокнет через несколько минут (если у нее не заявлена водонепроницаемость выше 20000 мм, достигаемая отдельными способами). Если в куртке с Gore-Tex, например, лезть через мокрые заросли, посидеть на мокром бревне или стоять на коленях на мокрой траве. Тогда давление других предметов, как известно из школьной физики, обратно пропорциональное площади воздействия, попросту вжимает воду в поры, преодолевая капиллярные силы. Результат – мембрана намокает.

Нахождение вещи с мембраной непосредственно в воде тоже ничего хорошего не влечет за собой. Стоя в Gore-Tex штанах посреди ручья, следует быть готовым к тому, что давление воды со всех сторон преодолеет капиллярный барьер.

Поговорим теперь подробнее о гидрофобных свойствах мембраны и порах. Как всем известно, любые поверхностно-активные вещества (ПАВ) являются амфифильными молекулами, то есть имеют гидрофильные (взаимодействующие с водой) и гидрофобные (отталкивающиеся от воды) части. За счет этого они могут гидрофобными частями налипать на гидрофобную (жирную или несмачиваемую) поверхность, и торчать гидрофильными частями наружу. В результате – поверхность с налипшими молекулами ПАВ становится смачиваемой водой, и, кроме того, ПАВ снижает собственное поверхностное натяжение воды. Посему, если в капающей на тефлоновую мембрану воде будет содержаться ПАВ, оно с радостью смочит поверхность, и итог – никакого капиллярного давления или отталкивания, вода идет сквозь мембрану почти свободно. В роли молекул ПАВ могут выступать очень многие молекулы – от обычных спиртов (даже этилового) и до всех детергентов (моющих средств). Именно поэтому вещи, имеющие мембрану Gore-Tex, крайне не рекомендуют стирать с применением каких-либо моющих средств, за исключением жидкого мыла – единственное потому, что оно хорошо отмывается. Использование машинной стирки не рекомендуют также, поскольку оно может повредить мембрану необратимо – просто механически. Заявленная производителем износостойкость мембраны – 200 часов непрерывной машинной стирки.

Поры в Gore-Tex пропускают молекулы воды, но в них могут замечательно встраиваться другие соединения, тем самым намертво их забивая. Так, Gore-Tex не работает в грязной или соленой воде, при этом, если поры забиваются кусочком вещества, имеющего поверхностно-активные свойства, воду держать они не будут.

При низких (ниже -10 градусов) температурах политетрафторэтилен имеет тягу к кристаллизации, за счет чего мембрана приобретает жесткость (т.е. "дубеет"). Также ПТФЭ склонен к кристаллизации при растяжении, поэтому превращается в корку при сильных нагрузках.

Ну и наконец, при протыкании мембраны она перестает держать воду из-за появления макроотверстия – дыры от прокола, которое почти всегда внешне незаметно (ткань выглядит прекрасно). Но через него мембрана может насытиться водой и дать течь внутрь.

Паропроницаемые свойства мембраны определяются тем, что размер пор мембраны в 700 раз превышает размер молекулы водяного пара, поэтому испарения проникают сквозь мембрану и выводятся наружу. Перемещение пара происходит за счет разницы давлений с разных сторон мембраны в процессе диффузии.

Вот что говорит производитель о паропроницаемости мембраны:

Пропускная способность (вентиляция) - 1л водяного пара в час.
Для разных типов тканей, выпускаемых под маркой Gore-Tex, паропроницаемость разная, но она колеблется в диапазоне 12000 – 15000 грамм пара через квадратный метр поверхности в сутки:
• Gore-Tex® XCR™ Stretch 3L-2L
На 25% более «дышащий», чем обычный Gore-Tex®. Эта трехслойная ткань Gore-Tex® обеспечивает максимальный комфорт и свободу движений за счет эластичности во всех направлениях.
Водонепроницаемость: 50000 мм водяного столба
Паропроницаемость: 14000 г/м2/сут
Швы: 100% швов проклеено
Ткань: Viper (полиамид + лайкра), 100% эластичная
Конструкция: Трехслойная ламинированная мембрана

• Gore-Tex® XCR™ SNOW 2L
На 25% более «дышащий», чем обычный Gore-Tex®. Двухслойная ткань, ламинированная утеплителем Thermal. Оптимальное соотношение утепления и отвода влаги обеспечивает максимальный комфорт при катании на горных лыжах или сноуборде.
Водонепроницаемость: 40000 мм водяного столба
Паропроницаемость: 15000 г/м2/сут
Швы: 100% швов проклеено
Ткань: Garda (полиамид), двухслойная ламинированная мембрана

