Zadání DP (obhajoba červen 2014, vedoucí prof. Luboš Hes, konzultant doc. Vladimír Bajzík, konzultant Dr. Marie Havlová)
Pavlína Ondrová
"Nová metoda hodnocení prodyšnosti distančních úpletů ve směru jejich roviny."
1. Uveďte stručný přehled poznatků o komfortu textilií a způsobů hodnocení parametrů jejich termofyziologického komfortu, zejména pak zjišťování propustnosti textilií pro vzduch. Popište textilní výrobky, u kterých má jistý význam proudění vzduchu ve směru jejich roviny.
2. Opatřete vzorky distančních úpletů o odlišné plošné hmotnosti a odlišné struktuře, přednostně ze 100% polyesteru. Ze vzorků vytvořte disky vhodných rozměrů, které umožní hodnocení prodyšnosti těchto úpletů ve směru jejich roviny. Zjistěte hustotu a průměr výplňkových monofilních vláken střední rovině úpletů a vhodnou metodou stanovte porozitu úpletů ve směru kolmém na tuto rovinu.
3. Stanovte propustnost uvedených textilií pro vzduch přístrojem FX 3300, přičemž vzorek bude v přístroji umístěn tak, že jeho středový otvor se bude nacházet souose s měřícím hrdlem přístroje a zkoušený vzorek bude seshora utěsněn neprodyšnou
deskou, takže zkušební medium bude procházet v rovině vzorku. Do vzorků umístěte distanční elementy zajišťující omezenou stlačitelnost vzorků při měření.
4. Zjistěte vliv vybraných parametrů textilií a dle možnosti i jejich porozity na jejich prodyšnost.
Výsledky zpracujte statisticky. Závěrem výsledky i použitou metodiku měření komentujte a uveďte i další poznatky, které by přispěly k případnému použití nové metody v textilní praxi.
Literatura:
Hes L., Sluka P.: Úvod do komfortu textilií. Skriptum TUL-FT, 2005 Kuneš J. a kol. : Tepelné bariéry, Academia 2003
Havlová, M., Čapková, L.: Evaluation of permeability of fabrics with plain weave. Internat.
conf. STRUTEX 2010, Liberec.
Technická univerzita v Liberci Fakulta textilní
Katedra hodnocení textilií
V Liberci dne 24.4. 2014
Žádám o změnu termínu odevzdání diplomové práce z 19. května 2014 na 8. ledna 2015.
Důvod odkladu odevzdání:
Nedostatečný čas na přípravu práce kvůli zahraničnímu pobytu – program Erasmus.
Pavlína Ondrová
Poděkování
Na tomto místě bych ráda poděkovala lidem, kteří mě podporovali při tvorbě této práce.
Především bych chtěla poděkovat rodině, která mě podporovala během celého studia. Přátelům za pochopení a pomoc v nelehkém období. Také bych ráda poděkovala panu Hesovi jako vedoucímu práce a v neposlední řadě paní Havlové, panu Bajzíkovi, a pracovníkům laboratoří TU v Liberci za pomoc a ochotu.
Anotace
Cílem této práce je ověřit novou metodu měření prodyšnosti v rovině distančních úpletů a optimalizovat podmínky měření. Zkoumaný materiál jsou distanční pleteniny tvořené ze dvou pletených struktur vzájemně propojených monofily použitý materiál je 100 % polyester. U vzorků jsou měřeny monofily uvnitř struktury a tyto výsledky jsou porovnávány s prodyšností monofilů včetně jednoho povrchu. Měření jsou porovnávána, aby bylo možné ověřit zaměnitelnost výsledků a dosáhnout technologického zjednodušení přípravy vzorků. Dále byla zjišťována prodyšnost v rovině u jednotlivých vzorků v závislosti na geometrických vlastnostech, jako je tloušťka při měření nebo porozita. Teoretická část obsahuje uvedení do problematiky tvorby a použití distančních pletenin, dále základní informace o komfortu textilií spojené s prodyšností, základní informace o měření prodyšnosti na přístroji FX 3300 a základní informace měření porozity distančních úpletů. Praktická část se zabývá měření distančních pletenin a vyhodnocení výsledků prodyšnosti ve spojitosti s vybranými geometrickými vlastnostmi.
Výsledky prezentují optimalizaci měření prodyšnosti v rovině a základní informace o struktuře distančních pletenin. Pravidla pro proudění vzduchu distančními pleteninami při změně tloušťky jednotlivých vzorků při měření prodyšnosti, porovnání měření prodyšnosti se středovým otvorem a bez středového otvoru (měřena prodyšnost monofilů a monofilů spolu s povrchem). Výsledky u vybraných vzorků potvrzují zaměnitelnost a zjednodušení technologie měření. Dále byl odhalen vztah prodyšnosti v závislosti na porozitu u distančních pletenin. Bylo také spočítáno Reynoldsovo číslo, které je důležité pro odhalení typu proudění vzduchu ve vzorku. Důležitým zjištěním je náběhová délka, která je příliš dlouhá pro teoretickou interpretaci vztahu proudění vzduchu vzorkem. Mimo jiné byl také vytvořen model pro teoretickou predikci prodyšnosti, kde je možné měnit všechny vlastnosti distančních úpletů a dále studovat teoretickou prodyšnost.
Klíčová slova:
Prodyšnost
Distanční pletenina Porozita
Náběhová délka Reynoldsovo číslo
Annotation
The aim of this work is to verify new method of measuring permeability in the plane of spacing knitwear and optimize the measurement conditions. Materials tested were spacer knitting formed of two knitted structures interconnected by monofilaments. Material used is 100% polyester. Permeability was measured with a central hole, i.e. only monofilaments are measured, and without central hole (monofilaments and front side of the sample are measured).
The aim was to verify exchangeability of results thus achieve technological simplification of sample preparation. Furthermore, permeability was measured in plane of the individual samples in dependence on geometrical properties, such as thickness or porosity of the sample.
Theoretical part includes an introduction to the topic of production and application of distance knits, as well as basic information about comfort of the fabric associated with permeability, basic information about the measurement of permeability on the FX 3300 machine and information on porosity measurements of distance knitwear. Practical part deals with the measurement of distance knits and assessing the results of permeability.
Results presented optimization of the measurement of permeability in the plane, and of the structure the spacers knits. Rules for airflow in spacer knitted fabrics when thickness of the individual samples in the measurement of permeability is changed, permeability measurements with and without central hole are compared. The results of selected samples confirm the interchangeability and simplify measurement technology, which was confirmed by statistical analysis. Next, dependence of permeability on the porosity in the spacer knits is shown. Also Reynolds number is calculated, which is important to detect the type of air flow in the sample.
An important finding is the entrance region, which is too long for the theoretical interpretation of the relationship of airflow pattern. Among other things, also a model for the theoretical prediction permeability is created, where it is possible to change all the properties of distant knitwear and below study theoretical permeability.
