Современную экипировку для занятий экстремальными видами спорта и активного отдыха на природе уже трудно представить без изделий, выполненных из мембранных тканей, которые защищают от непогоды и сильного ветра. Способность изделий, выполненных из мембранных материалов, не пропускать осадки снаружи, и при этом транспортировать выделенную телом влагу во внешнюю среду, принципиально расширяет границы комфорта по сравнению с традиционной влагозащитной одеждой, изготовленной из обычных непромокаемых тканей без мембранных свойств. Разумеется, мембранные ткани отличаются друг от друга по своим свойствам. В то же время, существующее многообразие типов мембран, а также вариантов комбинирования мембранных материалов с тканями и трикотажами усугубляется множеством торговых марок, созданных как производителями тканей, так и производителями готовых изделий. Во всяком случае, для любых мембранных тканей, предназначенных для применения в штормовой одежде, чрезвычайно важными параметрами являются влагостойкость и паропроницаемость. В отличие от относительно немногочисленных методов измерения влагостойкости, как правило, не принципиально отличающихся в численных данных (даже PSI, в общем, без проблем конвертируется в наиболее массовые миллиметры водного столба) с оценкой паропроницаемости всё гораздо сложнее.

     В настоящее время существует множество методов измерения паропроницаемости различных текстильных материалов и, в частности, мембранных тканей. Каждый из методов дает полезные  сведения об уровне паропроницаемости мембраны, однако, учитывая, что тесты зачастую исследуют работу мембран в принципиально разных условиях, а также отличаются по множеству более или менее важных деталей, сравнение между собой результатов полученных с помощью различных методов обычно бессмысленно.

     Паропроницаемость мембраны обычно обозначается полной абривиатурой MVTR (moisture vapor transmission rate) либо практически синонимичной, и более принятой в научной среде WVTR (water vapor transmission rate). В рамках большинства тестов паропроницаемость имеет размерность г/м2/24ч. Паропроницаемость зависит от температуры воздуха, а также от скорости и направления движения воздуха. Кроме того, эффективность транспорта молекул воды через мембрану у гидрофильных беспоровых полимеров усиливается при увеличении концентрации водяного пара на внутренней стороне мембраны.

     Данные измерений паропроницаемости материалов от поставщиков порой являются не точными, что зачастую связанно с неполным следованием протоколу тестирования или отличием в некоторых специфических условиях, не детерминированных в протоколе. Как поставщики материалов, так и производители изделий стремятся использовать для описания свойств нового мембранного материала данные либо тестов, дающих максимальный численный результат, либо тестов, дающих наилучший результат в рамках конкретной методики при сравнении с  конкурирующими мембранами. Более того, стоит отметить, что даже скрупулёзно выбранный тест, проведенный самым тщательным образом, моделирует работу мембраны в реальных условиях лишь приблизительным образом. Тесты выполняются на небольших кусочках материала в лаборатории и даже если методика призвана наиболее точно воспроизводить работу мембраны в условиях, приближенных к реальным, практически невозможно учесть все возможные переменные, влияющие на работу мембраны на конкретном пользователе: индивидуальный уровень потоотделения, метаболическая активность, уровень вентиляции, площадь мембраны, пригодная для транспорта влаги, скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, количество и тип осадков, количество одежды, надетой под мембраной и так далее. В то же время в рамках одного теста, дающего определенную оценку паропроницаемости, тем более нереально охватить весь диапазон условий, в которых будет работать мембрана в реальном мире.

     Учитывая обозначенные выше сложности, для описания паропроницаемости мембранных материалов применяется множество тестовых методов, каждый из которых может говорить об эффективности работы мембраны в некотором диапазоне условий.  


Наиболее популярные методики измерения:

     1. Американский тест с “вертикально стоящей чашкой”. ASTM E (American Society for Testing and Materials) 96, Procedure B (upright cup method).

