ODVOD VLHKOSTI A TEPLA Z POVRCHU LIDSKÉHO TĚLA

Transkript

1 Technická univerzita v Liberci Fakulta textilní ODVOD VLHKOSTI A TEPLA Z POVRCHU LIDSKÉHO TĚLA Vypracoval: Petr Horníček 6/2002

2 OBSAH 1. Úvod Kůže Základní parametry kůže Ochranné funkce kůže Pokožka Vazivová část kůže Krevní zásobení a nervstvo kůže Kožní adnexa Žlázy mazové Potní žlázy Nervstvo kůže Fyziologie kůže Schopnost pokožky neutralizovat slabé zásady Udržování stálé lidské teploty Kůže jako regulátor vody Ochrana před světelnými paprsky Dýchání kůží Kůže skladiště výživných zásob Fyzikální vlastnosti kůže Propustnost a permeabilita kůže Mechanické vlastnosti kůže Termoregulace Tělesná teplota Teplota kůže Mechanismy termoregulace Obecné poznatky o mechanizmech hydratace kožního povrchu Transport tepla, vlhkosti a vzduchu soustavou člověk oděv prostředí Oděvní mezivrstvy a mikroklima Teplota vzduchu pod oděvem Vlhkost vzduchu pod oděvem Obsah oxidu uhličitého pod oděvem Vlhkost základní parametry Přenos tepla a vlhkosti v textiliích Fyzikální procesy v oděvním komfortu Teplo a vlhkost přenášené z oděvu Dynamické teplo a vlhkost transportovaná v textiliích Výměna vlhkosti mezi vlákny a vzduchem Chování vláken při vysychání Odpařování a kondenzace Vlhkostní sorpce a desorpce Okrajové podmínky Fyzikální vlastnosti vláken a textilií Metody řešení Difúze vlhkosti do vlákna Numerické řešení k hlavním řešením Vlhkostní sorpce vlněných textilií Chování textilií vyrobených z různých vláken Sdílení tepla mezi organismem a okolím

3 11.1. Sdílení tepla sáláním Sdílení tepla vedení (kondukcí) Sdílení tepla prouděním (konvekcí) Sdílení tepla odpařováním Sdílení tepla dýcháním (respirace) Odvody vlhkosti z povrchu lidského organismu Kapilární odvod potu Migrační způsob odvodu potu Difúzní odvod vlhkosti Sorpční odvod vlhkosti Hydromechanické vlastnosti textilních materiálů Hydroskopičnost Vzlínavost Nasáklivost Vysýchavost Smáčivost Propustnost vodních par Seznam použité literatury

4 1. Úvod O kůži často hovoříme jako o obalu těla, něčem izolovaném, přitom je to orgán, který je v těsném spojení s celým organismem, jeho funkcemi a hospodářstvím. Kůže je jedním z největších a velmi důležitým orgánem vůbec. Kůže izoluje tělo proti zevnějším vlivům a současně je orgánem, který upozorní na všech zevní impulsy a tyto informace přenáší do nitra organismu. Též je i často místem odpovědi organismu na zevní impulsy. Některé reakce vznikají v kůži samotné. [5] Jedním z cílů této práce je nalezení poznatků o lidské kůži a o tom, co je pro ni příjemné a vhodné a co nikoli. Chceme-li se totiž zaměřit na možnosti simulace lidské pokožky, je pro nás důležité vědět, jak lidská kůže vypadá a jak se za jistých okolností chová. Dalším cílem této práce je problematika transportu vlhkosti oděvem. Mezi funkce oděvu patří ochrana lidského těla před nepříznivými vlivy okolí (jedná o působení větru, deště, mrazu, slunce, atd.) a transport vlhkosti, tepla a vzduchu skrze oděvní systém. Je tedy důležité zaměřit se na kontrolu vhodnosti oděvů při určitých podmínkách prostředí. To znamená sledovat ty vlastnosti oděvu, které nám určují oděvní komfort výrobku. Oděvní komfort je stav fyziologické, psychologické a fyzikální harmonie mezi člověkem a prostředím. Je v něm zahrnuta ochrana proti chladu a teplu, optimální transport vlhkosti skrze jednotlivé vrstvy oděvu a vjemy, které se získávají mechanickým kontaktem mezi textilií a pokožkou. Mezi další ovlivňující faktory patří též styl, barva a velikost, které tvoří tzv. psychologický komfort. Tato komponenta komfortu závisí na kulturní a sociální úrovni, a především vyjadřuje individualitu zákazníka. V některých případech může dokonce požadavek na psychologický komfort převážit nad funkčním. Dnešní doba si žádá stále vyšší kvalitu oděvních výrobků a pouze oděvy zajišťující vysoký oděvní komfort mohou obstát na trhu. 4

