Liberec 2017
Studijní program:
Studijní obor:
Autor práce:
Vedoucí práce:
N3957 – Průmyslové inženýrství 3911T023 – Řízení jakosti Bc. Pavel Klein
Ing. Renáta Nemčoková
Diplomová práce
Experimentální měření transportu kapaliny
v příčném řezu sendvičové struktury
Experimental measurements of liquid transfer in a cross-sectional sandwich structure
Liberec 2017
Study programme:
Study branch:
Author:
Supervisor:
N3957 – Industrial Engineering 3911T023 – Quality Control Bc. Pavel Klein
Ing. Renáta Nemčoková
Diploma thesis
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní
dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum: V Liberci dne
Podpis:
Poděkování
Rád bych zde poděkoval především vedoucí mé diplomové práce Ing. Renátě Nemčokové za odborné vedení, cenné rady a ochotu při zpracovávání mé závěrečné práce.
Dále bych rád poděkoval Ing. Zuzaně Hrubošové za pomoc při stanovení materiálového složení testovaných materiálů a doc. Ing Marošovi Tunákovi, Ph.D za pomoc s kalibrací obrazu v programu MATLAB. A v neposlední řadě bych rád poděkoval své rodině za poskytnutí prostředků a podporu ve studiu.
Anotace
Tato diplomová práce je zaměřena na vývoj metody měření transportu kapaliny v příčném řezu sendvičových struktur za využití termografické techniky a obrazové analýzy.
V teoretické části jsou stručně popsány pojmy, týkající se savosti textilií, transportu kapaliny v textiliích a teorie termografie.
V experimentální části je popsán průběh a výsledky měření pomocí experimentální metody měření transportu kapaliny v příčném řezu sendvičové struktury. Následně je v práci popsáno samotné měření transportu kapaliny v jednotlivých sendvičových strukturách a vyhodnocení naměřených dat.
Klíčová slova:
savost textilií, transport kapaliny, termografická technika, sendvičové struktury
Abstract
This thesis is focused on developing method for measuring liquid transfer in cross- section sandwich structures using thermographic techniques and image analysis. In the theoretical section briefly describes the concepts related to the absorbency of textiles, liquid transfer in textiles and theory of thermography.
The experimental part describes the process and the results of measurements using the experimental method of measuring the liquid transfer in the cross-section of the sandwich structures. Subsequently, the thesis describes the actual measurement of liquid transfer in variol sandwich structures and data evaluation.
Keywords:
absorbency of the textiles, liquid transport, thermographic technique, the sandwich structures
9
Obsah
Seznam použitých zkratek ... 12
Úvod ... 14
Rešeršní část ... 15
1 Absorpce ... 15
2 Smáčivost ... 15
3 Další procesy zapojené do přenosu vlhkosti skrz textilii ... 16
3.1 Difuzní proces ... 17
3.2 Proces sorpce a desorpce ... 18
4 Metody měření transportu kapaliny textilií a odolnosti textilií vůči vodě ... 18
4.1 Metoda stanovení savosti dle normy ČSN 80 0828 (Vzlínavost) ... 18
4.2 Metoda stanovení odolnosti vůči povrchovému smáčení dle normy ČSN EN ISO 4920 ... 20
4.3 Metoda MMT ... 20
5 Termografie ... 21
5.1 Infračervené záření ... 22
5.2 Princip termografie ... 22
6 Využití termovizní techniky v textilním průmyslu ... 23
6.1 Měření transportu vlhkosti a tepla ... 23
6.2 Měření součinitele tepelné vodivosti ... 24
6.3 Měření transportu kapalné vlhkosti u funkčních materiálů... 24
6.4 Měření vzlínavosti vody v textiliích pomocí termografické techniky ... 25
7 Sendvičové textilní struktury ... 26
7.1 3D distanční pleteniny ... 26
7.2 Plsť ... 27
7.3 PUR Pěna ... 28
8 Analýza obrazu ... 28
10
8.1 Programy používané k analýze obrazu ... 28
8.2 MATLAB ... 29
Experimentální část ... 30
9 Charakteristika zkoušených materiálů ... 30
10 Měření transportu kapaliny v příčném řezu sendvičovou textilii pomocí termovizní kamery ... 31
10.1 Příprava experimentu ... 31
10.2 Příprava vzorků k měření ... 34
10.3 Postup měření ... 34
10.4 Vyhodnocení naměřených dat – nárůst plochy kapaliny v závislosti na čase... 37
10.5 Výsledky měření ... 41
10.5.1 Dílčí závěr ... 51
10.6 Zaznamenaný jev - neúplná absorpce kapaliny do textilie ... 52
10.7 Dílčí závěr – zhodnocení použitelnosti této experimentální metody ... 53
11 Měření transportu kapaliny na lícní straně sendvičové struktury ... 54
11.1 Příprava experimentu ... 54
11.2 Příprava vzorků ... 54
11.3 Postup měření ... 54
11.4 Vyhodnocení naměřených dat ... 58
11.5 Výsledky měření ... 60
11.5.1 Dílčí závěr ... 70
11.5.2 Porovnání šíření kapaliny v příčném řezu a po lícní straně sendvičové textilie . ... 71
11.6 Dílčí závěr – zhodnocení použitelnosti této experimentální metody ... 72
Závěr ... 74
Použitá literatura... 77
Seznam obrázků ... 80
Seznam tabulek... 81
11 Seznam grafů ... 83 Seznam příloh ... 84 Příloha ... 85
12
Seznam použitých zkratek
tzv. – takzvaně tj. – to jest
např.: – například aj. – a jiné
mj. – mimo jiné
JAX – míra toku vlhkosti DAB – difuzní koeficient
MMT – monture management tester IR – infrared
3D – trojrozměrný PES – polyester PUR – polyuretan
°C – stupňů celsia ml – mililitrů mm – milimetr µm – mikrometr kg – kilogram cm – centimetr ε – emisivita s – sekunda min – minimum max – maximum
13 sm.odch – směrodatná odchylka
var.koef – variační koeficient iqr – mezikvartilové rozpětí Ld – dolní mez
Lh – horní mez
14
Úvod
Tato diplomová práce se zaměřuje na nasákavost a zejména transport kapalné vlhkosti v sendvičových strukturách textilních materiálů. Existuje mnoho způsobů, jakými lze měřit šíření kapalné vlhkosti textilií. S novými druhy textilních materiálů je však nutné vyvíjet i nové metody měření šíření kapaliny v těchto materiálech. Část této práce je proto věnována navržení nové metody měření transportu kapaliny v příčném řezu textilií, konkrétně sendvičové textilní struktury s použitím termografické techniky. Termovizní kamera v experimentu slouží jako prostředek k zobrazení teplotních polí. Teplotní pole reprezentují plochu šířící se kapaliny, která je sendvičovou strukturou transportována z lícní na rubní stranu. Nasnímaná teplotní pole jsou následně analyzována pomocí obrazové analýzy.
Hlavním parametrem kapaliny, který je předmětem obrazové analýzy, je plocha rozšiřující se kapaliny. Obrazová analýza je provedena v programu MATLAB, v němž je speciálně pro tento účel vytvořen analyzační algoritmus. Výsledky, poskytnuté obrazovou analýzou jsou následně vyhodnoceny.
Experiment je proveden na třech typech sendvičových struktur, používaných jako potahový materiál automobilových sedaček. Autopotahy automobilových sedaček by měly umožňovat pohlcení a transport kapaliny, jelikož při jejich běžném užívání mohou přijít do kontaktu s kapalnou vlhkostí. Tyto sendvičové struktury byly vyrobeny spojením dvou nebo tří odlišných textilií, čímž vznikla vícevrstvá sendvičová textilie. Jednotlivé typy testovaných sendvičových textilií se od sebe odlišovaly materiálem, použitým na spodní vrstvy sendvičové textilie. Také způsob spojení jednotlivých vrstev byl pro jednotlivé vzorky odlišný. Vrchní vrstva sendvičové textilie byla pro všechny tři testované sendvičové textilie totožná. Jako doprovodný experiment je analyzováno také šíření kapaliny po lícní straně sendvičové struktury, na níž byla kapalina aplikována. Výsledky z doprovodného experimentu byly následně porovnány s výsledky, získanými snímáním příčného řezu sendvičovou textilií.