• Gore-Tex® 2L
Эта двухслойная ткань диагонального плетения очень мягкая, но прочная. «Дышащая» и водоотталкивающая, она обеспечит вам комфорт и сухость. Не препятствует испарению влаги с поверхности тела.
Водонепроницаемость: 40000 мм водяного столба
Паропроницаемость: 12000 г/м2/сут
Швы: 100% швов проклеено
Ткань: Calypso (полиэфир), двухслойная ламинированная мембрана

• Gore-Tex® calypso 2L
Двухслойная ткань диагонального плетения предельно эластична, но очень прочна. Эта водонепроницаемая «дышащая» ткань защитит вас от воды и ветра. Она не препятствует испарению влаги с поверхности тела.
Водонепроницаемость: 40000мм водяного столба
Паропроницаемость: 12000 г/м2/сутки
Швы: 100% швов проклеено.

Здесь можно заметить только то, что показатели паропроницаемости весьма высоки. Однако поры в мембране легко забиваются грязью и посторонними веществами, и она перестает дышать, кроме того, будучи заслонена вещами (рюкзаком на спине или предметами в карманах), она теряет паропроницаемые свойства.

Благодаря тонковолокнистой структуре мембраны, холодный воздух как бы запутывается в лабиринте микропор, образуя завихрения. С другой стороны, GORE-TEX сохраняет тепло внутри одежды, и таким образом создается комфортный микроклимат: пот испаряется, тепло остается. При этом воздух от тела свободно проходит через поры мембран, что обеспечивает вентиляцию.

При всех ее достоинствах ткани с мембраной Gore-Tex имеют ряд жалоб на свои свойства, которые следовало бы указать для полноты картины.

1. GoreTex дышит хуже плотнотканого хлопка (Tightly Woven Cotton)

2. GoreTex дорог

3. GoreTex имеет недолгий срок жизни по причине низкой устойчивости к стиркам и светопогоде.

4. Даже если GoreTex более ветронепроницаем, чем плотнотканый хлопок, ветронепроницаемость – не проблема и для многих других тканей.

5. GoreTex шумит, т.е. издает шуршание при трении ткани о себя.

О гидрофильных мембранах

Вторым типом мембран, которые используются при изготовлении одежды для экстрима, являются гидрофильные мембраны. Строго говоря, они не являются мембранами как таковыми (т.е. пленками), а являются очень тонкими (0,01 мм) слоями полимерной ткани с особыми свойствами.
К гидрофильным мембранам относятся мембраны, изготовленные по многим технологиям, самыми известными из которых являются Sympatex и Dermizax.

По составу материала гидрофильная мембрана представляет собой смесь полиэстер. Полиэстер (общее название различных производных полиэтилентерефталата (ПЭТФ)) в целом является гидрофобным и, как следствие, водоотталкивающим материалом. Пленка из полиэстера плотная и не имеет пор или отверстий, поэтому она непроницаема для водяного столба, и пропускает воду только при высоких давлениях. Однако, такая мембрана должна пропускать водяной пар изнутри. Поэтому в гидрофобную полиэстеровую матрицу с внутренней стороны интеркалированы гидрофильные зоны, устроенные наподобие ионных каналов. Это значит, что внутри гидрофильной зоны существуют свободные координационные связи, которые может насыщать диполь молекулы водяного пара. Гидрофильные зоны заполняются паром, возникшим в результате потоотделения, и затем просто диффундирущим через внешнюю сторону за счет появления градиента концентрации между объемами внутри и снаружи (градиент – вектор убывания).

Мембрана в данном случае пор не имеет, и поэтому у нее возникает множество преимуществ, которыми не обладает Gore-Tex. Так, мокрая одежда с гидрофильной мембраной будет пропускать капельно-жидкую воду так же, как и сухая, и результат пропускания будет зависеть только от того давления, которое приложено к мембране с наружной стороны.
Грязь и посторонние вещества на мембране не влияют на ее способности к дыханию, паропроницаемость и водонепроницаемость.

Благодаря тому, что на гидрофильной мембране нет пор, действие ПАВ на нее хоть и, безусловно, наблюдается, но практически не влияет на водонепроницаемые и паропроницаемые свойства (ПАВ не задерживается в порах), посему она легко выдерживает воздействие моющих средств и машинную стирку. Немаловажным ее свойством является также растяжимость почти на 300%. Поскольку полиэстер относится к аморфным полимерам, он не склонен к кристаллизации и при растяжении сохраняет вязкоэластические свойства. Отсутствие пор определяет и абсолютую ветронепроницаемость одежды.