5 2. Kůže Je základním biologickým pravidlem, že organismus musí být chráněn před vlivy okolí, tato funkce je uskutečňována kůží. Kůže, resp. její pokožka, se vyvinula v orgán se stálou obnovou buněk a trvalou výrobou keratinu. [5] Kůže je anatomicky i fyziologicky specializovaná hraniční vrstva,která tvoří ucelený zevní povrch lidského těla. Představuje značně velkou styčnou plochu mezi tělem a prostředím a zároveň ochranu proti jeho nejrůznějším vlivům. Neporušená celá kůže je u všech savců základní podmínkou jejich života. [5] Odstraníme-li u savce žijícího na zemi v suchém vzduchu při teplotě nižší než 28 C více než 30% jeho kůže, ztrácí z těla více teploty než může regenerovat, tělesná teplota klesá a zvíře zahyne. To proto že ztrácí z těla jednak sůl a jednak se zvětšuje obsah jeho tělesné vody. [5] 3. Základní parametry kůže Podkožní tuková tkáň se připočítává ke kůži, je tedy patrné, že s tukovou tkání váží kůže víc než kostra; váhově je na druhém místě žebříčku orgánů (obr. 3.1). Při nedostatečném přívodu kalorií slouží podkožní tuk jako jeden z hlavních rezervátorů. [5] U dospělého člověka váží kůže 3,5-6 kg, podkožní tuk ještě dalších 5-20 kg. Váha samotné pokožky (epidermis) je asi jen 0,5 kg. [5] Povrch těla měří u dospělého člověka 1,5-2 m 2. Tento údaj je ovšem přibližný. Přesná výměra kůže kolísá přirozeně v určitých mezích u každého jednotlivce. To má rozhodující význam při posuzování tepelných ztrát z lidského těla a pro výpočet dostačující látkové výměny a tím dostatečné výživy lidí. [5] Povrch těla, tj. kožní plocha, se vypočítává podle vzorce [5]: P = 71,84 V 0,425 D 0, kde P - povrch těla (m 2 ) V- váha těla (kg) D - tělesná výška (m) 5

6 svaly a šlachy 43% kostra 16% ostatní orgány 16% podkožní tuková tkáň 18% kůže (bez podkožního tuku) 7% Obr. 3.1 Hmotnostní podíl jednotlivých orgánů Tloušťka kůže těla není na všech místech stejná. V místech, kde je kůže vystavena velkému opotřebování a tlaku, jako na ploskách nohou nebo na dlaní, nalézáme nejen velmi silnou vrstvu rohovou, nýbrž i všechny ostatní vrstvy kůže. [5] epidermis dermis (mm) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 hlava čelo záda břicho stehno dlaň Obr. 3.2 Tloušťka kůže v různých částech těla 6

