Физика переноса влаги: капиллярность и MMT

Ткань, отводящая пот и быстро высыхающая, не совершает чуда — она подчиняется законам гидростатики и поверхностной физики. Перенос жидкой влаги в волокнистой структуре складывается из двух самостоятельных явлений: сначала смачивание (wetting) — стремление жидкости растекаться по поверхности волокна, затем влагоотведение (wicking) — самопроизвольное капиллярное втягивание жидкости в промежутки между волокнами. Сам по себе полиэфир гидрофобен; характеристики обусловлены не столько химией волокна, сколько геометрией поперечного сечения, архитектурой нити и отделкой. В настоящей статье эти механизмы рассматриваются на языке стандартных методов испытаний, с инженерными порядками величин.

Смачивание: краевой угол и уравнение Юнга

Когда капля воды встречает поверхность, образуемый ею краевой угол (theta) служит мерой смачивания. По уравнению Юнга этот угол возникает из равновесия межфазных натяжений на границах твёрдое-пар, твёрдое-жидкость и жидкость-пар. Если theta < 90 градусов, поверхность гидрофильна и жидкость растекается; если theta > 90 градусов, она гидрофобна и капля собирается в шарик. На чистом полиэфире краевой угол смачивания водой обычно лежит в полосе 70-90 градусов, что и объясняет, почему без вмешательства ткань стремится отталкивать пот. Чтобы влагоотведение стало возможным, cos(theta) должен быть положительным, то есть краевой угол должен быть менее 90 градусов.

Капиллярный подъём: уравнение Уошберна

Промежутки между волокнами ведут себя как тонкие капиллярные трубки. В капилляре глубина проникновения L задаётся уравнением Лукаса-Уошберна: L = sqrt[(gamma * r * t * cos(theta)) / (2 * eta)]. Здесь gamma — поверхностное натяжение жидкости, r — эффективный радиус капилляра/поры, theta — краевой угол, eta — динамическая вязкость, t — время. Оно выводится из капиллярного давления Юнга-Лапласа (Pc = 2*gamma*cos(theta)/r) и течения Хагена-Пуазёйля и относится к горизонтальному случаю, где силой тяжести пренебрегают.

Это уравнение говорит проектировщику о трёх вещах. Во-первых: глубина проникновения растёт пропорционально квадратному корню из времени (L пропорционально sqrt-t), поэтому влагоотведение очень быстрое в начале и затем равномерно замедляется. Во-вторых: малый радиус поры r означает более высокое капиллярное давление (Pc пропорционально 1/r), но более медленное течение (L пропорционально sqrt-r); этот компромисс объясняет, почему утончение микрофиламента повышает и тягу, и потребность в точке баланса. В-третьих: поскольку cos(theta) является множителем, любая гидрофильная отделка, опускающая краевой угол ниже 90 градусов, напрямую влияет на влагоотведение. При вертикальном влагоотведении подъёму противодействует сила тяжести, поэтому жидкость не поднимается бесконечно; существует равновесная высота, на которой капиллярное давление уравновешивается гидростатическим напором.

Измерение вертикального влагоотведения: полосочные испытания

Капиллярный подъём можно измерить напрямую. В классическом полосочном испытании (strip test) вертикально подвешенную полоску ткани нижним концом погружают в резервуар с водой, и по истечении фиксированных промежутков времени считывают высоту (мм), на которую поднялась вода. DIN 53924 — это кратковременный (в масштабе минут) метод высоты подъёма для относительно быстро отводящих влагу тканей; BS 3424 (Method 21) — испытание на сопротивление длительностью до 24 часов для очень медленно отводящих влагу прорезиненных/технических тканей. Современный аналог — AATCC 197: капиллярный подъём на вертикально ориентированном образце отслеживается во времени, и это геометрия, наиболее близкая к реальному сценарию, когда ткань висит у потеющей кожи. Для бокового растекания применяется AATCC 198 (время, за которое капнутая по центру жидкость достигает диаметра 100 мм); результаты двух методов несопоставимы, поскольку геометрии различны.

MMT: картирование управления влагой за один заход

Полосочное испытание показывает, насколько быстро ткань переносит влагу, но не показывает направленную разницу между двумя сторонами одной и той же ткани. AATCC 195 (Moisture Management Tester, MMT) измеряет именно это: образец помещается между концентрическими кольцами датчиков на верхней и нижней сторонах, по центру капается испытательный раствор (обычно солевой раствор, имитирующий синтетический пот), и электрическое сопротивление/проводимость обеих сторон регистрируются во времени. Получаемая кривая разрешается на шесть показателей: время смачивания (WT, с, отдельно для верха/низа), скорость впитывания (AR, %/с), максимальный радиус смачивания (MWR, мм), скорость растекания (SS, мм/с), накопительная способность одностороннего переноса R и объединяющий их показатель — общая способность управления влагой OMMC (показатель в диапазоне 0-1).

