www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:XXX-XXX Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi 2008 (3) 13-20 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Tekstil Materyallerinde Su Buharı Geçirgenliği Ölçüm Metotlarının Karşılaştırılması Şule S. UĞUR, Çağlar SĐVRĐ Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Isparta ÖZET Konfor, acı ve rahatsızlığın algılanmaması durumu olarak ifade edilmektedir. Su buharı geçirgenliği, termal direnç ile birlikte tekstil materyallerinde en çok incelenmesi gereken konfor parametrelerinin başında gelmektedir. Bu çalışmada, tekstil materyallerinin su buharı geçirgenliği ölçümünde yaygın olarak kullanılan test metotları ve aparatları incelenerek test parametreleri karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Su buharı geçirgenliği, tekstil materyalleri 1. GĐRĐŞ Giysilerin konfor özelliklerinin değerlendirilmesi son on yılda önemli bir hal almıştır. Teknik tekstillerin, endüstriyel ve savunma amaçlı kullanımının yanı sıra, boş zaman aktivitelerinde kullanımının ve bunlarla ilgili performans talebinin artması, bu tekstillerden üretilen giyim ürünlerinin değerlendirme yöntemlerini de gündeme getirmiştir. Bu değerlendirmeyi yapmak amacıyla bazı test metotları ve cihazları geliştirilmiştir. Yalnız, bir cihazdan elde edilen değer, diğer cihazlardan elde edilen değerlerden farklıdır ve bu yüzden aynı kumaş söz konusu olduğunda dahi, iki farklı test metodu kullanıldığında elde edilen ölçüm değerleri de farklı olmaktadır. Dolayısıyla iki değeri birbiriyle karşılaştırmak mümkün olmamaktadır. 2. TEST METOTLARI 2.1. Turl Dish Metodu Su buharı direncinin bir başka deyişle su buharı geçirgenliğinin ölçümünde en yaygın kullanılan test metodudur. Bu cihazda, ASTM E96-80 standardına göre iki farklı alt ölçüm metodu kullanılmaktadır. Test için öncelikle derin olmayan ağız açıklık değeri en az 3000 mm 2 alana sahip olan bir kap alınarak ağırlık ve boyut değerleri kaydedilir. Dessicant metodunda, anhidro kalsiyum klorür veya silika jel gibi adsorbant bir malzeme tabakası (>12mm), numunenin 6 mm lik kısmını içerecek şekilde kap içerisine doldurulur. Test kabının ağız kısmı numune ile kaplı durumda iken, açık kalan kenarlar erimiş durumdaki vaks ile mühürlenerek kapatılır. Daha sonra tüm sistemin ağırlığı tartılarak, hava sirkülasyonlu, sıcaklık ve nem kontrollü bir test odası içerisine yerleştirilir. Ortam şartları olarak, standartta 32 o C lik bir sıcaklık ve %50 veya %90 bağıl nem değeri tavsiye edilmektedir. Sistemde meydana gelen ağırlık artışı, en az 10 veri alınarak değerlendirilir ve ağırlığa karşı zaman grafiği çizilerek doğrunun eğiminden G/t değeri elde
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) 13-20 Tekstil Materyallerinde Su Buharı Geçirgenliği Ölçüm Metotlarının Karşılaştırılması edilir. Burada G ağırlığı (g), t zamanı (h) ve A maruz bırakılan numunenin m 2 cinsinden alanını ifade etmektedir. Su buharı geçirgenliği (WVT) Formül 1 kullanılarak hesaplanabilmektedir [1]. 2 G WVT ( g / s / m )= A t (1) Şekil 1. ASTM E96-80 metodu için kullanılan test aparatı [1]. Su metodunda ise, test kabı 3-5 mm yüksekliğinde distile edilmiş su ile doldurularak, numuneden 20 mm açıklıklı bir hava boşluğu bırakılması sağlanır. Test prosedürü ve kullanılan geçirgenlik formülü Dessicant Metodu ile aynıdır [2, 3]. 