Key words:
Permeability Distance knit Porosity
Entrance region Reynolds number
Obsah
1. Teoretická část………..………...15
1.1. Pleteniny ... 15
1.1.1. Základní rozdělení pletenin ... 16
1.1.2. Distanční pleteniny ... 17
1.1.2.1. Vlastnosti 3D úpletu ... 17
1.1.2.2. Způsob výroby ... 19
1.1.2.3. Vazby používané pro 3D pleteniny ... 20
1.1.2.4. Použití 3D pletenin ... 21
1.1.3. Výrobky, pro které je důležitá prodyšnost v rovině ... 21
1.2. Komfort ... 22
1.2.1. Sensorický komfort ... 22
1.2.2. Termofyziologický komfort ... 23
1.2.3. Přenos tepla vedením ... 24
1.2.4. Přenos tepla zářením ... 24
1.3. Proudění ... 24
1.3.1. Vzduch – průtokové médium ... 27
1.3.2. Prodyšnost ... 28
1.3.3. Ovlivnění prodyšnosti ... 28
1.3.4. Měření prodyšnosti ... 29
1.3.5. Faktory ovlivňující prodyšnost vzorku ... 30
1.3.5.1. Náběhová délka ... 30
1.3.5.2. Vlastnosti monofilů ... 31
1.3.3.3. Geometrické vlastnosti vzorku ... 33
1.4. Porozita ... 34
1.4.1. Objemová porozita ... 35
1.5. Představení firem ... 36
1.5.2. Tylex Letovice, a.s. ... 36
2. Experimentální část ………...38
2.1. Návrh experimentu ... 38
2.2. Zkoumané vzorky ... 38
2.3. Měření prodyšnosti v rovině ... 40
2.3.1. Princip měření ... 40
2.3.2. Příprava vzorku ... 41
2.4. Objemová porozita ... 43
2.5. Úhel monofilu a plocha monofilů v řezu uvnitř vzorku ... 44
2.6. Výsledky měření ... 45
2.6.1. Změna distance při měření ... 46
2.6.2. Změna tlakového spádu ... 49
2.6.3. Porovnání prodyšnosti se středovým otvorem a bez středového otvoru v závislosti na porozitě ... 53
2.6.4. Hydraulický odpor... 55
2.6.5. Reynoldsovo číslo ... 57
2.6.6. Náběhová délka ... 58
2.6.7. Poměr prodyšnosti se středovým otvorem a bez středového otvoru jako funkce tlaku 59 2.7. Statistické zhodnocení ... 60
2.8. Teoretická predikce prodyšnosti distanční pleteniny pomocí počítačového modelu ... 61
Seznam použité literatury ... 64
Přílohy ... 69
Seznam obrázků
Obrázek 1- Zátažná pletnina ... 16Obrázek 2- Osnovní pletenina ... 16
Obrázek 3- Vzorek distanční pleteniny ... 17
Obrázek 4- Obrázek a schéma osnovního pletacího stroje při tvorbě distanční pleteniny ... 20
Obrázek 5- Schéma proudění vzduchu materiálem ... 24
Obrázek 6 - Měřícího přístroje FX 3300 ... 30
Obrázek 7- Měřícího přístroje Micro CT ... 36
Obrázek 8 - Upraveného měřícího zařízení přístroje FX 3300 ... 41
Obrázek 9- Schéma proudění vzduchu vzorky při měření prodyšnosti v rovině ... 42
Seznam grafů a tabulek
Graf 1 - Vzorek 9806 - Prodyšnost bez středového otvoru - tloušťka při měření ... 47Graf 2 - Vzorek 9806 - Prodyšnost bez středového otvoru - tlakový spá ... 47
Graf 3 - Vzorek 9806 - Prodyšnost se středovým otvorem - tloušťka při měření ... 48
Graf 4 - Vzorek 9806 - Prodyšnost se středovým - tlakový spád ... 48
Graf 5- Vzorek T - Prodyšnost bez středového otvoru ... 49
Graf 6- Vzorek T - Prodyšnost se středovým otovrem ... 49
Graf 7 - Prodyšnost vzorku 9806 ... 50
Graf 8- Prodyšnost vzorku 2801 ... 51
Graf 9- Prodyšnost vzorku O ... 51
Graf 10- Prodyšnost vzorku T ... 52
Graf 11- Prodyšnost vzorku 801 ... 52
Graf 12- Prodyšnost vzorku H ... 53
Graf 13- Porovnání prodyšnosti se středovým otvorem a bez středového otvoru vzorku O.... 54
Graf 14- Vzorek O - vztah prodyšnosti na změně porozity vzorku při různé distanci měření . 54 Graf 15- Vzorek T - vztah prodyšnosti na změně porozity vzorku při různé distanci měření . 55 Graf 16- Vzorek T - Hydraulický odpor bez středového otvoru (v závislosti na tlaku)... 56
Graf 17- Vzorek T - Hydraulický odpor se středovým otvorem ( v závislosti na tlaku)... 56
Graf 18- Vzorek T - Hydraulický odpor bez středového otvoru ... 57
Graf 19- Vzorek T - Hydraulický odpor se středovým otvorem ... 57
Graf 20- Poměr prodyšností jako fce tlaku vzorku O ... 60
Graf 21- Poměr prodyšností jako fce tlaku vzorku T ... 60
Tabulka 1- Rozdělení pletenin ... 16
Tabulka 2 - Popis vzorků firmy Tebo a.s. ... 39
Tabulka 3- Popis vzorků firmy Tylex Letovice a.s. ... 39
Tabulka 4 - Popis povrchové a objemové struktury vzorků ... 43 Tabulka 5 - Popis geometrie monofilů u vzorků ... 45 Tabulka 6 - Vyčísleno Reynoldsovo číslo ... 58
Seznam použitých symbolů a zkratek
M [W] celkový metabolický výkon [W]
L [W] pracovní výkon [W]
ADu [m2] povrch lidského těla
qvedením [W/m2] přenos tepla vedením (kondukcí) qprouděním [W/m2] přenos tepla prouděním (konvekcí) qzářením [W/m2] přenos tepla zářením (radiací)
qins [W/m2] ochlazování nevnímaným odpařováním z pokožky
qresp [W/m2] ochlazování dýcháním
qpersp [W/m2] ochlazování pocením pomocí hlavních potních žláz
qakum [W/m2] změna akumulovaného tepla při náhlé změně teploty prostředí
Re [-] Reynoldsovo číslo
v [m/s] rychlost
r [m] rozměr objektu (poloměr)
u [m2/s] kinetická viskozita tekutiny t [°C] teplota proudící tekutiny
Ω [-] koeficient odporu
A [-] index funkce struktury materiálu
n [-] koeficient charakterizující režim vzduchu λ [-] součinitel třecích ztrát
l [m] délka d [m] průměr
R [Pa.s/m3] hydraulický odpor
Q [m/s] prodyšnost
∆p [Pa] změna tlaku
o [m] obvod
h [m] výška, tloušťka
f koeficient tření
c koeficient laminárního nebo turbulentního proudění k [m2.Pa-1.s-1] součinitel propustnosti vrstvy
S [m2] plocha
le [m] náběhová délka [m]
T [tex] jemnost
ρ [kg/m3] hustota
m [g] hmotnost
V [m3] objem
W [m] šířka
M [kg/m2] plošná hmotnost
μ [-] zaplnění
ψ [-] porozita
nř, ns [-] počet řádků, sloupků
Úvod
Práce se zabývala ověření nové metody měření prodyšnosti v rovinném směru aplikované na distanční pleteniny.
Téma jsem si vybrala díky specifickým vlastnostem distančních úpletů a díky originalitě a jedinečnosti měření prodyšnosti v rovině materiálu. Odvětví prodyšnosti v rovině je specifické pro distanční materiály, kde je zajištěn průchod vzduchu v horizontálním směru.
Prodyšnost distančních pletenin je porovnávána se základními geometrickými vlastnostmi materiálu. Pro vyhodnocení optimalizaci podmínek měření a případné technologické zjednodušení měření byly použity základní statistické metody pro hodnocení významnosti rozdílů měření.
Na začátku práce jsou uvedeny informace týkající se tvorby a použití distančních pletenin, dále základní informace o komfortu textilií spojené s prodyšností a základní informace měření porozity distančních úpletů. Měření prodyšnosti probíhalo na přístroji FX 3300.
Praktická část se zabývá měření distančních pletenin a vyhodnocení výsledků prodyšnosti ve spojitosti s vybranými geometrickými vlastnostmi.
Cílem práce je optimalizovat podmínky měření, zjistit zákonitosti proudění u komplikované struktury distančních pletenin, spočítat Reynoldsovo číslo odhalující typ proudění a zabývat se odlišností výsledků měření distančních pletenin se středovým otvorem a bez středového otvoru.
1. Teoretická část
Teoretická část se zabývá základní charakteristikou distančních pletenin, která je důležitá pro pochopení problematiky proudění vzduchu v rovině distančních úpletů. Dále jsou prezentovány základní poznatky z oblasti komfortu textilií, prodyšnosti a porozity, aby bylo možné odborně zpracovat výsledky měření.
1.1. Pleteniny
Pletenina (latinsky cratis) je plošná textilie vznikající provázáním jedné nebo více soustav nití pomocí proplétání oček. Pleteniny se od tkanin liší zásadním způsobem, a to jak mechanickými vlastnostmi, tak také způsobem výroby, přičemž pleteniny mohou být vyrobeny z jedné nitě nebo soustavy nití (osnovní pletení). Charakteristické vlastnosti pletenin jsou ovlivněny především strukturou a použitým materiálem. Užitné vlastnosti jsou diametrálně odlišné u zátažných a osnovních pletenin. Pleteniny se vyznačují vysokou tažností, pružností a zároveň měkkostí, která je dána jednoduchým propletením oček. Obecně platí, že oblíbenost pletených výrobků vychází z dobré tepelně izolační schopnosti, prodyšnosti a splývavosti, což poskytuje vysoký komfort při nošení. U osnovních pletenin se díky jiné technologii výroby vlastnosti zásadně liší. Zde je směrodatné, jaký materiál a technologie jsou použity při výrobě.
[1] [2]
Pletařské výrobky jsou v současnosti, vzhledem k stále se rozšiřujícímu sortimentu a speciálním užitným vlastnostem, velmi rozšířeným textilním odvětvím. Nejedná se přitom zdaleka pouze o zátažné pleteniny v metráži používané ke konfekčním účelům, kusové výrobky, jako ponožkové zboží, punčochy a rukavice, ale také osnovní úplety, které je možné použít v domácnosti pro dekorativní účely, popřípadě pro krajkové nebo sportovní zboží.