Cílem této práce je navrhnout metodu měření transportu kapaliny v příčném řezu sendvičovou strukturou s použitím termovizní kamery jako zobrazovacího prostředku.
Následně otestovat pomocí této metody tři typy sendvičových textilií a tím otestovat i použitelnost a správnost této metody. Výsledky jsou analyzovány pomocí statistických metod.
15
Rešeršní část 1 Absorpce
Absorpce neboli savost je proces, při kterém jeden materiál neboli absorbent objemově pohlcuje jiný materiál (absorbát). Absorpční schopnost je důležitá vlastnost, která určuje vhodnost textilie pro konkrétní použití. Savost je definována jako náchylnost materiálu k pojmutí kapaliny, obvykle vody, v pórech a mezerách materiálu. Savost textilních útvarů je velmi důležitá vlastnost textilií. Ovlivňuje například barvení textilií, jelikož patří mezi faktory ovlivňující afinitu barviva k textilii. Savost je také důležitým parametrem vysoce funkčních oděvů nebo produktů. [1]
Proces absorpce kapaliny textilií nastane, jestliže je textilie v kontaktu s určitým množstvím kapaliny nebo je do kapaliny částečně nebo úplně ponořena. Poté může dojít k migraci kapaliny ze zásobníku kapaliny do textilie. Kapalina se v textilii shromažďuje v tzv.
kapilárních prostorech. Kapilární prostory jsou oblasti v textilii vyplněné vzduchem. Tyto oblasti můžeme rozdělit na prostory mezi jednotlivými přízemi, mezivlákenné oblasti v přízích a prohlubně v příčném tvaru vláken. V případě pěnových materiálů jsou kapilární prostory tvořeny mikrobublinami, vzniklými při jeho výrobě, tzv. procesu vypěňování.
Rychlost absorpce kapaliny je závislá především na materiálovém složení a struktuře textilie.
Kapalina migruje do kapilárních prostor působením především kapilárních nebo vnějších sil.
[1][3]
Proces absorpce může nastat pouze u smáčivých povrchů textilií. Textilie s nesmáčivým povrchem kapalinu neabsorbují. Smáčivost povrchu absorbentu je tedy hlavní předpoklad pro započetí absorpce kapaliny do textilie. [1]
2 Smáčivost
Každá plocha je charakterizována svým chemickým složením a svou povrchovou geometrií. Interakce kapaliny s textilií může zahrnovat jeden či více jeden či více fyzikálních jevů, jako například smáčivost. Smáčení je druh dynamického procesu. Jedná se o migraci kapaliny přes povrch pevné látky směrem k dosažení termodynamické rovnováhy. Tato migrace se nazývá spontánní smáčení. Vynucené smáčení zahrnuje vnější hydrodynamické a mechanické síly. Tyto síly zvětšují plochu mezifází mezi pevnou látkou a kapalinou nad
16 statickou rovnováhu. Povrch smáčené plochy může být rovný nebo může mít komplikovanou geometrii. [2]
Zdánlivý povrch kapaliny nebo pevné látky je ve skutečnosti rozhraním v rovnováze s další fází. Touto další fází je obvykle pevná látka, kapalina nebo plyn. Řada fyzikálních a chemických procesů probíhá na rozhraní mezi jednotlivými fázemi, které spolu sousedí. Fáze je popisována jako část objemu zkoumaného systému. V tomto objemu jsou vlastnosti konstantní nebo se spojitě mění v prostoru. Vlastnosti jednotlivých fázových rozhraní jsou ovlivňovány vlastnostmi obou fází, které jsou spolu ve styku. Pokud dojde ke styku více fází, tak dojde vždy k takovému uspořádání systému, aby součet jeho povrchových energií byl minimální. [2][3]
Smáčení vlákenného svazku nebo textilie je z fyzikálního hlediska komplikovaný proces. Během smáčení se mohou vyskytovat současně různé smáčecí mechanismy, jako vzlínání, proudění, adheze a kapilární penetrace. [2][3]
O energetické výhodnosti smáčení pevné látky kapalinou rozhodují kvantita a kvalita mezimolekulárních sil v kapalině, kvantita a kvalita mezimolekulárních sil v pevné látce a také rovnoměrnost povrchu pevné fáze. [2][3]
Jelikož kapalina do hmoty pevné látky neproniká, tak je smáčivost ovlivněna pouze povrchem pevné látky. Projevem této skutečnosti je při smáčení textilií například velký vliv povrchové modifikace vláken nebo finálních úprav textilie. Smáčivost textilie je vysoce závislá například i na kvalitě odšlichtování textilie. Ostatně na principu smáčení je založen jeden ze základních testů pro hodnocení stupně odšlichtování. [2][3]
3 Další procesy zapojené do přenosu vlhkosti skrz textilii
Proces transportu vlhkosti přes textilii je důležitým faktorem, který ovlivňuje možnosti užití textilie a dynamické pohodlí uživatele při praktickém užívání textilie. Vlhkost může textilním materiálem prostupovat pomocí difuze, kapilárních sil či kombinací zmíněných způsobů a to jak v kapalné formě, tak ve formě páry. Vodní pára může projít textilií následujícími způsoby:
Difuze vodní páry skrz vrstvy.
Absorpce, přenos a desorpce vodní páry ze strany vláken.
Adsorpce a migrace vodní páry podél povrchu vláken.
17
Přenos vodní páry nucenou konvekcí.
3.1 Difuzní proces
Při difuzním procesu působí tlakový spád par jako hnací síla přenosu vlhkosti z jedné strany textilie na druhou stranu. Vztah mezi tokem difuzní látky a koncentračním gradientem byl poprvé stanoven Fickovým zákonem difuze (1.1).
JAX = DAB dCA
dx (1.1)
Kde JAX je hustota toku vlhkosti, dCA
dx je gradient koncentrace a DAB je difuzní koeficient nebo hmotnostní difuzivita jedné složky, rozptylující se prostřednictvím jiného média. [3][4]
Vodní pára může difundovat skrz textilní útvar dvěma způsoby a to prostou difuzí skrz mezivlákenné prostory nebo podél vláken samotných. V případě difuze podél vlákna, vodní pára difunduje z vnitřního povrchu textilie na povrch vláken a poté postupuje podél povrchu vláken a jejich vnitřkem, čímž se dostává na vnější povrch textilie. Rychlost difuze podél textilního materiálu závisí na pórovitosti materiálu a také neschopnosti vláken vést vodní páru. Difuze vlhkosti skrz póry v textilii je téměř okamžitá, zatímco difuze skrz strukturu textilie je limitována rychlostí, při které může vlhkost difundovat dovnitř a ven z vláken vzhledem k nižší vodivosti vlhkost textilního materiálu. [3][4]
V případě, že je textilie tvořena hydrofilními vlákny, tak se difuze vlhkosti v textilii neřídí Fickovým zákonem difuze ale anomální difuzí. Jedná se o proces dvoustupňové difuze.
První stupeň difuze odpovídá Fickovýmu zákonu (1.1) ale druhý stupeň je mnohem pomalejší než první, následující exponenciální vztah mezi koncentračním gradientem a průtokem par.
[3][4]
Tento difuzní proces je možné vysvětlit pomocí zvětšujícího se objemu vláken.
