dr Janusz Juraszek Politechnika Łódzka filia w Bielsku-Białej

Adam Małachowski Pracownia Sprzętu Alpinistycznego w Dębowcu

 

System Thermoactive w logistyce alpinistycznej i polarnej  

Referat wygłoszony na 27 Międzynarodowym Sympozjum Polarnym na Uniwersytecie IM. Mikołaja Kopernika w Toruniu 2-3 XII 2000

 

1.Wstęp  

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

 

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

 

 

2. Koncepcje projektowania odzieży.

 

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

  

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

 

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

 

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

  

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

Koncepcja włókien parafinowych opiera się na specyficznej budowie tkaniny, zmiennej w zależności od temperatury. Przy ochłodzeniu splot staje się gęsty, a przy temperaturze podwyższonej – jest luźny i przewiewny. W ten sposób odbywa się termoregulacja.

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

   

2.1. Istota koncepcji Thermoactive

 

 

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

 

 

1. Ciało.  
2. Warstwa laminarna.
3. Bielizna powinna być obojętna dla wytworów skóry jak tłuszcze,moczany itd. Najbardziej odpowiedni jest jedwab (bez procesu barwienia) lub bikomponentowe włókna z apreturą antybakteryjną i antystatyczną o minimalnej hydrofobowości.
4. Regulowany kanał powietrzny jest przydatny do transportu wytworów skóry poprzez ciągi kominowe. Jest on istotny, gdy jesteśmy zgrzani.
5. W tej warstwie wytwory skóry w postaci gazu są transportowane do następnej strefy. Uwaga!!! Tutaj najczęściej dochodzi do wykroplenia w wyniku wpływu czynników atmosferycznych i mikroklimatu w odzieży. Należy zwrócić uwagę na rodzaj struktury surowców. Ponadto konstrukcja ubioru powinna umożliwiać ciągi miechowe w strukturze tej warstwy. Zalecane jest, aby warstwa bliższa ciału posiadała dobrą hydrofobowość, a od strony otoczenia jak najmniejszą. Wesprze to zjawisko odparowywania wytworów skóry w gaz, który to w wyniku różnicy ciśnień cząstkowych w odzieży i w otoczeniu ma możliwość przemieszczania się poza warstwę zewnętrzną odzieży. Należy zwrócić uwagę, że nie wszystkie wytwory skóry ulegną odparowaniu jak np. niektóre tłuszcze czy sole. Dlatego warstwy te muszą mieć zdolność do kumulacji tych wytworów. Zwykle zauważamy wykraplanie pod membraną, co jest wynikiem zbyt dużego luzu pomiędzy warstwą pośrednią a membraną. Przy dużych luzach w strefie zimna niekorzystna jest zmiana kierunku gradientu temperatury przez ciągi kominowe, dlatego odpowiedni stopień dopasowania w każdej z warstw ma kluczowe znaczenie na zjawiska fizyczno-chemiczne w odzieży.
6. Do wyboru mamy kilka rodzajów membran, które dzielą się ze względu na rodzaj budowy mikroporów. -mikropora typu otwartego zalecana w góry wysokie, oraz wszędzie tam gdzie jest małe ciśnienie cząstkowe w otoczeniu i gdzie występuje zjawisko sublimacji. -mikropora lejkowata wszędzie tam gdzie jesteśmy narażeni na ciągły deszcz (dla koncepcji mokrej) -mikropora przesunięta, gdzie występuje duże ciśnienie cząstkowe w otoczeniu, a pogoda jest zmienna (strefa umiarkowana i polarna) -membrana bez mikroporów
7. Warstwa zewnętrzna jest zabezpieczeniem przed urazami mechanicznymi. W zależności od przeznaczenia należy brać pod uwagę relację ciężaru względem wytrzymałości.

 

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

 

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

   

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

 

 

PAROWANIE
Utrata ciepła przez parowanie następuje podczas pocenia się. Jest to naturalna "chłodnica" ciała. Podczas intensywnego ruchu, kiedy szybkość parowania wzrasta, wilgoć przechodzi od powierzchni skóry do warstw odzieży, skraplając się na niej. Powoduje to uczucie dyskomfortu, a ponadto jest niebezpieczne. Wilgoć powinna być aktywnie transferowana przez zewnętrzną warstwę odzieży.

 

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

 

 

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

 

Przy dużych skokach temperatur wskazane jest używanie ogrzewaczy aktywnych.

 

CIĄGI KOMINOWE - to ruchy powietrza występujące pomiędzy warstwami ubiorów w tzw. kanałach powietrznych. Ciągi kominowe odgrywają ważną rolę dla transportu wytworów skóry Mają znaczący wpływ na utratę ciepła.

 

CIĄGI MIECHOWE - to ruchy występujące wewnątrz struktur warstw pośrednich.

 

KANAŁ POWIETRZNY - to wolna przestrzeń pomiędzy dwoma warstwami ubioru. W kanale tym występują ciągi kominowe. W przypadku kiedy pomiędzy warstwą pośrednią ubioru a membraną występuje zbyt duży luz (kanał powietrzny) wówczas para wodna wykrapla się na wewnętrznej stronie membrany.  

WARSTWA LAMINARNA

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

 

 

   I.WARSTWA bielizna Ta warstwa dotyka bezpośrednio skóry. Jej zadaniem jest transport potu na zewnątrz, żeby skóra zawsze była sucha. Warstwa ta spełnia również rolę wentylatora. Ta część systemu odzieży decyduje o naszym samopoczuciu. Obecnie najlepszym surowcem na bieliznę jest naturalny jedwab, nie barwiony i nie teksturowany. Jest antystatyczny, skutecznie neutralizuje zapachy wydzielin skóry i nie powoduje uczuleń. W latach 80-tych był sposobem na ochronę nóg w zimowych wyprawach wysokogórskich. Alternatywą są dzianiny z bikomponentowych włókien poliestrowych z apreturą antybakteryjną i antystatyczną.