V neposlední řadě jsou zastoupeny také pleteniny pro technické účely, kam patří nejen distanční pleteniny, ale také např. kožešnické zboží. Spotřeba pletených výrobků má stále rostoucí trend, díky svým vlastnostem. Distanční pleteniny, které jsou speciální díky své struktuře, jsou stále více využívány v různých průmyslových odvětvích. Distanční pleteniny jsou mimořádné především díky stlačitelnosti v kolmém směru k ose pleteniny, díky čemuž velice dobře pruží při vyvíjení tlaku. Vzduch 3D pleteninami prochází také v rovině materiálu, díky distanci která je pro materiál vlastní, ale také v kolmém směru. Vlastnosti jsou samozřejmě vždy přizpůsobené požadavkům spotřebitele výrobku. [1] [3]
1.1.1. Základní rozdělení pletenin
Ve většině případů jsou pleteniny vyráběny z jedné soustavy nití, a to příčné soustavy nití (zátažné pleteniny) nebo podélné soustavy nití, což jsou osnovní pleteniny. Soustava nití (v podélném nebo příčném směru) má rozhodující vliv na strukturu a další zpracovatelné a užitné vlastnosti. Rozdělení pletenin je možné přehledně najít v následující tabulce č.1 [2]
Tabulka 1- Rozdělení pletenin
Druh pleteniny Druh vazby
pleteniny
Zátažná Z
Jednolícní ZJ
hladká ZJH odvozené Oboulícní
ZO
hladká ZOH odvozené Obourubní
ZR
hladká ZRH odvozené Interloková
ZI
hladká ZIH odvozené
Osnovní O Jednolícní
OJ
řetízek, trikot, atlas odvozené
Zátažné pleteniny jsou tvořené z příčné soustavy nití. Očka jsou tvořena po řádcích, tudíž je tato struktura snadno paratelná. Na obrázku č. 1 je možné blíže prostudovat strukturu a provázání nití v zátažné pletenině.
Osnovní pleteniny jsou vyrobeny z podélné soustavy nití, což znamená, že očka jsou vytvářena po sloupcích a každé očko je tvořeno ze samostatné nitě. Tato struktura je obtížně paratelná na rozdíl od zátažných pletenin. Obrázek č. 2 poskytuje náhled na jednu z možných struktur osnovní pleteniny, kde je jasně vidět provázání mezi sloupky pleteniny. [1] [4]
Obrázek 1- Zátažná pletnina Obrázek 2- Osnovní pletenina[5]
1.1.2. Distanční pleteniny
Distanční pleteniny (osnovní oboulícní pleteniny) jsou také nazývány 3D pleteniny.
Tato struktura je pletena na osnovních pletařských strojích, kde jsou tvořeny dvě pleteniny (povrch jednotlivých stran může být odlišný), které jsou spojeny monofilem v kolmém směru.
Díky tomu je textilie objemná a tloušťka je také považována za jednu z podstatných geometrických vlastností tohoto materiálu determinující účel použití. Možnosti distance obou povrchů jsou ovlivněny technickými parametry pletacích strojů, vazbou povrchů pleteniny, propletením a hustotou monofilů. (Ukázka distančních pletenin viz obrázek č. 3). Kombinace povrchů pleteniny s distanční vrstvou nabízí velkou škálu možností „sandwichové“ struktury.
I zde jsou vlastnosti ovlivněny strukturou pleteniny a použitým materiálem. Těmito kroky lze ovlivňovat tažnost (v jednom nebo obou směrech), vzhled, omak a hlavně prodyšnost, která je jednou z nejdůležitějších vlastností tohoto typu výrobku. Kompresní vlastnost patří také mezi podstatné specifikace, zde je však významné hledisko použití výrobku. Jestliže je materiál namáhán cyklicky nebo pouze nárazově a další hlediska spojená s touto problematikou. Obecně je možné vyrobit 3D pleteniny o tloušťce od několika mm do 25 milimetrů. Díky rozšíření možností geometrických a mechanických vlastností distančních pletenin stoupá zájem o aplikaci této struktury v různých odvětvích. [6] [7] [8]
Obrázek 3- Vzorek distanční pleteniny
1.1.2.1. Vlastnosti 3D úpletu Mezi hlavní vlastnosti 3D úpletu lze zařadit:
Vysoká prodyšnost – lze ovlivňovat vazbou pleteniny na obou površích, hustotou monofilu v distanční vrstvě a tloušťkou (jemností) použitého materiálu;
Nízká hmotnost v poměru k objemu – velký podíl ve struktuře tvoří vzduch;
Neabsorbuje vlhkost (jednoduchý transport vlhkosti vzorkem od pokožky) – také díky použití syntetického materiálu;
Vysoká pružnost respektive stupeň vratné deformace v kolmém směru;
Jednoduchá tvarovatelnost;
Antialergický a zdravotně nezávadný materiál (nepodporuje výskyt roztočů a plísní).
Všechny zásadní vlastnosti je možné ovlivnit strukturou a materiálem, ze kterého je distanční úplet vyroben. Tuhost a respektive pružnost je možné přizpůsobit správně zvolenou vazbou distančního úpletu (vytvářet otevřenější nebo uzavřenější strukturu), mechanickými a geometrickými (jemnost, popřípadě struktura) vlastnostmi použitého monofilu, v neposlední řadě je důležitým determinantem také hustota použitého monofilu. Tloušťka distančních pletenin hraje důležitou roli ve všech hodnocených vlastnostech, jako je porosita nebo právě prodyšnost.
Distanční pleteniny mají několik specifikací na rozdíl od jiných materiálů, proto je nutné zmínit základní odlišnosti. V mechanických vlastnostech se 3D pleteniny liší například zcela zásadně.
Deformace při stlačení vzorku, kolmo k povrchu, je znatelnější u vzorků s větší tloušťkou.
Změny výšky spojovacích prvků, na které působí síla, jsou nestále, čímž dochází k tzv. zboření pleteniny. Také vliv zatížení na posunutí kompozitu při různých nárazových rychlostech se liší.
Na druhou stranu pružnost a tvarovatelnost tohoto materiálu je příznivá pro různé účely.
Faktorem, který ovlivňuje prodyšnost je porozita, která je spojená s vazbou pleteniny.
Dalším determinantem může být např. materiálové složení vzorku atd. Porozita je jednou z klíčových vlastností zajišťující termo-fyzický komfort oblečení. S vazbou materiálu je spojená také nízká hmotnost v poměru s objemem a také nasákavost. Ve většině případů se pro distanční pleteniny používají syntetické materiály nebo jejich směsi, které velice dobře vedou vlhkost. S materiálovým složením souvisí také zdravotní aspekty týkající se tohoto materiálu, které jsou pozitivní, např. materiál není alergenní. [8] [3] [9]
Tepelné regulační vlastnosti a vysoká prodyšnost distančních pletenin jsou vzhledem k trojrozměrné konstrukci a speciálním vlastnostem, jako je vysoká pórovitost, vynikající transport vlhkosti atd., důležitým determinantem komfortu tohoto materiálu. V 3-D struktuře textilie je izolační vrstva vzduchu je vytvořena mezi dvěma vnějšími povrchy textilie, čímž chrání nositele před účinky tepla, zatímco ve stejnou dobu, zaručuje, že oděv je tak prodyšný a pohodlný. Ochrana před teplem je jednou z pozitivních vlastností tohoto materiálu.
Neodmyslitelnou vlastností distanční pleteniny, která je spojená se strukturou materiálu a prodyšností, je paropropustnost, pomocí které je možné snížit např. způsobení dekubitů.
