La fisica del trasporto dell'umidità: capillarità e MMT

Un tessuto che allontana il sudore e asciuga rapidamente non compie alcuna magia: obbedisce all'idrostatica e alla fisica delle superfici. Il trasporto dell'umidità liquida in una struttura fibrosa è la somma di due fenomeni distinti: prima la bagnatura (wetting), ovvero la tendenza del liquido a distendersi sulla superficie della fibra, poi l'effetto wicking, ovvero il richiamo capillare spontaneo del liquido negli interstizi tra le fibre. Il poliestere in sé è idrofobo; le prestazioni dipendono meno dalla chimica della fibra che dalla geometria di sezione, dall'architettura del filato e dal finissaggio. Questo articolo affronta tali meccanismi nel linguaggio dei metodi di prova normalizzati, con grandezze ingegneristiche.

Bagnatura: angolo di contatto e l'equazione di Young

Quando una goccia d'acqua incontra una superficie, l'angolo di contatto (theta) che essa forma è la misura della bagnatura. Secondo l'equazione di Young quell'angolo nasce dall'equilibrio delle tensioni interfacciali solido-vapore, solido-liquido e liquido-vapore. Se theta < 90 gradi la superficie è idrofila e il liquido si distende; se theta > 90 gradi è idrofoba e la goccia si perlina. Sul poliestere nudo l'angolo di contatto dell'acqua si colloca tipicamente nella banda 70-90 gradi, il che spiega perché, senza intervento, il tessuto tende a respingere il sudore. Affinché l'effetto wicking sia possibile, cos(theta) deve essere positivo, ossia l'angolo di contatto deve essere inferiore a 90 gradi.

Risalita capillare: l'equazione di Washburn

Gli interstizi tra le fibre si comportano come sottili tubi capillari. In un capillare la distanza di penetrazione L è data dall'equazione di Lucas-Washburn: L = sqrt[(gamma * r * t * cos(theta)) / (2 * eta)]. Qui gamma è la tensione superficiale del liquido, r il raggio capillare/dei pori effettivo, theta l'angolo di contatto, eta la viscosità dinamica e t il tempo. È derivata dalla pressione capillare di Young-Laplace (Pc = 2*gamma*cos(theta)/r) e dal flusso di Hagen-Poiseuille, e si applica al caso orizzontale in cui la gravità è trascurata.

L'equazione dice ai progettisti tre cose. Primo: la distanza di penetrazione cresce con la radice quadrata del tempo (L proporzionale a sqrt-t), perciò l'effetto wicking è molto rapido all'inizio e rallenta costantemente. Secondo: un piccolo raggio dei pori r significa una pressione capillare più alta (Pc proporzionale a 1/r) ma un flusso più lento (L proporzionale a sqrt-r); questo compromesso spiega perché la finezza del microfilamento aumenta sia il richiamo sia la necessità di un punto di equilibrio. Terzo: poiché cos(theta) è un moltiplicatore, qualsiasi finissaggio idrofilo che porti l'angolo di contatto sotto i 90 gradi incide direttamente sull'effetto wicking. Nel wicking verticale la gravità si oppone alla risalita, perciò il liquido non sale all'infinito; esiste un'altezza di equilibrio in cui la pressione capillare eguaglia il battente idrostatico.

Misurazione del wicking verticale: prove a striscia

La risalita capillare può essere misurata direttamente. Nella classica prova a striscia (strip test) si immerge l'estremità inferiore di una striscia di tessuto sospesa verticalmente in un serbatoio d'acqua e, dopo tempi prefissati, si legge l'altezza (mm) raggiunta dall'acqua nella sua risalita. La DIN 53924 è un metodo di altezza di risalita a breve durata (dell'ordine dei minuti) per tessuti a wicking relativamente rapido; la BS 3424 (Method 21) è invece una prova di resistenza che si estende fino a 24 ore per tessuti spalmati/tecnici a wicking molto lento. Il corrispondente moderno è la AATCC 197: la risalita capillare su un provino allineato verticalmente viene seguita nel tempo, ed è la geometria più vicina allo scenario reale del tessuto che pende a contatto con la pelle sudata. Per la diffusione laterale si usa la AATCC 198 (il tempo impiegato dal liquido depositato al centro per raggiungere un diametro di 100 mm); i risultati dei due metodi non sono confrontabili, perché le geometrie differiscono.

MMT: mappare la gestione dell'umidità in un solo passaggio

Una prova a striscia dice quanto rapidamente un tessuto trasporta, ma non la differenza direzionale tra le due facce di uno stesso tessuto. La AATCC 195 (Moisture Management Tester, MMT) misura esattamente questo: il provino viene posto tra anelli sensori concentrici sulla faccia superiore e su quella inferiore, una soluzione di prova (di solito una salina che simula il sudore sintetico) viene depositata al centro e la resistenza/conduttanza elettrica di entrambe le facce viene registrata nel tempo. La curva risultante si risolve in sei indici: tempo di bagnatura (WT, s, distinto per faccia superiore/inferiore), velocità di assorbimento (AR, %/s), raggio massimo di bagnatura (MWR, mm), velocità di diffusione (SS, mm/s), capacità di trasporto unidirezionale (accumulativo) R e l'indice che li combina, la capacità complessiva di gestione dell'umidità OMMC (un indice 0-1).