    Тесты проводятся в туннеле, помещенном в закрытую камеру, температура в камере поддерживается равной 23/-0,5 градусам, температура точки росы в этих условиях равна 12+-1 градусам (50% относительная влажность). Скорость воздуха в туннеле равна 2,8+-0,25 м/с. Из тестируемого мембранного материала вырезается 6 округлых образцов диаметром 7,4 см. Каждый из образцов закрепляется с помощью специального держателя сверху на алюминиевой чашке объемом 155мл, содержащей 100мл дистиллированной воды. Мембрана при этом должна быть обращена в сторону воды. Чашки взвешиваются с точностью до 0,001г и затем помещаются в туннель с движущимся воздухом. Взвешивание образцов происходит спустя 3,6,9,13,23 и 30 часов после начала эксперимента.
WVTR рассчитывается по формуле: (G/t)/A, где A – площадь образца в квадратных метрах, t – время в часах, G – разность в весе чашки в граммах.

2.  Американский тест с “перевернутой чашкой”. ASTM E 96, Procedure BW (inverted cup method).

     Условия тестирования и подготовка чашки идентичны таковым в ASTM E 96, Procedure В, за исключением того, что чашки помешаются в туннель в перевернутом состоянии. Данный вид тестирования применим только к водонепроницаемым материалам, поскольку в иных случаях будет наблюдаться протечка через материал. Для предотвращения вытекания  жидкости через щели между стенкой чашки и материалов, материал фиксируется на чашке с помощью герметика. Протокол взвешивания и определения WVTR идентичен используемому в тесте с вертикально стоящей чашкой.
Паропроницаемость рассчитывается по формуле: (G/t)/A, где A – площадь образца в метрах квадратных, t – время в часах, G – разность в весе чашки в граммах.

3. Японский тест с “вертикально стоящей чашкой” и сухим влагопоглотителем (A1). JIS L 1099 A1 (Japanese Industrial Standart, dessicant upright cup method).

     Одна из самых популярных методик измерения паропроницаемости мембранных материалов. Методика по некоторым параметрам подобна ASTM E 96, Procedure B (upright cup method), но используется хлорид кальция для поглощения влаги и, соответственно, для сохранения достаточно высокого градиента влажности. Из тестируемого образца мембранного материала вырезается три округлых куска диаметром порядка 7 сантиметров. Сухой влагопоглотитель (хлорид кальция) насыпается внутрь предварительно нагретых до 40 градусов сосудов, до уровня на три миллиметра ниже верха. Тестируемые образцы фиксируются на верхней части сосудов с помощью специального кольца и лицевой тканью в сторону влагопоглотителя, область соединения герметизируется виниловым герметиком. Готовые к эксперименту сосуды помещаются в закрытую камеру (термогидростат) с температурой воздуха 40С и 90% относительной влажностью воздуха.  Внутри термогидростата поддерживается постоянный поток воздуха скоростью 0,5 м/с. Спустя час после начала теста производится взвешивание сосудов, а еще через час повторное взвешивание.
Используя информацию об изменении веса чаш и, соответственно, проведя аналогичные предшествующим тестам вычисления, определяют WVTR мембраны.

Альтернативная версия японского теста с вертикально стоящей чашкой (A2). JIS L 1099 A2.

     В этом варианте вместо сухого влагопоглотителя в сосуде используется вода, а влажность в камере значительно снижена. Для проведения теста из мембранного материала вырезаются три круглых образца диаметром 8 см. В тестовый сосуд до уровня на сантиметр ниже края  заливается дистиллированная или деионизированная вода, имеющая температуру 40 градусов. Сосуд накрывается тестируемым материалом лицевой тканью наружу от жидкости. Мембранная ткань фиксируется на сосуде с помощью специального кольца, и стыки герметизируются адгезивной лентой. Сосуд взвешивается и помещается в тестовую камеру имеющую температуру 40 градусов и относительную влажность воздуха 50%. Спустя час после начала теста производится взвешивание сосуда, а еще через час повторное взвешивание. Внутри термогидростата поддерживается постоянный поток воздуха со скоростью 0,5 м/с.


