Чудеса в решете, или Что такое климатическая мембрана

Выбор современной влагозащитной одежды станет простой и приятной процедурой, если разобраться в особенностях высокотехнологичных материалов, которые применяют для ее производства. К таким материалам, в частности, относятся климатические мембраны. Эта статья расскажет о том, зачем нужны климатические мембраны и как они работают

В какой одежде теплее? Кто-то скажет в пуховой, а кто-то станет  рассуждать о толщине и количестве слоев. Один свяжет «сугрев» с алкоголем, а второй, напротив, сообщит, что «надо меньше пить» и больше двигаться. Каждый будет по-своему прав, но никто не будет спорить, что какой бы ни была одежда, она должна быть сухой. В промокшей насквозь одежде тепло не будет.

Не допустить промокания  одежды, обеспечить комфорт при любых видах активности в различных климатических условиях помогают современные мембранные технологии.

Термин «мембрана» имеет множество значений и широко используется в науке и технике. Специальные материалы с таким названием применяются и в одежде — их часто называют климатическими мембранами.

В промокшей насквозь одежде тепло не будет

Одной из главных задач мембранной одежды является защита человека от внешней влаги — дождя, мокрого снега, водяных брызг. В процессе развития технологий эта задача решалась путем использования различных непромокаемых материалов — от шкур животных до резины и полиэтилена. Всем известно, что в резиновых сапогах можно стоять в воде без риска промочить ноги, а тонкая полиэтиленовая накидка спасет от любого дождя, не пропустив сквозь себя ни одной его капли.

Так работает полностью непромокаемый материал: вода не попадает внутрь, а пар не выходит наружу

Однако опытные туристы, да и просто наблюдательные люди, заметили, что под одеждой, не пропускающей влагу, быстро становится мокро, даже если снаружи светит яркое солнце. Почему так происходит? Откуда берется эта влага, да еще в таких количествах, которое не всякий дождь обеспечит?

Ответ на этот вопрос дает физиология. Незаметно для себя каждый из нас выдыхает за сутки в виде пара около 400 мл воды — это почти два стакана. Примерно столько же — около 600 мл воды в сутки — так же незаметно выделяется через кожные покровы в виде испарений. И если водонепроницаемая одежда препятствует их рассеиванию в окружающем воздухе, то влага накапливается, конденсируется и увлажняет одежду изнутри.

Значительно большее количество влаги выделяется человеком, если он занимается активной деятельностью — физической работой или спортом. Объем влаги, точнее, самого настоящего пота, который выделяет организм человека в жаркую погоду или при физической нагрузке, составляет около 1,5 литров в час. В этом случае одежда промокает намного быстрее, за считанные минуты. А при использовании в качестве влагозащиты резиновых покрытий или полиэтилена блокировка испарений настолько эффективна, что под одеждой очень скоро становится мокро, даже если человек неподвижен.

Сравнительные объемы различных видов испарений влаги человеком

Как же избавиться от лишних испарений под одеждой? Самый простой вариант — вовремя раздеться. Но тогда придется мокнуть под дождем. «Вода, вода, кругом вода» — поется в песне, и эта песня, оказывается, не только про пароходы.

Как не пропустить к телу влагу снаружи и в то же время  отвести от тела его собственные испарения? Каким должно быть препятствие для влаги, которому одновременно предъявляются два взаимоисключающих требования? Иными словами, какой должна быть одежда, которая пропускала бы влагу только в одну сторону — наружу?

Ответ на этот вопрос и дает климатическая мембрана — тонкая пленка, обладающая «волшебным» свойством пропускать влагу избирательно.

Существует два основных типа мембран, отличающихся друг от друга принципом действия, — поровые и беспоровые. Рассмотрим их особенности подробнее.

Поровая мембрана

Избирательная транспортировка влаги поровой мембраной происходит благодаря структурным особенностям воды.

Мы знаем, что вода может находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Поровая мембрана работает с двумя из них: газообразным и жидким, то есть с паром и водой. Пар требуется отвести от тела человека в окружающую среду, а воду снаружи, наоборот, не пустить к телу.

Известно, что молекула воды остается неизменной во всех агрегатных состояниях. Чем же тогда отличаются друг от друга эти состояния? Основное отличие заключается в разном расстоянии между молекулами. В водяном паре молекулы воды находятся на очень большом расстоянии друг от друга и поэтому почти не взаимодействуют. В воде эти молекулы расположены намного теснее — на расстояниях, где уже действуют силы взаимного притяжения и поверхностного натяжения, не дающие им отрываться друг от друга.

Строение молекулы воды и водяной капли

Большие объемы воды легко могут быть разделены на довольно мелкие «фрагменты», которые мы называем каплями. Из таких капель и состоит дождь. Но в каждой капле все равно много молекул. Молекулы расположены близко друг к другу, и, чтобы разорвать эти связи и превратить капли в пар, требуется значительная энергия. С такой задачей, например, отлично справляется чайник. Турист, к сожалению, тоже иногда напоминает устройство для кипячения воды, причем неотключаемое.