Prodyšnost distanční pleteniny má silný vliv na schopnost přenosu vlhkosti, která je v distančních pleteninách velmi rychlá. Přenos vlhkosti je tak dokonalý také díky monofilům, které jsou ve většině případů ze syntetických materiálů, které jsou hygroskopické. Podle očekávání vyšší propustnost pro vzduch vede k vyššímu přenosu vlhkosti a ke zvýšení komfortu ve srovnání s jinými materiály. Tloušťka materiálu je důležitým faktorem, jelikož tímto distančním prostorem mohou proudit vodní páry a teplo proudící z jedné strany tkaniny na druhou. Distanční pleteniny jsou považovány za ekologicky šetrné textilní materiály (na rozdíl od polyuretanové pěny). [31] [41]
1.1.2.2. Způsob výroby
3D strukturu lze vytvořit nejen pletením, ale také tkaním. U tkaných 3D struktur se nevyskytuje pouze rovina osnovní a útková, ale přibývá další Z-ová rovina, která tvoří monofily mezi tkanými povrchy. Tkanina je vyráběna dvěma zcela integrovanými jednotkami viz obrázek č. 4. Obě vrstvy tkanin jsou velmi pevně spojeny soustavou nití, které zajišťují stabilní tloušťku materiálu. [10]
Druhou možností tvorby 3D materiálu je pletení. K němu se používají dvoulůžkové osnovní nebo zátažné stroje. Distanční pletenina se tvoří kladením na přední a zadní lůžko, přičemž je možné ovlivňovat vazbu různým kladením. Kladecí přístroje na dvou lůžkách tvoří dvě jednolícní pleteniny, které spojuje třetí kladecí přístroj, který propojuje obě jednolícní pleteniny. Třetí kladecí zařízení provazuje vazbou očka (více používané) nebo je klade pod jehlami, čímž se ovlivňuje hustota monofilu mezi povrchy pleteniny. Na obrázku č. 4 je schematicky zobrazen příčný řez dvojlůžkového osnovního rašlu, kde je 6 kladecích ústrojí (označeno jako guide bar). Konstrukce pleteniny je omezena vzorovacími prvky, kterými je pletací ústrojí schopno plést a tloušťkou, která je ovlivněna maximální vzdáleností lůžek.
Povrch osnovní pleteniny je tvořen z podélné soustavy nití, kde každá z nití má svou pletací jehlu, kdy vždy v jednom kroku je upleten celý řádek, čímž je osnovní technologie mnohem rychlejší než technologie zátažná. Tloušťka distančních pletenin se ovlivňuje distancí dvou pletacích lůžek, přičemž tato vzdálenost musí být vždy větší než požadovaná tloušťka finálního materiálu. Tloušťku je však také možno změnit pomocí napínacích fixačních rámů. Fixační rám se využívá také k úpravě šířky materiálu. Pletenina, která je produkována strojem, je napínána na rám, kdy je roztahována a fixována párou, čímž je rozšířena přibližně dvakrát. Díky roztahování pleteniny a fixačním čelistem vznikají tzv. deformační zóny. Jedná se o kraj
zůstávají v původní neroztažené podobě, navíc se zde liší návlekem kladecích přístrojů. Tato část nepatří do výsledného produktu. [11] [10]
Obrázek 4- Obrázek a schéma osnovního pletacího stroje při tvorbě distanční pleteniny [10]
1.1.2.3. Vazby používané pro 3D pleteniny
Jak bylo řečeno, konstrukce je jedním z důležitých determinantů vlastností pletenin, proto se tato kapitola bude zabývat vazbami povrchů distančních pletenin. Vzorování je ovlivněno kladením, které rozdělujeme na přímé, střídavé a postupné.
Z přímého kladení vznikají vazby řetízkové, kde ve všech řádcích je kladeno na stejnou jehlu. Díky tomu se řetízková vazba používá jako proplet nebo pro zpevnění osnovních vazeb, samotná vazba totiž díky přímému kladení nevytváří plošnou textilii.
Hladké vazby se využívá nejvíce na rubní straně distančních pletenin. Jedná se o jednoduchou jednolícní pleteninu, která je vyrobena z materiálu stejné jemnosti, barvy a druhu.
Tato vazba je oblíbená, jednoduchá a levná varianta na části pletenin, kde nejsou žádné speciální požadavky. [11]
Filetová vazba tvoří vzor pomocí otvorů v pletenině. Otvory se tvoří v místech, kde nejsou nitě vázány se sousedními očky. Velikost otvoru se ovlivňuje délkou řetízku bez přesazení. Další možností je kladení pod jehlami kombinací přímého a střídavého kladení. [11]
Střídavým kladením vznikají trikotové vazby. Jak vyplývá z názvu, kladecí ústrojí klade střídavě na pár jehel, tím vzniká proplet, který má z lícní strany „řetízky“ a z rubní strany je jasně vidět střídavé kladení. Prodloužením kladení o jednu jehlu u trikotové vazby vzniká vazba suknová, kde je očko podloženo vždy jednou spojovací kličkou. Jestliže je trikotová vazba prodloužena o dvě rozteče, jedná se o satén.
Atlasová vazba vzniká postupným kladením v jednom směru a následně po několika řádcích zpět v druhém směru. Počet řádků, kdy se atlas opakuje, je dán charakterem zvolené vazby. Vazbu je možné modifikovat také přidáním nití, čímž vzniknou vazby, kde je kladena více než jedna soustava nití.
Další vzorovací možností je kladení přes dvě jehly. U tohoto vzorování jsou osnovní nitě, které tvoří řádek vedeny přes dvě jehly, což má za následek vytvoření dvou oček spojených platinovými obloučky. [6]
1.1.2.4. Použití 3D pletenin
Spotřeba 3D pletenin stále roste ve všech odvětvích průmyslu. Podle nových požadavků jsou konstruovány distanční pleteniny, kde se dbá na vysoký termofyziologický a senzorický komfort. Nejrozšířenějším současným použitím tohoto materiálu je stále u matracových výrobků, autosedaček, kočárků, lehátek, ale také čalounického zboží obecně, výztuží u batohů, kufrů, pouzder na mobilní telefony, brýlí nebo hudebních nástrojů. Neméně důležitou součástí jsou tyto pleteniny jako komponenty při výrobě převážně sportovní obuvi. Ve sportovním odvětví jsou hojně zastoupeny také ve vybavení pro hokejisty a lyžaře, outdoorových pomůcek – jako např. bezpečnostní úvazy a sedáky pro horolezce a výškové práce, vybavení pro cyklo a moto sport, kde se distanční pleteniny hojně vyskytují jako u výztuže do ochranných přileb, rukavic atd., tlakových bandáží, kompresních obvazů a ortéz ve zdravotnictví, výztuží do spodního prádla, geotextilií. [12] [13] [14] [3]
U sportovní obuvi se používají stélky do bot z distančních pletenin, kde se využívá právě stlačitelnosti, čímž je spotřebiteli zaručena pohodlná chůze. Zde nejsou důležité pouze stélky a jednotlivé vrstvy pod stélkou, ale také vybrat optimální materiál použitý ve stélkách, který by odváděl pot a zaručoval prodyšnost. V tomto případě je důležitý faktor prodyšnosti proudění vzduchu v rovině distanční stélky, který je zesílen pumpovacím efektem při chůzi. [3]
Stále častěji se distanční pleteniny objevují, jako designový prvek obohacující nábytek určený nejen k sezení.
1.1.3. Výrobky, pro které je důležitá prodyšnost v rovině
Existuje však skupina výrobků a zpracování, kdy je prodyšnost v rovině zásadní vlastností.
Nutno je však podotknout, že tímto aspektem komfortu se doposud nikdo nezabýval. Základní podmínka pro proudění v rovině distanční pleteniny je: neprodyšné uzavření alespoň jednoho povrchu pleteniny. Samozřejmě, že vzduch může proudit v rovinném směru i u otevřené
se tento předpoklad vyskytuje u širokého spektra výrobků, jako jsou například postele, které nemají lamelový rošt, ale pevnou desku, kancelářské a společenské židle, které jsou ze spodní strany opatřeny plastovým krytem, částečně se tento problém může vyskytovat také v automobilovém průmyslu a u vložek do bot, kde je prodyšnost ještě posílena pumpovacím efektem při chůzi. Zde nastává také uzavření povrchu stojícím/sedícím/ležícím člověkem, kdy se proudění vzduchu v rovině distančního materiálu jednou z mála možností pohybu vzduchu.
V neposlední řadě mezi tyto výrobky patří také bandáže, které díky připevněním na tělo ztrácí prodyšnost v kolmém směru k materiálu.
1.2. Komfort
Jak uvádí Hes: „ Komfort je stav organismu, kdy jsou fyziologické funkce organismu v optimu, a kdy okolí včetně oděvu nevytváří žádné nepříjemné vjemy. Nepřevládají pocity tepla ani chladu.“ [15]
Komfort je dělen na čtyři základní skupiny:
Psychologický komfort (zahrnuje klimatická, ekonomická, historická, kulturní, sociální a individuální hlediska);
Sensorický komfort (definuje komfort nošení a omak);
Termofyziologický komfort (jedná se o tepelnou rovnováhu vnějšího a vnitřního prostředí tak, aby byl zajištěn komfort jedince);
Patofyziologický komfort (zabývá se problematikou toxických vlivů působící na člověka prostřednictvím oděvů, způsobuje dráždění či alergie). [15]
1.2.1. Sensorický komfort
Sensorický komfort je rozdělen na komfort nošení a omaku. Komfort omaku se zjišťuje na základě informací o povrchové struktuře zvolených textilií, mechanických vlastností, kde rozhodující je rozložení tlaku, a sil v oděvním systému a schopnost textilií absorbovat vlhkost.
