dr Janusz Juraszek Politechnika Łódzka filia w Bielsku-Białej

Adam Małachowski Pracownia Sprzętu Alpinistycznego w Dębowcu

W pracy przedstawiono stosowane koncepcje projektowania odzieży (Kozielnikow, odzież kosmiczna, koncepcje oparte na włóknach przewodzących prąd, parafinowych oraz inne).Wyjaśniono koncepcję Thermoactive oraz System Thermoactive.

Kluczem do projektowania odzieży stosowanej w warunkach polarnych jest uwzględnienie warstwy laminarnej nieruchomego powietrza lub cieczy na powierzchni skóry, procesów przewodzenia, konwekcji, promieniowania. Procesy powyższe może aktywnie wspierać użytkownik systemu poprzez podejmowanie odpowiednich decyzji (uruchamianie ciągów kominowych, miechowych, zmniejszanie lub zwiększanie luzów w odzieży). Podjęto próbę komputerowej symulacji zjawisk zachodzących w warstwie laminarnej oraz warstwach ocieplenia.

Analizując różne rozwiązania odzieży gwarantowanej trzeba być świadomym, że obecny stan wiedzy jest wykorzystywany w fazie produkcyjnej zaledwie fragmentarycznie i właściwie stanowi podstawę tylko dla celów marketingowych (nastawienie psycho-motoryczne klienta ma największy wpływ na sprzedaż). Niestety - w ciężkich warunkach klimatycznych samo nastawienie nie wystarcza. Konstruktorzy odzieży dla astronautów z programu Apollo (L. Fourt i N.R.S. Hollies) stwierdzili, iż odczucia kosmonautów tak dalece odbiegały od założeń projektantów, że trzeba sięgnąć po zupełnie nowe koncepcje. Pracownia Sprzętu Alpinistycznego wypracowała własną koncepcję – THERMOACTIVE^®, ale nim do tego doszło, przyjrzeliśmy się dokładnie konkurencyjnym metodom.

Koncepcja Kozelnikowa, znanego badacza odzieży polarnej, który jako jeden z pierwszych zajął się naukowo tą problematyką. Według jego teorii – im grubsze jest ocieplenie, tym większy jest opór cieplny. Stwierdził on także, że istnieje grubość krytyczna warstw ocieplenia. Dowiódł też, że wraz z użytkowaniem odzieży następuje nasycenie jej wytworami skóry, co powoduje spadek izolacyjności.

Koncepcja Zielińskiego włókien półprzewodnikowych – polega na dostarczaniu energii elektrycznej do tkaniny.W wyniku różnic potencjałów między włóknami następuje regulacja temperatury tkaniny. Ta polska koncepcja realizowana jest zasadniczo w Japonii.

Bardzo popularna koncepcja membrany Gore-Tex opiera się na usuwaniu wilgoci w stanie gazu dzięki mikroporowatej membranie.

Koncepcja Du Pointa polega na takim wykończeniu tkaniny, aby woda nie przedostała się przez materiał. Jest to tzw. wykończenie wodo- i brudoodpychające.

THERMOACTIVE^® to koncepcja konkurencyjna, która cieszy się coraz to większym uznaniem na całym świecie. Uwzględnia ona źródło ciepła wytworzonego dzięki przemianom metabolicznym człowieka. Koncepcja rozpatruje warunki panujące w warstwie laminarnej na powierzchni skóry tj. w warstwie nieruchomego powietrza lub cieczy, rozpatrując przemiany fazowe.

2.1. Istota koncepcji Thermoactive

Koncepcja THERMOACTIVE, która powstała w Pracowni Sprzętu Alpinistycznego Adama Małachowskiego opiera się na fakcie istnienia przyściennej warstwy laminarnej warstwy nieruchomego powietrza otaczającego powierzchnię całego ciała (przyścienna warstwa skóry). To jej stan decyduje czy jest nam ciepło. Według koncepcji odzież jedynie wspomaga przemiany fazowe zachodzące w tej warstwie. Warstwa ta ma zaledwie 3 mikrony grubości i jest naszą naturalną ochroną przed czynnikami działającymi na nasz organizm. Świadczyć o tym może pobyt w saunie, gdzie w temperaturze 70^o C i wyższej nie ulegamy poparzeniom. Jednakże zdmuchnięcie z pewnej części skóry, izolującej warstwy powietrza, wywołuje w tym miejscu objawy poparzenia .

Kolejnym dowodem na istnienie warstwy laminarnej jest zdjęcie nagiego człowieka w skutej lodem Jakucji. Człowiek ten wystawiony został na działanie bardzo niskiej temperatury w bezwietrzny słoneczny dzień, jednak jego ciało nie uległo odmrożeniom .

