Термофизиологический комфорт: Ret, Rct и «потеющая» горячая плита
«Дышит» ли ткань — это не маркетинговая формулировка, а две величины, измеряемые на «потеющей» горячей плите с охранной зоной: термическое сопротивление Rct и сопротивление испарению Ret.
Физика комфорта: тепловой баланс
Чтобы удерживать ядро тела около ~37 °C, вырабатываемое метаболическое тепло должно отводиться в окружающую среду. Это тепло проходит через слой ткани двумя путями: сухим (явное тепло, обусловленное разностью температур за счёт теплопроводности, конвекции и излучения) и влажным (скрытое тепло, уносимое испарением пота; при температуре кожи удельная теплота парообразования воды составляет примерно 2,4 МДж/кг и способна переносить кратно больше метаболического тепла человека в состоянии покоя). Термофизиологический комфорт наступает тогда, когда сопротивление ткани этим двум потокам соответствует уровню активности носителя. Поэтому ткань описывается двумя раздельными сопротивлениями; единственная величина «воздухопроницаемости» отражает лишь половину физики.
Две величины: Rct и Ret
Термическое сопротивление Rct — это разность температур между двумя поверхностями образца, делённая на удельный (на единицу площади) поток сухого тепла, выражается в м²·К/Вт; чем оно выше, тем более теплоизолирующей (тёплой) является ткань. Сопротивление испарению Ret — это разность парциальных давлений водяного пара между двумя поверхностями образца, делённая на удельный поток теплоты испарения, выражается в м²·Па/Вт; чем оно ниже, тем легче проходит пар (пот), то есть тем сильнее ткань «дышит». Зимнему теплоизоляционному слою нужно высокое Rct, тогда как одежде для высоких нагрузок необходимо низкое Ret; эти два требования часто вступают в противоречие, превращая проектирование в задачу поиска баланса.
«Потеющая» горячая плита с охранной зоной (модель кожи) — ISO 11092
Оба сопротивления измеряются на «потеющей» горячей плите с охранной зоной («модели кожи»), определённой в ISO 11092; установка имитирует тепло- и влагоперенос человеческой кожи, а метод в значительной мере основан на работах с горячей плитой, разработанных в Hohenstein. Измерительная плита с охранным кольцом, предотвращающим краевые потери, поддерживается при 35 °C ± 0,1 °C для моделирования температуры кожи, а над ней проходит контролируемый воздушный поток ~1 м/с. Для измерения Rct камера настраивается на 20 °C / 65 % отн. вл. (по толщине образца существует градиент температуры); для измерения Ret камеру доводят до 35 °C / 40 % отн. вл. (изотермическое условие, при котором поток обусловлен только разностью давлений водяного пара). Питание плиты увлажняется через пористую мембрану для имитации потоотделения.
Американским аналогом является ASTM F1868, где по тому же принципу «потеющей» горячей плиты измеряют термическое сопротивление, сопротивление испарению и суммарные тепловые потери (THL). Типичный диапазон метода составляет примерно 0,002–0,5 м²·К/Вт для собственного термического сопротивления и примерно 0–1000 м²·Па/Вт (0–1,0 кПа·м²/Вт) для собственного сопротивления испарению, охватывая всё — от тонкой трикотажной футболки до толстой ламинированной оболочки.
Классы воздухопроницаемости по Ret
Широко цитируемая схема, приписываемая Hohenstein, связывает Ret с комфортом при носке. Эти пороговые значения часто упоминаются в спецификациях изделий; отдельно стандарт на защитную одежду EN 343 определяет собственные (заданные иначе) классы сопротивления водяному пару на основе Ret для дождевой одежды. Низкое Ret = ощущение прохлады и сухости; высокое Ret = ощущение влажности и духоты при высоких нагрузках.