     4. Японский тест с перевернутой чашей и влагопоглотителем (B1). JIS L 1099 B1 (dessicant inverted cup method).

     Чаша наполняется раствором ацетата натрия (300 г ацетата натрия на 100 мл воды) на две трети. Раствор в данном случае выступает как влагопоглотитель, обеспечивая 23% влажность на внутренней стороне материала. После добавления ацетата натрия верх чашки закрывается пленкой из ePTFE. Из тестируемого мембранного материала вырезается 3 квадратных образца 20х20 см. Каждый из них закрепляется на специальной раме, таким образом, чтобы лицевая сторона мембранного материала была обращена в сторону влагопоглотителя (в версии JIS L 1099 B2 еще один кусок тефлоновой пленки помещается на поверхность образца и крепится к раме с помощью резиновой ленты). Каркас для закрепления тестируемого образца монтируется в камере-термостате таким образом, чтобы после установки перевернутая чаша плавала на поверхности воды (температурой 23 градуса). После взвешивания собранной для теста чаши она переворачивается и закрепляется на каркасе в камере-термостате, с рециркулирующим воздухом имеющим температуру 30 градусов. Через 15 минут тест останавливают, и камера повторно взвешивается.
WVTR вычисляется по формуле:



Где: 
a1 – вес чаши после теста,
a0 – вес чаши перед началом теста,
S – площадь образца в м2.
    
Результаты усредняются по трём образцам и конвертируются в размерность - г/м2/24ч.

5. Потеющая тёплая пластина. Evaporative resistance (ISO 11092, ISO 1999, ASTM F 1868).

     Данный тест измеряет количество энергии, необходимое для поддержания температуры пластины на уровне температуры человеческой кожи, в то время как вода испаряется с поверхности пластины и проникает через тестируемый мембранный материал во внешнюю среду. Три образца размером 50,8х50,8 см вырезают из тестируемого материала. Каждый тестируемый образец помещается на горизонтальную плоскую пластину стороной с мембраной (для 2L) или внутренним слоем ламината в сторону пластины. Барьер из PTFE поверх пластины предотвращает контакт между жидкой водой на поверхности пластины и тестируемым мембранным материалом, обеспечивая доступ к образцу лишь водяного пара. Температура пластины удерживается на уровне 35+-0,5 градусов с помощью главного нагревателя и набора вспомогательных нагревателей для компенсации неравномерности нагрева пластины основным нагревателем. Температура точки росы равна 19 градусам, что позволяет обеспечивать 40% относительную влажность, при 35 градусах. Через крышку запускается вертикальный поток воздуха со скоростью 1 м/с. После стабилизации система в течение часа удерживается в состоянии равновесия.

Сопротивление передаче энергии при испарении, включающее в себя сопротивление жидкого барьера, тестируемого материала и прослойки воздуха вычисляется по формуле:



Где Re,t – общее сопротивление передаче энергии при испарении системы из тестируемого образца и воздуха (м2Па/Вт), A – площадь образца (м2), Ps – давление водяного пара на поверхности горячей пластинки , Pa – давление водяного пара в воздухе и H – потребляемая мощность.

     6. Dynamic moisture permeation cell. ASTM F 2298.
    
     Данный стандарт измеряет WVTR при прохождении смеси сухого и насыщенного водой азота над лицевой и изнаночной поверхностью образца, закрепленного в тестовой ячейке. Относительная влажность на верхней и нижней поверхностях ячейки измеряется с помощью регуляции отношения сухого и обводненного азота. Максимальный градиент относительной влажности (90%) используется в качестве стандарта при влажности на лицевом сегменте 95% и влажности изнаночного сегмента 5%. Три тестовых образца размером 2,5х2см проходят тестирование при температуре 20+/-1 градус и скорости движения азота 2000см3/с. Тестируемый образец зажимается между верхним и нижним сегментами ячейки, стороной с мембраной или внутренним слоем ламината в сторону с большей влажностью. Используя компьютеризированную систему, состоящую из контролеров силы потока, датчика давления, автоматических клапанов и датчиков измерения относительной влажности, можно произвольным образом менять относительную влажность азота как в верхней, так и в нижней части ячейки.
     Паропроницаемость вычисляется по формуле:



