VESITESTIT TEKSTIILIN JA VEDEN VUOROVAIKUTUS TEKSTIILIT JA VESI. Hanna-Riitta Kymäläinen

Transkriptio

1 VESITESTIT Hanna-Riitta Kymäläinen Helsingin yliopisto Maatalous-metsätieteellinen tiedekunta Agroteknologian laitos TEKSTIILIN JA VEDEN VUOROVAIKUTUS valmistus YMPÄRISTÖ TEKSTIILI TOIMINTA IHMINEN TEKSTIILIT JA VESI VETTÄPITÄVÄT JA - HYLKIVÄT KANKAAT -Kuitumateriaali -Lanka -Tekstiilin rakenne -Pinnoitteet -Viimeistyskäsittelyt -Kuiturakenne, mikrokuidut Vettäpitävät, vesihöyryä läpäisevät kankaat Vesi, kosteus, kuidut, tekstiilit, terminologia Imevät materiaalit Värinkesto Pesunkestotestit Imevyys-hylkivyys Pesun ja kulumisen vaikutus kankaan vedenimuun ja -hylkivyyteen Ympäristö- ja koeolosuhteet Kostuminen, kastuminen, kuivuminen, kuivaminen, kuivaus 1

2 MISSÄ VESI SIJAITSEE Kuitujen välissä Kuitujen pinnalla fibrillien välissä Eklund ja Lindström 1991 Kuidun ontelossa (lumen) Soluseinämässä Lankojen Pinnalla Sisällä Välissä Kankaan Pinnalla Sisällä Kangaskerrosten välissä TERMINOLOGIAA: SORPTIO Sorptio = materiaalin ja veden välinen vuorovaikutus Absorptio = veden / vesihöyryn imeytyminen materiaaliin ( sisälle ) Adsorptio = vesihöyryn siirtyminen materiaaliin pintasorptiona ( pintaan ); kostuminen Käytännössä ab- ja ad-sorptio ovat jotakuinkin sama asia, joten voisimme käyttää yhteistä sanaa sorptio Desorptio = kuivuminen, veden poistuminen TERMINOLOGIAA Kosteuskäyttäytyminen = veden ja kosteuden sekä tekstiilin vuorovaikutus; luonteeltaan dynaaminen käsite Hydrofiilinen = vesihakuinen, vettä imevä Hydrofobinen = vesipakoinen, vettä hylkivä Hygroskooppinen (materiaali) = kosteutta (kapillaarikondenssilla) imevä 2

3 MIHIN VESI KANKAASSA VAIKUTTAA 1. Mittoihin 2. Lujuuteen ja venymää ään (kuitujen sidoksiin) 3. Sähköisiin ominaisuuksiin: resistanssi vähenee kun kosteuspitoisuus nousee 4. Mikrobiologiseen laatuun: useat mikrobit voivat hyvin, kun niillä on lämpöä, kosteutta ja ravinteita 5. Likaantumiseen, puhdistumiseen, värjäykseen ja värin poistumiseen - vesi kuljettajana - sähköistyminen 6. Tekstiilin miellyttävyyteen iholla MITEN TEKSTIILIEN KOSTEUSKÄYTTÄYTYMISTÄ MITATAAN: VESITESTIEN KIRJO 1. Kosteus tekstiilin sisällä (ja pinnalla) Kosteuslisä, kosteuspitoisuus, tasapainokosteus Veden imu(kyky) Kapillaarinen imukyky Uppoaminen Jäännöskosteus 2. Vesi tekstiilin pinnalla Vedenhylkivyys Kontaktikulma Kastuminen 3. Vedenpitävyys Vedenläpäisevyys Vesihöyrynläpäisevyys KOSTEUSLISÄ Kosteuslisä on kosteuden määm äärä ilmoitettuna prosentteina kuivatun materiaalin massasta (SFS 4681) = Moisture content (d.b.) Käytetään kuvaamaan tekstiilin sisältämän kosteuden määrää Käytetään myös esim. laskettaessa kauppamassaa tai neliömassaa Jäännöskosteus = kosteuslisä esim. linkouksen jälkeen Kosteuslisä vakioilmastossa 3