Relacja pana Bogumiła Pierożka również potwierdza tezę o istnieniu ochronnej warstwy powietrza przy skórze. Pan Pierożek, będąc więźniem obozu koncentracyjnego w Oświęcimiu, tłumaczył współwięźniom o konieczności zdejmowania odzieży do snu, co było barierą psychiczną nie do pokonania w wielu przypadkach. Podkreślał wagę dokładnego oczyszczania i wysuszania ciała oraz owijania się suchym papierem. Dzięki tym zabiegom w barakach, gdzie panowała bardzo niska temperatura, mieszkańcy obozu przetrwali. To kolejny dowód, potwierdzający tezę, że stan warstwy laminarnej decyduje o naszym komforcie. Tak więc zdając sobie sprawę z faktu istnienia przyskórnej warstwy laminarnej, jak również i mając świadomość jej znaczenia na odczuwanie komfortu, człowiek powinien ubierać się w taki sposób, by jego odzież wspomagała funkcjonowanie tejże warstwy. Dalej zostaną omówione istotne warstwy z punktu widzenia projektowania odzieży:

PROMIENIOWANIE

Ciepło, wytwarzane przez organizm w wyniku spalania pokarmu, przekazywane jest z ciała do otoczenia. Promieniowanie ciała ma bezpośredni wpływ na intensywność przebiegu procesów parowania, przewodzenia i konwekcji. Dlatego istnieje tzw. grubość krytyczna warstw odzieży, powyżej której jej zwiększanie powoduje istotne, niekorzystne zmiany izolacji cieplnej w wyniku nieharmonijnego przebiegu opisanych procesów.

Utrata ciepła przez przewodzenie występuje wtedy, gdy jest ono przekazywane (oddawane) podczas ścisłego kontaktu z zimną powierzchnią (np. trzymasz w ręku kryształ lodu albo siedzisz na śniegu). Jeśli warstwy są wilgotne od wewnątrz, utrata ciepła proporcjonalnie narasta i może być największym zagrożeniem w trudnych do przetrwania warunkach. Gdy zewnętrzna warstwa odzieży nie jest wystarczająco “paroprzepuszczalna” i efektywnie wentylowana, pot będzie się gromadził wewnątrz warstw odzieży, a zimno dotrze do ciała.

KONWEKCJA - powoduje utratę ciepła podczas ruchu powietrza wokół powierzchni tkaniny. Występuje wtedy, gdy zimne powietrze penetruje warstwy odzieży i wypiera ciepłe powietrze od skóry. Dzieje się tak, kiedy zewnętrzna warstwa systemu nie jest wiatroszczelna.

Przy dużych skokach temperatur wskazane jest używanie ogrzewaczy aktywnych.

Na skórze każdego z nas znajduje się tzw. warstwa laminarna – naturalna warstwa nieruchomego powietrza o grubości około 3 mikronów (0,03mm). Jest ona odpowiedzialna za stan termoregulacji naszego organizmu. Jej równowaga może być zachwiana w wyniku działania silnych czynników atmosferycznych i nieodpowiedniego doboru odzieży oraz ekwipunku. Stan przemian fizyczno-chemicznych w tej warstwie decyduje o tym, czy odczuwamy ciepło czy zimno. Odzież jedynie wspomaga zjawiska, które w niej zachodzą.

Właściwy dobór bielizny odgrywa bardzo istotną rolę w efektywnym działaniu wszystkich warstw ubioru.

II. WARSTWY POŚREDNIE - ocieplenia

NATURALNY PUCH – to najlepszy surowiec pod membrany. Ma największą powierzchnię wewnętrzną i dlatego najszybciej ze wszystkich surowców odparowuje wilgoć. W przypadku membrany zaczopowanej ma największą zdolność pochłaniania wydzielin skóry. Puch musi znajdować się w strefie ciepła (od ciała) i wskazane jest, aby puch był odgrodzony od membrany warstwą włókniny o minimalnej hydrofobowości jako zewnętrzna bariera wilgoci. W warunkach polarnych sprawdza się gdy jest go minimalna ilość w pakiecie. Skutecznie wspomaga ciągi miechowe wraz z gradientem temperatury usuwając wydzieliny skóry przez membranę.

SYNTETYKI. Podstawową zaletą włókien syntetycznych jest niska waga, dowolna struktura w przekroju włókna, niska higroskopijność oraz elastyczność. Różnorodność kombinacji w budowie włókna stwarza możliwość wyprodukowania nieskończonej ilości kombinacji. Jest to ulubiony surowiec przemysłu ze względu na jego dostępność. Trudność stanowi wytworzenie właściwości chemicznych zbliżonych do włókien naturalnych. Ponadto obserwuje się zaniedbania na poziomie organizacji recyclingu.

