Funkčnost bariérových textilií po simulovaném kombinovaném cyklickém
namáhání
Diplomová práce
Studijní program: N3106 – Textilní inženýrství
Studijní obor: 3106T017 – Oděvní a textilní technologie Autor práce: Bc. Jana Mádlová
Vedoucí práce: Ing. Katarína Zelová, Ph.D.
Functionality of barrier textiles after simulated combined cyclic stress
Master thesis
Study programme: N3106 – Textile Engineering
Study branch: 3106T017 – Clothing and Textile Engineering
Author: Bc. Jana Mádlová
Supervisor: Ing. Katarína Zelová, Ph.D.
vstřícnou domluvu při testování výšky vodního sloupce.
Můj vděk patří i mé rodině a přátelům za psychickou podporu, kterou mi poskytli během psaní této práce. Své sestře Ing. Elišce Mádlové děkuji za zapůjčení fotoaparátu pro vytvoření kvalitní dokumentace.
V neposlední řadě bych ráda poděkovala svému příteli Richardu Matoušovi za pomoc při realizaci této práce a jeho trpělivost a ochotu, kterou mi věnoval během tvorby. Jeho cenné rady, mi pomohly tuto práci neustále zlepšovat.
Děkuji.
Anotace
V diplomové práci se zkoumá funkčnost bariérových textilií po simulovaném kombinovaném namáhání. K řešení dané problematiky bylo využito metody dutého válce (dle ČSN 82 0871), která běžně slouží pro oděvní materiály. Byl zkonstruován prototyp zařízení M1 a sestavena metodika práce s ním. Podstatou práce bylo zkoumání poklesu výšky vodního sloupce a propustnosti vodních par v závislosti na počtu deformačních cyklů u bariérových materiálů. Závěr práce spočívá ve vyhodnocení degradace materiálů dle mikroskopické analýzy. Přínosem práce je vznik nového zařízení pro simulaci cyklického mačkání M1. Zařízení M1 obstálo vysokému počtu deformačních cyklů a byla ověřena jeho funkčnost.
Klíčová slova: bariérové materiály, kombinované cyklické namáhání, metoda dutého válce, vodní sloupec, mačkavost
Annotation
The master thesis explores the functionality of barrier textiles after simulated combined stress. To solve this issue, the hollow cylinder method was used (according to ČSN 82 0871), which is commonly used for garment materials. The M1 prototype was constructed and a methodology has been developed to work with it. The principle of the work was the study of the decrease of water column height and water vapor permeability depending on the number of deformation cycles in barrier materials. The conclusion of the thesis is to evaluate the degradation of materials according to microscopic analysis. The benefit of this thesis is the creation of a new device for simulating cyclic crushing M1. The M1 device has stood a high number of deformation cycles and has been tested for its functionality.
Keywords: barrier materials, combined cyclic loading, hollow cylinder method, water column, crunching
1.1.2 Charakteristika a druhy používaných membrán ... 17
1.1.3 Mikroporézní membrány ... 19
1.1.4 Hydrofilní membrány ... 20
1.2 Testování bariérových textilií a outdoorových výrobků ... 22
1.2.1 Metody testování bariérových textilií ... 22
1.2.2 Testování outdoorových výrobků ... 23
2 Přehled zařízení pro deformaci povrstvených, kožených a jiných materiálů ... 27
2.1 Charakteristika a princip testování cyklického namáhání ... 27
2.1.1 Cold Flex temperature Tester ... 27
2.1.2 Gelbo Flex test ... 28
2.1.3 CrumpleFelx Tester TF 11C a XHF-44C Fabric ... 30
2.1.4 Schildknecht flex tester TF11B ... 30
2.1.5 Flex Durability ASTM F392 ... 31
2.1.6 Combination Flex Tester ... 31
2.1.7 Ross Flexing tester PRF-6 ... 32
2.2 Shrnutí poznatků a porovnání metod pro stanovení odolnosti vůči cyklické deformaci textilií ... 32
3 Experimentální část ... 40
3.1 Návrh a realizace zařízení pro simulaci cyklického mačkání ... 40
3.1.1 Fáze 1: Vytvoření nosné konstrukce ... 44
3.1.2 Fáze 2: Upevnění kladkového systému ... 45
3.1.3 Fáze 3: Dokončovací práce ... 46
3.2 Stanovení metodiky testování pomocí prototypu zařízení pro simulaci cyklického mačkání ... 48
3.3 Charakteristika testovaných bariérových materiálů ... 51
3.4 Experimentální hodnocení ... 55
3.4.1 Cyklická deformace ... 55
3.5 Laboratorní hodnocení ... 64
3.5.1 Testování výšky vodního sloupce ... 64
3.5.2 Propustnost vodních par ... 68
3.6 Mikroskopické hodnocení ... 70
4 Diskuze výsledků ... 76
5 Možnosti dalšího výzkumu ... 79
Závěr ... 80
Použitá literatura ... 81
Seznam obrázků ... 84
Seznam tabulek ... 86
Přílohy ... 88
Příloha č. 1: Zařízení M1 ... 89
Příloha č. 2: Použité materiály ... 92
Příloha č. 3: Plošná hmotnost a tloušťka materiálů ... 95
Příloha č. 4: Práce v TZU ... 97
Příloha č. 5: Permetest hodnoty P [%] a Ret [m2. Pa.W-1] ... 101
Seznam obrázků příloh ... 104
Seznam tabulek příloh ... 104
Elektronická příloha A: Zařízení pro testování cyklické deformace ... 105
Elektronická příloha B: Návod pro časovač a tachometr ... 105
2L1 materiál Entrant (světle šedá)
2l2 materiál Dermizax (tmavě šedá)
2L3 materiál Dermizax (oranžová)
3L1 materiál Gelantos (žlutá)
ASTM American Society for Testing and Materials
cca přibližně
cm centimetry
ČSN Česká technická norma
d průměr
DWR Durable Water Repellency
EN Evropská norma polytetrafluoroethylenu (ePTFE)
g gram
hod hodina
I proud [A]
ILPS Inter Link Packaging Solutions
ISO International Organization for Standardization
Kč koruna česká
KDO katedra oděvnictví
kg kilogram
KHT katedra hodnocení textilií
M měřítko zmenšení
m/H20 metr vodního sloupce
m/s metr za sekundu
M1 prototyp zařízení pro simulaci cyklického mačkání
min minuta
mm milimetry
nm newton metr
o obvod
P relativní propustnost vodních par [%]
PES polyester
PTFE polytetrafluoretylen (teflon)
PUR polyuretan
Ret odolnosti vůči vodním parám [m2. Pa. W-1]
s sekunda
SEM rastrovací elektronový mikroskop
SM světelná mikroskopie
TUL Technická Univerzita v Liberci TZU Textilní zkušební ústav
U napětí [V]
kole, běh).
Diplomová práce je zaměřena na metody pro namáhání oděvu a bariérových materiálů v průběhu nošení. Navrhuje novou metodiku testování pro simulaci cyklického mačkání, která vychází z metody dutého válce ČSN 80 0871. Stanovení mačkavosti pomocí dutého válce. Metoda dutého válce je statická, jedná se o ruční zařízení, které ale slouží pro oděvní materiály. Při této metodě je materiál zkroucen a po určitý čas zatížen, následně se vyhodnocuje jeho zmačkání pomocí porovnávání s etalony.
Vhodná zkouška simulující namáhání oděvu v průběhu nošení by měla být dynamická a měla by kombinovaně namáhat materiál v krutu, tahu, smyku a tlaku. Tyto požadavky splňuje nově zkonstruované zařízení pro simulaci cyklického mačkání M1 vycházející z ČSN 80 0871. Inovací došlo k mechanizaci zdvihu a k poklesu horní hlavice zařízení pro metody dutého válce.
Vyhodnocení práce se zabývá vlivem počtu deformačních cyklů materiálu na výšku vodního sloupce a propustnosti vodních par. V rámci laboratorního hodnocení proběhlo několik zkušebních testů pro zkoušku tlakem vody a propustnosti vodních par na TUL (KDO, KHT). Další měření výšky vodního sloupce proběhlo v Textilním zkušebním ústavu v Brně. Výzkum je zakončen mikroskopickou analýzou, která hodnotí deformaci materiálu.