Naproti tomu omak je spíše subjektivní záležitostí. Zde je možné zjišťovat základní vlastnosti jako je hladkost pomocí součinitele povrchového tření, smykovou a ohybovou tuhost, která může být definována pomocí splývavosti textilie, objemnost, která se běžně nahrazuje stlačitelností a tepelně kontaktním vjemem. Objektivní hodnocení omaku nabízí systém KES, který vlastnosti textilií hodnotí na základě 15 objektivních charakteristik měření vlastnosti textilií. Systém FOM nabízí také hodnocení omaku textilií, zdaleka však ne v tak širokém
měřítku jako systém KES. Naproti tomu systém Thermo-Labo se zabývá hodnocením tepelného omaku textilií. Termo fyzikální vlastnosti omaku zjišťuje také přístroj Alambeta, který měří teplenou vodivost materiálu, tepelný odpor, teplený tok a tloušťku vzorku. [15]
1.2.2. Termofyziologický komfort
Propustnost vodních par je jednou ze základních vlastností hodnocených v termofyziologickém komfortu. Existuje celá řada měřících zařízení, které hodnotí tento parametr jako Skin model a Permetest. Oba přístroje fungují na principu propouštění vodní páry skrz celofánovou membránu a měří tepelný tok, ze kterého je následně možné spočítat teplený a výparný odpor.
Hes uvádí - Termofyziologický komfort nastává za těchto optimálních podmínek [15]:
- teplota pokožky 33 – 35 °C;
- relativní vlhkost vzduchu 50±10%;
- rychlost proudění vzduchu 25±10 cm.s-1; - obsah CO2 0,07%;
- nepřítomnost vody na pokožce.
Tato diplomová práce se bude dále zabývat pouze termofyziologickou částí komfortu, a to konktrétně problematikou vedení tepla konvekcí.
Člověk funguje na principu vytváření, odvádění a přijímání tepla. Tato tepelná bilance je dána následujícím vztahem:
(M-L)/ADu ± qvedením ± qprouděním ± qzářením – qins – qresp – qpersp ± qakum = 0 (1)
M celkový metabolický výkon [W]
L pracovní výkon [W]
ADu povrch lidského těla podle Duboise [m2], v průměru 1,8 m2 qvedením přenos tepla vedením (kondukcí) [W/m2]
qprouděním přenos tepla prouděním (konvekcí), proudění vzduchu kolem povrchu těla nebo oděvu [W/m2]
qzářením přenos tepla zářením (radiací) [W/m2]
qins ochlazování nevnímaným odpařováním z pokožky [W/m2]
qresp ochlazováním dýcháním [W/m2]
qpersp ochlazování pocením pomocí hlavních potních žláz [W/m2]
qakum změna akumulovaného tepla při náhlé změně teploty prostředí [W/m2] [15]
1.2.3. Přenos tepla vedením
Kondukce neboli přenos tepla vedením nastává, jestliže vznikají tepelné ztráty při kontaktu těla s chladnějším okolím. Jedná se o kontakt pokožky s oblečením nebo odvod tepla chodidly. Teplo je tedy vedeno od teplejšího tělesa k chladnějšímu. Tepelná vodivost je závislá na více proměnných, přičemž mezi základní proměnné lze zařadit tloušťku a plochu vrstvy, která je v kontaktu s pokožkou. Vždy také záleží na materiálu a jeho tepelném odporu. Na podobných principech přenosu tepla funguje také přenos vlhkosti. [15] [47]
1.2.4. Přenos tepla zářením
Tento přenos tepla je v komfortu textilií hlavně interakcí mezi slunečním zářením a lidským tělem, kde je předpoklad, že lidské tělo také vyzařuje určité teplo. Vyzařovat a pohlcovat záření mohou samozřejmě jakékoliv objekty. Kirchhoffův zákon stanovuje, že objekt je tak dokonalým zářičem, jak dovede záření pohlcovat. Ne všechno záření je však pohlceno.
Ztráty vznikají při odrazu tepelného toku nebo při průchodu objektem.
1.3. Proudění
Konvekce neboli přenos tepla prouděním představuje hlavní cíl zájmu této práce. Jedná se o jednu z významných teplotních změn, které vznikají vzájemnou interakcí člověka a okolí.
Transport tepla probíhá pomocí částic tekutin, jak je možné vidět na obrázku č. 5, které se pohybují rychlostí v [m/s]. Vychází se z předpokladu spojitého stejnorodého prostředí, což znamená, že vlastnosti částic jsou stejné nezávisle na poloze a směru působení sil.
Obrázek 5- Schéma proudění vzduchu materiálem
Proudění může být dvojího typu, a to přirozené nebo nucené. Laminární proudění je klidnější než turbulentní. Turbulentní proudění nastává, jestliže Reynoldsovo číslo (Re) přesahuje 2320[-], v tom případě je přenos tepla intenzivnější než při laminárním proudění. [15]
[38].
Reynoldsovo číslo je dáno následujícím vztahem:
Re = 𝑣𝑟
𝑢
(2)
v rychlost proudící tekutiny [m/s]
r rozměr objektu [m]
u kinetická viskozita tekutiny [m2/s] [49]
Reynoldsovo číslo je bezrozměrná veličina. Z charakteru této veličiny je zřejmé, že vznikající víry narušují proudění tím více, čím vyšší bude poměr dynamického tlaku (setrvačná síla) ku třecí síle. Při laminárním proudění částice nekonají pouze posuvný pohyb v proudových vláknech, ale vlivem tření se zpomalují a dochází k víření. Tyto víry při malých rychlostech nejsou významné a proudění se považuje za laminární do jisté kritické střední rychlosti proudění. Při této rychlosti setrvačné síly částic převažují nad třecí silou a proudová vlákna se začnou proplétat, načež vzniká turbulentní proudění. Při turbulentním proudění není stálá rychlost částic. Hodnota Re pro turbulentního proudění je Re > 2320. Turbulentní proudění má vyšší tlakovou ztrátu oproti laminárnímu proudění. Charakter proudění se mění tak významně, že ovlivňuje vzorec pro výpočet tlakové ztráty. Nicméně pokud body leží na stejné přímce, můžeme tok média považovat za laminární. Jestliže je charakter lineární, odpor proti průtoku média je tedy konstantní, samozřejmě se musí jednat o stejný tlakový spád. Turbulence nastává, jestliže se data náhle změní. Pro stejný tlakový spád je střední turbulentní proudění menší než rychlost laminárního proudění. [16]
Toto pojetí proudění je konvenční a vztahuje se na komfort oděvů, z tohoto důvodu se diplomová práce zabývá prodyšností v rovině 3D pleteniny a snaží se nalézt zákonitosti v této problematice.
Během proudění vzduchu pleteninou dochází k deficitům energie, která je nutná k překonání odporu materiálem a počátečních inerciálních sil. Hydraulické odpory jsou tedy všechny ztráty energie, při kterých dochází k rozptylu energie proudící tekutiny. Závislost koeficientu odporu ε na Reynoldsově čísle je definována pomocí Blasiovy rovnice:
Ω = A × 𝑅𝑒−𝑛 (3) Ω koeficient odporu
A index funkce struktury materiálu
n koeficient charakterizující režim vzduchu [33]
Odpor vytvářený tělesy, která vzduch musí obtéci, je možné dedukovat dle součinitele tření, který je závislý na druhu proudění a struktuře materiálu, jímž vzduch proudí. U turbulentního proudění jsou třecí ztráty vyšší než u laminárního proudění. Pro výpočet součinitele třecích ztrát je možné použít Weisbachův vzorec
𝑒𝑧= λ ×1
𝑑 × 𝑣2
2 (4)
λ součinitel třecích ztrát [-] je dán typem proudění
laminárního proudění λ=64Re , turbulentní proudění λ = 0,316
4√Re
l délka potrubí [m]
d průměr potrubí [m]
v rychlost [m.s-1] [17] [38]
Ventilace ochlazuje tělo a odvádí teplo od těla v případě, jestliže oděv je dostatečně prodyšný (propustný pro vzduch). Podmínkou konvekce a ochlazování je chladnější okolní prostředí než zdroj tepla (v našem případě člověk). Prodyšnost, jako velmi důležitý chladící účinek, je vyžadována např. u sportovních dresů, naopak u zimních oděvů je nežádoucí.