Vzhledem k afinitě hydrofilních molekul vláken k vodní páře, která difunduje textilní strukturou, se zvyšuje objem vláken absorbující vodní páru. Vzrůstající objem vláken snižuje velikost pórů v textilii, což má za následek zpoždění difuzního procesu. [3][4]
Difuze vlhkosti v textilním materiálu je ovlivněna řadou faktorů. Difuze se snižuje se zvyšujícím se podílem množstvím vláken v textilním materiálu. Jak se zvyšuje podíl množství vláken v textilním materiálu, tak se snižuje podíl vzduchu v textilii, čímž se snižuje celková
18 difuzivita. Zvyšování tloušťky textilie klesá její pórovitost, čímž je také snižována celková difuzivita. Difuze vodních par je velmi závislá na průvzdušnosti textilie. Vzduchová propustnost textilie se zvyšuje se zvyšující se porézností textilie. Naopak typ povrchové úpravy (tj. hydrofilní nebo hydrofobní), použité na textilii difuzivitu nijak výrazně neovlivňuje. [3][4]
3.2 Proces sorpce a desorpce
Sorpce a desorpce je důležitý proces pro udržení mikroklimatu během přechodných podmínek. Nasákavé textilie absorbují vodní páru ze vzduchu v blízkosti potem zvlhčené kůže a uvolňují ji do okolního ovzduší. V procesu absorpce-desorpce funguje absorbující textilie jako zdroj vlhkosti při odvodu vlhkosti do atmosféry. Absorpce molekul vody se koná pod kritickou teplotou, kvůli Van der Waalsovým přitažlivým silám mezi molekulami páry a molekulami textilního materiálu. Čím vyšší je tlak par a nižší teplota, tím vyšší množství molekul vodních par je absorbované. Zvýšení tlaku par způsobuje nerovnováhu v chemickém potenciálu, čímž se do absorbované vrstvy přesunuje více páry, která se snaží obnovit termodynamickou rovnováhu. Množství vodní páry, které může být absorbované textilním materiálem, je závislé na pohltivosti vláken a na atmosférické vlhkosti. V případě absorpčních vláken nezávisí sorpce vlhkosti pouze na pohltivosti vláken a atmosférické vlhkosti ale také na jevech spojených s působením tepla, rozměrovými změnami a elastickými efekty vláken díky snížení bobtnání vláken. Během bobtnání jsou makromolekuly vláken odtlačovány od sebe pomocí absorbovaných molekul vody, čímž se snižuje velikost pórů jak mezi jednotlivými vlákny, tak mezi přízemi. Tím je v důsledku snížen přenos vodní páry skrz textilii. Jak se zvyšuje objem vláken vlivem bobtnání, tak se ucpávají kapiláry mezi vlákny, což vede k nižšímu průsaku. [3]
4 Metody měření transportu kapaliny textilií a odolnosti textilií vůči vodě
4.1 Metoda stanovení savosti dle normy ČSN 80 0828 (Vzlínavost)
V této normě je stanoven způsob měření savosti všech druhů plošných textilií. Norma neudává postup měření savosti pouze pro smyčkové a vlasové druhy plošných textilií. Pro účely normy je savost vzlínáním definována jako schopnost plošné textilie přijímat vodu nebo jiné kapaliny, které vnikají do plošné textilie pomocí kapilárních sil. Vzlínavost je udávána v mm délky vodního sloupce, navzlínaného za určitý časový úsek. [5]
19 Zkušební zařízení se skládá ze základové desky, na níž je upevněn stojan s měřítkem.
Měřítko je číslováno v milimetrech a slouží k odečtení navzlínané sací výšky. Na stojan se přichycuje odnímatelný rámeček, na nějž se připevňují zkušební vzorky. Poslední součástí je polohovatelná nádoba na zkušební kapalinu. K provedení zkoušky se dále používají pomůcky pro přípravu a odběr vzorků, destilovaná nebo neionizovaná voda a stopky s odchylkou měření nepřesahující 0,2 s. V případě testování světlých plošných textilií se do zkušebního roztoku přidává barvivo pro zvýraznění navzlínaného vodního sloupce. [5]
Odběr vzorků z plošných textilií se provádí dle pokynů normy ČSN 80 0072.
Odebrané vzorky jsou následně upraveny do podoby pracovních vzorků. Každý pracovní vzorek musí mít rozměry 255 mm x 10 mm. Z plošné textilie musí být odebráno minimálně pět vzorků v podélném směru a pět vzorků v příčném směru. Vzorky musí být odebírány z různých míst plošné textilie, aby vzorky reprezentovaly vlastnosti testované plošné textilie.
Před zahájením zkoušky musí být zkušební vzorky aklimatizovány na teplotu zkušební místnosti. [5]
Zkoušky jsou prováděny v klimatizované zkušební místnosti se stabilní teplotou a vzdušnou vlhkostí. Klimatizované vzorky jsou upevněny pomocí bodců na rámeček, který je následně vložen do zkušebního přístroje. Vzorky musí být k rámečku připevněny takovým způsobem, aby vzorky v místě styku rámečku s vodní hladinou přečnívaly pod bodci o 5 mm.
Do nádoby zkušebního přístroje je nalita zkušební kapalina o teplotě 20 ± 2 °C. Zkouška je zahájena vysunutím nádoby s kapalinou, čímž se vzorky dostanou do styku s kapalinou a započne vzlínání. Doba vzlínání je zvolena v rozmezí od 10 sekund do 30 minut. V případě potřeby je možno zvolit jinou dobu vzlínání. Tato změna musí být následně uvedena v protokolu o provedení zkoušky. Při testování plošných textilií světlých barevných odstínů, na nichž by navzlínaná sací výška byla špatně patrná, je nutné přidat do zkušební kapaliny barvivo. Barvivo v kapalině zlepšuje viditelnost navzlínané sací výšky avšak nesmí být afinní k testované textilii. Naopak při testování plošných textilií tmavých barevných odstínu je doporučeno testované vzorky ze zadní strany osvětlit, aby bylo dosaženo lepší viditelnosti sací výšky. Při osvětlení vzorků však nesmí docházet k jejich zahřívání, jelikož by to mohlo mít špatný vliv na celkové měření. Po uplynutí stanovené doby vzlínání je navzlínaná sací výška změřena pomocí měřítek, připevněných ke zkušebnímu zařízení, a zaznamenána. [5]
20 4.2 Metoda stanovení odolnosti vůči povrchovému smáčení dle normy ČSN EN ISO
4920
Tato norma stanovuje způsob testování odolnosti všech plošných textilií s vodovzdornou nebo vodoodpudivou úpravou vůči povrchovému smáčení vodou. Tímto způsobem je také možno zkoumat odolnosti plošných textilií bez vodovzdorné nebo vodoodpudivé úpravy avšak není jím možné testovat průnik vody plošnou textilií. [5]
Způsob testování spočívá ve zkrápění zkušebního vzorku plošné textilie stanoveným množstvím destilované vody. Vzorek je při tomto zkrápění upnut do rámu nakloněného pod úhlem 45° přičemž střed vzorku se nachází přímo pod skrápěcí hubicí ve stanovené vzdálenosti. Po ukončení zkrápění je stanoven stupeň smočení vzorku porovnáváním smočené plochy s popsanými standardy. [6]
Zkušební přístroj se skládá ze stojanu, na němž je připevněna kovová skrápěcí hubice a rám na upnutí vzorků. Ke zkrápění lze použít pouze destilovanou vodu o teplotě 20 ± 2°C nebo 27 ± 2°C. Teplota destilované vody musí být uvedena v protokolu o zkoušce. Příprava vzorků je následující. Z tří různých oblastí na testované plošné textilii jsou odebrány vzorky o rozměrech 180x180 mm. Před zahájením měřením nutno nechat vzorky klimatizovat na teplotu místnosti, v níž bude měření probíhat. [6]
Průběh zkoušky je následující. Klimatizované vzorky jsou upevněny do rámu na upnutí vzorků lícní stranou směrem ke skrápěcí hubici. Poté se do nálevky nad skrápěcí hubicí nalije 250 ml destilované vody a započne se zkrápění vzorků. Zkrápění vodou musí probíhat nepřetržitě po dobu 25 až 30 minut. Po ukončení zkrápění jsou vzorky vyjmuty ze zařízení, očištěny od zbytků vody a podrobeny analýze na stanovení stupně smočení. Stupeň smočení je stanoven podle popsaných standardů a výsledek je uveden v záznamu o provedení zkoušky.
[6]
4.3 Metoda MMT
Přístroj Moisture Management Tester (MMT) slouží k měření šíření kapalné vlhkosti v plošných textiliích. Šíření kapalné vlhkosti je sledováno pomocí sledování změn elektrické vodivosti měřeného textilního vzorku. Pomocí tohoto přístroje mohou být testovány například tkaniny, pleteniny nebo netkané textilie. Přístrojem je analyzována savost textilie tj. schopnost textilie pohlcovat vlhkost z rubové i lícové strany. Dále je přístrojem možno analyzovat jednosměrný přenos vlhkosti textilií v závislosti na čase např.: z lícní strany na rubovou
21 stranu, nebo v opačném směru. V neposlední řadě umožňuje přístroj analyzovat rychlost šíření vlhkosti na rubové nebo lícové straně a také rychlost vysychání rozšířené vlhkosti. [7]
Vzorek textilie se umístí vodorovně mezi horní a dolní snímač. Poté se předem stanovené množství zkušebního roztoku aplikuje na střed lícní strany plošné textilie. Jako zkušební roztok je možno použít vodu nebo syntetický pot. Po aplikaci zkušebního roztoku se sleduje šíření roztoku zkušebním vzorkem ve třech směrech. Analyzuje se šíření roztoku na horní straně zkušebního vzorku ve směru od místa nanesení roztoku k okrajům zkušebního vzorku textilie. Prostup zkušebního roztoku tloušťkou zkušebního vzorku. A také šíření roztoku na spodní straně zkušebního vzorku od místa průsaku k okrajům textilie. Během průchodu roztoku vzorkem jsou měřeny a zaznamenávány změny v elektrickém odporu textilie. [7]
Jedním dvouminutovým testem na přístroji MMT je možno získat následující data.