1 Charakteristika a přehled bariérových materiálů dostupných na českém trhu
Bariérové materiály mohou být několikavrstvé, mezi jednotlivými vrstvami jsou membrány, které spoje proces laminace. Membrána je v podstatě vysocefunkční bariéra, která odděluje dvě média. Slouží k brzdění či zastavení transportu různých látek. Tato technologie umožňuje materiálu nepropouštět vodu z lícní strany do rubní, zároveň má však vysokou propustnost vodních par v opačném směru, extrémní odolnost mrazu, jedinečnou stálost při pohybu a životnost.
Pro outdoorové materiály se používají tkaniny i pleteniny. Pleteniny mají zastoupení zejména pro tepelně izolační vrstvu a odvádějí pot od těla, jsou častěji preferovány jako materiál pro sportovní oblečení z důvodu elasticity a jemnosti. V současné době na trhu převažují zejména syntetické materiály jako polyester, polyamid, polypropylen, polyuretan a akryl. Jedná se o 100% materiály nebo jejich směsi. Stále jsou využívána i přírodní vlákna – zejména vlna, bavlna, viskóza a len. Jako zajímavost výrobci uvádějí např. bambusovou viskózu. Mezi nejčastěji použité technologie patří softshell, coolmax, polartec, a thermocool. Čeští výrobci také často zmiňují zipy značky YKK a hydrofobní úpravu DWR (Durable Water Repellency).
1.1 Druhy bariérových textilií pro outdoorové oděvy
Následující Tabulka 1 zobrazuje přehled nejznámějších firem specializujících se na sportovní oblečení, obuv, stany, spacáky a doplňkový sortiment v České republice.
Jedná se o společnosti: AlpinePro, Bollgear, Direct Alpine, Envy, Gemma, Hannah, Hight point, Husky, Lasting, Loap, Mill, Moira, Nordblanc, Pingu, Pinguin, Progress sports wear, Rejoice, RucSportswear, Sensor, Silvini a Tilak.
Shrnutí obsahuje místo výroby firmy, sortiment, druhy membrán a materiály.
Z přehledu firem vyplývá, že často používané membrány jsou většinou neporézní:
Nanomax, Diaplex, Ezanagi, Gelantos, Sympatex, Climatic Elements. Zastoupení mikroporézních membrán není tak široké: Gore-Tex a Restex.
Hannah Čína i další země Asie oblečení, funkční prádlo, boty, batohy, stany, spací pytle, doplňky
Climatic Element Restex
Arlite, Izotherm, Merino, Polarsoft, Primaloft, Polarsoft, Softshell, YKK, DWR
Hight Point ČR oblečení, doplňky Dermizax, BlocVent Climashield, Thermocool, tecnowool, Tecnopile Basic, strongflex, softsheel, scholler, Ultra-Sil, Polartec, Out last, No wind, Dry Keep,
YKK
Husky Čína oblečení, funkční prádlo, batohy,
stany, spací pytle, doplňky a další vybavení
Aquablock Softshell, Huskytech, Cooldry
Loap Čína, Indie, Pákistán,
Bangladéš, ČR oblečení, boty, batohy, stany, spací pytle
AQUA PRO Softshell, fleece, Trifibre, Theromocool, Thecnosoft, Thinsulate Nordblanc ČR, Španělsko,
Portugalsko, pravděpodobně také Asie
oblečení, funkční prádlo, termoprádlo, obuv, batohy,
doplňky
Teratex, ELP, Hipora Softshield, Dryfor, Durable weave, Fleece, bambusová viskóza, Coolmax, YKK
Pingu ČR oblečení, doplňky Akryl, Polartec, Coolmax, eVent, Fleece, Klimatex, Pertex, Lycra,
DWR Pinguin Čína, Jižní Korea, ČR oděvy, stany, spací pytle, batohy,
campingové vybavení, doplňky
Gelantos Thermicfibre, Nylon, Arysoft, Hictor, Fleece, Polartec, Softshell, Technosoft, No wind , YKK
Progress sports ČR funkční prádlo, oblečení Prolen, bambusová viskóza, dryfast, tecnostretch, microsence, aquatic, coolmax, victory, softshell, lycra, YKK, Nanotec, Rvc Sportswear Čína oblečení, obuv, doplňky Rovetex, Softshell, stretchtec, hyper RX, Tanyl, Elastexwarm,
Fleece, Quick- dry
Sensor ČR, Tchaj-wan oblečení, doplňky Sensor oreginal active, merino, coolmax, thermocool
Tilak ČR oblečení, obuv, doplňky Gore-Tex Windstopper, ventile, polartec, fleece
1.1.1 Charakteristika materiálů používaných pro outdoorové oděvy U oděvu pro outdoorové aktivity je velmi důležitý materiál, který by měl svými danými funkčními vlastnostmi odpovídat sportovní aktivitě a udržovat nositele ve stavu pohodlí.
V současné době je na trhu široká škála materiálů pro outdoorové oděvy (např.
softshell).
Softshell je souhrnné označení materiálu, který se používá pro bariérové oblečení (nejčastěji bund). Jedná se o funkční hustou tkaninu s různými úpravami tvořenou mnoha technologiemi. Materiál je měkký, jemný, s vysokou paropropustností vodních par a výškou vodního sloupce. Slouží jako náhrada větrovky a fleecové bundy.
Vytvořením softshellu vznikl „jeden materiál“, který má tudíž nižší hmotnost. Používá se při aktivitách, kdy se rychle může měnit počasí. [1] Softshell dělíme na:
Membránový softshell je obvykle složen z několika vrstev, pro svrchní vrstvu se používá polyuretan s hladkým povrchem, který je nepromokavý a neupíná se na něj sníh. Střední vrstva může být z membrán, jedná se zejména o oblečení do horších klimatických podmínek. Pro spodní vrstvu je základem tlustá pletenina či microfleece, dle požadavků na hřejivost. Často se používá membránový shoftshell – třívrstvý laminát. [1, 2]
Tkané softshelly jsou tenké, lehké a pružné, z husté tkaniny, neobsahují membrány. Užívají se při zvýšené fyzické aktivitě, mají vynikající propustnost vodních par. Tkané softshelly jsou levnější než membránové, ale nejsou vhodné do zimních podmínek. [1, 2]
Bezmembránový softshell je hustá nylonová a polyesterová tkanina, střední vrstva je tvořena spojovacím materiálem, který po zpracování vytvoří jednotný celek.
Materiály značky Coolmax (Obrázek 1) používají např. značky: Alpine Pro, Direct Alpine, Envy, High Point, Lasting a Nordblanc. Jedná se o technologii Coolmax patentovanou stejnojmennou společností. Transportuje vlhkost od těla a udržuje tak oblečení suché, s pocitem chladu. Může být aplikována na tkaniny i pleteniny.
Materiálem jsou polyesterová mikrovlákna s různým průřezem, vlákna udržují na těle celistvou vzduchovou vrstvu, která je tepelně stabilní jak v teplém, tak i chladném
a zvážena, následovalo testování trička na probandovi, který střídal aktivitu a odpočinek, na závěr testu bylo tričko opět zváženo. Vyhodnocování probíhalo subjektivně (probandi vyhodnocovali svůj osobní pocit při nošení) a objektivně (na probandech byla umístěna měřící zařízení – např. teploměr). Viloft byl porovnáván s běžně dostupným komerčním materiálem a výsledky prokázaly, že mechanické vlastnosti nejsou příliš rozdílné. Dále pak ukázaly, že pleteniny z viloft/přírodního vlákna nejsou vhodným materiálem pro sportovní oblečení. Naopak viloft/coolmax, viloft/thermolite a viloft/polyesterová vlákna jsou vhodná pro různé úrovně aktivity. Po aktivitě bylo nejtěžší tričko z materiálu viloft/vlna, nejnižší hmotnost mělo polyesterové tričko. Nejnižší teplota kůže byla s materiálem coolmax, tričko po aktivitě rychle uschlo a při navýšení tělesné teploty proband pocítil pocit chladu. Dobrovolníci dali nejnižší komfortní hodnocení materiálu viloft/vlna a nejlepší hodnocení získal 100% coolmax.