Где:
A - площадь образца (м2), 
δ - разница в относительной влажности между приходящим потоком газа и потоком газа в донной части ячейки, выраженная в десятичном формате,
Psat - давление насыщенного водяного пара при температуре тестирования (Н/м2),
Mw - молярная масса молекулы воды (18,105 г/моль),
Qs - измеренный прибором объемный расход газа (м3/с),
R – универсальная газовая постоянная (8314,5 Дж/мольК),
Ts  - температура тестирования (К).

Из описанных методов измерения паропроницаемости мембранных материалов наибольшей популярностью пользуются следующие:

     JIS 1099 L B1- как относительно простой в проведении, и выдающий легко интерпретируемый высокий численный результат.
     Полученный в рамках данного теста результат, можно рассматривать как практический предел паропроницаемости мембраны, поскольку условия для транспорта влаги в конкретном тесте оптимальны. С точки зрения реального мира, с результатами подобного теста будет хорошо коррелировать реальная паропроницаемость мембраны в относительно сухую погоду при обильном потоотделении у пользователя, ведущем к конденсации влаги на внутренней стороне мембранного ламината. Из различных классов современных мембранных тканей с высокой влагостойкостью, пожалуй, наиболее впечатляющие результаты в данном тесте показывает последнее поколение беспоровых гидрофильных полиуретановых мембран. Некоторые артикулы способны обеспечивать паропроницаемость в рамках данного теста в 50000-60000 г/м2/24ч даже в 3L ламинате. На втором месте в рамках данного теста, вероятно, окажутся современные особо тонкие комбинированные ePTFE/PU  мембраны.

     JIS 1099 A1 – также весьма популярен в связи с относительной простотой и в связи с предоставлением важной дополняющей информации о паропроницаемости изделия.
     Метод весьма популярен для рекламного представления данных паропроницаемости недорогих поровых мембран, для которых результаты A1 и B1, как правило, весьма близки. В целом, численные данные этого теста более близки к усреднённой реальной паропроницаемости мембран при эксплуатации изделия. Как правило, мембраны с высокими значениями WVTR A1 более устойчивы к образованию конденсата и зачастую лучше работают в условиях с высокой влажностью. В рамках этого теста лидерами являются современные поровые мембраны высокого класса. Для мембран с высокой влагостойкостью значения WVTR в тесте JIS 1099 A1 может достигать 14000 г/м2/24часа для 3L ламината. Предельные значения теста для новейших сверхтонких ветрозащитных поровых покрытий лежат в области 18000 г/м2/24 часа.

     ASTM F 1868.
     Данный тест разрабатывался как более современный и точный метод оценки паропроницаемости, однако, исходя из имеющейся информации, его также не стоит рассматривать как универсальный. Данные ASTM F 1868, как правило, коррелируют с результатами JIS 1099L WVTR B1, хотя в ряде случаев может наблюдаться и корреляция с WVTR A1. Однозначную интерпретацию результатов теста несколько затрудняет существенное влияние толщины и/или теплоизоляции тестируемых образцов на его результат (Gore Windstopper проигрывает Gore Packlight по результатам тестирования, но обычно оказывается более паропроницаемым в реальном мире). Лидерами теста по открытым данным, похоже, являются тонкие комбинированные мембраны, ламинированные на сверхлегкие ткани – такие материалы имеют величину RET в диапазоне 2-3 для 3L конструкции. Весьма близки по величине RET также некоторые современные тонкие поровые и беспоровые полиуретановые мембраны.