4 ERI KUITUJEN KOSTEUSLISÄT Kuitujen tyypilliset kosteuslisät on esitetty numeroina mm. standardeissa SFS-ISO/TR ja SFS 5274 Kaupallinen kosteuslisä = kullekin kuitulajille sovittu lisä KOSTEUSLISÄ (%) VISKOOSI PELLAVA SILKKI PUUVILLA ASETAATTI TRIASETAATTI POLYAMIDI VILLA AKRYYLI PES Taylor 1994 KOSTEUSPITOISUUS Kosteuspitoisuus (SFS 4681: kosteussisält ltö) on kosteuden määm äärä ilmoitettuna prosentteina kuivaamattoman (= kostean) materiaalin massasta =Moisture content (w.b.) Kuten kosteuslisää, sitäkin käytetään kuvaamaan tekstiilin sisältämän kosteuden määrää Kosteuslisä on numeroarvona suurempi kuin kosteuspitoisuus. Kosteuspitoisuuden ja -lisän mittaaminen Koepalat (esim. 5 kpl, à 10 cm x 10 cm) mitataan ja punnitaan halutussa tasapainotilassa (RH) => m kostea Koepala kuivataan uunissa (105 ºC ± 3 ºC, SFS-EN 12127) ja jäähdytetään eksikkaattorissa => m kuiva Laskut punnitusmaljat vaaka eksikkaattori uuni 4

5 TASAPAINOKOSTEUS EMC, equilibrium moisture content (tasapainokosteussisältö) ERH, equilibrium relative humidity (tasapainokosteus) Materiaalin ilmasta imemän veden määrä tietyssä ilman lämpötilassa ja RH:ssa (suhteellisessa kosteudessa), tasapainotila Materiaalin kosteuspitoisuus voidaan ilmaista ajan funktiona sorptioisotermi Mittaaminen: Säädetään halutut olosuhteet, asetetaan (esi-ilmastoitu) tekstiili ko. olosuhteisiin, punnitaan säännöllisesti, lasketaan kosteuspitoisuus allas näytekori tuuletin Kuidun kosteuspitoisuus (%) viskoosi HYSTEREESI sorptio desorptio puuvilla polyamidi Ilman suhteellinen kosteus (RH) Kuva muokattu Teploukhova et al VEDENHYLKIVYYS = kankaan pinnan kyky hylkiä veden imeytymistä Standardien vedenhylkivyystesteissä simuloidaan sadetta Veden ja muiden nesteiden hylkivyyttä voidaan mitata myös kontaktikulman avulla 5

6 Spray-testi (SFS-EN 24920) 250 ml vettä Kuva: SFS-EN Kuva: SFS-EN Koekangas Bundesmannsadetustesti (SFS-EN 29865) Sadetusaika 1 / 5 / 10 min Taylor 1994 Arviointi 1) visuaalinen 2) läpi menneen veden määrä 3) kankaaseen imeytyneen veden määrä 6

7 KONTAKTIKULMA Mittaa veden tai muun nesteen pisaroitumista kankaan pinnalla tai imeytymistä kankaaseen Θ<90º => vesi imeytyy kankaaseen kapillaarisesti Θ 90º => vesi ei nouse kapillaarisesti Vettähylkivillä kankailla on suuri kontaktikulma Kontaktikulmamittausta on käytetty mm. kuvaamaan kankaiden pintakäsittelyjen vaikutusta niiden vedenhylkivyyteen (Hwang et al. 2005) Vesipisara CAM 100 Kamera Koekangas CAM 100 (lähde: KSV Instruments Ltd) Θ<90º Θ<90º Θ>90º Smith&Block 1982 KOSTUMINEN (WETTABILITY) (BS4554) Koe on tarkoitettu kankaille, joissa on hydrofiilisiä kuituja. Tutkittava kangas (200 mm x 200 mm) asetetaan kirjontakehykseen Mitataan aika (s), jossa 6 mm kankaan yläpuolelta pudotettu pisara vettä tai 50 % sokeriliuosta vajoaa kankaaseen Jos t >200 s eli pisara ei vajoa 3 min 20 s aikana, kangas on kostumaton tai vettymätön (unwettable) Huomaa yhteys kontaktikulmamittaukseen: kun kontaktikulma on 0, vesi imeytyy kankaaseen täysin KAPILLAARISUUS = veden sitoutuminen pieniin huokosiin pintajännityksen avulla Johtuu paine-eroista kiinteä aine neste systeemissä Wicking = kapillaarivoimien aikaansaama spontaani nesteen virtaus huokoisessa aineessa Wickability = kyky jatkaa kapillaarista virtausta Vrt. wettability = tekstiili(materiaali)n käyttäytyminen sen joutuessa kontaktiin veden kanssa 7