Tkaniny, u kterých docházelo k rychlému vypařování kapaliny, měly velmi kvalitní komfortní hodnocení. Jedná se o viloft/polyester, viloft/ thermolite, a viloft/coolmax.
Tyto materiály byly doporučeny jako materiály pro sportovní aktivity. [2]
Obrázek 1 – Coolmax pletenina [3] Obrázek 2 – Thermocool vlákna [4]
Materiál Polartec na svých stránkách uvádějí společnosti Envy, High Point, Pingu, RUC
chladných podmínek, mají velmi kvalitní odolné a tepelně izolační vlastnosti, jsou lehké a rychle se suší. Jsou rovněž nehořlavé, odolné vůči UV s ochranou proti zápachu.
Thermocool (Obrázek 2) je vlákno vyvinuté firmou ADVANSA. Jedná se o směs dutých vláken, které jsou opleteny vlákny s kanálkovým povrchem. Díky zvětšenému povrchu pro odpar se voda odpařuje rychleji než u ostatních vláken a vysoké množství kanálků umožňuje rychlý odvod potu od těla. Dutost vlákna přispívá i ke zvýšené výměně vzduchu, nastává tak rychlejší odpar, zároveň má nízkou hmotnost. Vlákno poskytuje ochlazení, pokud je horko, a zajistí teplo, pokud je zima. [4]
1.1.2 Charakteristika a druhy používaných membrán
Membrána materiálu poskytuje z lícní strany ochranu proti větru, dešti či sněhu, v rubu se pak vytváří vnitřní mikroklima mezi pokožkou a oděvem, umožňuje odvod vlhkosti skrze vrstvu. Přes membránu pronikne pot ven od těla, ale zároveň voda z vnějšího prostředí nepronikne dovnitř. Membrány se aplikují na bundy, kalhoty, rukavice, boty a další. Častým materiálem pro membránu bývají polymery PTFE, PES nebo PUR.
[5,6]
V dnešní době se na trhu vyskytují membrány mikroporézní, hydrofilní a novinkou jsou nanomembrány. Dále pak mohou být v membráně různé struktury pórů. Boguslawska rozděluje póry na 4 typy. Otevřené (Obrázek 3 A), které se používají u procesu sublimace, vlhkost je odstraněna v plynném stavu. Druhé jsou trychtýřovitě tvarované (Obrázek 3 B). Aby tento typ fungoval, musí být vlhký, není ho ale možné využít při teplotách pod nulou. Třetí komplikovaná struktura pórů je tzv. pohyblivá (Obrázek 3 C), kdy molekuly vodní páry z prostředí pronikají přes membránu, a tím způsobují její uzavření, což vede k tomu, že membrána funguje jako ventil. Pohyblivé póry se využívají v oblastech s vyšším parciálním tlakem a proměnlivým počasím, v prostředí moře, ve střední zóně či polární. Čtvrtý typ jsou uzavřené póry (Obrázek 3 D).
Membrány neobsahují póry a pracují na principu chemické absorpce, transport se uskutečňuje na základě molekulárních řetězců. Tato membrána zůstává trvale suchá.
[7,8]
materiálu do tří základních skupin (Obrázek 4): teflon (Gore-Tex, NoWet), polyester (Sympatex) a polyuretan (Hydrotex, Aqutex, Bretex, Thermoactive, Osmossis, Dry Tex, PowerTech). [7]
Obrázek 4 – Rozdělení membrán pro termoaktivní oblečení dle Bugoslawska [7]
Materiál s membránou můžeme také rozlišovat podle technologie výroby, a to na laminaci a nánosování. Při nánosování dochází k nanesení polyuretanu (PUR) na tkaninu. U procesu laminace se jedná o nalepení polyuretanové fólie na textilii.
Technologie má velký vliv na vlastnosti konečného produktu, jedná se zejména o nepromokavost a prodyšnost materiálu. Laminovaná membrána dosahuje lepších výsledů, ale výroba je více finančně náročnější. Můžeme se setkat s mnoha konstrukcemi vrstev. [8]
Knížek dělí laminaci membrán do pěti základních skupin [1]:
dvouvrstvý laminát (vrchní materiál + membrána)
dvouvrstvý laminát s volnou podšívkou (vrchní materiál + membrána + volná podšívka)
dvou a půlvrstvý laminát (vrchní materiál + membrána + půl vrstva)
Teflon
Gor-Tex®
NoWet®
Polyester
Sympatex®
Polyuretan
Hydrotex®
Aquatex®
Bretex®
Thermoadtive®
Osmossis®
Dry Tex®
PowerTech®
třívrstvý laminát (vrchní materiál + membrána + podšívka) Dále je můžeme dělit dle struktury (Obrázek 5):
Obrázek 5 – Dělení membrán dle struktury
1.1.3 Mikroporézní membrány
Mikroporézní membrány (Obrázek 6) mají velké množství mikroskopických pórů (velikost je v desetinách mikrometrů). Molekuly páry projdou přes tyto póry, na rozdíl od zkondenzovaných kapek vody. Proto se voda z vnější strany nemůže dostat dovnitř, ale naopak kapka potu se může dostat skrz membránu ven. Mikroporézní membrány se používají pro tzv. suché počasí, kdy se předpokládá větší množství vlhkosti na povrchu těla než na vnější straně materiálu. Mezi nevýhody mikroporézních membrán patří zanášení nečistotami při používání. Nečistoty, tuk či sole ucpou póry a dojde k znehodnocení membrány a jejích vlastností. Známý výrobce mikroporézní membrány je např. firma Gore-Tex, Porelle, Nanoprotex. [1, 8]
Obrázek 6 – Mikroporézní membrány [1]
Společnost Gore-Tex vyrábí mikroporézní membrány nanesením velmi tenké Mikroporézní
Gore-Tex®
Nanoprotex®
Hydrofilní (celistvé)
Sympatex®
Dermizax®
Gelantos®
BlokVent®
Diaplex®
Nanomembrány
NANODRY®
Obrázek 7 – Gore-Tex membrána [9]
Gore-Tex membrána je prodyšná, protože obsahuje póry, které jsou 700krát delší než molekuly vodní páry (Obrázek 7 A), dochází tak k jednodušší možnosti odpaření. Membrána je větru odolná, protože struktura je komplexní (Obrázek 7 C) a pevnost membrány zabraňuje průniku vzduchu. Je ale náchylná na mechanické poškození ostrými předměty, přičemž dojde k narušení odolnosti výšky vodního sloupce. Membrána má životnost přibližně tři až pět let, protože se jedná o teflonovou membránu, může nastat problém s recyklací. [7, 8, 9, 10]
Nanoprotex, je společnost v České republice, která vyrábí porézní membrány z nanovláken o průměru 150 nm, jejichž struktura má oproti mikroporézním membránám více pórů na danou plochu. Materiálem pro membránu je polyamid 6, který zaručuje tepelnou stálost při vysokých i nízkých teplotách, během praní či mechanického namáhání. Povrch je ošetřen fluorkarbonovým filmem, který brání ucpávání pórů tukem. [1]
Entrant je tkaninou s mikroporézní polyuretanovou membránou.
1.1.4 Hydrofilní membrány
Hydrofilní (monolitické, celistvé) membrány (Obrázek 8) neobsahují žádné póry, u tohoto typu je využíván princip převodu par. Na vnitřní straně membrány kondenzuje voda, která je následně pomocí chemického transportu rozvedena na venkovní část.
Výhoda těchto membrán spočívá v minimálním zanášení pórů. Běžně používaným materiálem pro membránu je polyuretan, membrána získává lepší elasticitu a horší propustnost vodních par oproti mikroporézní, nevýhodou je i špatný přenos plynů.
Výrobci neporézních membrán jsou např. Sympatex, Dermizax, Permatex, Gelantos, Clim-star, Witcoflex . [1, 8]
Obrázek 8 – Hydrofilní membrány [1]
Sympatex se specializuje se na high – tech funkční oblečení a doplňky.