7 3.1. Ochranné funkce kůže Kůže odolává (v určitých hranicích) nebo aspoň minimalizuje škodlivé účinky mechanických, osmotických, chemických, tepelných a světelných vlivů prostředí. Podkožní tukový polštář (kromě toho, že je vynikající izolací) se podílí na mechanické ochraně tím, že zachycuje účinky tupých sil, rozděluje je a zmírňuje. [5] Morfologie kůže Na kůži rozeznáváme povrchní vrstvu - pokožku, a pod ní část vazivovou - škáru Pokožka Pokožku (epidermis) tvoří vrstvy dlaždicovitých buněk, které jsou v hořejších vrstvách zrohovatělé. To je vrstva rohová, která se na svém povrchu stále, většinou neviditelně olupuje a je trvale doplňována buňkami nejspodnější zóny vrstvy zárodečné. Tato vrstva se skládá z buněk, které se dělí a vytlačují starší buňky k povrchu, kde se oplošťují, prožívají přípravná stadia rohovění a odumírají. Vrstva zárodečná se skládá z vrstvy základní a ostnité. Nejspodnější zónu, zónu základní, tvoří cylindrické buňky, které jsou pevně zapojené do zvláštní blanky nad škárou. [5] Vrstva buněk bazální zóny obstarává co nejpevnější spojení pokožky se škárou tak, aby při mechanických nárazech za všech okolností bylo zabráněno jejímu stržení. Proto se ponořují dolní části cylindrických buněk zvláštními prstovitými výběžky do blanky nad škárou. Tím ovšem se také zvětšuje vyživovací styčná plocha se škárou. V buňkách hlubších vrstev je obsaženo kožní barvivo (melanin), které chrání hlouběji uložené buňky tkání před škodlivým UV zářením. [5] 7

8 . Obr. 3.3 Znázornění regenerace pokožky [5] Nad základní zónou je stratum spinosum, vrstva ostnitá. Skládá se z více vrstev polyedrických buněk, které se oplošťují směrem k povrchu. Nad touto vrstvou buňky pozbývají jader a oplošťují se. [5] Zcela povrchní vrstva pokožky je rohová vrstva. Buňky jsou redukovány na zrohovatělé, ploché, jakoby slisované skořápky. Místo jádra najdeme většinou jen světloučkou štěrbinku. Na povrchu ztrácejí buňky mezi sebou spojení, odlupují se jednotlivě a tvoří tzv. rohový prach. Buňky mají tvar šestiúhelníka a překrývají se svými klínovitě se zvyšujícími okraji. Síla rohové vrstvy je na různých částech kožního povrchu různá: je tenká nad ohyby kloubů a na břichu a sotva znatelná na víčkách. Tam, kde je vystavena velkému opotřebování a tlaku, jako na dlaních a chodidlech, je neobyčejně silná; tak silná, že kůži zbarvuje do žluta. [5] Proces rohovatění je závislý na přítomnosti škáry a je řízen místní hladinou vitamínu A. Rohová vrstva ztrácí z celého povrchu těla denně 10g zrohovatělých buněk. [5] 8

9 Obr. 3.4 Schématický řez kůží [5] 1 - vlasová pochva, 2 - vlas, 3 - hladké svalstvo, 4 - mazová žláza, 5 - kožní céva, 6 - potní žláza, 7 - hmatové tělísko, 8 - tepelný receptor (Ruffiniho tělísko), 9 - receptor tlaku a tahu (Vater-Paciniho tělísko), 10 - chladový receptor(krauseho tělísko), 11 - volná nervová zakončení 9