Výpočet hydraulického odporu vychází z D`arcyho rovnice (10):
𝑅 = ∆𝑝
𝑄 (5)
R hydraulický odpor [Pa.s/m3] Q průtokové množství [m3/s]
∆p změna tlaku [Pa]
U hydraulického odporu vzorku se jedná o tlakovou ztrátu v objemu vzorku. Jestliže bude vzorek stlačován, prodyšnost se bude snižovat a hydraulický odpor se bude zvyšovat. [15]
[16]
𝑄 = 𝑣. 𝑜. ℎ (6) v rychlost proudění vzduchu [m/s]
o obvod vzorku [m]
h výška vzorku [m]
Změna tlaku v proudícím kanálu může být ovlivněna následujícími vlivy:
∆𝑝 = 𝑓.ℎ.𝜌.𝑣2
2.𝑑 (7)
f koeficient tření
ρ hustota vzduchu [kg/m3] d velikost objektu [m]
𝑓 = 𝑐. 𝑅𝑒𝑛 (8)
c koeficient laminárního nebo turbulentního proudění (c = 64 nebo 1) n koeficient charakterizující režim vzduchu [49]
1.3.1. Vzduch – průtokové médium
Vzduch je směsicí plynů, mezi jeho typické vlastnosti patří tekutost, stlačitelnost a rozpínavost, hustota, viskozita. Vlastnosti vzduchu jsou proměnlivé a je možné je ovlivnit např.
teplotou a vlhkostí. V této práci je snahou dodržet podmínky měření při stejných a jasně daných vlastnostech. Atmosférické podmínky měření: teplota 20 ± 2°C a vlhkost 65 ± 2%. Při teplotě 20°C je hustota vzduchu přibližně 1,2 [kg.m-3]. Viskozita je fyzikální veličina charakterizující vnitřní tření plynů a tekutin, která závisí hlavně na přitažlivých silách mezi molekulami látky.
Čím vyšší je přitažlivost mezi částicemi, tím vyšší je viskozita. Relativní vlhkost je procentuální podíl z maximálního množství vodní páry, kterou by byl schopen pojmout vzduch za dané teploty a tlaku. Čím více je vlhkosti ve vzduchu, tím nižší je hustota vzduchu. To znamená, že se stoupající teplotou a vlhkostí stoupá viskozita a klesá hustota. U obtékání velmi malých těles převládá vliv viskózních sil (třecí odpor) nad tlakovými (nesouměrné rozložení tlaku na povrchu tělesa). [15] [37] [38]
1.3.2. Prodyšnost
Prodyšnost je jednou z nejdůležitějších vlastností textilií. Vliv prodyšnosti na komfort může být podstatný hned z několika důvodů. Prodyšnost materiálu je spojena s paropropustností a odvodem vlhkosti a tepla od těla díky blízkému fyzikálnímu vztahu. Na prodyšnosti také podstatně závisí tepelná izolace nebo odpor materiálu. Vždy záleží na účelu použití, jestli je výsledný materiál konstruován tak, aby byla vysoká nebo naopak nízká prodyšnost. U textilií určených pro technické účely např. filtrační materiál je nutná prodyšnost, ale zároveň kvalitní filtrace průchozího vzduchu, dalším důležitým odvětvím je sportovní oblečení, airbagy do automobilů nebo parašutismus. Zde všude je třeba prodyšnost posuzovat. V případě, kdy je struktura neprodyšná, může zachránit nositele oblečení při extrémních podmínkách.[15] [18]
[19] [30]
Prodyšnosti odpovídá tlaková ztráta, která vznikla při průchodu textilií. Prodyšnost je definovaná jako rychlost proudění vzduchu kolmo na testovaný vzorek při stanovených podmínkách zkušební plochy, tlakovém spádu a času.
Jestliže však zabráníme vzduchu nebo následně vlhkosti prostup v kolmém směru, tak se tyto média budou snažit pokračovat v pohybu jiným směrem – ve směru rovinném. [15] [18]
[19]
1.3.3. Ovlivnění prodyšnosti
Vysokou prodyšnost lze ovlivňovat vazbou a tloušťkou materiálu. Všechny zásadní vlastnosti je možné ovlivnit strukturou a materiálem, ze kterého je distanční úplet vyroben.
Tuhost respektive pružnost je možné přizpůsobit správně zvolenou vazbou distančního úpletu (vytvářet otevřenější nebo uzavřenější strukturu), mechanickými a geometrickými (jemnost, popřípadě struktura) vlastnostmi použitého monofilu, objemem materiálu a v neposlední řadě je důležitým determinantem také hustota použitého monofilu. [9]
Tloušťka materiálů hraje důležitou roli ve všech hodnocených vlastnostech, jako je porosita nebo právě prodyšnost. Prodyšnost (klasicky měřená podle normy) je nepřímo závislá na tloušťce materiálu, protože roste kompaktnost a klesá možnost průchodu vzduchu volnými místy. U měření distančních pletenin také prodyšnost závisí na tloušťce materiálu, ale podmínky jsou opačné. Čím je materiál vyšší, tím více vzduchu může proudit podélným směrem a je tedy prodyšnější. Samozřejmě zde hrají roli také strukturální vlastnosti materiálu, které tuto problematiku značně komplikují. Porosita je jednou z klíčových vlastností, které ovlivňují proudění vzduchu pleteninou. Prodyšnost je přímo úměrná porozitě. S tím jsou
spojené další primární vlastnosti pletenin. Zatím však nebyla zkoumána závislost na 3D pleteninách v rovinném směru. Dalším omezením je specialita struktury vzorku. Jak již bylo potvrzeno [42] u otevřených textilních struktur, korelace mezi prodyšností a stavebními prvky materiálu nejsou tak silné. [3] [34] [42]
1.3.4. Měření prodyšnosti
Prodyšnost textilií je měřena přístrojem FX 3300 viz obrázek č. 6 Tento plně automatizovaný digitální přístroj je vhodný pro testování všech druhů textilních materiálu (od hustých technických textilií až po řídké netkané textilie). FX 3300 měří na základě tlakového rozdílu (nejčastěji 100 Pa), který je vytvářen na textilii, a následně je měřen průtok vzduchu textilií. Přístroj měří nedestruktivní metodou na ploše 5 cm2, 20 cm2, 50 cm2 nebo 100 cm2. Tlakový spád je možno nastavit s rozsahem 50 Pa, 100 Pa, 200 Pa, 300 Pa, 400 Pa a 500 Pa.
Princip měření je následovný: Vakuová pumpa nasává vzduch skrz zaměnitelnou testovací hlavu s kruhovým otvorem. Vzorek se upíná přes otvor testovací hlavy stlačením upínacího ramene se spustí vakuové čerpadlo. Předem zvolený zkušební tlak je automaticky zachován, a po několika sekundách průvzdušnosti zkušebního vzorku je digitálně zobrazen výsledek v předem zvolené měrné jednotce. Zatlačením upínacího ramene podruhé se zkušební vzorek uvolní a vakuová pumpa se uzavře. Vysoká stabilita a přesnost snímače tlaku poskytují vynikající přesnost měření a reprodukovatelnost výsledků testů. Správnou funkcí a kalibraci přístroje lze zkontrolovat během několika sekund prostřednictvím kalibrční desky. [19]
Existuje několik standardů, které mohou být použity pro měření prodyšnosti za různých testovacích podmínek. Výsledky jsou běžně uváděny v jednotkách mm/s nebo podle neplatné normy ČSN EN ISO 9237. Tuto problematiku ošetřuje také interní norma TUL č.33-302-01/01.
Další normou, která řeší prodyšnost, je norma ČSN EN ISO 9073-15 - Textilie - Metody zkoušení pro netkané textilie - Část 15: Zjišťování prodyšnosti. Mezi mezinárodně uznávané normy patří také: ASTM D 737-96 – Standard Test Method for Air Permeability of Textile Fabrics, ASTM F 2298-03 Standard Test Methods for Water Vapour Diffusion Resistance and Air Flow Resistance of Clothing Materials Using the Dynamic Moisture Permeation Cell, ASTM D 6476 Standard Test Method for Determining Dynamic Air Permeability of Inflatable Resistaint Fabrics, BS 3424-16:1995 Testing Coated Fabric – Part 16: Method 18.
Determination of Air Permeability.
Principem použité normy ČSN EN ISO 9237 je neprodyšně upnout pleteninu tak, aby nebylo možné vsakování vzduchu mezi vzorkem a hlavicí. Vzduch je vsakován pouze kolmo
hodnocení prodyšnosti je dodržet stejné podmínky měření, a to hlavně tlakový spád a zkoušenou plochu. Také je nutné dodržet stejné podmínky vlhkosti vzorku. Výsledky McCullough výzkumu prokazují vliv vlhkosti na prodyšnost. Dalšími faktory, které mohou ovlivnit prodyšnost jsou například: konečná úprava textilie, různorodost textury povrchu vzorku, zákruty příze, porozita. [15] [18] [20] [30]
Obrázek 6 - Měřícího přístroje FX 3300 [21]
1.3.5. Faktory ovlivňující prodyšnost vzorku
Existuje několik faktorů ovlivňující prodyšnost (primárně v rovinném směru proudění vzduchu) základními jsou vlasti monofilů a geometrické vlastnosti vzorku.