Společnost garantuje pro svoje produkty vlastnosti jako zejména: propustnost vodních par, individuální design, odolnost vůči větru, teplotní komfort a odvod vlhkosti od těla. Membrána má hmotnost jako standardní papír (80g) a tloušťku 5 – 25µm, roztažnost až 300%, snadnou údržbu a elastické vlastnosti. Může být aplikována na širokou škálu materiálů např.: vlněné vlákna, pleteninu, fleece, pěnu, kůži či laminát. [9, 11]
Dermizax je neporézní hydrofilní membrána od japonského výrobce Toray. Jako materiál je využíván tenký polyuretanový film, což umožní vysokou odolnost outdoorového oděvu. [1]
Gelantos je dalším příkladem hydrofobní membrány, kterou vyrábí japonská značka Toyota Tsusho. Membrána je aplikována do sportovních oděvů a zaručuje odvod potu od těla, nepromokavost a odolnost vůči větru. Materiálem je 100% Polyuretan a průměrná tloušťka je 20 mikronů.
Značka High Point používá BlokVent. Jedná se o japonskou značku Toyota.
Membrána je určena pro fyzicky náročné aktivity, má vysokou flexibilitu, je dlouhotrvající a své vlastnosti neztrácí ani při nízkých teplotách. Materiály mají vodoodpudivou úpravu DWR.
PTX Nanomax je membrána vyvinutá společností Alpine Pro. Je mechanicky odolná, ohnivzdorná, odolná proti mastnotě, potu, kontaminaci a oděru. [12]
Lidské tělo se přizpůsobuje nízkým teplotám skrze různé fyziologické procesy.
Produkce tepla je navýšena při zvyšování bazálního metabolismu, při dynamické akci a fyzickém cvičení, tepelné ztráty jsou redukovány zúžením cév. Fyzická adaptace na chladné podmínky trvá delší dobu, tělo se proto není schopné přizpůsobit na rychle se ztrácející teplo. Je tedy nutné mít vhodné oblečení, které bude fungovat jako izolační vrstva. Nejpraktičtější způsob oblékání pro studené podmínky je způsob vrstvení.
Systém několika na sobě uspořádaných vrstev umožňuje vytvoření potřebné izolace pro různé teploty a stupně aktivity. [13]
Oděvy s vysokou teplotní izolací jsou potřeba pro outdoorové aktivity zejména v zimním období, arktickém a subarktickém prostředí. Nejdůležitější vlastnost ochranného oděvu vůči zimě je hodnota tepelné izolace, což souvisí s teplotou prostředí a úrovní fyzické aktivity. Pro teplotní komfort v zimě je přenos vodních par oděvu téměř stejně důležitý jako tepelný odpor. Existuje mnoho situací, kdy při navýšení fyzické aktivity nastává pocení, což může mít za následek dyskomfort pro uživatele.
[14]
Na textilní materiály s membránou jsou proto kladeny často následující základní požadavky: propustnost vodních par, výška vodního sloupce, odolnost proti větru, oděru, roztržení, stálost nánosu, snadná údržba, omyvatelnost, lehkost, skladnost, dlouhá životnost, pružnost, nehořlavost, chemická odolnost, reflexe, oleofobnost.
Mohou být i další specifické požadavky (např. na design).
1.2.1 Metody testování bariérových textilií
Komfort je stav organismu, kdy jsou fyziologické funkce organismu v optimu a kdy okolí včetně oděvu nevytváří žádné nepříjemné vjemy vnímané našimi smysly. Celkově je tento stav považován za pocit pohodlí. Nepociťujeme teplo ani chlad a v tomto stavu můžeme setrvávat delší dobu a věnovat se fyzické aktivitě. [15]
Jednou z funkcí oděvu je zajištění tepelného pohodlí, toho může být docíleno pomocí tepelné rovnováhy, která se vztahuje k termoregulačním procesům lidského těla.
Tepelná rovnováha nastane tehdy, pokud se množství uvolněného tepla rovná teplu přijatému. Teplota povrchu těla se může lišit v jeho jednotlivých částech. Různé studie ukazují, že optimální teplota těla je 32,10 °C až 34,10 °C. Jádro lidského těla má teplotu 36,5 °C. Oděvy vytvářejí určité mikroklima kolem těla, které je závislé na tepelném stavu člověka a meteorologických podmínkách životního prostředí či na vlastnostech oděvu. [15, 16]
Oděvní systém lze charakterizovat jako fyziologický systém v interakci s lidským tělem. Chrání lidské tělo za různých podmínek vnějšího prostředí (chlad, teplo, oheň, toxické látky atd.). Ve stejné době oděv může vytvořit i nežádoucí tepelné izolace (nepropustnost od pokožky skrz textilii). [16]
Komfort nositele je tedy ovlivněn oblečením a vlastnostmi daného textilního materiálu, který by měl být vhodně volen. U membránových materiálů pro outdorové aktivity se zejména jedná o plošnou hmotnost, výšku vodního sloupce, propustnost vodních par, udržování tělesné teploty, nepropustnost vůči větru. Dále mohou být kladeny specifičtější parametry pro konkrétní prostředí – chemická a UV odolnost.
Tyto vlastnosti se však během „životního cyklu“ výrobku mohou měnit, a to vlivem mechanického namáhání během nošení či způsobem zacházení při jeho údržbě (např.
praní), dále také působením okolních podmínek. Proto se velká část výrobců snaží podrobit materiály nebo hotové výrobky různým testům, které mají co nejvíce nasimulovat, jak se daný výrobek bude během jeho užívání chovat.
1.2.2 Testování outdoorových výrobků
Firmy pro testování výrobků/materiálů používají laboratoře, kde mohou simulovat přírodní podmínky, při nichž jsou využity figuríny/manekýni či proband. Pro oděv do extrémních nebo rizikových podmínek se využívá figurína. Shishoo uvádí, že se v současné době pro mnoho testů materiálů využívají nejrůznější druhy teplotních manekýnů. Tepelný manekýn se používá zejména pro testování tepelné a výparné odolnosti. Mezi faktory ovlivňující použití tepelného manekýna spadá: povrch těla (odhalená a neodhalená část), textilní a vzduchové vrstvy v okolí těla, volnost nebo
probíhají v klimatizované místnosti, kde teplota může být upravena na požadovanou hodnotu, či jsou simulovány povětrnostní podmínky pomocí větráku. Příkladem je tzv. Regnet test (Obrázek 9 B), kdy je do místnosti dána figurína (případně proband), která je oblečena např. do jedné bavlněné vrstvy a vrchní vrstvou je testovaný oděv.
Oděv je sprchován 0,5 – 2, 3 hodiny, následně se pak vizuálně zhodnotí množství proniknuté vody skrz vrchní vrstvu oděvu na spodní vrstvu (např. bavlněné tričko).
[8, 10, 11]
Obrázek 9 – Simulace reálného nošení Gore-Tex, A – zátěž ve formě chůze, B – Regnet test [10]
Obrázek 10 – Zátěžový test na kole, Direct Alpine [18]
Firmy mají i testovací týmy, které jsou složeny z dobrovolníků či vrcholových sportovců, kteří oděv nosí nebo v něm absolvují expedice, k testování tak dochází při
Pokud jsou oděvy do chladného prostředí vlhké, může to způsobit nositeli závažné problémy. Ideální stav nastává tehdy, když je pot odváděn od těla v podobě vodní páry skrz oděv do okolního prostředí, a tím je také odváděno přebytečné teplo od těla. Pokud ale teplota okolního prostředí poklesne, spotřeba vody ve vzduchu se navýší a přenos vodní páry přes oděv není tolik efektivní. Meinander a Hellsten popisují vliv pocení na oděv při nízkých teplotách. Vytvořená vlhkost je poté absorbována oděvem, nastává tak snížená tepelná izolace a následně nepohodlí. Pro test byla zvolena teplota vzduchu 0°C, -10°C, -25 °C a -50 °C, během zkoušky figurovali při chůzi a běhu na pásu probandi a dále také teplotní manekýni se simulací pocení (ve statické pozici).