2.2. Terleyen Korumalı Sıcak Plaka Metodu (Sweating Guarded Hot Plate Method) Su buharı geçirgenliği ölçümünde yaygın olarak kullanılan diğer bir metot ta Terleyen Korumalı Sıcak Plaka metodudur. Bu aparat, su buharı direncini EN 31092 ve ISO 11092 standardına göre ölçmektedir ve terlemeyi simule etmek amacıyla ısıtılmış sıcak bir plaka kullanılmaktadır. Şekil 2. Terleyen Korumalı Sıcak Plaka [1, 4]. Prensipte, plaka vücut sıcaklığına ısıtılmakta ve daha sonra ısıtılmış plakanın yüzeyinden buharlaşıp dış ortama kumaş yoluyla difuze edilen su buharına karşı konulan direnç ölçülmektedir. Plakanın test alanı 25.4 25.4 cm 2 lik bir alanı kapsamakla birlikte koruma alanını da dahil ettiğimizde bu alan 50.8 50.8 cm 2 ye ulaşmaktadır. Koruyucu ısıtıcının görevi, ana ısıtıcıdan gelen ya da ana ısıtıcıya doğru meydana gelen yanal ısı akışını önlemektir. Đkinci bir ısıtıcı, ana ısıtıcının altında, koruyucu ısıtıcıların arasında yer alır ve test numunesinden uzaklaşan eksen boyunca meydana gelen ısı akışını önlemek için kullanılır. 14
Uğur, Ş. S., Sivri, Ç. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) 13-20 Aparat 35 0 C deki sıcaklığı koruyan iki tabakalı bir metal bloktan oluşmaktadır. Isıtılmış bloğun üst tabakası gözeneklidir ve alt tabakanın üst yüzeyi suyun gözenekli tabakaya beslenebileceği kanallar içermektedir. Gözenekli tabakanın üst yüzü sıvı suyu geçirmeyen fakat su buharını geçiren selofan bir membran ile örtülüdür. Su, gözenekli plakaya beslenir ve dozajlama ünitesi ile sabit bir seviyede tutularak sabit oranda buharlaşma sağlanır. Plakanın altı ve kenarları yalnızca plakanın üst seviyesinden ısı kaybına izin veren ısıtılmış bir muhafaza ile çevrelenmiştir. Test sırasında plaka sıcaklığı 35 ± 0.5 ºC de sabit tutulurken, aparat 20 0 C ve % 40 bağıl nemdeki atmosfer şartları içerisinde kullanılır. Bu yüzden kuru ısı kaybı için bir sıcaklık değişkeni söz konusu değildir. Plaka üzerine yerleştirilen test numunesinin ıslanmaması için bir PTFE sıvı bariyer tabakası kullanılarak, sadece su buharının test numunesiyle temas halinde bulunması sağlanır. Sistem belirtilen toleranslar dahilinde ideal sıcaklık dengesinde 1 saat bekletilir ve 5 dakika boyunca ölçüm verileri bilgisayar yoluyla ölçülür ve 3 farklı numune ile bu işlemler tekrarlanır. Su buharı transferinin toplam ısı direnci Formül 2 kullanılarak hesaplanmaktadır [1, 4]. ( P P ) s a A Re, t = (2) H R e,t : Kumaş sistemi ve hava tabakası tarafından sağlanan buhar ısı transferinin toplam ısı direnci (m 2 Pa W -1 ) A: Plaka test bölgesi alanı (m 2 ) P s : Plaka yüzeyindeki su buharı basıncı (Pa) P a : Havadaki su buharı basıncı (Pa) H : güç girdisi (W) 2.3. Upright and Inverted Cup (UICM) Metodu Bu test metodunda su buharı iletim oranı JIS L 1099 B2 ye göre ölçülmektedir. Potasyum asetat, kumaşın bir yüzünde yaklaşık olarak % 23 bağıl nemde desiccant olarak kullanılır. Su buharı geçirgen kap, bir plastik (çapı 7 cm, uzunluğu 9.2 cm ) kap üzerine PTFE film yerleştirilerek ve kauçuk bantla sabitlenerek hazırlanır. Filmle kaplamadan önce kabın yaklaşık olarak üçte ikisi dolacak şekilde potasyum asetat çözeltisi konulur. Numuneler destekleyici test çerçevesi ( çapı 8.2, uzunluğu 5.6 cm) üzerine yerleştirilir ve bunların üzerine bir PTFE film konularak kauçuk bant ile sabitlenir. Numune kümesi 23 ºC sıcaklıkta su içeren tankın üzerine batmayacak şekilde sabitlenir. Filmin üst tarafına gelecek şekilde, test kümesinin ağırlığı ölçüldükten sonra test kümesi altüst edilerek destekleyici çerçeveye yerleştirilir. Bu çerçeve 30±2 ºC sıcaklıkta hava sirkülasyonunun olduğu sabit sıcaklık aparatına konulur. 