Gore-Tex. Что это такое?

В 1969 году Боб Гор открыл особый способ обработки политетрафторэтилена (тефлона), и это послужило отправной точкой применения полимеров в текстильной промышленности. Первая ткань под названием GORE-TEX появилась в 1978 году.

В основе технологии лежит простой процесс – тефлон растягивается механическим путем до состояния микропористой мембраны, которую можно классифицировать как тянутую полукристаллическую пленку. Производится мембрана путем экструзии под давлением. Сырье вытягивается под температурой, немного меньшей температуры плавления, дальше от температуры стеклования, для предотвращения кристализации, часто в присутствии ароматических углеводородов, которые создают поры за счет образования микрокапель. Гидрофобные свойства тефлоновой мембраны означают, что жидкость отталкивается от пор, в то время, как водяной пар проходить сквозь них может. На фотографии (источник – все официальные статьи о Gore-Tex) видна структура мембраны в виде трехмерной полимерной сетки с порами.

Водонепроницаемые свойства мембраны Gore-Tex обуславливаются двумя факторами – гидрофобностью неполярных молекул политетрафторэтилена, за счет термодинамических энтропийных факторов отталкивающихся от полярных молекул воды, что позволяет отстранять воду от поверхности полимера, и высоким капиллярным давлением воды в порах, которое действует (как сила) наружу по причине несмачиваемости полимера водой (если бы он смачивался, вода бы сама лезла внутрь – по причине того же капиллярного давления). Выглядит заманчиво, надо сказать.

Вот что говорит производитель о водонепроницаемых свойствах мембраны:

«Мембрана GORE-TEX® гарантирует 100% водонепроницаемость. Она содержит около 1,4 миллиарда пор на 1 кв. см, но размер пор в 20 000 раз меньше капли воды. Это не позволяет воде при давлении не более 30 атмосфер (= 30 м водяного столба) пройти сквозь нее. Для сравнения: дождь в городских условиях создает давление 5-7 м водяного столба. »

Оценим капиллярное давление, которое создается в порах против давящего сверху столба воды. Примем довольно условное приближение, которое, однако, не противоречит сильно реальности – то, что пора представляет собой круглый в сечении капилляр с абсолютно несмачивающимися водой стенками. Вода образует в таком капилляре сферический выпуклый мениск (сферический – для того, чтобы упростить расчеты). В таком приближении оценить капиллярное давление позволяет уравнение Лапласа:

, где

σ – поверхностное натяжение воды, а r – радиус кривизны мениска. В нашем приближении (мениск сферический) радиус кривизны мениска равен радиусу самой поры. Поверхностное натяжение воды при температуре 20' C равно 72,7 мДж/м2.

Соответственно, капиллярное давление для пор радиусом 0,1225 микрон (из данных производителя о том, что размер пор мембраны в 700 раз превышает размер молекулы водяного пара, средний диаметр которой равен 3,5 ангстрёма (0,35 нанометра)) будет равно:

В итоге, только за счет капиллярного давления, мембрана выдерживает почти 12 метров водяного столба, и за счет гидрофобности полимерных участков этот показатель может быть несколько (на полатмосферы) увеличен. И это только минимум.

При более низких температурах высота столба увеличится, так как поверхностное натяжение воды растет при уменьшении температуры.

Однако, есть и отрицательные стороны у такого механизма задерживания воды.

Первым из таких казусов выступает тот физический факт, что если, в результате высокого давления столба мембрана напитана водой, то капиллярные явления не наблюдаются, за счет того, что искривленной поверхности раздела фаз (жидкость – воздух в порах), обеспечивающей избыточное давление, попросту не существует. Посему, вода сквозь мокрую мембрану попросту течет.

Избыточное давление может быть вызвано не только водой, но и любыми другими предметами – при давлении какого-либо мокрого предмета на мембрану она неизбежно намокнет через несколько минут (если у нее не заявлена водонепроницаемость выше 20000, достигаемая отдельными способами), если в куртке с Gore-Tex, например, лезть через мокрые заросли, посидеть на мокром бревне или стоять на коленях на мокрой траве. Тогда давление других предметов, как известно из школьной физики, обратно пропорциональное площади воздействия, попросту вжимает воду в поры, преодолевая капиллярные силы. Результат – мембрана намокает.

Нахождение вещи с мембраной непосредственно в воде тоже ничего хорошего не влечет за собой. Стоя в Gore-Tex штанах посреди ручья, следует быть готовым к тому, что давление воды со всех сторон преодолеет капиллярный барьер.

Поговорим теперь подробнее о гидрофобных свойствах мембраны и порах.