10 3.3. Vazivová část kůže Vazivová část kůže podle [5] se skládá ze škáry (korium) a z podkoží (tela subcutanea). Škára (dermis) je vazivová část kůže, která zajišťuje její pevnost a pružnost a obsahuje kožní adnexa (kožní přídavné orgány - nehty, vlasy, mazové a potní žlázy), cévy, nervy a hladké svaly. Škára se dělí na povrchní zónu papilární, která neznatelně přechází v hlubší síťovitou část. Papilární část, tvořená mladým bohatě vaskularizovaným vazivem s množstvím buněk, je zvlněna papilami - kónickými útvary, ve kterých jsou kapilární sítě a nervová zakončení, mezi které zapadají analogické výběžky pokožky. [5] Hlubší část škáry má hrubější, tuhé a na buňky chudé vazivo. Silné snopce kolagenních vláken, probíhající většinou rovnoběžně s povrchem a jen z menší části šikmo nebo kolmo, vytvářejí skoro plsťovitou spleť. Snopce se většinou kříží pod ostrým úhlem, kolmé pronikají do podkoží a směrem k povrchu až do papilární zóny. Škára snáší hlavní část mechanického zatížení kůže. [5] Terminální nervová tělíska se vyskytují ve škáře v několika druzích např. jako hmatová - Meissnerova tělíska, Krauseova tělíska, která jsou receptory chladu, Ruffiniho tělíska jako receptory tepla. Podkožní vazivo je nejhlubší část kůže, zprostředkuje spojení se svaly nebo s okosticí. Řídké podkožní vazivo umožňuje značnou pohyblivost kůže na některých částech těla, např. na krku a na čele. Nacházejí se v něm tělíska Vater-Paciniho, která jsou receptory čití tlaku a tahu. Podkožní vazivo je místy proloženo tukovými lalůčky. Ty ve větším množství vytvářejí na některých místech tukový polštář. V závislosti na množství tukové tkáně její tloušťka kolísá v rozmezí 0,5-10 cm. Tato část kůže se škárou představuje hlavní hmotu kůže. [5] Tukový polštář podle [5], skládají tukové lalůčky, které vyplňují prostor mezi hrubými vazivovými snopci. Je nutné bohaté zásobení krví, neboť v tukovém polštáři ukládá tělo případné přebytky kalorií přijímaných potravou. Naopak, když je výživa nedostatečná sahá ihned do tohoto rezervoáru a to vše cestou krevního oběhu. Další významnou funkcí tukového polštáře je uchovávání tělesné teploty, zmírňování mechanických nárazů, chránit citlivá zařízení kůže, jako jsou cévy, nervy a jejich zakončení. Tukový polštář je nestejně silný na různých místech. Na některých místech chybí úplně, např. na dlaních, chodidlech, očních víčkách atd., tam kde musí odolávat značnému opotřebování a zatížení, je naopak dobře vyvinut. [5] 10

11 3.4. Krevní zásobení a nervstvo kůže Kapilární síť podle [5] není v celém těle stejně vyvinutá. Kůže patří mezi prostředně bohaté orgány, jako např. svaly, žlázy, mozek s míchou. V kůži je asi 40 kapilár na 1 mm 2, kdežto např. v lidském srdci je jich na stejné ploše asi Kůže je podle [5] na nervy velmi bohatá. Jednotlivé větší nervy ovládají určité části kůže. Nervstvo kůže patří jak k cerebrospinálnímu, tak i k vegetativnímu systému. Cerebrospinální nervy tvoří v pleteň senzitivních nervů. Inervují okolní vrstvy a směrem vzhůru se rozplývají ve stále jemnější vlákénka, která pronikají až do pokožky nebo vnikají do zvláštních konečných struktur. Jsou to tělíska Vatera a Paciniho, receptory tlaku a tahu, dotyk vnímající tělíska Wagnerova a Meissnerova a tělíska chladu Ruffiniho a Krauseho. Vlákna vegetativního nervového systému inervují hladké svaly, potní žlázy a cévy. Nakonec vytváří velmi hustou spleť, která obtéká orgány s velmi různými funkcemi. [5] 3.5. Kožní adnexa Podle [5] je to souhrnný název pro vlasy, nehty, žlázy mazové, žlázy apokrinní a potné.vlasy trčí z kůže šikmo (s výjimkou řas) ve skupinkách po třech a jsou uspořádány v proudech končících víry. Skládají se z vlastního volného vlasu a z kořene. Spodní část kořene se rozšiřuje ve vlasovou cibulku a do ní se vnořuje vlasová papila. Cibulka je uložena ve škáře nebo v podkožním vazivu. V horní polovině škáry, v úhlu, který svírají snopce hladkého svalstva (vzpřimovače vlasů) s vlasovým folikulem, jsou umístěny mazové žlázy. Při smrštění uvedených svalíků se vlasy staví kolmo a zároveň je z mazových žláz vytlačován maz, který promazává nejen vlas, nýbrž i kůži. Vlasy najdeme skoro všude, s výjimkou dlaní, chodidel a několika málo dalších míst a podle lokalizace mluvíme např. o vousech, chlupech, atd Jejich počet se odhaduje asi na , a to vlasů asi a zbytek na porost ostatních částí těla. Hustota kožního porostu mění se od místa k místu. Tab. 3.1 Hustota kožního porostu podle [5] na 1 cm 2. temeno kštice nad čelem brada hřbet ruky 18 stehno 8 11