15 dakika sonra test ünitesi aparattan çıkarılarak tartılır. Su buharı geçirgenliği Formül 3 e göre hesaplanır. 3 numuneden elde edilen sonuçların ortalaması alınır ve g/24 h/m 2 birimine çevrilir [4]. ( a a ) 4 1 0 P= (3) S a 1: test sonrasında test kümesinin ağırlığı (g) a 0 :test öncesinde test kümesinin ağırlığı (g) P : su buharı iletim oranı (g h -1 m 2 ) S : su buharı geçirgen alan (m 2 ) 2.4. Döner Platform Metodu BS 7209-90 metodunda nefes alabilen kumaşlar için su buharı geçirgenlik indeks yüzde değerinin (I) belirlenmesi, ASTM metodunda tanımlanan Su Metodu ile benzerlik göstermektedir. Bununla birlikte, bu tanımlamada su buharı geçirgenliği için test numuneleri ile birlikte daha önceden belirlenmiş bir referans kumaş örneği kullanılmakta ve su buharı geçirgenlik değerlerinin oranlarının hesaplanması ile I değeri 15
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) 13-20 Tekstil Materyallerinde Su Buharı Geçirgenliği Ölçüm Metotlarının Karşılaştırılması belirlenmektedir. Burada standart oranlarda açık alana sahip (% 12,5) referans kumaş örneği, çok dayanıklı monofilament polyester iplikten dokunmuş olmalıdır [2, 3, 5]. Şekil 3. Upright and Inverted Cup Method (UICM) [4]. Prosedüre uygun olarak, test numuneleri ve referans numune, distile edilmiş su içeren test kabının açık ağzı üzerine belirli boyutlara sahip bir halka ile kapatılır. Su miktarı, numunenin alt kısmı ile su yüzeyi arasında 10±1 mm yüksekliğinde durgun bir hava boşluğu kalacak şekilde ayarlanır. Test kabının ağız kısmında bulunan numune taşıyıcısı, numunenin aşağıya doğru çökerek arada bulunan hava tabakasının kalınlığının değişmesini önlemektedir. Numune setleri, döner bir platform üzerinde bulunmaktadır. Numune setleri ile döner platform %65 bağıl nem ve 20 o C sıcaklık değerine sahip çevresel oda şartlarında bulunmaktadır. Test kabının üzerinde durgun bir hava tabakasının oluşmasını önlemek amacıyla, platformun belirli bir düşük hız seviyesinde dönmesi gerekmektedir. Bu işlem sırasında, kap içerisinde bulunan durgun hava tabakasının yüksekliğinde dönme hareketine bağlı olarak değişim oluşmamasına özen gösterilmelidir. Test kapları, su buharının dengelenmesine izin verecek şekilde 1 saatlik periyotlar ile tartılır. Daha sonra test kapları, tekrar oda içerisinde bulunan döner platform üzerine konularak 5 saatlik bir süre boyunca deneye devam edilir ve süre sonunda tekrar ağırlık ölçümleri yapılır. Her iki tartım sonucunda test kabında meydana gelen azalma miktarından su buharı geçirgenlik indeks değeri (I) Formül 4 ve 5 kullanılarak hesaplanır [3]. 2 M WVP( g / m / 24h) = 24 t (4) A WVP : su buharı geçirgenliği M : T (saat) süresinde meydana gelen ağırlık kaybı, A : Teste tabi tutulan kumaş alanı (m 2 ) ( wvp) f I = 100 (5) ( wvp) r (wvp) f : Test numunelerinin ortalama geçirgenlik değeri, (wvp) r : Referans kumaş numunesinin ortalama geçirgenlik değeri 16