Итак, назначение мембраны — не пропускать под одежду воду в виде капель и одновременно «дышать», то есть пропускать водяной пар — отдельные свободные молекулы той же воды. Решение такой задачи не выглядит сложным: достаточно снабдить непроницаемую пленку отверстиями нужного размера — и мембрана готова. Но несмотря на простоту идеи, ее техническая реализация требует серьезных научных и технологических усилий. Отверстия «молекулярного» размера не насверлить дрелью. Поэтому не спешите в мастерскую и пожалейте ваши тапочки — мембранной обуви из них все равно уже не выйдет.

«А мы пойдем другим путем». Ну, или похромаем

Производители мембран обладают иным инструментарием. Они используют полимеры и ученых, которые знают, что такое полимеры и с помощью каких физико-химических манипуляций из них получаются мембраны. Ну, или, по крайней мере, делают вид, что знают.

По информации одного из лидеров этой отрасли — американской компании W. L. Gore & Associates, — поровая мембрана GORE-TEX®, полученная при особом растяжении полимера политетрафторэтилена, имеет миллиарды микроскопических отверстий, каждое из которых примерно в 700 раз больше молекулы воды, но в 20 000 раз меньше капли. Эти отверстия и есть поры. Отсюда и название поровых мембран.

Молекулы пара свободно проникают через поры мембраны, но для капли воды эти поры слишком малы

Такая мембрана напоминает решето, но оно, в отличие от обычного деревенского решета, в котором «воду не носят», создано специально для воды.

Итак, поровая мембрана — это тонкая пленка с мельчайшими порами, то есть отверстиями такого размера, через которые свободно проходят молекулы пара, но не могут пройти капли воды.

Беспоровая мембрана

Этот тип мембраны, который еще называют гидрофильным, то есть «любящим воду», не имеет пор, что и отражено в названии. Транспортировка влаги через такую мембрану осуществляется методом диффузии.

Беспоровая мембрана больше напоминает не решето, а губку, только с очень мелкой структурой. Она, в отличие от поровой мембраны, транспортирует через себя не пар, а воду, которая просачивается сквозь губчатую структуру мембраны с одной ее поверхности на другую, условно — с изнаночной стороны на лицевую.

Транспортировка влаги беспоровой мембраной: 1. Испарение. 2. Конденсация влаги на внутренней поверхности мембраны. 3. Мембрана. Зона транспортировки влаги. 4. Испарение влаги в окружающую среду

Испарения от человеческого тела (1) сначала достигают  внутренней (изнаночной) поверхности беспоровой мембраны, оседают на ней в виде водяного конденсата (2) и пропитывают мембрану насквозь. Только после этого беспоровая мембрана начинает работать, то есть транспортировать влагу (3). Влага с изнаночной стороны просачивается сквозь беспоровую мембрану и испаряется с наружной поверхности ткани в окружающую среду (4).

Необходимые условия для правильной работы мембран

Из описания принципов работы мембран можно сделать вывод, что поровая мембрана одинаково хорошо транспортирует пар как наружу, так и внутрь, а беспоровая так же поступает с водой. В чем же тогда польза от мембран? Что заставляет их транспортировать влагу в нужном направлении?

1. Разница парциальных давлений

Главным и непременным условием работы обоих типов мембран является разница парциальных давлений водяных паров с разных сторон мембраны. К счастью, для понимания работы мембран не требуется объяснения термина «парциальный», поэтому скажем проще: транспортировка влаги всегда осуществляется в ту сторону, где давление пара меньше.

Направление транспортировки влаги зависит от разницы давления пара внутри и снаружи мембраны

Из этого следует, что если, по каким-то причинам, давление водяного пара снаружи окажется больше, чем давление пара внутри, то мембрана  будет транспортировать влагу в обратном направлении, то есть к телу человека. Такое может произойти, например, в сауне, если зайти туда в мембранной одежде. Не ходите.

Транспортировка влаги мембраной всегда осуществляется в сторону с меньшим давлением пара

2. Влажность окружающего воздуха

В условиях высокой влажности значительно лучше работают поровые мембраны. Такие мембраны также нормально функционируют, если на одежде открыта вентиляция.

Беспоровые мембраны хорошо работают при большой разнице давлений паров, то есть если внутри куртки достаточно влажно, а воздух снаружи относительно сухой. Однако  при открытой вентиляции эти мембраны резко снижают свою эффективность.

3. Температура окружающего воздуха

Беспоровая мембрана не любит низких температур. Если  ее собственная температура падает ниже нуля градусов, то вода, пропитывающая мембрану, замерзает, и транспортировка влаги практически прекращается. Поровая мембрана, которая транспортирует не воду, а пар, в условиях низких температур имеет преимущество перед беспоровой.