Celkovou schopnost textilie odvádět vlhkost. Schopnost kumulativního jednosměrného transportu vlhkosti. Smáčecí čas lícní a rubní strany textilie. Maximální poloměr smočené plochy pro lícní a rubní stranu a rychlost šíření vlhkosti po lícní a rubní straně textilie. [7]
5 Termografie
Termografie je název pro rozsáhlý vědní obor, který se zabývá snímáním těles a zobrazováním teplotních polí snímaných objektů. Teplotní pole zobrazují rozložení povrchových teplot na povrchu snímaného objektu. Jednotlivá teplotní pole jsou reprezentována energií a hustotou fotonů, které jsou emitovány z povrchu snímaného objektu.
Následně jsou jednotlivá nasnímaná teplotní pole vyhodnocena. Termografie je i souhrnný název pro zobrazovací techniku, která umožňuje zobrazit pro lidské oko neviditelné infračervené záření vyzařované ze snímaných objektů. Pro tuto techniku se vžil název termovize, což je označení zařízení pro bezkontaktní snímání infračerveného záření a převádění jej na viditelný obraz. [8][9]
Termovize je zařízení, které je na první pohled podobné videokameře. Na rozdíl od videokamery termovize snímá tepelné vyzařování objektů v infračerveném spektru.
Nasnímané vyzařování objektů následně termovize transformuje na obraz viditelný lidským okem a zobrazuje jej ve standardní televizní obrazové frekvenci. Toto je tedy základní princip termovize. Sofistikovanější typy termovizních kamer umožňují kromě zobrazování teplotních polí i jejich vyhodnocení a přiřazení jednotlivým teplotním polím teplotu v rozsahu od – 40
22
°C až do + 2000 °C. Výstupní obraz, zobrazující jednotlivá teplotní polena povrchu snímaného objektu ve viditelném spektru, se nazývá termogram. Jedná se o zobrazení toku fotonů, emitovaných z povrchu zkoumaného objektu. [8][9]
5.1 Infračervené záření
Jako infračervené záření je označena část elektromagnetického vlnového spektra, která se nachází mezi viditelnou částí a mikrovlnnou částí spektra. Toto záření projevující se tepelnými účinky má vlnovou délku v rozsahu od 0,78 µm až do 1 mm. Infračervená část elektromagnetického spektra se dále dělí na několik částí. První část je nazývána blízká oblast (NearWave IR) a má vlnový rozsah od 0,75µm do 2 µm. Druhá část je nazývána středovlnná oblast (MiddleWawe IR) a má vlnový rozsah od 2µm do 5µm. Třetí část IR spektra je nazývána vzdálená oblast (Long Wave IR) a má vlnový rozsah od 5 µm do 15µm. Poslední část je nazývána velmi vzdálená oblast (Very Long Wave IR) a má vlnový rozsah od 15 µm do 1 mm vlnové délky. [8][9]
5.2 Princip termografie
Úkolem termografie je detekce tepelné energie, která je vyzařována z měřeného objektu. Tato energie reprezentuje teplotní pole nacházející se většinou na povrchu měřeného objektu. Termografická technika následně tyto pole zobrazuje a vyhodnocuje. Základní měřící řetězec termografického systému se skládá z okolí měřeného objektu, samotného měřeného objektu, atmosféry mezi měřeným objektem a měřícím systémem a samotným měřícím systémem, reprezentovaným termovizní kamerou (viz. Obrázek č. 1). [8]
Obrázek 1: Základní měřící řetězec termografického systému [8]
23
6 Využití termovizní techniky v textilním průmyslu
Termovizní technika nalézá své uplatnění také v oblasti textilu a textilního průmyslu.
V rámci této diplomové práce bude termovizní technika použita pro zobrazení a analýze transportu kapalné vlhkosti příčným řezem sendvičové textilie. V následujících řádcích jsou uvedeny některé dosud provedené experimenty v tomto oboru.
6.1 Měření transportu vlhkosti a tepla
Na Lodžské univerzitě v Polsku byl proveden experiment, kdy za použití termovizní kamery byl měřen transport tepla a vlhkosti u oblečení pro aktivní složku policie. Cílem projektu bylo zjistit, zda je termografie použitelná k posuzování transportu tepla a vlhkosti.
Oblečení pro tuto skupinu se skládalo z několika vrstev, přičemž každá vrstva oděvu plnila v oděvu samostatnou a specifickou funkci. Hodnocení bylo prováděno u skupiny 9 probandů, mužů ve věku 35- 46 let o tělesné hmotnosti od 92 do 140 kg. Výška postavy jednotlivých probandů se pohybovala v rozmezí 171-192 cm. Probandi vytvářeli v klimatizované místnosti fyzickou aktivitu, která sloužila ke generování metabolického tepla. [10]
Experiment byl měřen na dvou souborech oblečení označených jako Systém I a Systém II. Oba systémy byly sestaveny podle požadavků policejního oddělení na design a funkčnost. Systémy byly určeny jako vhodné pro použití v mírných klimatických podmínkách. Systém I, značený jako „neformální“, se skládal z kalhot, trička, standardního sportovního prádla, ponožek a bot určených na sport. Systém II, značený jako „klasický“, se skládal ze stejných komponent, ale navíc byla přidána vrstva trička s krátkým rukávem.
Všechny oděvy byly vyrobeny z 100% bavlny. [10]
Termovizní kamera firmy FLIR byla použita pro určení a zdokumentování teploty na povrchu těla. Byla pořízena sekvence termogramů nasnímaných těl z různých úhlů. Pro stanovení množství potu absorbovaného oděvem byla každá část oděvu zvážena před a po každém měření. Určeny byly teploty jednotlivých částí těla u obou systémů, a následně byly i oba systémy vzájemně porovnány. Po měření byli probandi požádáni, aby vyplnili standardizovaný dotazník, který zahrnoval např. údaje, zda se cítí pohodlně či nepříjemně, suchý či mokrý aj. [10]
Studie Lodžské univerzity ukázala, že termografie je účinným nástrojem pro posuzování teploty pokožky a odpařování potu z oděvu. Informace získané z tohoto
24 experimentu posloužily pro konstrukci nových systémů oděvů s maximálním účinkem odpařování potu. [10]
6.2 Měření součinitele tepelné vodivosti
Metodu termovizní analýzy lze použít i pro měření součinitele tepelné vodivosti.
Tento experiment se skládal z infračervené kamery FLIR P-45, softwaru TESTO 635-2 a termostatu. Nejprve byl pokládán vzorek pleteniny o rozměrech 250x250 mm na termostat.
Infračervená kamera byla nastavena na interval 15 minut pro zachycení 5 snímků každé tři minuty. Termogramy byly generovány pro každý vzorek a zpracovány softwarem firmy FLIR. [11]
Průzkum byl proveden na vzorcích dvojvrstvé pleteniny vyrobené z bavlny (na straně pokožky) nebo syntetických přízí (na vnější straně). Bylo vypozorováno, že tepelná vodivost klesá s hustotou a hmotností na jednotku plochy textilie, zatímco tepelný odpor se zvyšuje.