Uğur, Ş. S., Sivri, Ç. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) 13-20 Şekil 4. Döner platform metodu [1]. 2.5. Gözenekli Konveksiyon/Difüzyon Test Metodu (Dynamic Moisture Permeation Cell - DMPC) DMPC, su buharı difüzyon direnci ve/veya su buharı geçirgenlik oranını ölçmek amacıyla Phil Gibson tarafından geliştirilmiştir. 2003 yılında, Koruyucu Giysiler F23 Komitesi, bu metodu ASTM F 2998 (Standard Test Methods for Water Vapor Diffusion Resistance and Air Flow Resistance of Clothing Materials Using by Dynamic Moisture Permeation Cell) standardı olarak kabul etmiştir. Kuru ve su ile doygun nitrojen karışımı akışı, test ünitesinde yerleştirilen test numunesinin üst ve alt yüzeyinden geçirilmektedir. Ünitenin üst ve alt segmentlerindeki bağıl nem, kuru ve doygun nitrojen gaz miktarı kontrol edilerek belirlenmektedir. Giren ve çıkan nitrojen akışının bağıl nemi, sıcaklık ve gaz akış oranı bilinerek, numunenin su buharı direnci hesaplanabilmektedir. Standartta, su buharı direnci, üst segmentte % 95 bağıl nem ve alt segmentte % 5 bağıl nem ile birlikte % 90 maksimum nem oranı olarak ölçülmektedir. 20±1 0 C sıcaklıkta ve 2000 cm 3 s -1 nitrojen gaz akış oranında sağlanan koşullarda üç test numunesi (2.5 x 2 cm boyutlarında) test edilmektedir. Kumaş üst ve alt segment arasında sabitlenerek bilgisayar kontrollü olarak test edilir. Program başladığında, bilgileri toplayarak her bir dakika için su buharı difüzyonu direncini hesaplamaktadır. Numune sabit koşullara ulaştıktan sonra, en düşük on verinin ortalaması hesaplanmaktadır. Su buharı difüzyonu direnci Formül 5 e göre hesaplanır [4, 6]. R dtot = A Q ( φ) = ( δφ) m & C (6) R dtot : toplam su buharı difüzyonu direnci (sm -1 ) A : test numunelerinin alanı (m 2 ) φ : üst ve alt giren gaz akışı arasındaki bağıl nem farkı Q : üst veya alt birime doğru volumetric akış oranı (m 3 s -1 ) δφ : üst kısımdaki segmentte giriş ve çıkıştaki bağıl nem akışı farkı m& : numuneden geçen su buharının ağırlık akışı (kgm -2 s -1 ) C : üst ve alt nitrojen akışı arasındaki konsantrasyon farkı (kgm -3 ) 17
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) 13-20 Tekstil Materyallerinde Su Buharı Geçirgenliği Ölçüm Metotlarının Karşılaştırılması Şekil 5. Dynamic Moisture Permeation Cell DMPC [4]. 2.6. Permetest (ISO 11092 Standardı Metodu) Herhangi bir numune ebat tanımlaması yoktur ve numune boyutları ölçüm doğruluğunu etkilemez. Böylece materyallere zarar vermeden ürün halinde bile ölçüm yapmak mümkündür. Permetest cihazında yapılacak buhar geçirgenliği ölçümleri için önce referans kumaş numunesi kullanılır. Bu kumaşın özelliği daha önceden ilgili standarda göre R et (su buharı direnci)değerinin bulunmuş olmasıdır. Bu numune kullanılarak test yapılan laboratuardaki geçirgenlik katsayısı C bulunur. Đlgili parametreler formülde yerine yazılarak R et değeri bulunur. R et 1 1 2 = C(1 ϕ )( )[ m. Pa / W ] (7) q" q hs h0 C: testin yapıldığı laboratuarda tespit edilen katsayı φ: test yapılan ortamdaki % bağıl nem miktarı q h0 : ölçüm kafasında numune olmadığı durumdaki ısı akımı q hs : ölçüm kafası bir numuneyle kaplı olduğunda sıvıda meydana gelen ısı kaybı değerlerini ifade etmektedir. Bağıl su buharı geçirgenliği (rwvp); r wv q = q hs h0 100% (8) q h0 : ölçüm kafasında numune olmadığı durumdaki ısı akımıdır. q hs : ölçüm kafası bir numuyle kaplı olduğunda sıvıda meydana gelen ısı kaybıdır. Şekil 6. Permetest Cihazı Deri Modeli [7]. 18