| Ret (м²·Па/Вт) | Класс | Трактовка комфорта |
|---|---|---|
| 0–6 | Очень хорошо / чрезвычайно дышащая | Комфортна даже при высокой активности |
| 6–13 | Хорошо / очень дышащая | Комфортна при умеренной активности |
| 13–20 | Удовлетворительно / дышащая | Комфортна только при низкой и умеренной активности |
| 20–30 | Неудовлетворительно / слабо дышащая | Умеренный комфорт только при низкой активности |
| 30+ | Неудовлетворительно / не дышащая | Некомфортна, короткое время переносимости |
Единицы: clo, tog и индекс паропроницаемости imt
Тепловую изоляцию также выражают в единицах clo и tog. По определению 1 clo = 0,155 м²·К/Вт (изоляция, удерживающая человека в состоянии покоя в тепловом равновесии в слабо вентилируемом помещении при 21 °C — примерно деловой костюм), а 1 tog = 0,1 м²·К/Вт (распространено в текстиле и постельных принадлежностях). Отсюда следует, что 1 clo ≈ 1,55 tog; чтобы перевести Rct ткани в clo, разделите его на 0,155, а для tog — на 0,1.
Величина, сводящая термическое сопротивление и сопротивление испарению к единому отношению, — это индекс паропроницаемости imt. ISO 11092 определяет его как imt = (Rct / Ret) × S, где S ≈ 60 Па/К. Он безразмерен и изменяется от 0 до 1; imt = 0 означает полную непроницаемость для пара, тогда как imt = 1 означает, что материал ведёт себя в точности как воздушный слой той же толщины. На практике комфортные ткани обычно попадают в диапазон около 0,2–0,4 — они удерживают часть тепла, пропорционально высвобождая пар. Поскольку imt учитывает Rct и Ret совместно, он даёт более целостное сравнение, чем одно только Ret.
Как структура, волокно, масса и отделка меняют Rct/Ret
В тканях малой плотности Rct растёт примерно линейно с толщиной (за счёт неподвижного воздуха, заключённого внутри); изолирует не само волокно, а неподвижный воздух между волокнами. Именно поэтому начёсанный флис с его высокой объёмностью (loft) даёт высокое Rct, но при этом может сохранять низкое Ret, поскольку его пористая структура пропускает пар напрямую. Тонкие филаменты и микрофиламенты удерживают больше воздуха и потому могут давать более высокое Rct при той же массе. Архитектура трикотажа тоже играет роль: открытые пике и сетка (mesh) снижают Ret за счёт высокой пористости, тогда как плотный интерлок склонен к более высоким и Rct, и Ret. С ростом массы (г/м²) толщина и сопротивление обычно повышаются, но характер зависимости определяется структурой.
Отделки способны сместить баланс в любую сторону. Влагорегулирующие/влагоотводящие (wicking) отделки распределяют пот и облегчают отвод скрытого тепла, повышая воспринимаемый комфорт; напротив, плёнкообразующие покрытия или недышащие ламинаты заметно повышают Ret. Водоотталкивающая отделка (DWR), нанесённая правильно, в идеале почти не влияет на Ret, поскольку не забивает поры, тогда как микропористые и гидрофильные мембраны по своей конструкции преграждают путь дождю, допуская контролируемое прохождение пара.
Сухая цифра, влажная реальность: что происходит, когда вы потеете
Стандартные испытания проводятся в стационарном режиме при ограниченной влажностной нагрузке; в реальном потоотделении содержание влаги в ткани растёт. Поскольку вода примерно в 25 раз теплопроводнее воздуха, теплопроводность ткани по мере намокания повышается, а значит эффективное Rct падает — влажный слой внезапно изолирует гораздо хуже и вызывает ощущение «после-озноба» (after-chill), знакомое после нагрузки. Поэтому комфорт зависит не только от сухого Rct, но и от того, насколько быстро ткань отводит воду и высыхает (управление влагой). Идеальная система: низкое Ret для высвобождения пара, быстрое высыхание для ограничения потери Rct при намокании и архитектура, сохраняющая свою объёмность (loft).