[11]
Výsledky ukázaly vliv strukturálních charakteristik vláken. Pletenina vyrobená z 50%
polyakrylonitrilu a 50% bavlny s nejvyšší hustotou a hmotností na jednotku plochy umožňuje nižší propustnost vodních par a vzduchu, vyšší tepelnou vodivost ve srovnání s pleteninou z 100% vlny a 100% polyakrylonitrilu. [11]
6.3 Měření transportu kapalné vlhkosti u funkčních materiálů
Studentka Tereza Pouchová provedla na Technické Univerzitě v Liberci experiment, který byl zaměřen na alternativní metody měření transportu kapalné vlhkosti u vybraných textilií určených pro první vrstvu oděvu. Metoda měla simulovat transport potu od pokožkydo textilie pomocí kapek potu, nanášených na textilii. V experimentu bylo využito dvou termovizních kamer značky FLIR typu X6540sc a S60, stojanu na uchycení vzorků, pipety a syntetického potu. Vzorek textilie byl upnut do stojanu rubní stranou vzhůru. Nad a pod stojan byly umístěny termovizní kamery, které snímaly vzorek z rubní i lícní strany. [12]
Experiment byl proveden na šesti druzích pletenin, určených pro výrobu funkčních oděvů respektive pro první vrstvu oděvu. U každého vzorku pleteniny bylo provedeno šest měření. Záznam každého měření byl ukládán ve formě sekvence a obrazu, které byly následně analyzovány pomocí obrazové analýzy. Byly sledovány především tvarové charakteristiky rozpíjející se kapky syntetického potu. [12]
25 Výsledky ukázaly vliv struktury materiálu na šíření kapaliny v ploše textilie. Šíření kapaliny neprobíhalo kružnicovým způsobem, ale v závislosti na struktuře materiálu se šířilo do elipsy. Pomocí metody s využitím termovize bylo možno kapku popsat na základě naměřené plochy a tvarových charakteristik kruhovitosti, protažení a orientaci. [12]
6.4 Měření vzlínavosti vody v textiliích pomocí termografické techniky
Závěrem zde uvedu experiment, který jsem provedl v rámci své bakalářské práce na Technické Univerzitě v Liberci. Experiment byl zaměřen na vytvoření alternativní metody měření vzlínavosti s využitím termovizní techniky jako zobrazovacího prostředku. V rámci experimentu bylo zkonstruováno zařízení na měření vzlínavosti, které bylo speciálně zkonstruováno k účelu použití ve spolupráci s termovizní kamerou. Jako zobrazovací prostředek navzlínané sací výšky byla použita termovizní kamera FLIR X6540sc. [13]
Experiment byl proveden na deseti druzích pletenin, určených ke konstrukci první vrstvy hasičského oděvu. Jednotlivé druhy pletenin byly rozděleny do tří skupin podle materiálového složení a struktury pleteniny. Z každého druhu pleteniny bylo připraveno celkem šest vzorků (tři vzorky s orientací ve směru sloupků a tři vzorky s orientací ve směru řádků) o rozměrech 200x10 mm. Vzorky byly nasměrovány lícní stranou k objektivu termovizní kamery. [13]
Termovizní kamera byla v experimentu určena pouze k zobrazení vzlínající kapaliny v pletenině, nikoliv k měření teploty. Během každého měření byl pořízen videozáznam procesu vzlínání dlouhý deset minut, který sloužil k analýze rychlosti vzlínání. Na konci každého měření byl pořízen termogram, který sloužil k změření výsledné sací výšky.
Nasnímané videozáznamy a termogramy byly zpracovány obrazovou analýzou v programu NIS Elements. Rozdíl mezi teplotou kapaliny a teplotou okolí zajistil velmi dobrou rozeznatelnost vzlínající kapaliny. [13]
Experiment prokázal, že pomocí termografické techniky lze úspěšně měřit proces vzlínání. Termovizní kamera zde sloužila jako zobrazovací prostředek pro zobrazení kapaliny, která vzlínala plošnou textilií. Toto je hlavní výhoda této metody oproti klasické metodě měření vzlínavosti, jelikož při měření klasickou metodou nemusí být vzlínající kapalina v textilii vždy dobře parná. Výsledky měření na vzorcích prokázaly vliv struktury a materiálového složení pleteniny na savost pleteniny. Nejlepší výsledek byl dosažen u zátažné oboulícní, vzorované pleteniny s materiálovým složením 100% polyester colmaxfresh. Tento
26 materiál dosahoval vynikající sací výšky v jak ve směru sloupků, tak i ve směru řádků. Tento materiál předčil ostatní měřené vzorky také svou rychlostí průběhu procesu vzlínání. Naopak nejhorší výsledek co se týče dosažené maximální sací výšky byl dosažen u zátažné oboulícní, vzorované pleteniny s materiálovým složením 100% polypropylen. Tento materiál dosahoval nejnižší sací výšky v obou směrech orientace vzorku. Rychlost průběhu procesu vzlínání byla u tohoto materiálu velmi obtížně měřitelná, jelikož nebyla téměř patrná. [13]
7 Sendvičové textilní struktury
Sendvičové textilie jsou plošné textilie, které vznikají spojením dvou a více plošných textilií do jednoho celku. Jako jednotlivé vrstvy sendvičové struktury je možno použít například tkaniny, pleteniny, netkané textilie nebo pěnové materiály. Jednotlivé textilní vrstvy jsou spojeny nerozebíratelným spojem. Jako pojivo jednotlivých vrstev je používáno většinou disperzní nebo termoplastické lepidlo.
7.1 3D distanční pleteniny
Mezi charakteristické vlastnosti distančních pletenin patří především vysoká prodyšnost a schopnost adsorpce kapalin. Tato vlastnost předurčuje distanční pleteniny pro aplikace v oblastech, kde je předpokládán kontakt lidského těla s textilií. Touto aplikací jsou například potahy automobilových sedaček, kde musí být dosaženo maximálního pohodlí uživatele i při dlouhodobém sezení. [14][15]
3D distanční pleteniny jsou vyráběny ze 100 % polyesteru. Tuhost pleteniny lze ovlivnit vazbou, hustotou a použitým monofilem. Při výrobě 3D pleteniny lze regulovat distanční vzdálenost mezi lícní a rubní stranou od 3 do 23 mm. Lze také měnit vazbu a vytvářet otevřenější nebo uzavřenější strukturu. Mezi další vlastnosti 3D pleteniny kromě vysoké prodyšnosti patří také nízká hmotnost v poměru k objemu pleteniny, vysoký stupeň vratné deformace, jednoduchá tvarovatelnost a zdravotní nezávadnost. Deformace distančních pletenin jsou vždy elastické, pokud nedojde k překročení hranice prokluzu materiálu distanční vrstvy. [15][16]
3D distanční pleteniny mohou být vyrobeny na dvoulůžkových zátažných strojích nebo na dvoulůžkových osnovních strojích. Pletenina vyrobená na dvoulůžkovém zátažném stroji se nazývá zátažná oboulícní 3D pletenina. Pletenina vyrobená na dvoulůžkovém osnovním stroji se nazývá osnovní oboulícní 3D pletenina. 3D textilie mohou být vyrobeny také tkaním. Taková textilie je poté nazývána 3D distanční tkanina nebo tkaná 3D textilie.
27 Princip výroby distančních pletenin je následovný. Na dvoulůžkovém zátažném nebo osnovním stroji se vyrobí dvě jednolícní pleteniny a ty se následně spojují kladením nití na okrajích obou pletenin. Nitě jsou kladeny střídavě na obě vnější vrstvy, čímž dojde ke spojení okrajů obou jednolícních pletenin. Tímto krokem vznikne distanční pletenina. Distanční pleteniny mají podstatně vyšší tloušťku v příčném řezu, než klasické plošné textilie. Vyšší tloušťka je způsobená monofilovými nebo multifilovými přízemi, které spojují obě jednolícní pleteniny dohromady.[15][16]
7.2 Plsť
Plsť je netkaná plošná textilie, vzniklá ze vzájemně zaklesnutých vláken. Propojení vláken je dosahováno dvěma způsoby a zplstěním a valchováním nebo vpichováním.
K výrobě plsti se používají jak vlákna přírodního původu, tak vlákna syntetická. K plstění jsou nejvhodnější živočišná vlákna díky šupinatému povrchu těchto vláken.Šupinatého povrchu vláken se využívá při výrobě plsti plstěním a valchováním, kdy se působením vlhka, tepla a chemikálií vytvoří z šupinatých vláken poměrně pevná vlákenná spleť. Proces plstění a valchování začíná předpěstěním vlákenné vrstvy na plstícím zařízení. Výstupní surovina z plstícího zařízení je následně valchována na valchovacím stroji. Nakonec je výsledný plstěnec lisován, aby bylo dosaženo požadované tloušťky vlákenné vrstvy. [18]
Ideálním příkladem živočišných vláken, vhodných pro výrobu plsti, je vlna. Lisovaná vlněná plsť patří mezi nejstarší textilní materiály používané ve většině průmyslových odvětví.