Однако, у гидрофильных мембран есть и серьезный недостаток. За счет полной ее замкнутости через нее чрезвычайно затруднена диффузия молекул. Молекулы воды имеют, во-первых, облегчение диффузии за счет гидрофильных зон, а во-вторых, глобальный градиент концентрации пара, однако и этого недостаточно для конкуренции по паропроницаемости с Gore-Tex или полиуретановыми мембранами. Что уж говорить о молекулах газов, составляющих воздух, поэтому гидрофильные мембраны довольно плохо "дышат", в сравнении с Gore-Tex – 2500 г/м2 за сутки для Sympatex и 12000-16000 г/м2 сутки для Gore-Tex. Однако японский производитель Toray заявляет для своей гидрофильной мембраны Dermizax паропроницаемость в 10000 г/м2 за сутки (8000 г/ м2/ 24 часа по методу B-1), что уже может составить вполне достойную конкуренцию фторопластовым мембранам. Такое усиление паропроницаемости может быть получено за счет облегчения диффузии через внешний слой и облегчения накопления молекул воды в гидрофильных зонах.

Гидрофильные мембраны также проигрывают Gore-Tex в водонепроницаемости. В их случае предельная высота водяного столба определяется свойствами материала (10000 мм), в то время, как Gore-Tex устойчив к капельной воде за счет капиллярных сил, что легко подвергается модификации (при минимуме в 12000 мм и до 40000 мм). Но и здесь японский производитель Toray представляет иные данные – по его заявлениям, водонепроницаемость Dermizax достигает 20000 мм столба.

Далее приведены две совокупности данных. Сводная таблица свойств мембран, описанных во многих, в основном онлайн-источниках призвана дать краткое обобщение статьи. Эксперимент по изменению динамической паропроницаемости призван внести ясность в соотношения этой величины между разными типами мембран в разных условиях.

 

Камера по испытанию динамической паропроницаемости.

На обе стороны тестируемого образца материала направлены потоки воздуха с различной степенью относительной влажности. Путем сравнения конденсации водяных паров на выходах из камеры можно определить количество водяных испарений, прошедших сквозь образец. Результаты могут быть показаны как поток водяных паров (измеряемый в граммах на квадратный метр за промежуток времени) или как уровень сопротивления диффузии водяных паров (измеряемый в единицах s/m). Использование единиц сопротивления упрощает сравнение результатов, полученных в разных условиях окружающей среды. Чем ниже диффузионное сопротивление, тем больше паропроницаемость материала. Причина для проведения тестирования именно таким образом заключается в том, что некоторые материалы, такие как Gore-Tex, Sympatex и пр., обладают более высокими пароотводящими свойствами, находясь во влажной среде, чем в сухой. Другие материалы, такие как большая часть тканых материалов и микропоровых мембран, обладают почти постоянным диффузионным сопротивлением, вне зависимости от влажности окружающей среды.

Условия тестирования диффузии водяных паров.
Температура - 30°С.
Скорость потока газа – 2000 куб. см. в минуту.
Точки 1-5 на диаграммах определяются так:

Графики:

На графиках (взяты с www.bask.ru) отображены значения сопротивления диффузии паров воды различных мембран в зависимости от равновесной влажности потоков (график 1) и потоков пара через мембрану в зависимости от равновесной влажности входящих потоков (график 2). Из графиков видно, что по дышашим свойствам Sympatex проигрывает стандартному Gore-Tex, а Enthrant Dermizax у Gore-Tex ощутимо выигрывает при низких значениях влажности, а при высоких – с ним сравним.

eVENT

Основным принципом действия мембранной ткани eVENT является новая технология. Микропористые мембраны нуждаются в грязеотталкивающей пропитке для того, чтобы защищать мембрану от естественной жирности кожи, которая препятствует работе мембраны. Все их технологии используют полиуретановый грязеотталкивающий слой на одной из сторон мембраны. Это означает, что процесс движения испарений происходит в два медленных этапа. Сначала пар конденсируется в жидкость, затем проникает в мембрану и, далее, проходит через полиуретановый слой. В технологии eVENT вместо этого основа мембраны – ПТФЭ (политетрафторэтилен, тефлон) – химически изменяется для придания ему способности отталкивать жиросодержащие соединения: на него сажается молекулярное покрытие, защищающее каждое волокно в отдельности. Благодаря этому мембрана никогда не загрязняется, и ее поры всегда остаются открытыми. Миллионы микроскопических пор не дают воде проникать внутрь, при этом испарение влаги основывается не на медленном процессе диффузии, а на беспрепятственном выведении ее наружу напрямую, без конденсации внутри материала. По своей структуре мембрана представляет собой нитевидные молекулярные образования. Таким образом, абсолютно не требуется конденсации испарений для выхода на поверхность ткани.