8 Kapillaarisuuden mittaus kuiduista, esimerkki Kymäläinen 2000 Kapillaarisuuden (wicking) mittaamismenetelmiä kankaille (Harnett & Mehta 1984) KAITALETESTI LEVYTESTI TESTIKANGAS HUOK. LASIL. KAPILLAARIPUTKI ALLAS TESTIK. PAINO vesi LAPPOTESTI TAHRATESTI tai ALLAS PISARA PAINO LANKA ALLAS ALLAS TESTIKANGAS TESTIKANGAS KERÄYS- ASTIA VEDEN IMUKYKY / IMEYTYMINEN (BS3449) Koe on tarkoitettu imeville materiaaleille Mitataan imeytyvän veden kokonaismäärä Veden virtaussuunta Messinkitankokehikko Toteutus Punnittu koekappale (4 näytettä à 80 mm x 80 mm) upotetaan kehikossa veteen, vähintään 10 mm syvyyteen Veden annetaan imeytyä 20 min ajan Irtonainen vesi ravistellaan/lingotaan pois Näyte punnitaan Lasketaan imeytymisprosentti ((m märkä m ilmastoitu )/(m ilmastoitu )) x 100 % 8

9 UPPOAMISTESTI (Saville 2000) Koe on tarkoitettu hyvin imeville materiaaleille Kangaspala (25 mm x 25 mm) tai 50 mm pituinen lanka pudotetaan tislatun veden pinnalle Mitataan uppoamiseen kulunut aika Jos näyte ei uppoa 1 minuutissa, se arvostellaan kelluvaksi VEDENPITÄVYYS JA -LÄPÄISEVYYS Vedenpitävyys = kankaan veden hydrostaattisen paineen kesto Vedenläpäisevyys = vedenpitävyyden vastakohta; testin nimi VEDENLÄPÄISEVYYSSTANDARDEJA Arviointikriteeri Tutkimuskohde Menetelmä Standardi Tiiviit kankaat Kuitukankaat Näytteen toiseen puoleen kohdistetaan jatkuvasti kasvava vedenpaine, kunnes vesi tunkeutuu kankaan läpi 3 kohdasta Näytteelle kaadetaan nestettä (simuloitu virtsa), jonka läpimenoaika mitataan Veden paine Aika SFS-EN (samankaltainen: SFS-EN 1734 pinnoitetuille kankaille) ISO

10 VEDENLÄPÄISEVYYS (SFS-EN 20811) Vedenpainetta nostetaan nopeudella 10±0,5 (tai 60±3) cmh 2 O/min Merkitään muistiin paine, jolla vesi tunkeutuu kankaan 3 kohdasta läpi Tulos luetaan vesipatsassenttimetreinä Vastaavuus: 1 cmh 2 O = 98,0665 Pa 1 mbar VESIHÖYRYNLÄPÄISEVYYS = vesihöyryn siirtyminen tekstiilimateriaalin läpi (g/m 2 s) Kerrotaan usein vedenläpäisyn ohella Menetelmä (BS 7209) Kangas asetetaan vesiastian päälle ja reunat tiivistetään Astia asetetaan kontrolloituun ilmastoon Astiaa punnitaan, jolloin saadaan selville haihtuneen veden määrä Vesihöyrynläpäisevyys ilmoitetaan g/m 2 s tai % suhteessa (polyesteri-) vertailukankaaseen Jalkineille oma menetelmä (EN 13535) VESIHÖYRYN LÄPÄISYN MITTAUS: GOREN KUPPIMENETELMÄ Tutkittavasta materiaalista leikataan pyöreä näyte (ø = 9 cm) Vesiastiaan (esim. pesuvatiin) asetetaan kirjontakehys, johon on kiinintetty puolil päisevä kalvo Pienet muoviastiat ( kupit ) täytetään puoliksi silikageelillä ja tutkittava kangas kiinnitetään astian päälle kuminauhalla; koko astia punnitaan Muoviastia asetetaan alassuin kirjontakehyksessä olevan kalvon päälle 4 h ajaksi, minkä jälkeen se punnitaan jälleen Tulokset lasketaan ja ilmoitetaan vesihöyrynläpäisynä tunnin aikana => vesihöyrynläpäisy vuorokauden aikana [g/(m 2 24h)] 10