Vlněná plsť je složená z vlněných vláken, která jsou vzájemně propletená díky šupinatému povrchu vláken. Vlněná plsť je vytvořena buď výhradně z vlněných vláken, nebo z vlněných vláken smíšených se syntetickými vlákny. Proces výroby vlněné plsti začíná smícháním surové vlny požadované kvality se syntetickými vlákny podle požadovaného poměru.
Následně je směs vláken česána a narovnána na mykacím stroji. Výstupní polotovar z mykacího stroje je ukládán do vrstev a následně jsou jednotlivé vrstvy propleteny na rýhovacím stroji do jednoho celku. Tím vzniká textilní polotovar zvaný rouno. Rouno nakonec prochází zpevňovacím lisem a valchovacím strojem, díky nimž dosáhne textilie požadované tloušťky a hustoty. Výstupním produktem z mandlovacího stroje je již hotová plsť. [17]
Druhým způsobem výroby plsti je pomocí vpichování. Vpichovaná plsť může být vyrobena ze standardních syntetických vláken jako například polyesteru nebo polypropylenu, ale i ze speciálních tepelně odolných vláken např. Nomex, Aramid nebo Kevlar. Vlákenná
28 vrstva je mechanicky propojená pomocí speciálních vpichovacích jehel s ostny, které jsou umístěny na jehlových deskách, a tím vzniká plstěné rouno. Pevnost vpichované plsti je ovlivňována množstvím vpichů na jednotku plochy textilie. Vpichovaná plsť je obvykle využívána všude tam, kde se vyžaduje vysoká tepelná odolnost, dlouhá životnost a extrémní odolnost proti oděru a roztržení. [18][19]
7.3 PUR Pěna
Polyuretan je polymer, který se vyrábí chemickou reakcí vícefunkčních izokyanátů s hydroxilovou složkou. Tuto chemickou reakci doprovází řada vedlejších reakcí. Jednou z vedlejších reakcí je uvolňování plynného oxidu uhličitého, který slouží jako nadouvadlo při výrobě pěnového polyuretanu. Proces výroby polyuretanové pěny se nazývá vypěňování.
Polyuretanová směs se připravuje ve směsovací hlavě. Do směsovací hlavy jsou přivedeny všechny suroviny a výsledná směs se následně dávkuje na dno formy. Ihned po nanesení směsi na dno formy dochází ve směsi k chemické reakci a tvorbě polyuretanové pěny. Po několika minutách dosáhne pěna ve formě téměř 100% svého budoucího objemu. Následně se pěna nechá minimálně 24 hodin ve formě ustálit, než dojde k jejímu dalšímu zpracování. Po uplynutí požadované doby je pěnový blok vyklopen z formy a nařezán na pláty pomocí horizontální pásové pily. Tímto postupem jsou vyráběny polyuretanové pěny s různou objemovou hmotností, pevností a odporem proti stlačení. [20][21]
8 Analýza obrazu
Analýza obrazu je vědní obor, který se zabývá identifikací a klasifikací objektů, které jsou zobrazeny na snímcích nebo videosnímcích. Analýza obrazu zpracovává snímky do číselné podoby, která je poté snáze vyhodnocována. Objekty v obraze reprezentují oblasti našeho zájmu. Objekty jsou na snímku reprezentovány shlukem pixelů o stejné hodnotě, která je v kontrastu s pixely, tvořícími okolí objektů. V binárním obraze je to například objekt tvořený shlukem pixelů o hodnotě 1, které jsou v kontrastu s pozadím objektu tvořeným pixely s hodnotou 0. Objekty v obraze jsou středem našeho zájmu díky svým vlastnostem, které jednotlivé objekty charakterizují. V případě kapky, která je transportována textilií je oblastí zájmu obvod a plocha kapky, která je v kontrastu s nesmočenými částmi textilie.
8.1 Programy používané k analýze obrazu
V dnešní době existuje velké množství programů, sloužících k obrazové analýze. Tyto programy se dělí do dvou skupin podle svého uživatelského prostředí na programy
29 s grafickým uživatelským prostředím a programy s programovacím uživatelským prostředím.
V této práci byla obrazová analýza provedena v programu MATLAB, což je zástupce programů s programovacím uživatelským prostředím.
8.2 MATLAB
MATLAB® je programovací jazyk a interaktivní prostředí pro numerické výpočty, vizualizaci a programování. V programu MATLAB je možné analyzovat data, vyvíjet algoritmy, vytvářet modely a aplikace. Program MATLAB dává uživateli k dispozici programovací jazyk, nástroje a vestavěné matematické funkce, které umožňují prozkoumat více přístupů a dospět k řešení rychleji než s pomocí tradičních programovacích jazyků, jakým je například C /C ++ nebo Java®. Program MATLAB je možné použít pro řadu aplikací, mezi které patří zpracování signálu, testování a měření různých veličin a také analýza obrazu nebo videa. [22]
Program MATLAB obsahuje nástroj zvaný Image Processing Toolbox™, který poskytuje komplexní sadu referenčních algoritmů, funkcí a aplikací pro zpracování obrazu, analýzu, vizualizaci a vývoj algoritmů. Pomocí Image Processing Toolbox je možno provádět analýzu obrazu, segmentaci obrazu, vylepšení obrazu, redukci šumu a geometrické transformace obrazu. Image Processingn Toolbox podporuje různorodé formáty snímků s libovolným rozlišením. Vizualizační funkce a aplikace umožňují prozkoumat obrazy a videa, zkoumat oblasti pixelů, nastavení barev a kontrastu, vytvářet histogramy a manipulovat s oblastí zájmu v obrazu. [23]
30
Experimentální část
Experimentální část práce je rozdělena na několik částí. Cílem první části bylo navržení experimentu pro měření transportu kapaliny příčným řezem sendvičovou strukturou s použitím srovnávací termografické techniky. Transport kapaliny v testovaných sendvičových strukturách byl snímán pomocí termovizní kamery FLIR X6540sc. Termovizní kamera v experimentu sloužila jako zobrazovací prostředek. Výstupem z termovizní kamery jsou videa a snímky, zvané termogramy, na nichž jsou zobrazena jednotlivá teplotní pole.
Teplotní pole reprezentovala kapalinu, šířící se sendvičovou strukturou v závislosti na čase.
Nasnímané rozměry šířící se kapaliny byly následně analyzovány pomocí programu MATLAB. Získané výsledky, reprezentující šíření kapaliny v jednotlivých testovaných sendvičových strukturách, byly mezi sebou porovnány a diskutovány v závěru práce. Druhá část je zaměřena na provedení doplňujícího experimentu. V této části je zkoumán transport kapaliny kromě příčného řezu také na lícní straně sendvičové struktury. Lícní strana byla snímána termovizní kamerou S60. Výsledky z transportu kapaliny na lícní straně jsou v závěru druhé části porovnány s transportem kapaliny v příčném řezu textilie. Experimenty byly provedeny v laboratoři Technické univerzity v Liberci.
9 Charakteristika zkoušených materiálů
Měření bylo provedeno na třech typech sendvičové struktury, využívané v automobilovém průmyslu jako potah na automobilové sedačky. Dvě testované sendvičové textilie se skládaly ze dvou vrstev, třetí testovaná sendvičová textilie se skládala ze tří vrstev.
Svrchní vrstva sendvičové struktury byla pro všechny tři vzorky totožná. Rozdílné absorpční vlastnosti jednotlivých vzorků byly díky tomu ovlivňovány hlavně dalšími vrstvami sendvičové textilie a jednotlivými druhy spojení jednotlivých vrstev vzorku k sobě. Svrchní vrstva byla tvořena tkaninou, utkanou v atlasové vazbě. Tato tkanina byla utkána z přízí, obsahující dutá vlákna s materiálovým složením 100% PES. Vzorky se lišily svými dalšími vrstvami a způsobem spojení jednotlivých vrstev. První vzorek měl spodní vrstvu tvořenou distanční 3D pleteninou s materiálovým složením 100% PES. Jednotlivé vrstvy v tomto vzorku byly spojeny laminací lepidlem. Druhý třívrstvý vzorek měl prostřední vrstvu tvořenou PUR pěnou a spodní vrstvu tvořenou zátažnou jednolícní pleteninou s materiálovým složením 100% PES. Jednotlivé vrstvy v tomto vzorku byly spojeny plamennou laminací.