Testovaný oděv se skládal z několika vrstev a odpovídal teplotním podmínkám.
Největší množství vody bylo ve všech případech měření ve vnější vrstvě, kde byl při velmi nízkých teplotách pozorován i led. Spodní prádlo z polypropylenové pleteniny neabsorbovalo velké množství vody, zato střední polyesterová vrstva ano. Při vyšších teplotách bylo pocení účinné a odpařování tepla podstatné, zatímco zvlhčené oblečení způsobovalo větší nárůst celkové tepelné ztráty při nižších teplotách. Nebyly prokázány žádné rozdíly mezi komplety bez a s vodotěsnou membránou. Akumulace vody v oděvu se zvyšovala s rostoucí úrovní pocení a s klesající teplotou. [14]
Aby testování odpovídalo např. požadovanému ročnímu období, je nutné provádět experiment v prostorách s možností regulovatelnosti klimatických podmínek. Pomocí regulace teploty a vlhkosti lze dosáhnout co nejreálnějších podmínek a docílit kvalitních výsledků. Je tedy možné pozorovat degradaci materiálu a zjistit, jaký vliv na proces mají i vnější vlivy či jak se materiál bude chovat.
Ismail, Ghaddar a Ghali uvádějí test, při kterém byl použit trup teplotního manekýna tzv. Newton, který má 20 měřících bodů. Každá část manekýna byla kontrolována pomocí senzorů, které udržovaly teplotu (odpovídající jednotlivým částem lidského těla). Cílem experimentu bylo zjistit, v jakém směru probíhá ventilace uvnitř bundy v oblasti trupu a rukávů (řízená výměna vzduchu v uzavřeném prostoru). Test byl prováděn na dvou typech komerčně dostupných bund (s vysokou 0,09 m/s a nízkou 0,02 m/s hodnotou prodyšnosti). K testu byly použity dva ventilátory o průměru 0,5 m, které byly instalovány do svislé polohy před figurínu (Obrázek 11 A), manekýn byl oblečen do bundy (Obrázek 11 B). Na dvanácti místech trupu byla měřena rychlost
Obrázek 11 – Test ventilace na teplotním manekýnovi [19]
Figurína byla umístěna do klimatizované komory. Do oblasti mezi bundou a povrchem figuríny (mikroklima) byl opakovaně vpuštěn dusík s příměsí kyslíku, aby bylo možné sledovat pohyb a směr průtoku plynu v mikroklimatu. Otvory v oblasti krku a rukávů zůstaly otevřené. Plyn byl aplikován při testech na tři různá místa: do rukávů, do trupu, do rukávu a trupu najednou. Dalším předmětem experimentu bylo zhodnocení proudění vzduchu v bundě, pokud je trupová část bundy propojená s rukávy nebo rozdělena na dva segmenty (trupu oděvu a zvláště rukávy). Výsledky prokázaly, že největší únik plynu byl v oblasti hrudníku. Částečná ventilace v oblasti trupu se zvětšuje o 12 % a tepelné ztráty o 5,46 % při otevřeném propojení (rychlost vzduchu 1 m/s). Dále pak bylo zjištěno, že ohřátý vzduch, který opouští oblast trupu a vstoupí do oblasti ramen, snižuje ventilaci o 3 % a tepelné ztráty o 6,68%, pokud je propojení otevřeno.
Mikroklima je ovlivněno propustností vzduchu materiálu, rychlostí větru a vzduchovými mezerami v oděvu. [19]
Výrobci mají tedy snahu simulovat reálné nošení a díky modernímu laboratornímu vybavení vytvářejí širokou škálu klimatických podmínek. Materiály či hotové výrobky jsou podrobovány řadě testů, které se co nejvíce přibližují „životnímu cyklu“ výrobku.
V dnešní době se jedná o řadu materiálů, které jsou podrobeny deformačním zkouškám, a to např. materiály povrstvené, kožené, tkané, netkané, dále také usně, obalové či vinylové materiály, elastomery nebo pryže a další.
2 Přehled zařízení pro deformaci povrstvených, kožených a jiných materiálů
Povrstvené, kožené, obalové a jim podobné materiály by měly být odolné vůči opakujícímu se namáhání, které vzniká při nošení či manipulaci s výrobkem. Proto se v současné době mnoho společností snaží nasimulovat mechanické poškození materiálu např. ohybovou zkouškou – cyklické namáhání materiálu, ke kterému dochází v oblasti kolen a loktů. Tyto testy mají odhalit přibližné chování materiálu v průběhu jeho
„životního cyklu“ a zjistit, jaké vznikají vady a poškození a následně pomocí vyhodnocení výsledků zlepšit technologii výroby či samotné materiály.
2.1 Charakteristika a princip testování cyklického namáhání
V současné době je na trhu široká škála přístrojů, které cyklicky deformují materiály a simulují namáhání v průběhu životního cyklu, a to např.: Cold Flex temperature tester Model 46-12, Gelbo flex test, CrumpleFlex Tester TF117C nebo XHF-44 C Fabric CrumpleFles Tester, Schildknecht flex tester TF11B, Fles Durability ASTM F392, Combination Flex Tester. Zařízení se využívají pro pryž, gumu, kůži, syntetiku, elastomery a další a vycházejí z norem pro tyto materiály. Podstatou testu je opakovaně zakroutit nebo stlačit materiál, také může docházet ke kombinaci těchto deformací.
2.1.1 Cold Flex temperature Tester
Přístroj Cold Flex temperature Tester (Obrázek 12) testuje vliv teploty na materiál v průběhu deformace. Zařízení se skládá z vany s nízkou teplotou a elektronického PID teplotního ovladače, topení a platinového odporového teploměru s přesností na 0,1 °C, který přesně řídí cyklus ohřevu testu. Pro zajištění snížení teploty může být použit oxid uhličitý (suchý led). Vzorek je deformován pomocí teploty lázně a kladkového systému, na kterém je umístěno závaží o známe hmotnosti. Společnost Gore-Tex a Sympatex podrobují svoje materiály Cold Flex testu. [20]
Obrázek 12 – Cold Flex Temperature Tester Model 46-12 [20]
2.1.2 Gelbo Flex test
Zařízení Gelbo Flex slouží pro test odolnosti proti ohybu. Může být umístěn v mrazové komoře s možností regulace teploty. Velikost vzorku musí být 200 x 280 mm (vzorek je sešit do válce), přičemž je z každé strany připevněn. Přístroj umožňuje zkroucení o 440°, pohyb vrchní části je v rozsahu 65 mm a pohybuje se s rychlostí 45 cyklů za minutu. Pracovní cyklus přístroje je zobrazen na obrázku (Obrázek 13). Vyhodnocování poničení materiálu probíhá pomocí počtu děr v materiálu, které signalizují poškození.
Tato metoda se může využít i pro hodnocení úniku plynů, kdy je namísto textilního materiálu použita fólie a do ní je puštěn plyn. [21]
Obrázek 13 – Pracovní cyklus přístroje Gelbo flex test Model G0002 [22]
Lever a James uvádějí studii, ve které popisují snahu zlepšit efektivitu a zároveň snížit náklady na velkoobjemový odpad v Antarktidě. Testu byly podrobeny dva vzorky materiálu pro potencionální využití namísto tvrdých nádob na odpad. Jednalo se o tašky, které jsou levnější a mají menší objem. Pokud by šlo o skladování odpadů na Jižním pólu, musel by materiál odolat venkovním teplotám blížícím se -75 °C. Pytle se musí i v těchto podmínkách stále chovat elasticky, aby nedošlo k jejich selhání. Dalšími faktory ovlivňující životnost je i vysoká zeměpisná šířka, nadmořská výška, 24 hodin denního světlo a UV. [23]
Testování vzorků proběhlo v extrémně nízkých teplotách (v teplotně kontrolované zkušební komoře) na zařízení Gelbo flex test. Z komerčně dostupných zdrojů byly vybrány značky MonstaBag a Inter-Link Packaging Solutions (ILPS). Gelbo testy odhalily významné rozdíly u těchto dvou produktů. ILSP materiál, černá vnější i bílá vnitřní část, kvalitně obstál v testech i při postupném snižování teploty (až do -60 °C). MonstaBag produkt selhal během prvních testů (poničení po 15 cyklech při teplotě -40 °C).