     ASTM F 2298 - пожалуй, наиболее интересный вариант в плане предоставляемых прибором возможностей.
     Изменяя абсолютную влажность газа, но сохраняя дельту относительной влажности можно получить двухмерную зависимость паропроницаемости материала от этого параметра (это в свое время было сделано для многих мембранных ламинатов), что весьма интересно с точки зрения оценки работы мембраны в широком диапазоне условий. Исходя из данного теста для беспоровых или комбинированных мембран возрастание абсолютной влажности, при сохранении градиента относительной, ведет к существенному увеличению паропроницаемости мембраны. В то же время поровые мембраны эффективны даже при низких значениях абсолютной влажности и практически не меняют своих свойств при ее возрастании, что роднит их с обычными не влагозащитными тканями, демонстрирующими в подобном тесте сходные свойства. Перенося эту информацию на реальные условия можно сделать вывод о том, что поровые мембраны быстрее переходят к эффективному транспорту влаги и потенциально способны поддерживать более низкую влажность внутри системы одежды.
     Изменяя  дельту давлений газа можно получить двухмерную зависимость паропроницаемости от этого параметра, которая в свою очередь, будет коррелировать с изменением паропроницаемости мембраны в реальном мире при движении воздуха обусловленном перемещением человека или ветром. Точка “0” подобной диаграммы будет коррелировать с данными WVTR A1, при повышении дельты давления у беспоровых мембран паропроницаемость не меняется, а у поровых она увеличивается пропорционально воздухопроницаемости ламината. Соответственно, наиболее значимый прирост паропроницаемости наблюдается у представителей семейства субмикронных волоконных полиуретановых мембран (электроспинниговые мембраны). Тут стоит отметить, что влагостойкость актуального лидера данного теста не позволяет использовать его в качестве материала для всепогодной штормовой одежды, а относительно высокая воздухопроницаемость закономерным образом сказывается на ветрозащитных свойствах.
     Из недостатков метода можно отметить его крайне малую распространенность (ни один производитель мембран не предоставляет информации по паропроницаемости конкретных артикулов в рамках ASTM F 2298) и отсутствие возможности получить данные по предельной паропроницаемости мембраны, достижимой при наличии теплого конденсата на внутреннем слое и низкой внешней влажности.


     Тесты и реальные условия эксплуатации.

     За последние несколько лет мы протестировали в полевых условиях практически все новейшие мембранные материалы высокого класса. Стоит отметить, что вне зависимости от примененного типа мембраны все изделия обеспечивали весьма высокий уровень комфорта и обладали прекрасной паропроницаемостью в реальных условиях. В большинстве случаев полевое (а точнее горное) тестирование современных поровых мембран высокого класса показало, что пользователь порой способен отличить новейшую беспоровую или комбинированную мембрану от новейшей поровой - первые воспринимаются как несколько более “влажные” при повседневной эксплуатации и, пожалуй, при затяжных осадках. В то же время пользователь практически не замечает разницы в паропроницаемости между сходными по структуре ламинатами топ класса выполненными на основе поровых ePTFE мембран, волоконных субмикронных полиуретановых мембран и нового поколения  полиуретановых мембран с субмикронным размером пор.
     Чрезвычайно важно учитывать, что помимо паропроницаемости, принципиальными параметрами для конкретного материала являются влагостойкость, прочность и износостойкость внешнего и для 3L мембран также внутреннего слоя ламината, неприхотливость мембраны, и конечно эффективность и долговечность DWR обработки внешнего материала. Кроме того стоит помнить, что паропроницаемость мембранного материала существенно (в несколько раз) зависит не только от вида применённой мембраны, но и от примененного в изделии текстиля (тканей и трикотажа), а также от технологий ламинации. Исходя из этой простой истины, полезно знать параметры конкретного артикула, примененного в изделии, а не некоторые универсальные данные времен вывода торговой марки на рынок.