III. WARSTWA ZEWNĘTRZNA - systemu odzieży powinna być wiatroszczelna, wodoodporna, wentylowana i “paroprzepuszczalna”. Wykończenie szwów musi być wodoodporne (zabezpieczone specjalną taśmą) by w okolicy szwów nie powstawał film wodny, który czopuje mikropory. Krój odzieży powinien być dopasowany do indywidualnej budowy ciała, dając równocześnie możliwość spakowania ubiorów do niewielkich rozmiarów. Oczywiście: im lżejsza odzież, tym lepiej. Istotna jest jednak relacja wagi tkaniny do odporności: lżejsza tkanina powinna być równie odporna na przetarcia i przekłucia jak cięższa. Trzeba wiedzieć, że struktury mikroporów są zróżnicowane. Zasadniczo mamy do czynienia z następującymi strukturami mikroporów w mebranie:

Otwarte - rozpropagowane są przez himalaistów. Sprawdzają się wszędzie tam, gdzie działa zjawisko sublimacji, jednak przy dużym ciśnieniu cząstkowym powodują nasycenie warstw wewnętrznych ubioru wilgocią i wykroplenie.

Przesunięte - o zawiłej budowie, gdzie molekuły pary wodnej otoczenia podczas penetracji przez krętą budowę membrany powodują zamknięcie mikroporów. Dzieje się to w wyniku zaczopowania mikroporów dzięki czemu membrana działa jak zawór, nieznacznie zwiększając swój ciężar. Ten typ mikroporów ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie panuje duże ciśnienie cząstkowe pary wodnej w otoczeniu.

Lejkowate - działa wykorzystując zjawisko hydrofobowości. Tego typu membrana, aby działać musi być mokra.. Jej wadą jest spory ciężar oraz to, że nie ma zastosowania w temperaturach ujemnych.

To pojęcie, które porusza zagadnienie czasu eksploatacji ubioru. Poprzez częste i intensywne użytkowanie odzieży pogarszają się jej właściwości. Z upływem czasu, w skutek gromadzenia się we wnętrzu materiału wydzielin skóry i zanieczyszczeń zewnętrznych, następuje kontakt międzywłóknowy, który pogarsza właściwości wyrobu. Ma to podstawowy wpływ na przemiany fizyczno-chemiczne w warstwie laminarnej i przyczynia się do powstawania mostka termicznego.

Człowiek posiada zdolność aklimatyzacji i przez to wpływa na zmiany fizyczno-chemiczne swojego organizmu. Potrafi stopniowo przystosowywać się do warunków klimatycznych jednakże każda nagła zmiana powoduję nieharmonijny przebieg w przemianach fizyczno- chemicznych w warstwie laminarnej.

3. System THERMOACTIVE^®

Zintegrowany system THERMOACTIVE^® – to dobór surowców i konstrukcji dla danych warunków klimatycznych.

i tak np. znaczne przekroczenie punktu granicznego powoduje zmniejszenie właściwości termicznych, natomiast zmniejszenie warstw przyczynia się do przegrzania organizmu. Jako przykład przytoczyć możemy doświadczenie pana Zbigniewa Letnera, który podczas wejścia na Mt. Kinley zminimalizował warstwy pośrednie ubioru, doprowadzając do przegrzania organizmu. Pośrednio doprowadziło to do niepowodzenia w Jego wejściu na szczyt. Nadmienić trzeba, że reszta zespołu w tradycyjnej odzieży odczuwała chłód.

Elementem systemu THERMOACTIVE^® jest odzież na miarę. Z wieloletnich obserwacji

i doświadczeń wynika, że odzież techniczna jest niewłaściwie dopasowana, przez co nie może spełnić swych funkcji. Nieodpowiednie dopasowanie jest wynikiem korzystania z uproszczonej tabeli rozmiarów. Konieczne jest przeskalowanie wyrobu wg obmiarów antropometrycznych dla danego użytkownika W tym celu zastosowaliśmy system komputerowy 3D wg szkoły Ewy Hiller.

5.Symulacje komputerowe

• Istotny opór cieplny występuje w warstwie laminarnej, która jest kluczem do poprawnego projektowania odzieży
• Grubość odzieży nie ma istotnego wpływu na opór cieplny. Dowodem na to jest użytkowanie kombinezonu o wadze 1,5 kg o zawartości puchu 250g oraz śpiwora 300 g puchu i wadze 0.5 kg przez Ryszarda Pawłowskiego i Piotra Pustelnika. Dzięki temu przetrwali biwak na wysokości 8200 m n.p.m. w temp.- 40^oC przy silnym wietrze, a na szczycie Everestu mogli przebywać aż dwie godziny.
• Istnieje potrzeba prowadzenia dalszych badań systemu THERMOACTIVE^® przez symulacje komputerowe w celu zbioru definicji matematycznych i chemicznych metodą elementów skończonych. Symulacje komputerowe umożliwiają szybką analizę wpływu poszczególnych czynników w pakiecie a ich wyniki przyczynią się do projektowania odzieży gwarantowanej dla nieznanych warunków.

1. J.Juraszek: Powłoki polimerowe i kompozytowe w systemie Thermoactive. Konferencja Nowe Materiały i Technologie Szczecin 1998,s 329-335.
2. J.Juraszek, M.Hajduga, J.Nowak: Zastosowanie materiałów polimerowych i kompozytowych w membranach półprzepuszczalnych. ZN ART. Bydgoszcz, nr 216, Mechanika 43 , str. 9-13.