12 Žlázy mazové Žlázy mazové podle [5] najdeme po celém těle s výjimkou dlaní a plosek. Jsou uloženy v horní polovině škáry. Promašťuje pokožku, dělá ji vláčnou a pružnou a chrání ji od vysychání a průniku vody. Mazová sekrece vytváří na povrchu kůže vrstvu mastné hmoty, jejíž tloušťka u člověka se odhaduje podle kožní partie na 0,4-4 µm. Odstraníme-li tuto vrstvu, je nahrazena během 1-6 hodin. Mazových žláz je celkem asi Na 1 cm 2 jich připadne asi 100. Mají rozměr asi 0,6-0,8 mm a jsou složeny obvykle z 5-6 žlázových lalůčků. Denně se vyloučí po celém těle 0,3-0,8 g mazu, čili za rok až 300 g Potní žlázy Jsou u člověka skoro všude. Nejvíce je jich na dlaních a chodidlech. Skládají se z části sekretorické, stočené v klubíčko, a z části vývodní, ústící v potním póru samostatným vývodem. Klubíčko je v kůži velmi hluboko, a to ve spodních vrstvách škáry nebo až v podkoží. Pot se vyprazdňuje vývodem probíhajícím škárou a končícím kanálkem, který provrtává pokožku. [6] Pot se tvoří z tkáňového moku. Zvýší-li se průtok krve vlásečnicemi opřádajícími žlázové buňky, prosakuje větší množství plazmy do tkáňové tekutiny a z této tekutiny tvoří buňky potních žláz pot. Má obvykle kyselou reakci, obsahuje 98,5% až 99% vody, 0,6% NaCl a rozpuštěné organické látky (močovinu, mastné kyseliny, aminokyseliny aj.). [6] Sekreci potu zvyšují některé látky, např.: nikotin. Potem se mohou vylučovat mnohé tělu cizí látky: z léků zejména jód. Činnost potních žláz usnadňuje práci ledvin. Při potních kůrách vystoupí pot nejdříve na dolních končetinách, pak na čele, břichu a konečně i na ostatních místech. Množství potu u neaklimatizovaného člověka může dosahovat až 700 ml/hod, čímž dochází ke značným ztrátám solí (15-30 g). Adaptovaný organizmus reguluje tyto ztráty na 1,5-2,0 l denně (3-5 g solí za den.). Potních žláz má člověk v kůži celého těla asi dva milióny, tedy na 1 cm 2 jich připadá asi 100. Jednotlivé žlázy mají průměr 0,17-0,35 mm, jen v podpaží jsou větší 0,3-0,5 mm. [6] 12

13 Obr. 3.5 Schéma potní žlázy pokožky ruky podle [6] 1-2 Epidermální část vývodu 2-3 Segment průchodové části 3-4 Průchod části klubka potní žlázy 4-5 Koncová sekreční část potní žlázy 13