OMMC — это однозначное сводное выражение способности ткани управлять влагой, рассчитываемое по трём составляющим: скорость впитывания нижней стороны (ARB), способность одностороннего переноса (R) и максимальная скорость растекания нижней стороны (SSB). Логика ясна: хорошая спортивная ткань выталкивает жидкость со стороны кожи (верх) на внешнюю сторону (низ), растекает её по широкой площади снаружи и подготавливает к быстрому испарению. Каждый показатель переводится из значения в оценку по шкале 1-5 (1 = плохо, 5 = отлично). Односторонний показатель R — это разность между интегралами по времени содержания воды на верхней и нижней сторонах; большое положительное R означает результирующий поток жидкости в сторону от кожи.

Push-pull: направленный перенос в двухслойной структуре

Односторонний показатель R теста MMT описывает и проектную цель: однонаправленное движение жидкости в сторону от кожи. Конструкция, обеспечивающая это наиболее чисто, — двухслойная структура push-pull. Обращённая к коже внутренняя сторона делается намеренно гидрофобной (например, полипропилен или необработанный микрофиламентный полиэфир), тогда как внешняя сторона выбирается гидрофильной. Возникающий градиент смачивания работает как односторонний насос для жидкости: гидрофобный внутренний слой не удерживает пот и своими мелкими порами «выталкивает» его на внешний слой; высоковпитывающий внешний слой «вытягивает» жидкость и растекает её по широкой площади, увеличивая поверхность испарения. Это делает предметом инженерной задачи не химию волокна, а разность поверхностных энергий между двумя слоями; кожа остаётся сухой, а испарение происходит снаружи.

Скорость высыхания: закрытие влажной зоны

Перенос — лишь половина дела; комфорт завершается, когда жидкость испаряется. Методы определения скорости высыхания измеряют разные физические величины, и их нельзя смешивать. AATCC 201 (нагретая плита) высушивает образец на плите, удерживаемой при 37 градусах C, имитируя температуру кожи, с обдувом воздухом по верхней стороне и выводит скорость высыхания (обычно мм/час или г/м2/час) из изменения температуры поверхности; это наиболее приближённый к применению сценарий. AATCC 199, напротив, отслеживает полностью насыщенный образец при 37 градусах в гравиметрическом анализаторе влажности, выводя время высыхания по потере массы. AATCC 200 оценивает время полного высыхания (dry-out) по температуре поверхности без внешнего нагрева, с прокачиванием воздуха. Короче говоря, 201 и 200 основаны на температуре, а 199 — на массе; всякий раз при заявлении о высыхании необходимо указывать применённый метод.

Гидрофильная отделка против стойкой гидрофильности

Существует два пути сделать множитель cos(theta) положительным. Первый — химическая отделка: нанесение гидрофильного полимера (например, полиэфирных/ПЭГ-производных) на поверхность полиэфира снижает краевой угол и быстро улучшает как скорость впитывания, так и влагоотведение. Но простые отделки вымываются; характеристики обычно заметно падают после 30-50 циклов стирки. Более стойкие решения используют полиэфиры с многоточечной фиксацией, у которых один конец ковалентно связан с полиэфиром, а другой остаётся постоянно гидрофильным, силановые аппреты (кремнийорганические сшивающие агенты) или сшитые полимерные сетки; при хорошей рецептуре большая часть влагоотведения может сохраняться после 30 стирок. Второй путь — структурный: канальное поперечное сечение (например, знакомый отрасли рифлёный филамент типа Coolmax) или утончение микрофиламента настраивает капиллярный r и площадь поверхности через геометрию; этот эффект не меняется при стирке, поскольку зависит от формы, а не от химии. Наиболее устойчивые характеристики обычно сочетают структурную геометрию со стойкой отделкой.

Контрольный список проектировщика

• Сначала измерьте краевой угол: если он не опускается ниже 90 градусов, ткань отталкивает пот, и гидрофильное вмешательство обязательно (уравнение Юнга).
• Помните о замедлении влагоотведения по закону sqrt-t: первые секунды важнее всего; настоящий комфорт кроется в ранней скорости впитывания.
• Если на MMT нужен один показатель, запрашивайте OMMC; но R (односторонний) — истинное доказательство конструкции push-pull.
• Не сравнивайте результаты вертикального (AATCC 197) и горизонтального (AATCC 198) влагоотведения; геометрии различны.
• Заявляя о высыхании, указывайте метод: AATCC 201/200 (температура) и AATCC 199 (масса) — это не один и тот же показатель.
• Не говорите «управляет влагой», не рассмотрев стойкость к стиркам: отделка вымывается за 30-50 циклов, структурное поперечное сечение — нет.