11 ESIMERKKI SAIRAALATEKSTIILIEN TUTKIMISESTA: MIKROBIEN KULKEUTUMINEN KOSTEAN KANKAAN LÄPI pren Koeaika 5 x 15 min Määritetään kankaan läpi menneet, kankaaseen ja yläkalvoon jääneet bakteerit Liikkuva painelupää - Vakiomäärä Staphylococcus aureusta sisältävä kalvo - tutkittava kangas keskellä - agarmalja alinna Kuva: K. Laitinen MITÄ NÄISSÄ MENETELMISSÄ MITATTIIN? Veden määm äärää Veden määrä tekstiilin pinnalla tai sisällä Tekstiilin läpäisemän veden (tai mikrobien) määrä Aikaa, jossa vesi imeytyy kankaaseen, läpäisee sen tms. Nopeutta, jossa vesi imeytyy kankaaseen, läpäisee sen tms. Painetta, jolla vesi läpäisee kankaan tms. Veden kanssa kosketuksiin olleeseen tekstiiliin aiheutuneita muutoksia (esim. kutistuminen) Lähteet BS Testing the resistance of fabrics to water absorption (static immersion test) BS Method for test for wettability of textile fabrics. BS Water vapour permeable apparel fabrics. Eklund, D. & Lindström, T Paper Chemistry. An introduction. DT Paper Science Publications, Grankulla. EN Footwear Test methods for uppers and lining Water vapour premeability and absorption. Harnett, P.R. & Mehta, P.N A survey and comparison of laboratory test methods for measuring wicking. Text Res J 54, Hautala, M Fysiikkaa pellosta pöytään. Helsingin yliopisto, MMTEK-laitos. Hwang, Y.J., McCord, M., An, J.S., Kang, B.C. & Park, S.W Effects of helium atmospheric pressure plasma treatment on low-stress mechanical properties of polypropylene nonwoven fabrics. Textile Research Journal 75, 11: ISO Textiles Test methods for nonwovens Part 8: Determination of liquid strike-through time (simulated urine). Pietikäinen, I Tekstiilit ja lämpöviihtyvyys. Yliopistopaino, Helsinki. pren Surgical drapes, gowns and clean air suits, used as medical devices, for patients, clinical staff and equipment, Part 4: Test method for resistance to wet bacterial penetration. 11

12 Risikko, T. & Marttila-Vesalainen, R Vaatteet ja haasteet. WSOY, Porvoo/Helsinki. Saville, B.P Physical testing of textiles. Woodhead Publishing Ltd, England. SFS Tekstiilit. Massan määritys, sanasto ja määritelmät. SFS Työvaatemateriaalit. Kemikaalinläpäisevyys. Suppilotesti. SFS-EN Tekstiilit. Kankaat. Pinta-alamassan määritys pienistä koepaloista. SFS-EN Kumi- tai muovipinnoitetut kankaat. Kestävyys veden läpäisyä vastaan. Alhainen paine. SFS-EN Tekstiilit. Vesitiiviyden määrittäminen. Hydrostaattisen paineen kesto. SFS-EN Tekstiilit. Kankaiden pinnan vedenhylkivyyden määrittäminen (spray-testi). SFS-ISO/TR Tekstiilit. Kuidut ja langat. Tavaralähetysten kauppamassan määrittäminen. Osa 4: Käytössä olevat kaupalliset massalisät ja kaupalliset kosteuslisät. Smith, B.F. & Block, I Textiles in perspective. Prentice-Hall, USA. Taylor, M.A Technology of textile properties. Forbes Publications, London. Vigo, T.L Textile processing and properties. Elsevier, Textile Science and Technology 11, Netherlands. TEHTÄVIÄ JA HARJOITUKSIA 1. a) Mitä eroa on kosteuspitoisuudella ja tasapainokosteudella? b) Pohdi, milloin tasapainokosteutta ei sananmukaisesti voida saavuttaa ja miksi. 2. Tutki eri materiaalien kosteuspitoisuutta ja lisää, vedenimukykyä, vedenhylkivyyttä ja vedenläpäisyä käytettävissä olevilla menetelmillä. 3. Tutki eri materiaalien kuivumisnopeutta. 4. Keskustelkaa erilaisten vettähylkivien ja pitävien tekstiilien käyttökokemuksista. (tekstiilirakenteet, ks. esim. Risikon&Marttila- Vesalaisen kirja) 5. a) Luettele vaatetuksen lisäksi muita kankaiden käyttökohteita, joissa kankaalta edellytetään kosteuden kestoa. b) Arvioi, miten hyvin testimenetelmät kuvaavat näitä käyttötilanteita. 6. Luettele tekstiilimateriaalien käyttökohteita, joissa edellytetään kosteudenimukykyä. 7. Pohdi, milloin ja miksi tekstiili voi homehtua. Apukysymys: Mitkä ovat homehtumisen edellytykset? 12