Как всем известно, любые поверхностно-активные вещества (ПАВ) являются амфифильными молекулами, то есть имеют гидрофильные (взаимодействующие с водой) и гидрофобные (отталкивающиеся от воды) части. За счет этого они могут гидрофобными частями налипать на гидрофобную (жирную или несмачиваемую) поверхность, и торчать гидрофильными частями наружу. В результате – поверхность с налипшими молекулами ПАВ становится смачиваемой водой, и кроме того, ПАВ снижает собственное поверхностное натяжение воды. Посему, если в капающей на тефлоновую мембрану воде будет содержаться ПАВ, оно с радостью смочит поверхность, и итог – никакого капиллярного давления или отталкивания, вода идет сквозь мембрану почти свободно. В роли молекул ПАВ могут выступать очень многие молекулы – от обычных спиртов (даже этилового) и до всех детергентов (моющих средств). Именно поэтому вещи, имеющие мембрану Gore-Tex крайне не рекомендуют стирать с применением каких-либо моющих средств, за исключением жидкого мыла – единственное потому, что оно хорошо отмывается. Использование машинной стирки не рекомендуют также, поскольку оно может повредить мембрану необратимо – просто механически. Заявленная производителем износостойкость мембраны – 200 часов непрерывной машинной стирки.

Поры в Gore-Tex пропускают молекулы воды, но в них могут замечательно встраиваться другие соединения, тем самым намертво их забивая. Так, Gore-Tex не работает в грязной или соленой воде, при этом, если поры забиваются кусочком вещества, имеющего поверхностно-активные свойства, воду держать они не будут.

При низких (ниже -10 градусов) температурах политетрафторэтилен имеет тягу к кристаллизации, за счет чего мембрана приобретает жесткость (т.е. "дубеет"). Также ПТФЭ склонен к кристаллизации при растяжении, поэтому превращается в корку при сильных нагрузках.

Ну и наконец, при протыкании мембраны она перестает держать воду из-за появления макроотверстия – дыры от прокола, которое почти всегда внешне незаметно (ткань выглядит прекрасно). Но через него мембрана может насытиться водой и дать течь внутрь.

Паропроницаемые свойства мембраны определяются тем, что размер пор мембраны в 700 раз превышает размер молекулы водяного пара, поэтому испарения проникают сквозь мембрану и выводятся наружу. Перемещение пара происходит за счет разницы давлений с разных сторон мембраны в процессе диффузии.

Вот что говорит производитель о паропроницаемости мембраны:

«Пропускная способность (вентиляция) - 1л водяного пара в час.

Для разных типов тканей, выпускаемых под маркой Gore-Tex, паропроницаемость разная, но она колеблется в диапазоне 12000 – 15000 грамм пара через квадратный метр поверхности в сутки:

• Gore-Tex® XCR™ Stretch 3L-2L

На 25% более «дышащий», чем обычный Gore-Tex®. Эта трехслойная ткань Gore-Tex® обеспечивает максимальный комфорт и свободу движений за счет эластичности во всех направлениях.

Водонепроницаемость: 50000 мм водяного столба

Паропроницаемость: 14000 г/м2/сут

Швы: 100% швов проклеено

Ткань: Viper (полиамид + лайкра), 100% эластичная

Конструкция: Трехслойная ламинированная мембрана

• Gore-Tex® XCR™ SNOW 2L

На 25% более «дышащий», чем обычный Gore-Tex®. Двухслойная ткань, ламинированная утеплителем Thermal. Оптимальное соотношение утепления и отвода влаги обеспечивает максимальный комфорт при катании на горных лыжах или сноуборде.

Водонепроницаемость: 40000 мм водяного столба

Паропроницаемость: 15000 г/м2/сут

Швы: 100% швов проклеено

Ткань: Garda (полиамид), двухслойная ламинированная мембрана

• Gore-Tex® 2L

Эта двухслойная ткань диагонального плетения очень мягкая, но прочная. «Дышащая» и водоотталкивающая, она обеспечит вам комфорт и сухость. Не препятствует испарению влаги с поверхности тела.

Водонепроницаемость: 40000 мм водяного столба

Паропроницаемость: 12000 г/м2/сут

Швы: 100% швов проклеено

Ткань: Calypso (полиэфир), двухслойная ламинированная мембрана

• Gore-Tex® calypso 2L

Двухслойная ткань диагонального плетения предельно эластична, но очень прочна. Эта водонепроницаемая «дышащая» ткань защитит вас от воды и ветра. Она не препятствует испарению влаги с поверхности тела.

Водонепроницаемость: 40000мм водяного столба

Паропроницаемость: 12000 г/м2/сутки

Швы: 100% швов проклеено.»

Здесь можно заметить только то, что показатели паропроницаемости весьма высоки. Однако поры в мембране легко забиваются грязью и посторонними веществами, и она перестает дышать, кроме того, будучи заслонена вещами (рюкзаком на спине или предметами в карманах), она теряет паропроницаемые свойства.

Благодаря тонковолокнистой структуре мембраны, холодный воздух как бы запутывается в лабиринте микропор, образуя завихрения. С другой стороны, GORE-TEX сохраняет тепло внутри одежды, и таким образом создается комфортный микроклимат: пот испаряется, тепло остается. При этом воздух от тела свободно проходит через поры мембран, что обеспечивает вентиляцию.