Výsledné ohýbání a skládání bylo přinejmenším stejně silné jako při ukládání a hromadění pytlů na odpad během manipulace a dopravy. U obou vzorků však bylo po 500 cyklech vidět poničení (trhliny). Jen na vzorcích (IPLS) byly dále prováděny UV testy, které prošly Gelbo flex testem (Obrázek 14). [23]
Na základě výsledků zkoušek po vystavení UV záření byl pokles pevností významný.
Pokud je materiál vystaven UV záření při nízké teplotě, má tendenci více podléhat degradaci. Materiál IPSP (nebo jemu podobný materiál) byl doporučen pro používání v podobě pytlů v rámci systému pro zpracování hromadného odpadu (pro antarktické prostředí) za předpokladu, že strukturální vložka je chráněna před UV zářením ochranným pláštěm nebo jinými prostředky. [23]
Obrázek 14 – ILSP během Gelbo flex test, při teplotě - 40°C [23]
Obrázek 15 – CrumpleFlex Tester TF 117C [24]
2.1.3 CrumpleFelx Tester TF 11C a XHF-44C Fabric
Další variantou přístroje Gelbo Flex test je Crumple Flex. Vzorek o velikosti 190 mm x 220 mm je sešit do válcového tvaru, kroucen pod úhlem 90° a zároveň stlačován (jedna hlavice se pohybuje vodorovně a druhá se točí). Přístroj vykoná 200 cyklů za minutu, přičemž se může testovat pouze jeden vzorek. Zařízení je vybaveno počítadlem, na kterém lze nastavit zastavení po určitém počtu cyklů, lze ho umístit do mrazové komory. Model TF 117C (Obrázek 15) se používá pro povrstvné tkaniny a lamináty, testuje se degradace vodní odolnosti a soudržnost laminátu. [24, 25, 26]
Model XHF – 44C Fabric Crumple Flex Tester má stejné základní parametry jako CrumpleFlex Tester TF117C a využívá se k testování nánosové tkaniny či usně. Do přístroje lze vložit až 4 vzorky najednou. Oba modely jsou v souladu s normou ČSN EN ISO 7854. [24, 25, 26]
2.1.4 Schildknecht flex tester TF11B
Slouží k testování odolnosti nánosové tkaniny proti poškození vůči ohybu. Do přístroje je možno upevnit až 10 vzorků najednou. Stroj (Obrázek 16) vykoná 500 cyklů za minutu. Každý upínací mechanismus má své počítadlo, aby přesně zaznamenal počet cyklů. Vzorky mají rozměry 105 mm x 50 mm, jsou sešity do válcového tvaru a upnuty za horní a dolní část. Zařízení je v souladu s normou ČSN EN ISO 7854. [24]
Obrázek 16 – Přístroj Schildknecht flex tester TF117B [24]
Obrázek 17 – Flex Durability Tester ASTM F392 [27]
2.1.5 Flex Durability ASTM F392
Flex Durability ASTM F392 (Obrázek 17) je profesionální zařízení, které slouží pro stanovení odolnosti pružných a povrstvených materiálů. Hlavní využití je pro obalové materiály, kdy přístroj simuluje namáhání v průběhu výroby, zpracování a transportu.
Horní hlavice zařízení se pohybuje horizontálně v rozsahu 155 mm nebo 80 mm a spodní hlavice vykonává točivý pohyb v rozsahu 400° nebo 440°. Toto zařízení využívá i společnost Gore-Tex pro zkoušku odolnosti proti poškození při ohýbání, soudržnosti vrstev laminátu, kdy dochází k pohybu horní hlavice v rozsahu 80 mm a vzorek je deformován v rozsahu až 100 000 cyklů. [27]
2.1.6 Combination Flex Tester
Combination Flex Tester (Obrázek 18) přístroj je používán pro kůži a vinylové materiály. Najednou může být testováno až sedm vzorků. Přístroj vykoná 450 cyklů za minutu a je v souladu s normou ČSN EN ISO 7854. [28]
Obrázek 18 – Combination Flex Testr [28, 29]
je materiál slabý na to, aby mohl být dále používán. Na přístroji Ross Flexing (Obrázek 19) tester může být tak otestován materiál, který je určen pro podrážku (pryž) či pro vrchní část (kůži).
Přístroj může testovat 6 nebo 12 vzorků současně (pokud šířka dvou odpovídá šířce jednoho). Vzorky jsou obdélníkového tvaru a obě kratší části jsou upnuty do svorek (jsou spojeny na jednotlivé desce), materiál je natažen přes kovovou tyč. Při spuštění testu dochází k ohybu tak, že deska se svorkami, která je v nižší poloze, se začne pohybovat nahoru a dolů, úhel ohybu je 90° ± 2 s možností 100 ± 5 otáček za minutu.
[30]
Obrázek 19 – Ross Flesing tester PRF-6 [30]
2.2 Shrnutí poznatků a porovnání metod pro stanovení odolnosti vůči cyklické deformaci textilií
Zařízení pro testování cyklické deformace textilií se zejména používají pro tkaniny, nepromokavé materiály, lamináty, usně, obalové, plastové či elastické materiály.
U laminátů se např. zkoumá spojení jednotlivých vrstev. Obalové materiály jsou testovány i za pomoci plynů. Do válce (mezi horní a dolní hlavou) je vpuštěn plyn
a sleduje se míra jeho úniku v průběhu cyklického namáhání. Dochází k simulaci možného poškození, které vzniká například při přepravě tekutých výrobků. Elastomery, usně a kůže jsou testovány simulací jejích ohýbání a namáhání při reálném nošení.
Přístroje na testování cyklické deformace pracují nejčastěji třemi způsoby, odpovídající přehled je následně znázorněn Tabulka 2:
1. Přímý pohyb horní hlavice s nečinností spodní hlavice (horní hlavice se pohybuje přímo – nahoru a dolů, spodní hlavice je neaktivní), Obrázek 20 A.
2. Přímý a točivý pohyb horní hlavice s nečinností spodní hlavice (horní hlavice se pohybuje přímo – nahoru a dolů, zároveň se točí, tím dochází k zakroucení materiálu, spodní hlavice je neaktivní), Obrázek 20 B.
3. Třetím způsobe je přímý pohyb horní hlavice a točivá spodní hlavice (horní hlavice se pohybuje přímo – nahoru a dolů, spodní hlavice se točí, dochází tak k zakroucení), Obrázek 20 C.
Obrázek 20 – Schémata práce přístrojů pro testování cyklické deformace
*Zdroje obrázků jsou uvedeny u jednotlivých zařízení v kapitole 2.1
Základní údaje zařízení pro testování cyklické deformace obsahuje následující Tabulka 3. Přístroje mohou, mít horizontální či vertikální konstrukci a rozsah zakroucení je nejčastěji 90° nebo 440°. Maximální velikost použitých vzorků je 200 mm x 280 mm.
Pohyb horní hlavice může mít dvě konečné polohy (Gelbo Flex Tester Model G0002) nebo jednu polohu (CroumpleFlex tester TF 117C). Počet cyklů za minutu je v rozsahu od 45 do 500 v závislosti na motoru zařízení a konstrukci přístroje.
Vzorek je vždy namáhán na požadovaný počet cyklů, který se nastaví pomocí elektronického displeje, ten zároveň v průběhu testu zobrazuje již vykonaný počet cyklů. Např. zařízení Croumple Flex Tester Model SDL 262 má maximálně 9 000 pracovních cyklů. Mezi výhody některých přístrojů patří i možnost testování více vzorků současně (např. Schildknecht flex Tester TF117B, Flex Durability Tester ASTM
2. Přímý a točivý pohyb horní hlavice, nečinnost spodní hlavice
Gelbo Flex Tester Model G0002
3. Přímý pohyb horní hlavice a točivý pohyb spodní hlavice
CroumpleFlex tester TF 117C
Flex Durability
ASTM F392
F392). Některé mají ochranný kryt z plexiskla, který překryje pracovní část a dojde k zamezení možnosti zranění pracovníka. Celková konstrukce je z kovu, což zapříčiňuje hmotnost okolo cca 60 kg (CroumpleFlex tester TF 117C) až 80 kg. Rozměry se pohybují zhruba kolem 570 mm x 390 mm x 420 mm (CroumpleFlex tester TF 117C).