Uğur, Ş. S., Sivri, Ç. Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) 13-20 Ölçüm kafasının bir parça kavisli ve gözenekli yüzeyi isteğe bağlı olarak sürekli ya da aralıklı olarak nemlendirilir ve bir rüzgar kanalı içerisinde yer alan, ayarlanabilir hızda olan paralel hava akışına maruz bırakılır. Test edilecek numune, çapı yaklaşık 80 mm olan nemlendirilmiş alandan çok az bir mesafe uzaklıkta bulunan ve yüksek termal iletkenlik özelliğine sahip alan içine yerleştirilir. Sıvı suda buharlaşıp aktif gözenekli yüzeyden uzaklaşan ısı miktarı özel bir entegre sistem ile ölçülür. Böylece kısa sürede tüm sistem başarılı bir ölçüm işlemi gerçekleştirilir ve tam sinyal birkaç dakika içerisinde alınabilir. Ölçümün başında numune yer almaksızın meydana gelen ısı akışı q ho ölçülür. Daha sonra, ölçüm kafası aşağı çekilir ve numune kafa ile rüzgar kanalının arasına sıkıca yerleştirilir. Gösterge, numunede farklı sıcaklık etkisini kısa sürede yansıtır, sinyal birkaç dakika içerisinde sabit hale gelir ve numuneyle kaplı nemlendirilmiş ölçüm kafasından kaybedilen ısı miktarını ifade eden q hs değeri yeni değer olarak okunur. Sinyalin sabit hale geldiği bu nokta, materyalin su buharı geçirgenliğini ifade etmektedir [7]. 3. SONUÇLAR Bu çalışma kapsamında tekstil materyallerinin su buharı geçirgenliğinin ölçümünde günümüzde ön plana çıkan test metotları incelenmiş, bu metotlara ait test parametreleri ve test cihazları araştırılmıştır. Test yöntemleri arasında herhangi bir korelasyonun olmadığı ve her bir test metodundan elde edilen su buharı geçirgenlik değerinin birim olarak ifadesinin birbirinden farklı olduğu görülmüştür. Ayrıca dünyada su buharı geçirgenlik değeri ile ilgili herhangi bir standart değerin bulunmayışı da göz önüne alınırsa bu durum test sonuçlarının karşılaştırılması ve kabul görmesi açısından büyük bir problem teşkil etmektedir. Genel olarak test parametreleri açısından bir değerlendirme yapıldığında şu sonuçlar dikkat çekmektedir; - En ideal test sıcaklığının vücut sıcaklığımız olan 37 0 C ye en yakın sıcaklıklar olması aşikardır. Ancak her yöntemin sıcaklık değerleri birbirinden farklıdır. Bu açıdan en uygun yöntem EN 31092 - ISO 11092 standartlarında kullanılan Terleyen Korumalı Sıcak Plaka metodudur. - Test süresi açısından karşılaştırırsak, en kısa sürede sonuç alınabilen yöntem ISO 11092 standardı metoduna göre çalışan Permetest cihazıdır. - Bütün test metotlarında belirli bir numune ebatı varken, Permetest metodunda numune boyutu önemli değildir. KAYNAKLAR [1] Holmes, D. A., 2003, Teknik Tekstiller El Kitabı, Editörler, A. R. Horrocks, S.C. Anand, The Textile Institute, Türk Tekstil Vakfı, Meta Basım Matbaacılık, Woodhead Publishing Ltd., ISBN : I 85573 3854, pp 312-347. [2] Collier, B. J., Epps, H. H., 1999, Textile Testing And Analysis, ISBN : 0-13-4882-14-8, pp. 280-301. [3] Sen, A. K., Tech, M., 2001, Coated Textiles Principles And Applications, Technical Editor John Damewood, ISBN : 1-58716-023-4. [4] McCullough, E. A., Kwon, M., Shim, H., 2003, A comparison of Standard Methods for Measuring Water Vapour Permeability of Fabrics, Measurement Science and Technology, 14, 1402-1408. [5] Finn, J. T., 1999, Condensation Effects On Moisture Vapour Transfer Through Water-Resistant Breathable Fabrics, Fibres to Finished Fabrics, Science/Dyeing and Finishing Groups Joint Conference, The Textile Institute, ISBN : 1 870372360. 19
Teknolojik Araştırmalar : TTED 2008 (3) 13-20 Tekstil Materyallerinde Su Buharı Geçirgenliği Ölçüm Metotlarının Karşılaştırılması [6] Gibson, P., Rivin, D., Kendrick, C., 2000, Convection/Diffusion Test Method for Porous Textiles, International Journal of Clothing Science and Technology, Vol.12, No.2, pp.96-113. [7] Hes L., 2004, Marketing Aspects of Clothing Comfort Evaluation, X. International Textile and Apparel Symposium, Đzmir. 20