4. Механическая и структурная целостность мембраны

Беспоровая мембрана прочнее и долговечнее поровой. Поровая мембрана  довольно быстро теряет свою эффективность из-за засорения пор, связанного с неправильной эксплуатацией и уходом.

Однако сколь угодно высокие технические характеристики мембраны могут оказаться бесполезными, если при изготовлении одежды были допущены технологические просчеты. В конечном счете эффективность мембранной одежды зависит не только от мембраны, но и от множества других факторов: качества обработки и проклейки швов, использования специальных водоотталкивающих (гидрофобных) покрытий, правильного ухода  и т. д.

Основные эксплуатационные характеристики мембран

Итак, главная задача мембран — обеспечить комфортный уровень влажности под одеждой. Исходя из этого характеристики мембран определяются по двум основным параметрам:

1. Водонепроницаемость — способность мембраны не пропускать воду. Эта величина указывается в миллиметрах и характеризует высоту водяного столба, давление которого мембрана выдерживает без протечки. То есть протечь может любая мембрана, абсолютной водонепроницаемости не существует, поэтому вопрос лишь в том, при каких условиях мембрана «потечет». Приемлемая величина водонепроницаемости начинается со значения 10 000 мм высоты водяного столба, но для одежды, к которой предъявляются серьезные требования, эта величина должна быть не менее 20 000 мм.

2. Паропроницаемость — g/m2 или г/м2  — количество влаги, которое мембрана способна отводить в окружающую среду за единицу времени. Иногда эта характеристика называется скоростью транспортировки парообразной влаги (англ. MVTR; moisture vapor transfer rate), что для беспоровой мембраны не совсем точно, так как она транспортирует не пар, а воду, но сути это не меняет. Величина паропроницаемости указывается как количество влаги в граммах, которое транспортирует сквозь себя один квадратный метр мембраны за 24 часа. Чем выше это значение, тем лучше мембрана отводит пар и тем выше уровень комфорта. Обычно оно находится в диапазоне от 3000 до 10 000 грамм на квадратный метр за 24 часа.
   Также для оценки паропроницаемости мембраны применяется ее тестирование на сопротивление транспортировке пара. Этот тест называется RET (resistance to evaporative transfer) и оценивает паропроницаемость в баллах. Нулевое значение RET говорит об отсутствии сопротивления, а значение в 30 баллов — о полной паронепроницаемости. Для наглядности можно представить, что RET 0 — это свободное испарение пара с кожи человека, а RET 30 сравнимо с сопротивлением испарению, создаваемым пластиковым мешком.

Следует помнить, что никакая мембрана сама по себе никого не согреет. Ее использование приводит лишь к снижению влажности под одеждой. Кроме этого, многие мембраны неплохо защищают от ветра. Естественно, все это приводит к увеличению теплового комфорта, но применять саму мембрану в качестве теплой одежды не стоит — замерзнете во цвете лет.

Примерная динамика зависимости теплового комфорта от влажности одежды

Резюме

• Главные задачи мембраны — не пропустить воду к телу человека извне и отвести испарения тела наружу.

• Поровая мембрана, благодаря микроотверстиям в своей структуре, пропускает отдельные молекулы воды (пар), но не пропускает капли воды. Пар проникает сквозь мембрану в направлении от большей концентрации к меньшей.

• Беспоровая мембрана также пропускает влагу в направлении меньшей концентрации пара, но делает это не с его отдельными молекулами, а с водой, которая просачивается сквозь мембранный слой как сквозь губку.

• Поровая мембрана начинает работать практически сразу даже при небольшой разнице концентраций паров внутри одежды и снаружи. Беспоровая заработает только после того, как пропитается конденсатом — влагой, образовавшейся от испарений с поверхности кожи.

• Поровая мембрана сохраняет работоспособность при отрицательных температурах, так как транспортирует пар. Беспоровая прекращает работу при замерзании воды в ее структуре.

• Беспоровая мембрана надежна, долговечна и не так требовательна к уходу, как поровая. Также она, как правило, дешевле. Поровая мембрана чувствительна к загрязнениям, требует применения специальных методов стирки и довольно быстро теряет свои качества при неправильном уходе.

• Две важнейшие характеристики любой мембраны — способность отводить от тела пар и препятствовать обратному проникновению влаги — обычно содержатся в описании мембранной одежды. Водонепроницаемость мембраны указывается в миллиметрах, и чем выше этот показатель, тем надежнее мембрана защищает от воды. Дышащая способность мембраны — паропроницаемость — указывается в граммах на квадратный метр. И здесь так же —  чем больше число, тем лучше. Однако улучшение влагозащитных характеристик обычно сопровождается ухудшением дышащих, и наоборот.

• Мембрана не является утеплителем, но способствует увеличению теплового комфорта.