1.3.5.1. Náběhová délka
Základní podmínkou zobecnění vztahu proudění materiálem je vycházet z případů, u kterých měření nebylo ovlivněno zkreslujícími vlivy. Zkreslující faktory jsou spojeny s vyšetřovaným fyzikálním procesem a jejich zkreslující vliv je nutno chápat jako důsledek nedostatečných znalostí vyšetřovaného procesu:
přechodová oblast proudění;
náběhový úsek hydrodynamický;
náběhový úsek teplotní;
neisotermičnost prouděni;
Pod pojmem "hydrodynamický náběhový úsek" (neboli náběhová délka) se rozumí část kanálu za vstupem, viz obrázek příloha č. 17, ve kterém dochází k vývoji rychlostního profilu od počátečního profilu až po profil plně vyvinutý. Není tedy možné počítat teoretické proudění vzduchu materiálem, než se plně rozvine náběhová délka. Délka náběhového úseku závisí na
hydrodynamickém režimu, geometrii kanálu, tvaru vstupu. Pro vyrovnaný rychlostní profil byl teoreticky odvozen vztah:
𝑙𝑒 = 0,06. 𝑅𝑒. ℎ (9)
le náběhová délka [m]
Re spočítaná hodnota Reynoldsova čísla [-]
h výška pleteniny (průtokového kanálu) [m]
V případě turbulentního proudění má rozhodující vliv na délku náběhového úseku tvar vstupu do kanálu. Tento tvar rozhoduje o tom, zda při vývoji rychlostního profilu mezní vrstva bude od počátku turbulentní nebo zda na počátku kanálu bude nejprve laminární a teprve v určité vzdálenosti od vstupu přejde v mezní vrstvu turbulentní. Z toho důvodu výsledky Reynoldsova čísla vykazují turbulentní proudění, avšak v grafu výsledky prodyšnosti mají charakter spíše laminárního proudění. Ve většině případů není náběhová délka zcela rozvinutá.
Obecně platí, že čím je vstup aerodynamicky hladší, tím je náběhový úsek delší. Je zřejmé, že ustálení rychlostního profilu v přechodové oblasti vyžaduje délku kanálu odpovídající několika stům průměrům vzorku. Byla vyhodnocena délka náběhového úseku z průběhu statického tlaku podél kanálu, přesněji řečeno ze srovnání skutečného rozložení tlaku s lineárním průběhem, který byl proložen experimentálními body v oblasti bez patrného vlivu náběhového úseku. [46]
1.3.5.2. Vlastnosti monofilů
Monofily uvnitř vzorku jsou základním stavebním prvkem distančních pletenin, který má vliv na prodyšnost v rovinném směru.
Simplifikujícím znakem je středové proudění vzduchu. Vzduch proudí cestou nejmenšího odporu, proto je ve výpočtech teoreticky předpokládáno, že proudí přibližně středem pleteniny.
Základní vlastnosti monofilů:
Použitá surovina – u distančních pletenin se využívají převážně syntetické materiály, ale i ty se liší svými vlastnostmi, které je také možné modifikovat.
Tvar monofilu – v distančních pleteninách se téměř výhradně používají monofily s kruhovým průřezem, je však nutné vzít tento parametr v potaz.
Průměr monofilu – velikost monofilu je zásadní při měření prodyšnosti v rovině. Monofil tvoří pomyslný válec a je možné jej odvodit. Výpočet průměru je následující:
𝑑 = √𝜋𝜌4𝑇 (10) d průměr monofilu [m]
T jemnost monofilu [tex]
ρ hustota vlákna [kg/m3]
Přičemž jemnost je možné vypočítat, jako délkovou hmotnost.
𝑇 = 𝑚
𝑙 (11)
T jemnost příze [tex]
m hmotnost monofilu [g]
l délka monofilu [km] [1]
Objem monofilu ve vzorku distanční pleteniny
𝑉 = ∑𝑛𝑖=1𝑉𝑖 (12)
Vi objem monofilu [m3] V objem všech monofilů [m3]
𝑉𝑖 = 𝑠 × 𝑙 (13)
l délka monofilu [m]
Délka monofilu – není možné předpokládat, že délka monofilu ve vzorku je stejná jako výška vzorku. Monofily jsou v pletenině vždy pod určitým úhlem, čímž je použito na objem mnohem více materiálu. S tím je spojené zvýšení třecí plochy na rozdíl od předpokladu tyčkového objektu. Tento parametr je možné určit pomocí obrazové analýzy, kdy je nutné vypreparovat monofily z vzorku (např. pomocí opakující se vazby) nebo pomocí CT objemové analýzy. [35]
Sklon monofilů – sklon monofilů je možné spočítat dle následujícího vztahu.
𝜃 = tan−1 ℎ
𝑊 (14)
h tloušťka distanční pleteniny [mm]
W šířka segmentu [mm] [41]
Stupeň sklonu vláken je přepokládán pro všechny monofily stejný. Ve skutečnosti je to tak, že monofily jsou v různých směrech pohledu na pleteniny různé. Jestliže pozorujeme vzorek z jedné strany, všechny monofily jsou pod stejným úhlem. V případě že tento vzorek
otočíme o 90° v ploše, tak jsou monofily k sobě křížem. Z tohoto postavení monofilů je spočítán celkový stupeň sklonu monofilů.
1.3.3.3. Geometrické vlastnosti vzorku
Geometrické vlastnosti se mohou vztahovat k vzorku celkově, ale také pouze k určitým segmentům, jako jsou např. monofily. Tato problematika již byla probrána v kapitole Vlastnosti monofilů.
Plošná hmotnost byla zjišťována podle normy ČSN EN 12127. Velikost vzorku 10x10cm se zváží a následně podle vzorce (20) se vypočítá plošná hmotnost. [25]
𝑀 = 𝑚
𝑆 (15)
M plošná hmotnost [kg/m2]
m hmotnost zkušebního vzorku [kg]
S plocha zkušebního vzorku [m2] [25]
Objemová hmotnost - je poměr plošné hmotnosti k tloušťce materiálu. Určuje hustotu materiálu, tedy kolik vzduchu se nachází ve struktuře.
𝜌 = 𝑚
𝑉 = 𝑚
𝑆×ℎ= 𝜌𝑠
ℎ (16)
ρ hustota vzorku [kg/m3] m hmotnost textilie [kg]
V objem textilie [m3] h tloušťka vzorku [m]
ρs hustota materiálu [kg/m3] [36]
Tloušťku lze vyjádřit jako vzdálenost mezi lícem a rubem zkoumaného materiálu. Tloušťka je zjišťována měřením bez přítlaku upnutím materiálu mezi dvě čelisti, tak aby nedocházelo k deformaci měřeného materiálu. Měřením tloušťky se zabývá norma ČSN EN ISO 5084. Pro účely diplomové práce byla tloušťka měřena na Alambetě. [27]
Zaplnění – v tomto případě je uvažováno o vnitřní struktuře vzorku. Je možné jej odvodit od vztahu zaplnění monofily ve středové části vzorku od zaplnění příze, kde je zjišťován objem vzduchu mezi vlákny.
Objemové zaplnění je počítáno zaplnění z pomyslného hranolu, kde celkový objem je rozdělen na objem vláken a objem vzduchu. Toto zaplnění je vyjádřeno vztahem:
𝜇 = 𝑉
𝑉𝑐 (17)
μ zaplnění [-]
V objem vláken (monofilů) [m3] Vc celkový objem [m3] [26]
Vztah je možné rozšířit o další parametry, které je možné upravit pro pletené výrobky:
Ѱ =𝑉𝑐
𝑉𝑡 = 1 −
𝑛ř𝑇(1+𝑑ř)
𝜇ř +𝑛𝑠𝑇(1+𝑑𝑠) 𝜇𝑠
𝜌ℎ (18)
ρ hustota vláken [kg/m3] h tloušťka nitě [m]
nř, resp. ns počet řádků, sloupků [1/m]
T jemnost použitých nití [tex]
dř resp. ds ekvivalentní průměr nití [m]
µř, resp. µs zaplnění [-]
Oba modely pracují s idealizovaným řešení porosity na základě přijetí předpokladu o zanedbání mezivlákenných pórů. [28]
Vazba vzorku – této problematice se věnuje kapitola 1.1.2.3. Vazby používané pro 3D pleteniny a s ní spojena také hustota monofilů, hustota řádků a sloupů.
