Методы исследования паропроницаемости нетканых материалов медицинского назначения

Одноразовые медицинские и хирургические одежды и белье, изготавливаемые из нетканых материалов, предназначены для использования в непосредственной близости и контакте с телом человека. К тому же, одежда создает вокруг тела своеобразный микроклимат, определяющий самочувствие человека.

Отсутствие определенных оптимальных свойств материалов, из которых изготавливаются данные изделия, может привести к дискомфорту и стать непосредственной причиной неудобства. Нетканый материал должен обеспечить человеку "сухой комфорт", иными словами носитель одежды и использующий другие медицинские изделия из нетканых материалов не должен испытывать неприятных ощущений, связанных с влажностью на поверхности кожи. Паропроницаемость является одной из таких важных свойств, так как затрагивает функции терморегуляции человека.

А так как из нетканых материалов изготавливается значительная часть одноразовых медицинских и хирургических изделий, большую проблему составляет отсутствие методики оценки паропроницаемости нетканых материалов.

Паропроницаемость – способность пропускать водяные пары из среды с повышенной влажностью воздуха в среду с меньшей влажностью. Еще ее определяют, как плотность парового потока, проходящего сквозь определенную толщину материала.

Чаще всего паропроницаемость измеряют в г/м²·24 часа, т.е. количество водяного пара, которое пройдёт через квадратный метр материала за сутки. Обозначается этот параметр либо аббревиатурой MVTR ("moisture vapor transmission rate" или "скорость прохождения водяного пара"), либо практически синонимичной, и более принятой в научной среде WVTR (water vapor transmittion rate), который обозначает способность материала обеспечивать перемещение молекул водяного пара через свою структуру. То есть чем выше показатель паропроницаемости, тем быстрее водяной пар будет выводиться наружу и тем меньше влага, в виде испарений с тела человека, будет накапливаться под одеждой человека.

Цифры MVTR или WVTR получают в результате лабораторных тестов, основанных на различных методиках.

Существует целый ряд методик для исследования паропроницаемости тканей и утеплителей в виде мембран, применяющихся в производстве одежды. К наиболее часто применяемым методикам можно отнести:

• а)    Американский тест с «вертикально стоящей чашкой», по стандарту ASTM E (American Society for Testing and Materials) 96, Procedure B (upright cup method).

Тесты проводятся в туннеле, помещенном в закрытую камеру (рис. 1), температура в камере поддерживается равной 23±0,5 градусам, температура точки росы в этих условиях равна 12±1 градусам (50% относительная влажность).

Каждый из образцов закрепляется с помощью специального держателя сверху на алюминиевой чашке объемом 155 мл, содержащей 100

мл дистиллированной воды. 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.

Рисунок 1 – Американский тест с «вертикально стоящей чашкой»

• б)    Американский тест с «перевернутой чашкой», по стандарту 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, потому что в других случаях будет наблюдаться протечка через материал. Для предотвращения вытекания жидкости через щели между стенкой чашки и материалов, материал фиксируется на чашке с помощью герметика (рис. 2). Протокол взвешивания и определения WVTR идентичен используемому в тесте с вертикально стоящей чашкой. Паропроницаемость рассчитывается по той же формуле, что и в американском тесте с «вертикально стоящей чашкой».

образец ткани

Рисунок 2 – Американский тест с «перевернутой чашкой»

• в)    Японский тест с «вертикально стоящей чашкой» и сухим влагопоглотителем, по стандарту 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 (рис. 3). Используя информацию об изменении веса чаш и, соответственно, проведя аналогичные предшествующим тестам вычисления, определяют WVTR мембраны.

Рисунок 3 – Японский тест с «вертикально стоящей чашкой» и сухим влагопоглотителем

• г)    Японский тест с «перевернутой чашей» и влагопоглотителем, по стандарту JIS L 1099 B1 (dessicant inverted cup method).