Třetí vzorek měl spodní vrstvu tvořenou netkanou textilií – plstí s materiálovým složením 70% PES a 20% vlna. Jednotlivé vrstvy v tomto vzorku byly spojeny práškovou laminací.
31 Materiálové složení testovaných vzorků bylo mj. ověřeno pomocí tavného mikroskopu.
Vzorky testovaných sendvičových textilií jsou přiloženy v příloze č. 8. Charakteristiky testovaných materiálů jsou uvedeny v tabulce č. 1.
Tabulka 1: Testovaný textilní materiál
vzorek č. označení vrstva materiálové složení
plošná hmotnost
g/m2
struktura textilie/
vazba
1. 3D pletenina 1. 100% PES 583
5-ti vazný přisazovaný atlas
2. 100% PES distanční pletenina
2. PUR pěna
1. 100% PES
483
5-ti vazný přisazovaný atlas
2. 100% PUR pěna
3. 100% PES
zátažná jednolícní hladká pletenina
3. Plsť 1. 100% PES 482
5-ti vazný přisazovaný atlas
2. 70% PES/30% vl plsť
10 Měření transportu kapaliny v příčném řezu sendvičovou textilii pomocí termovizní kamery
Jedná se o novou metodu měření šíření kapaliny v textiliích. V této metodě byly jako prostředek k zobrazení šíření kapaliny použity termovizní kamery FLIR. Měření probíhalo v laboratoři budovy L, spadající pod Technickou univerzitu v Liberci. Postup měření a podmínky měření jsou uvedeny v následujících kapitolách.
10.1 Příprava experimentu
V rámci přípravy experimentu byl navržen a výroben přístroj, využitelný při měření transportu kapaliny v příčném řezu textilií (viz. Obrázek č. 2). Přístroj byl sestaven ze stavebnice Lego Technic, která je variabilní a lze z ní sestavit libovolnou konstrukci. Další výhoda této stavebnice spočívala v absenci kovových částí. Kov má vysokou nepropustnost a odrazivost IČ záření. Mohl by tedy teplo vyzařované kamerou odrážet zpět ke kameře, čímž by negativně ovlivňoval měření. Součástí stavebnice byl také pneumatický systém, který tvoří pohyblivou část přístroje. Přístroj se skládá z nosného rámu, v němž byla upnuta automatická
32 pipeta, pneumatického systému a zaměřovacího zařízení. Pneumatický systém slouží v přístroji k dálkovému spuštění automatické pipety. Zaměřovací zařízení slouží v přístroji k zaměření místa dopadu kapky, vypuštěné z automatické pipety. Automatická pipeta byla v přístroji použita z toho důvodu, jelikož na ní lze přesně nastavit objem vypuštěné kapaliny.
Před každým měřením bylo nutné provézt kalibraci pipety. Na pipetě byl nejprve pomocí otočného kolečka na horní části pipety nastaven požadovaný objem kapaliny v mikrolitrech. Následně byla do pipety nabrána kapalina, v našem případě voda. Poté se přistoupilo s pipetou k vynulované laboratorní váze a celý objem kapaliny se vypustil na váhu. Hmotnost kapaliny, zobrazená na váze v miligramech musela odpovídat objemu, nastaveném na pipetě. Poté byla pipeta správně zkalibrována a připravena k měření.
33 Obrázek 2: Měřicí přístroj na měření transportu kapaliny v příčném řezu textilií – nosný rám (1), pneumatické ovládání automatické pipety (2), automatická pipeta (3), zaměřovací zařízení
automatické pipety (4)
1 2 1
1 2 3
4
34 10.2 Příprava vzorků k měření
Z každého typu sendvičové struktury bylo vyříznuto šest vzorků o rozměrech 100x100 mm. Rozměry vzorků byly experimentálně zvoleny tak aby poskytovaly dostatečný prostor pro expanzi kapaliny a zároveň je bylo možno vložit do mezery mezi podstavci měřicího přístroje. Následně bylo připraveno šest vzorků z polyuretanové pěny o rozměrech 100x100x17 mm. Tyto vzorky byly během měření vkládány pod vzorky sendvičových struktur a sloužili k simulaci polyuretanového sedáku automobilové sedačky. Kvůli časové náročnosti experimentu bylo měření provedeno vždy na jednom typu sendvičové struktury za den.
Vzorky byly umístěny do místa konání měření minimálně jeden den před započetím měření, aby došlo k jejich aklimatizaci na teplotu místa konání měření.
10.3 Postup měření
Měření probíhalo v komoře, zkonstruované speciálně pro měření s termovizní kamerou. Komora se skládá z kovové konstrukce, která je potažena černým sametem. Komora je zkonstruována tak, aby nedocházelo k ovlivňování měření infračerveným zářením z okolního prostředí. V zadní části komory je v pravé stěně umístěn manipulační otvor.
V komoře byl umístěn malý stůl, na nějž byl umisťován měřicí přístroj. Stůl musel být v komoře umisťován vždy do levého zadního rohu místnosti poblíž otvoru ve stěně komory.
Přístroj byl na stůl umisťován tak aby hrany podstavců přístroje byli v jedné rovině s hranou stolu a zároveň se dotýkal levé stěny komory (viz. Obrázek č. 3). Ovládací prvky pneumatického systému byly protaženy manipulačním otvorem ve stěně komory, aby bylo možno přístroj ovládat z vnějšku komory. Naproti přístroji byla do komory umístěna termovizní kamera FLIR X6540sc. Parametry kamery jsou uvedeny v příloze 7. Kamera byla umístěna na stativu tak, aby objektiv kamery byl ve sejné výšce jako hrana stolu a zároveň byl ve vzdálenosti 1 m od stolu. Díky této poloze zabírala termovizní kamera pouze mezeru mezi podstavci přístroje.
Po umístění přístroje do místnosti byly zvednuty písty, ovládající automatickou pipetu, do horní polohy, aby bylo možno naplnit automatickou pipetu kapalinou. Následně byla pipeta naplněna vodou. Pipeta byla plněna pomocí nádobky s vodou, do níž se ponořila dávkovací část pipety. Následně bylo stisknuto a opětovně uvolněno tlačítko na vrchní části pipety, čímž došlo k nasátí požadovaného objemu kapaliny do pipety. V experimentu byla
35 používána voda o teplotě 14°C ± 2°C. Pipeta byla vždy plněna vodou o nižší teplotě, než byla teplota v měřící místnosti. To bylo prováděno z toho důvodu, aby byla transportující se kapalina na termogramu dobře patrná. Pipeta byla vždy plněna množstvím vody o objemu 70 µl. Toto množství vody bylo určeno experimentálně. Příliš malé množství kapaliny by bylo špatně viditelné a špatně by se analyzovalo. Příliš velké množství by naopak rychle pokrylo celou plochu příčného řezu vzorku a také by se obtížně analyzovalo.
Dalším krokem bylo zvážení připravených nesmočených vzorků. Každý vzorek byl vážen před smočením a po smočení kapalinou. Výsledné hodnoty byly zaznamenávány a dále sloužily k vypočtení mokrého přívažku. Vzorek sendvičové textilie a vzorek polyuretanové pěny byly váženy odděleně. To bylo prováděno z důvodu, aby bylo zjištěno, jaké množství kapaliny proniklo do sendvičové struktury a jaké množství prosáklo až do polyuretanového podkladu.
Zvážený vzorek sendvičového materiálu a PUR pěny byl umístěn do mezery mezi podstavci přístroje, umístěného v místnosti. Nejprve byl do mezery vložen vzorek PUR pěny, simulující sedák autosedačky. Na tento vzorek byl umístěn vzorek sendvičové textilie, simulující autopotah sedačky. Poté bylo spuštěno zaměřovací zařízení. Zaměřovací zařízení ozařovalo světelným paprskem oblast, na níž dopadne kapalina z automatické pipety. Podle tohoto paprsku bylo možno přesně nastavit umístění vzorku v mezeře mezi podstavci přístroje. Vzorek byl podle paprsku vždy nastaven tak aby kapalina dopadla do vzdálenosti 5 mm od snímaného okraje vzorku a zároveň do poloviny šířky vzorku. Po nastavení umístění vzorku v přístroji nebylo možno dále se vzorkem hýbat.