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

 

II. WARSTWY POŚREDNIE - ocieplenia

Warstwa środkowa odzieży oddziela ciepłe ciało od zimnego powietrza. Najczęściej jedna grubość warstwy nie wystarcza do stworzenia komfortu w szerokim zakresie temperatur, stąd właśnie warstwowość różnych grubości i rodzajów materiałów jest najbardziej efektywną, ale też dość złożoną drogą do uzyskania uniwersalnego ocieplenia. Proponujemy ocieplenia z: naturalnego puchu, wełny albo też ocieplenia syntetyczne.

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

 

WEŁNA. Jej naturalny skład i budowa przy wzrastającej wilgotności cechuje wytwarzanie własnej temperatury na drodze reakcji chemicznych. Znajdując się w strefie działania gradientu temperatury nie zamarza, a w postaci cienkiego flisu dopasowanego do ciała szybko odparowuje.

 

BAWEŁNA. Odwrotnie niż wełna obniża temperaturę, dzięki czemu ma zastosowanie w przypadkach, gdy następuje zjawisko przegrzania.

 

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

 

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

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

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

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

Zamknięte - membrany nie mają mikroporów działają na zasadzie absorpcji chemicznej, gdzie transport odbywa się na zasadzie molekularnych łańcuchów. Membrany te nie brały udziału w badaniach i nie mamy materiałów źródłowych dla zastosowań polarnych.

 

2.2 TRWANIE W ODZIEŻY

 

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

Trzeba być świadomym, że nie wszystkie wydzieliny skóry są w stanie gazu i nie mogą być transportowane do otoczenia. W związku z tym warstwy pośrednie odzieży muszą posiadać właściwości pochłaniania i neutralizowania.

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

I tak np. osoba wyjeżdżająca na obszary o dużych różnicach temperatur między nocą a dniem (pustynia) potrzebować będzie śpiwora o takich samych parametrach jak podróżnik w Jakucji. Wiąże się to z dużym skokiem temperatury, a nie jak się ogólnie uważa ze stałą niska temperaturą.

3. System THERMOACTIVE®

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

Obecny stan wiedzy jest wykorzystywany w fazie produkcyjnej zaledwie fragmentarycznie ponieważ wykorzystuje rozwiązania różnych pakietów odzieży biernej i aktywnej nie uwzględniając zjawisk fizyczno-chemicznych zachodzących w warstwie laminarnej na powierzchni skóry. Zapewnienie warstwie laminarnej zharmonizowanego (zsynchronizowanego) przebiegu tych zjawisk decyduje o tym czy jest nam ciepło czy zimno, a grubość odzieży nie ma kluczowego wpływu na opór cieplny. Dlatego tak ważna jest grubość krytyczna warstw odzieży. Jej zwiększenie powoduje niekorzystne zmiany w izolacji cieplnej

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

 

3.1. Odzież na miarę

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

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

 

5.Symulacje komputerowe

 

Najlepszym obiektem do badania odzieży i ekwipunku jest człowiek, a badania pakietów są pomocne w fazie projektowej. Zbudowano model człowieka z wykorzystaniem elementów przestrzennych 3-D typu brick. Model umożliwia analizę ciągów kominowych oraz miechowych. Przyczynił się do właściwego wkomponowania kanałów wentylacyjnych oraz posiadał wartość edukacyjną dla użytkowników systemu

Analizowano również procesy zachodzące w warstwach ocieplenia oraz w warstwie laminarnej. Ze względu na złożoność zagadnienia w pierwszym etapie przyjęto model płaski. Zastosowano elementy solid plane 2-d.

                 

  5.Wnioski  

 

  • Istotny opór cieplny występuje w warstwie laminarnej, która jest kluczem do poprawnego projektowania odzieży

   

    • Grubość odzieży nie ma istotnego wpływu na opór cieplny. Dowodem na to jest użytkowanie kombinezonu o wadze 1,5 kg o zawartości puchu 250g oraz śpiwora 300 g puchu i wadze 0.5 kg przez Ryszarda Pawłowskiego i Piotra Pustelnika. Dzięki temu przetrwali biwak na wysokości 8200 m n.p.m. w temp.- 40oC przy silnym wietrze, a na szczycie Everestu mogli przebywać aż dwie godziny.
    •  

 

  • Istnieje potrzeba prowadzenia dalszych badań systemu THERMOACTIVE® przez symulacje komputerowe w celu zbioru definicji matematycznych i chemicznych metodą elementów skończonych. Symulacje komputerowe umożliwiają szybką analizę wpływu poszczególnych czynników w pakiecie a ich wyniki przyczynią się do projektowania odzieży gwarantowanej dla nieznanych warunków.
  •  

           

  • J.Juraszek: Powłoki polimerowe i kompozytowe w systemie Thermoactive. Konferencja Nowe Materiały i Technologie Szczecin 1998,s 329-335.

 

  • J.Juraszek, M.Hajduga, J.Nowak: Zastosowanie materiałów polimerowych i kompozytowych w membranach półprzepuszczalnych. ZN ART. Bydgoszcz, nr 216, Mechanika 43 , str. 9-13.

 

3. J.Juraszek: Zintegrowany system Thermoactive. Krajowa Konferencja : Dobór i eksploatacja Materiałów Inżynierskich. Jurata 22-25.09.1997, s527-532