Чаша наполняется раствором ацетата натрия (300 г ацетата натрия на 100 мл воды) на две трети (рис. 4). Раствор в данном случае выступает как влагопоглотитель, обеспечивая 23% влажность на внутренней стороне материала. Каркас для закрепления тестируемого образца монтируется в камере-термостате таким образом, чтобы после установки перевернутая чаша плавала на поверхности воды (температурой 23 градуса).

Результаты усредняются по трём образцам и конвертируются в размерность – г/м2·24ч.

Рисунок 4 – Японский тест с «перевернутой чашей» и влагопоглотителем

• д)    Тест с «потеющей теплой пластиной», по стандартам 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. Барьер из PTFE поверх пластины предотвращает контакт между жидкой водой на поверхности пластины и тестируемым мембранным материалом, обеспечивая доступ к образцу лишь водяного пара (рис. 5).

кр ышка ко р оба

PTFE         Ф Ф ф Ф ФГобразец ткани

^ЦттгГПгИгтТТГ^^

нагрев ател ь н ы й ______ элемент/

\ короб

Рисунок 5 - Тест с «потеющей теплой пластиной»

Помимо выше перечисленных, также существует множество других методов исследования паропроницаемости. Некоторые из этих методик нашли свое применение как в легкой и текстильной промышленности, так и в архитектурной и строительной областях.

Также нужно отметить, что при исследовании паропроницаемости с помощью рассмотренных выше методов испытания не проходят в условиях близких к реальным условиям эксплуатации нетканых материалов, многочисленные переменные могут повлиять на результаты.

Методы исследования паропроницаемости весовым методом с использованием чашки приводят к большим отклонениям в результатах испытаний. Эти отклонения наблюдаются в образцах одного и того же материала, а также среди различных материалов. Эта несогласованность возникает из-за того, что нетканые материалы могут набухать и подвергаться изменениям структуры волокон из-за влияния воды. Также невозможно не отметить саму сложность проведения исследования (длительность выдержки материала в воде, обеспечение определённой скорости вентиляции, влияние человеческих манипуляций во время исследования и т.д.). Исследование было бы максимально удобным если бы человеческий фактор не влиял на качество проведения исследования, результаты были бы точными, система сама поддерживала необходимые параметры окружающей среды и исследования не затрачивали много времени.

Также, в связи с тем, что единого стандартизированного метода исследований для определения паропроницаемости не существует, есть проблемы в определении переменных, влияющих на исследование паропроницаемости – режима исследования, температуры, уровня влажности, размеров исследуемых образцов.

Наиболее оптимальным вариантом исследования паропроницаемости нетканых материалов медицинского назначения является метод определения паропроницаемости с использованием датчика влажности – в соответствии со стандартами ISO 15106-1:2003, ASTM E398-03, JIS K 7129 и NF H00-044 на приборе, который предназачен для исследования пластиковых пленок, мембран, плотных материалов, таких как полиэтиленовые пленки, а также текстильных материалов.

Измерительный модуль в данном методе включает в себя две камеры, между которыми зажимается образец. Нижняя камера измерительного модуля наполнена насыщенным воздухом, а верхняя камера – сухим воздухом (рис. 6).

Рисунок 6 – Измерительный модуль метода определения паропроницаемости с использованием датчика влажности

После начала испытания водяной пар проходит через образец и повышает относительную влажность в верхней камере, где она постоянно измеряется датчиком влажности. Время, необходимое для достижения установленного верхнего предела влажности, передается на ПК. Компьютер сравнивает значение этого времени с одним из откалиброванных стандартных образцов, для которого известен коэффициент проницаемости, и рассчитывает результат в размерности паропроницаемости (г/день·м2 – грамм воды, прошедшей через 1 кв. метр за 24 часа).

Данный метод является наиболее оптимальным и удобным, так как позволяет получить количественные показатели паропроницаемости высокой точности. В соответствии с этим может потребоваться разработать подробную методику оценки паропроницаемости нетканых материалов с описаниями режимов исследования, принципа отбора образцов и т.д., который позволил бы осуществить наиболее точные исследования паропроницаемости нетканых материалов.