Následně byla na snímaný okraj vzorku položena kalibrační plocha, která sloužila ke kalibraci nasnímaných termogramů. Po umístění kalibrační plochy na vzorek byl pořízen snímek této plochy, který byl dále zpracováván. Kalibrační plocha se skládala z podstavce, ke kterému byl připevněn hliníkový čtverec o rozměrech 10x10 mm. Tato hliníková plocha je na pořízeném termogramu zobrazena jako světle zářící plocha oproti tmavému pozadí. Díky tomu bylo možno změřit rozměry plochy v analyzačním programu a zjištěné hodnoty aplikovat na ostatní nasnímané termogramy. Po pořízení snímku kalibrační plochy byla kalibrační plocha ze vzorku opatrně odebrána, aby nedošlo ke změně polohy vzorků.
Po odstranění kalibrační plochy z místa měření byla komora uzavřena a bylo spuštěno snímání videa. Snímková frekvence videa byla nastavena na jeden snímek za sekundu.
Defaultně je kamera nastavena tak aby pořizovala videa se snímkovou frekvencí 25 snímků za
36 sekundu. Videa, natočena touto snímkovou frekvencí, však zabírají mnoho místa na úložišti a také jejich následná analýza v programu MATLAB je velmi zdlouhavá. Proto byla snímkovací frekvence nastavena na jeden snímek za sekundu a díky tomu bylo dosaženo menší velikosti videí. Tato snímkovací frekvence se také ukázala jako více než dostatečná na snímání rychlosti transportu kapaliny sendvičovou strukturou. Ihned po spuštění snímání videa byly sesunuty písty, ovládající automatickou pipetu do spodní polohy. Díky tomu byl z automatické pipety vytlačen předem stanovený objem kapaliny a započalo snímání transportu kapaliny vzorkem sendvičové textilie. Doba snímání videa byla stanovena na 390 sekund. Samotná doba snímání šíření kapaliny ve vzorku byla stanovena na 360 sekund.
Zbylých 30 sekund sloužilo jako časová rezerva mezi spuštěním videa a spuštěním přístroje, který aplikoval kapalinu na vzorek. Tato časová rezerva byla později z videí odstraněna v programu FLIR ResearchIR MAX, díky čemuž video začínalo v momentě aplikování kapky na vzorek. Před snímáním videa nebylo nutné v programu FLIR ResearchIR MAX nastavovat emisivitu ε. Emisivitu je v programu nutné nastavovat pouze v případě měření teploty snímaných objektů. Při nesprávném nastavení emisivity by totiž software termovizní kamery nesprávně vyhodnocoval teplotu snímaných objektů. V tomto experimentu však bylo potřeba pouze zobrazit jednotlivá teplotní pole. Měření teploty jednotlivých teplotních polí nebylo součástí experimentu. Emisivita byla proto v programu defaultně nastavena na ε=1, což je emisivita ideálně černého tělesa.
Během jednotlivých měření byla snímána také teplota a vlhkost vzduchu uvnitř komory. Teplota a vlhkost vzduchu byly snímány elektronickým teploměrem ALMEMO, jehož sonda byla umístěna v uzavřené komoře během probíhajícího měření.
Po uplynutí stanovené doby bylo snímání videa zastaveno. Poté byla komora otevřena a smočené vzorky znovu zváženy. Z výsledného rozdílu mezi váhou smočeného a nesmočeného vzorku byl vypočten mokrý přívažek. Nasnímaná videa později sloužila ke stanovení rychlosti šíření kapaliny vzorkem. Bylo provedeno celkem 6 měření na každém typu sendvičové struktury.
37 Obrázek 3: Umístění přístroje v komoře
10.4 Vyhodnocení naměřených dat – nárůst plochy kapaliny v závislosti na čase
Videosnímky šířící se kapaliny byly analyzovány pomocí obrazové analýzy v programu MATLAB. Za tímto účelem byl v MATLABu vytvořen skript na analýzu nasnímaných termogramů. Tento skript je uveden v příloze 1 a 2. Nejprve bylo nutné v programu FLIR ResearchIR MAX videa převézt z formátu FLIR semence file do formátu pro přehrávání video souborů AVI. Před převodem do AVI formátu je nejprve nutné v programu FLIR ResearchIR MAX nastavit správný interval zpracovávaného IR záření.
Tento interval je nastavován v pravé části programu podle histogramu IR záření, který je zobrazen nad nastavením šíře intervalu. Histogram zobrazuje frekvenční rozsah a intenzitu IR záření, nasnímaného termovizní kamerou při natáčení videa. Šíři intervalu je proto vždy nutné nastavit tak, aby obsahovala celou šíři histogramu. Toto nastavení šíře intervalu je nutné nastavovat pro každé video zvlášť a je prováděno z toho důvodu, aby na výsledném videu byl dosažen co nejvyšší kontrast mezi jednotlivými teplotními poli. Pokud by interval nezahrnoval celý histogram, tak by z nasnímaných termogramů nebylo možné poznat, kde končí smočená část materiálu a kde začíná jeho nesmočená část. Poté bylo video oříznuto na požadovaný časový úsek o velikosti 360 sekund. Toto oříznutí bylo prováděno pomocí
38 posuvného jezdce v programu, který se nacházel nad časovou stopou videa. Díky tomuto oříznutí byla z videí odstraněná časová rezerva mezi spuštěním videa a aplikováním kapaliny na vzorek. Po správném nastavení šíře intervalu a oříznutí videa na správnou požadovaný časový úsek je možné spustit exportování videa do AVI formátu. Videa v tomto formátu bylo možné načíst a dále zpracovávat v programu MATLAB. Nejprve byl do skriptu načten barevný snímek kalibrační plochy, který byl následně rozdělen na jednotlivé šedotónové vrstvy (viz. Obrázek č. 4). Následně byla vybrána vrstva, na níž byla kalibrační plocha v největším kontrastu k okolní ploše snímku. Tato vrstva byla poté převedena na binární obraz. Binární obraz byl ze snímku vytvořen pomocí příkazu „im2bw“. Práh přeměny na binární obraz byl určován subjektivně. Souřadnice kalibrační plochy byly na snímku nalezeny pomocí příkazu boundingbox a pomocí funkce „regionprops“ byly určeny parametry nalezené kalibrační plochy jako například plocha kalibrační plochy v pixelech. Kalibrace byla následně dokončena součtem pixelů, představujících šířku kalibrační plochy na snímku. Tím bylo zjištěno, kolik pixelů na snímku představuje šířku 10 mm skutečné kalibrační plochy. Tato získaná hodnota byla uchována a použita při vyhodnocování videí. Videa byla načítána do skriptu pomocí příkazu „aviread“. Video bylo následně rozděleno pomocí „for“ cyklu na jednotlivé snímky (viz Obrázek č. 6-8), které byly uloženy do strukturního pole „seznam“.
Tyto snímky byly pomocí „for“ cyklu postupně zpracovávány podobným způsobem, jako byl zpracováván snímek kalibrační plochy. Každé video obsahovalo 360 snímků, přičemž analyzovány byly všechny snímky. Každý snímek videa byl převeden do binárního obrazu, ve kterém byla šířící se kapalina reprezentována jedničkami, a okolí bylo reprezentováno nulami (viz. Obrázek č. 5). Pomocí příkazu „regionprops“ byla vypočítána plocha a obvod expandující kapaliny na jednotlivých snímcích. Získané hodnoty byly ukládány do matice a následně byly graficky a statisticky zpracovány.
39 Obrázek 4: Kalibrační plocha
Obrázek 5: Originální termogram a termogram převedený do binárního obrazu
40 Obrázek 6: Termogram, zobrazující kapalinu v příčném řezu sendvičovou textilií, obsahující
3D pleteninu v čase 360 s
Obrázek 7: Termogram, zobrazující kapalinu v příčném řezu sendvičovou textilií, obsahující PUR pěnu v čase 360 s