L'OMMC è la sintesi in un unico numero della capacità di un tessuto di gestire l'umidità, calcolata a partire da tre componenti: velocità di assorbimento della faccia inferiore (ARB), capacità di trasporto unidirezionale (R) e velocità massima di diffusione della faccia inferiore (SSB). La logica è chiara: un buon tessuto sportivo spinge il liquido dal lato pelle (superiore) verso il lato esterno (inferiore), lo distende su un'ampia area all'esterno e lo predispone a una rapida evaporazione. Ogni indice viene convertito dal valore a un grado da 1 a 5 (1 = scarso, 5 = eccellente). L'indice unidirezionale R è la differenza tra gli integrali nel tempo del contenuto d'acqua della faccia superiore e di quella inferiore; un R positivo ed elevato indica un flusso netto di liquido lontano dalla pelle.

Push-pull: trasporto direzionale a doppio strato

L'indice unidirezionale R dell'MMT descrive anche un obiettivo di progetto: il movimento unidirezionale del liquido lontano dalla pelle. La costruzione che lo realizza nel modo più netto è il doppio strato push-pull. La faccia interna, rivolta verso la pelle, è deliberatamente idrofoba (ad es. polipropilene, oppure poliestere a microfilamento non trattato), mentre la faccia esterna è scelta idrofila. Il gradiente di bagnatura che ne risulta agisce come una pompa unidirezionale per il liquido: lo strato interno idrofobo non trattiene il sudore e, attraverso i suoi pori piccoli, lo spinge ('push') verso lo strato esterno; lo strato esterno ad alto assorbimento richiama ('pull') il liquido e lo distende su un'ampia area, ampliando la superficie di evaporazione. Questo rende l'obiettivo ingegneristico la differenza di energia superficiale tra i due strati, anziché la chimica della fibra; la pelle resta asciutta, l'evaporazione avviene all'esterno.

Velocità di asciugatura: chiudere la zona umida

Il trasporto è solo metà del lavoro; il comfort si completa quando il liquido evapora. I metodi per la velocità di asciugatura misurano grandezze fisiche diverse e non vanno confusi. La AATCC 201 (piastra riscaldata) asciuga il provino su una piastra mantenuta a 37 gradi C, che simula la temperatura cutanea, con un flusso d'aria sulla parte superiore, e ricava la velocità di asciugatura (tipicamente mm/ora o g/m2/ora) dalla variazione di temperatura superficiale; è lo scenario più realistico rispetto all'applicazione. La AATCC 199, invece, segue un provino completamente saturo a 37 gradi in un analizzatore di umidità gravimetrico, ricavando il tempo di asciugatura dalla perdita di peso. La AATCC 200 stima il tempo di completa asciugatura (dry-out) dalla temperatura superficiale senza riscaldamento esterno, con aria fatta passare attraverso il tessuto. In sintesi, la 201 e la 200 sono basate sulla temperatura e la 199 sul peso; ogni volta che si dichiara un'asciugatura, occorre indicare il metodo utilizzato.

Finissaggio idrofilo vs idrofilia durevole

Ci sono due vie per rendere positivo il moltiplicatore cos(theta). La prima è un finissaggio chimico: applicare un polimero idrofilo (ad es. derivati polietere/PEG) alla superficie del poliestere abbassa l'angolo di contatto e migliora rapidamente sia la velocità di assorbimento sia l'effetto wicking. Ma i finissaggi semplici si dilavano; le prestazioni calano tipicamente in modo marcato dopo 30-50 cicli di lavaggio. Soluzioni più durevoli impiegano polieteri ad ancoraggio multipunto con un'estremità legata covalentemente al poliestere e l'altra permanentemente idrofila, agenti di accoppiamento al silano oppure reti polimeriche reticolate; se ben formulate, gran parte dell'effetto wicking può sopravvivere a 30 lavaggi. La seconda via è strutturale: una sezione canalizzata (ad es. il noto filamento scanalato tipo Coolmax) o la finezza del microfilamento regola il raggio capillare r e la superficie specifica tramite la geometria; questo effetto non cambia con il lavaggio, perché dipende dalla forma e non dalla chimica. Le prestazioni più robuste combinano di solito la geometria strutturale con un finissaggio durevole.

La checklist del progettista

• Misurare prima l'angolo di contatto: se non scende sotto i 90 gradi il tessuto respinge il sudore, e un intervento idrofilo è obbligatorio (equazione di Young).
• Ricordare il rallentamento in sqrt-t dell'effetto wicking: contano soprattutto i primi secondi; il comfort reale si nasconde nella velocità di assorbimento iniziale.
• Se si vuole un unico numero dall'MMT, chiedere l'OMMC; ma R (unidirezionale) è la vera prova di un progetto push-pull.
• Non confrontare i risultati di wicking verticale (AATCC 197) e orizzontale (AATCC 198); le geometrie differiscono.
• Quando si dichiara l'asciugatura, indicare il metodo: la AATCC 201/200 (temperatura) e la AATCC 199 (peso) non sono lo stesso numero.
• Non affermare 'gestisce l'umidità' senza affrontare la durabilità al lavaggio: un finissaggio si dilava in 30-50 cicli, una sezione strutturale no.