1.4. Porozita
Jednou ze základních definic porozity je poměr objemu pórů a objemu vzorku, přičemž získaný poměr závisí především na použité metodě. Výsledek porozity závisí také na velikosti molekul použitého adsorbátu (v tomto případě vzduchu). Výsledná hodnota porozity tedy není čistě fyzikální vlastnost měřeného vzorku. Ovlivňování porozity je významný úkol při výrobě např. průmyslových adsorbentů, atd. Komplikovanost a rozmanitost porézních materiálů vedla k aplikaci mnoha experimentálních technik pro jejich charakterizaci. Porozita pletených struktur je větší než tkaných struktur, což je to dáno fyzikálními vlastnostmi, jako je velikostmi pórů, hustota materiálu, hydroskopické vlastnosti, tepelná vodivost. Mnoho hlavních aplikací,
a tedy i důležitých metod, je založeno právě na adsorpci plynu. Stlačením se mění porozita i prodyšnost, která je s porozitou úzce souvisí. [22] [32]
Pomocí systému analýzy (plošná analýza) obrazu NIS – Elements je možné snímat distanční pleteniny. Snímání probíhá pomocí oblasti zájmu – ROIs, kde se snímání zaměřuje jen na část obrazu. Tuto oblast lze definovat jedním či více ROI (z anglického Region of Interest). Když je oblast zájmu aktivována, analýzy se provádí pouze uvnitř a zbytek obrazu je ignorován. V případě obrazů s časovou sekvencí (ND soubor) je možné jednotlivé ROI definovat jako „Globální“ nebo jako pohyblivé. Tímto způsobem je možné nasnímat a proostřit celou pleteninu a následně poskládat obraz z ND sekvencí. Vzhledem k tomu, že distanční pleteniny jsou trojrozměrné, není možné uspokojivě použít obrazovou analýzu. Výsledky neodpovídají skutečné porozitě. [23]
Stanovení porozity podle podílu měrných hmotností je také pro tento materiál nepřesná metoda. Byly spočítány teoretické porozity u několika vzorků a výsledky se liší od naměřených hodnot. Tento teoretický vztah se po porovnání skutečně naměřených výsledků objemové porozity rozchází s teoreticky určenými hodnotami. Teoretické určení porozity je možné popsat dle následujícího vztahu:
𝜓 = 1 − µ (19)
ψ porozita [-]
µ zaplnění [-]
1.4.1. Objemová porozita
Optimálním řešením je měření objemové porozity pomocí Micro CT. Skyscan 1174 (obrázek č. 7), který patří pod KOD je kompaktní, rentgenový tomograf skener pro nedestruktivní trojrozměrnou mikroskopii. Nabízí rentgenovou radiografii, tomografické rekonstrukce, 3D-rekonstrukce, 2D / 3D kvantitativní analýzy a modelování. Hlavními oblastmi použití je snímání kovové pěny, plastů, kompozitů atd. Mikrotomografie používá podobnou techniku jako rentgenová tomografie používaná v medicíně (CT), ale s jemnějším rozlišením.
Vícenásobné 2D rentgenové obrazy jsou uloženy, zatímco se vzorkem detektor otáčí. Vnitřní konstrukce je rekonstruována jako série 2D průřezů, které jsou pak použity k analýze dvou a trojrozměrných morfologických parametrů objektu. Tento proces je nedestruktivní a nevyžaduje žádnou speciální přípravu vzorku. Skyscan 1174 Microtomograph může získat obraz z 6 mikronů velikostí pixelu. Rentgenové paprsky vznikají mezi rozžhavenou katodou (-
je velmi vysoká, a to díky napětí (20-50 kV) mezi elektrodami. Elektrony dopadající na anodu se částečně přeměňují na teplo a částečně na rentgenové záření. Načež rentgenové záření ionizuje okolí a způsobuje světelné jevy. Záření prochází materiálem a je podle materiálu do určité míry pohlcováno. CT scanner používá rentgenového záření k získání dvourozměrného obrazu, který se poté použije pro trojrozměrnou rekonstrukci. [24]
Obrázek 7- Měřícího přístroje Micro CT [24]
1.5. Představení firem
Vzorky k měření byly poskytnuty od předních výrobců distančních pletenin v České republice.
1.5.1. Tebo
Firma Tebo, a.s. je společnost, která se zabývá nejen úplety, ale také tkaninami a jejich následnými úpravami. Disponuje vlastní přádelnou, barevnou, tkalcovnou, pletárnou a linkou na laminaci materiálů. V rámci udržení kvality firma disponuje několika certifikáty: Certified Manufacturer for NanoSphere – Technology, Certified producer semi-parts according sttringent Sanitized license standard, Certifikát EN ISO 9001 : 2008 ( Project, development, production and sale of textile product), Confidence in textiles – Teted for harmhul substances according to Oeko-Tex Standard 100 (podle ISO 17050-1). Vzorky viz tab. 2 byly pleteny na rašlových strojích, přičemž Tebo a.s. je schopno vyrobit pleteniny o plošné hmotnosti od 150 po 500 g/m2. [14]
1.5.2. Tylex Letovice, a.s.
Společnost Tylex se orientuje na výrobu domácích dekoračních pletenin např. záclon, závěsů, ubrusů, pevné a elastické krajky nebo technické textilie, kde hlavními jsou například
technické síťoviny a 3D distanční úplety. V současné době se distanční úplety staly neméně důležitým sortimentem, kterým se Tylex a.s. zabývá. 3D osnovní pleteniny viz tab. 3 byly vyráběny na dvoulůžkových osnovních pletacích strojích. Technická vybavenost stroji Liba DG 506 – 9 DPLM, které se používají pro tento typ výrobků, nabízí firmě Tylex možnost nastavení rozestupu lůžek od 2 do 30 mm. Je nutné si uvědomit, že tloušťka následného materiálu je nižší.
Možnosti vzorování lze ovlivnit šesti kladecími přístroji. Materiál je vyráběn v metráži, se kterou se dále pracuje. V rámci dodržování zdravotnických a ekologických norem splňuje standardy certifikátu Öeko-tex požadavky normy ČSN EN ISO 9001:2009. [9]
2. Experimentální část
V tomto oddílu se bude práce zabývat konkrétní problematikou prodyšnosti v rovině distančních pletenin. Cílem bylo prozkoumání proudění vzduchu v rovině distanční pleteniny, kde díky odděleným povrchům pleteniny vzniká prostor pro vzduchovou ventilaci.
2.1. Návrh experimentu
Prodyšnost se měří na přístroji FX 3300. V tomto experimentu se budeme zabývat prodyšností v rovině, to znamená, že není možné dodržet základní předpoklady pro měření dle normy ČSN EN ISO 9237.
V rámci této publikace budou určeny vhodné podmínky a optimalizace nové měřící techniky tak, aby bylo možné dosáhnout správných výsledků.
Studie materiálu se neomezuje pouze na prodyšnost, ale je také vztažena k porozitě.
Tyto dvě problematiky spolu tedy neodmyslitelně souvisí.
Zhodnocení naměřených dat objasní problematiku proudění vzduchu v rovině textilie.
Po optimalizaci měření a objasnění problematiky proudění vzduchu vzorkem, bude možné navrhnout další postupy pro zkoumání materiálů.
Metoda měření prodyšnosti v rovině, byla pouze použita na distančních pleteninách.
Výsledky je možné aplikovat v několika textilních odvětvích, jako jsou potahy na automobilová sedadla, potahy kancelářských židlí, které jsou ze spodu neprodyšně uzavřena většinou plastovým výliskem, zdravotnické bandáže, vložky do bot, kde je proudění vzduchu posíleno pumpovacím efektem při chůzi, matrace, kde není pod matrací lamelový rošt, ale jednolitý materiál.
2.2. Zkoumané vzorky
Zkoumané vzorky poskytly společnosti Tebo a.s. a Tylex Letovice a.s. Zkoumány byly různé druhy distančních pletenin, které se lišily tloušťkou a strukturou. Vzorky byly vyrobeny ze stejného materiálu – 100% polyester. Pro experiment byly zvoleny různé tloušťky a vazby, aby bylo možné porovnat rozdíly toku vzduchu uvnitř distanční pleteniny. Všechny vzorky byly klimatizovány dle normy ČSN EN ISO 139 24 hodin v klimatizační komoře před měřením s atmosférickými podmínkami: teplotou 20 ± 2°C a vlhkostí 65 ± 2%. Další specifikace materiálů je uvedena v tabulce č. 2 a 3.