Zařízení pro testování cyklické deformace textilií mohou být umístěny do mrazové komory (v závislosti na jejich rozměrech). Ceny přístrojů pro testování cyklické deformace jsou velmi vysoké a pohybují se v rozsahu od 80 000 – 1 000 000 Kč, přístroje často pocházejí z Asie – Čína, Japonsko. Více informacích, cenové nabídky či informační letky ohledně zařízení pro testování cyklické deformace obsahuje Elektronická příloha A: Zařízení pro testování cyklické deformace.
Souhrn výhod (+) a nevýhod (-) přístrojů pro testování cyklické deformace:
rychlost pracovního cyklu
možnost nastavení počtu pracovních cyklů
rozsah zakroucení vzorků
velikost vzorku
pohyb horní hlavice může mít dvě konečné polohy
možnost testování i více vzorků současně
umístění do mrazové komory
- vysoká hmotnost celkového zařízení - velké rozměry přístrojů
- vysoká cena
- u některých zařízení malý rozměr vzorku - omezený maximální počet pracovních cyklů
Cold Flex Temperature Tester Model 46-12
ohebné materiály 65 x 6,4 405 1 ISO458/1, 458/2
ASTM D1043 Gelbo Flex Tester
Model G0002
tkaniny, netkané, nepromokavé m.
200 x 280 400 440
155 80
1 45 ASTM F392
CrumpleFlex Tester TF 117C
povrstvené tkaniny kvalita laminátu
190 x 220 90 70 1 200 ČSN EN ISO 7854
ISO 7854-1995 Crumple Flex Tester
XHF-44C Fabric
usně
nepromokavé materiály
190 x 200 90 70 4 200 ČSN EN ISO 7854
ISO 7854-1995 Schildknecht flex Tester
TF117B
povrstvené tkaniny 50 x 105 - 11 10 500 ISO 7854-1995
Flex Durability Tester ASTM F392
obalové materiály (plasty)
200 x 280 400 440
155 80
4 45 ASTM F392
Combination Flex Tester usně
vinylové materiály
- 13 7 450
500
ČSN EN ISO 7854
Ross Flexing tester PRF-6
pryže,
usně, elastomery
25 x 150 90 - 6
12
100 ASTM D1052
ISO 4643: 2013
Zařízení pro testování cyklického namáhání materiálů (Tabulka 3) se využívají pro usně, vinylové materiály, pryže, elastomer, netkané materiály a zkoumá se jejich odolnost vůči např. mechanickému poškození (vznik trhlin). Není uváděno, že by se běžně používaly pro textilie a vycházejí z norem pro stanovení odolnosti proti poškození pro pružné, plastové, gumové materiály, či tkaniny potažené pryží nebo plasty.
Pro oděvní materiály – pleteniny a tkaniny se běžně používá statická metoda dutého válce dle normy ČSN 80 0871. Stanovení mačkavosti pomocí dutého válce. Ruční přístroj pro metodu dutého válce (Obrázek 21) se skládá ze dvou hlavic (horní a dolní) mezi které se upne vzorek o rozměrech 325 mm x 200 mm = tvar obdeníku, jehož kratší strany jsou sešity pomocnými stehy, a tak vznikne tvar dutého válce. Ručně dojde k uvolnění pojistky/šroubu a vzorek materiálu je pomocí gravitace stlačen horní hlavicí.
Jedná se o statickou deformaci. [31]
Obrázek 21 – Technický nákres zařízení pro metodu dutého válce M 1:3,5
1- středová tyč
se šroubovitou drážkou 2- zajišťovací šroub 3- horní hlavice 4- dolní hlavice
5- zkoušená plošná textilie
neumožnuje dynamickou deformaci materiálu, cyklické zatěžování, a tudíž simulovat reálné namáhání v průběhu nošení, životního cyklu oděvu. [31]
1- středová tyč 2- šroubovitá drážka 3- zajišťovací šroub 4- horní hlavice 5- zkoušená plošná
textilie 6- dolní hlavice 7- přídavné závaží
Obrázek 22 – Náčrt zařízení pro metodu dutého válce
Vhodná zkouška pro bariérové textilie by nejvíce měla připomínat namáhání materiálu v průběhu nošení. Během funkčního období oděvu dochází k časté mechanické deformaci, která se může projevit mačkavostí, prostorovou deformací.
Metoda dutého válce by se po určité úpravě dala aplikovat i na bariérové textilie, nicméně je potřeba tento princip mechanizovat a dostáhnout tak, co největšího počtu stále se opakujících deformačních cyklů na bariérový materiál, aby se jednalo o dynamické namáhání. Protože samotná statická deformace ručního zařízení metody dutého válce se jen málo přibližuje zatěžování v průběhu životního cyklu oděvu.
Přístroj, který by obsahoval zařízení pro metodu dutého válce a byl by v souladu s normou pro oděvní materiály ČSN 80 0871, by nabízel možnost testování vzorku
v rozsahu zakroucení od 0° do 180° (dle požadavků) a možností rozsahu zdvihu horní hlavice. Ideálním případem by bylo navrhnout nové zařízení o nízké hmotnosti (cca 10 kg) a s malými rozměry, což by umožňovalo umístit přístroj do klimatu komory a nasimulovat tak přírodní podmínky odpovídající pro daný materiál. Dále pak mechanizovaný zdvih horní desky, možnost počítání pracovních cyklů s neomezeným počtem pracovních cyklů a jednoduchým ovládáním.
Experimentální část práce byla rozdělena na čtyři stěžejní oblasti:
návrh a realizace prototypu, kde bylo navrženo, sestrojeno zařízení umožňující cyklické deformování (mačkání) vzorků – pro simulaci zkoušky nošením,
experimentální hodnocení, kde byla sledována odolnost, únava bariérových textilií vůči cyklickému zatěžování,
laboratorní hodnocení, kde byly měřeny základní vlastnosti bariérových textilií před a po cyklické deformaci,
mikroskopické hodnocení, kde předmětem zkoumání byly vizuální charakteristiky bariérových textilií před a po cyklické deformaci.
3.1 Návrh a realizace zařízení pro simulaci cyklického mačkání
Navrhovaný prototyp přístroje vychází z metody dutého válce a do jeho konstrukce je zabudováno zařízení pro testování mačkavosti. Prototyp zařízení simuluje „zkoušku nošením“ cyklickým mačkáním. Zařízení slouží pro určení degradace odolnosti bariérových textilií (v důsledku tahu, krutu, smyku a tlaku) v závislosti na počtu deformačních cyklů.
Jako první byl vytvořen nákres (Obrázek 23, Obrázek 24), který obsahoval rozvržení pozic pracovních zařízení na podkladové desce a stanovení rozměrů. Byl vybrán stejnosměrný motor s řízeným napětím v rozsahu 1 – 12 V, z důvodu jeho malých rozměrů, který se běžně využívá pro 12V aku vrtačku. K výpočtu cyklů slouží tachometr pro jízdní kolo (dále počítadlo cyklů) a časovač s přesností na vteřiny – pro nastavení času, kdy se má přístroj zastavit (po uběhnutí požadovaného počtu cyklů).
Prototypu byl přidělen pracovní název M1 (dle autorky Mádlové) – zkratka pro první prototyp zařízení pro simulaci cyklického mačkání (Obrázek 25, Obrázek 26). Více informací obsahuje Příloha č. 1: Zařízení M1.
Obrázek 23 - Technický nákres prototypu M1 pro testování cyklické deformace – čelní pohled M 1:3,5
Obrázek 24 - Technický nákres prototypu M1 pro testování cyklické deformace - půdorys M1:3,5
1 – dolní hlavice zařízení pro testování mačkavosti, 2 – upnutý testovací materiál, 3 – středová tyč, 4 – horní hlavice zařízení pro testování mačkavosti, 5 – vodící drážka, 6 – ložisko, 7 – nosná konstrukce pro kladky, 8 – kladka pro lanko, 9 – lanko, 10 – vodící kladka pro lanko, 11 A, B čidlo pro počítadlo cyklů, 11 – počítadlo cyklů, 12 – sekundární řemenice, 13 – kladka s ukotvením lanka, 14 – primární řemenice, 15 – hnací řemen, 16- vertikální
Obrázek 25 – Prototyp zařízení pro simulaci cyklického mačkání M1, čelní pohled
Obrázek 26 – Prototyp zařízení pro simulaci cyklického mačkání M1, zadní pohled
1 – dolní hlavice zařízení pro testování mačkavosti, 2 – upnutý testovací materiál, 3 – středová tyč, 4 – horní hlavice zařízení pro testování mačkavosti, 5 – vodící drážka, 6 – ložisko, 7 – nosná konstrukce pro kladky, 8 – kladka pro lanko, 9 – lanko, 10 – vodící kladka pro lanko, 11 A, B čidlo pro počítadlo cyklů, 11 – počítadlo cyklů, 12 – sekundární řemenice, 13 – kladka s ukotvením lanka, 14 – primární řemenice, 15 – hnací řemen, 16- vertikální konstrukce, 17 – horizontální deska, 18 – vodící trubice pro závaží, 19 – jednoduché kladky, 20 – zdroj v krabičce, 21 – motor, 22 – kabely
Prototyp přístroje M1 pracuje takovým způsobem, že po zasunutí adaptéru do zásuvky se rozeběhne motor (otáčky ve směru hodinových ručiček), roztočí primární řemenici (14) a pomocí hnacího řemenu (15) se rozpohybuje i sekundární řemenice (12), obě jsou umístěny v kuličkovém ložisku. Pokud dojde k rozpohybování sekundární řemenice (12), dá se do pohybu také kladka s ukotvením lanka (13), které je dále skrz vodící kladku pro lanko (10) a kladku pro lanko (8) spojeno s ložiskem (6), které ovládá pohyb horní hlavice pro testování mačkavosti (4). Pokud je kladka s ukotvením lanka (13) v nejnižší poloze (nejblíže 17 – horizontální desce), horní hlavice zařízení pro testování mačkavosti (4) je v maximální pozici (Obrázek 27), závaží je ve své nejnižší
Obrázek 27 – Prototyp pro testování cyklické deformace M1 v minimální poloze, čelní pohled
Obrázek 28 - Prototyp pro testování cyklické deformace M1 v maximální poloze, čelní pohled
vyhovujících velikosti mrazové komory, do které by se případně mohl umístit prototyp zařízení pro testování za klimatických podmínek (hloubka 28 cm, šířka 39 cm, výška 29,5 cm). Následovalo připevnění vertikální konstrukce na horizontální desku. Na vertikální/nosnou konstrukci byla upevněna primární a sekundární řemenice s následným ukotvením hnacího řemene (Obrázek 29). Velikost sekundární řemenice definovala dobu jednoho pracovního cyklu – 3 s. Provizorně byl nasazen motor do primární řemenice s vložením v kuličkovém ložisku (hlavice motoru prochází skrze nosnou konstrukci).
Samostatné zařízení pro testování mačkavosti bylo upraveno – došlo ke zkrácení podstavce pod dolní hlavicí, dále k vyjmutí zajišťovacího šroubu a jeho nahrazení kovovou zarážkou, vyhlazení vodící drážky, odříznutí nepotřebné části středové tyče a přidělání ložiska na horní část, do kterého bude později upevněno lanko. Hmotnost vrchní hlavice je 1054 g a hmotnost ložiska 115 g – celková hmotnost, která je potřebná zdvihnout, je tudíž 1169 g. Tím, že došlo k zakomponování do prototypu zařízení pro testování mačkavosti, se stanovily parametry pro namáhání vzorku: zkroucení vzorku od 0° do 180°, stlačování v rozsahu 0 - 105 mm, možnost usazení vzorku o velikosti až 150 mm x 285 mm. Výhodou M1 je možnost změny zkroucení vzorku a změny rozsahu pohybu horní hlavice v případě, že dojde ke zkrácení délky lanka.
Obrázek 29 – Nosná konstrukce prototypu M1, A – čelní pohled, B – bokorys
Následující Tabulka 4 ukazuje výpočet doby trvaní pracovních cyklů. Jako jeden cyklus je brán pohyb horní hlavice z maximální polohy do minimální a zase zpět.
Tabulka 4 – Počet pracovních cyklů za uplynulou dobu
cyklus 1 20 100 500 1 000 2 000 3 000 4 000
čas 3 s 1 min 5 min 25 min 50 min 1 hod
40 min
2 hod 30 min
3 hod 20 min cyklus 5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 10 000 15 000 20 000
čas 4 hod
10 min
5 hod 5 hod
50 min
6 hod 40 min
7 hod 30 min
8 hod 20 min
12 hod 30 min
16 hod 40 min
3.1.2 Fáze 2: Upevnění kladkového systému
Během druhé fáze následovalo přímo nad horní hlavicí (Obrázek 30) vytvoření nosné konstrukce pro kladkový systém, ukotvení kladek pro lanko (jedna do konstrukce pro kladky a druhá do vertikální konstrukce) = mechanizovaný zdvih horní desky. Dále byla vsazena kladka do kladkového systému pro závaží a upevněna vodící trubice pro protizávaží (hmotnost závaží 500 g), které odlehčuje váhu horní hlavice při zdvihu.
Byla vytvořena podpěrná konstrukce pro motor. Provizorně bylo instalováno počítadlo pro počet cyklů (zobrazené číslo na displeji se pro výslednou hodnotu musí násobit 10krát). Na závěr došlo ke spuštění testovacího provozu na 8 000 cyklů. Informace ohledně práce s časovačem a tachometrem obsahuje Elektronická příloha B: Návod pro časovač a tachometr.
Obrázek 30 – Vytvoření kladkového systému prototypu M1
3.1.3 Fáze 3: Dokončovací práce
Dokončovací fáze se skládala z nátěru a elektroinstalace. Elektroinstalace řešila (Obrázek 31, Obrázek 32) připojení zdroje k motoru, umístění zdroje do ochranné krabičky, připojení zdroje k adaptéru, rozdělení kabelu (v případě umístění prototypu do klimatu komory je průchod na kabel 1 cm v průměru, spojení pomocí elektrikářských svorek). Následovalo celkové seřízení a připojení časovače, který slouží k nastavení času odpovídajícímu požadovanému počtu cyklů.
Zařízení má neomezený počet pracovních cyklů, jednoduché ovládání, možnost nastavení rozsahu pohybu horní hlavice a zkroucení (pomocí zkrácení vodícího lanka).
Lze ho umístit do klimatu komory a má nízkou hmotnost (9,7 kg).
Obrázek 31 – Finální verze prototypu zařízení pro simulaci cyklického mačkání, čelní pohled
a následným požadavkům na rozměry pro testy výšky vodního sloupce, kde je požadovaná velikost 170 mm x 170 mm. Nejvíce namáhaná plocha vzorku je ale o velikosti 105 mm x 285 mm. [31]
Pomůcky pro test:
nůžky (na látku a papír) – odstřih vzorku, lepenky
oboustranná lepicí páska – zajištění kraje vzorku
křížový šroubovák – dotažení kovových pásků
igelit – zamezení ušpinění vzorku
centropen – označení vzorku
teflonové (PTFFE) suché mazadlo (doporučená značka Motip) – promazání kladek a středové tyče
teploměr, vlhkoměr – stanovení klimatických podmínek
papírová šablona pro vzorek (295 mm x 170 mm)
polyesterová krabice pro přiklopení přístroje – nad přístroj, zamezení hlučnosti
molitan či gumová podložka – pod přístroj, snížení hlučnosti
přídavné zařízení počítadlo pracovních cyklů a časovač (Obrázek 33)