14 3.6. Nervstvo kůže Na nervy je podle [5] kůže bohatá. Kůže představuje největší receptivní povrch. Je sídlem obrovského počtu receptorů somatosenzorického systému, které umožňují nepřetržitou komunikaci se zevním prostředím (dotykové a tlakové receptory, termoreceptory, receptory pro bolest). 4. Fyziologie kůže Úloha kůže v rámci lidského těla je podle [5] velmi rozmanitá a její vlastnosti nelze posuzovat izolovaně bez vztahu k celému organismu. Nervový systém reguluje fyziologické a patologické děje v kůži. Mozková kůra a autonomní nervový systém obstarává tak prostřednictvím kůže spojení organismu se zevním prostředím. Mezi funkce kůže patří: chránit tělo před chemickými škodlivinami, regulovat teplotu organismu, odolávat mechanickým zatížením, zneškodňovat nebezpečná záření, pomáhat udržovat stálou teplotu těla. Také slouží jako skladiště výživných zásob, jako regulátor vody, jako třídící a vyměšovací orgán. Bohaté zásobování krví a lymfou i dokonalý nervový systém umožňuje všechny pohody v té intenzitě, jaké je právě třeba. V kůži probíhají složité biochemické pochody látkové výměny i různé způsoby imunizace. [5] 4.1. Schopnost pokožky neutralizovat slabé zásady Rohová vrstva je podle [5] prosycena tukovými látkami a tukem vznikajícím při rohovění buněk a zneškodňuje tím do určité míry také chemické a fyzikální škodliviny, které přichází z vnějšího světa. Povrch kůže potahuje film, který je podle [5] složen z obsahu mazových žláz a zbytku kyselin po odpařování potu a je schopen se bránit bakteriím. Každá kožní partie má svoji bakteriální mikroflóru, kterou podmínky jejího prostředí udržují v neškodném stavu. Tato souhra poskytuje organismu nejen životně důležité látky, ale ji i chrání při normálně fungující kůži před nákazou. Kyselý kožní film vzniká podle [5] emulgací mazu potem, jeho hodnota ph je slabě kyselá (4,5-5,5) do hloubky přibývá alkality. Tento biologický plášť může být porušen, např. častým mytím ostrými mýdly, takže infekce se pak snáze uchytí. 14

15 4.2. Udržování stálé lidské teploty Kůže reguluje teplotu lidského těla, protože vyrovnává výdajem běžnou tvorbu tepla v organismu. Vnímá teplotu okolí i vnitřní teplotu a zprostředkuje potřebné reakce. Izoluje tělo vůči tepelným vlivům okolí a podílí se na fyzikální a chemické termoregulaci. Na celkovou termoregulaci má bezpochyby vliv také keratin ve vrstvě rohové. Z jeho povrchu se vypařuje čtyřikrát až pětkrát více vody než z povrchu vody o stejné výměře. Toto rychlé odpařování způsobuje rychlé ochlazení povrchu těla a tím celkovou regulaci tělesné teploty. [5] 4.3. Kůže jako regulátor vody Kůže je v hospodářství s vodou po ledvinách na druhém místě. Vylučuje v průměru ml vody denně. Tento výdaj značně stoupá v horku. Při těžké práci v horku vypotí člověk za den l. [5] Kůže podle [5] nevydává vodu jen potními žlázami, nýbrž také povrchem pokožky. Voda prosakuje vrstvou rohovou, na jejímž povrchu se vypařuje, to je tzv. perspiratio insensibilis (neznatelné pocení). Tímto způsobem ztrácí normální člověk asi 500 g vody denně. Patří zde i vodní páry z plic (asi 8% z celkových tepelných ztrát) a minimální množství potu zcela neznatelně se rozlévající z ústí potních žláz Ochrana před světelnými paprsky Mezi hlavní složky patří podle [5]: a) silně reflektující vlastnosti rohové vrstvy a případné její zesílení b) bohatě vyvinuté sítě povrchního cévního systému, který je jako červený krevní závoj mírní hlubší pronikání paprsků c) pigment (pravý melanin), chrání spodní citlivé vrstvy před světelným poškozením, zejména ultrafialovými paprsky Dýchání kůží Rozumíme tím prostup kyslíku kůží, jeho vázání na krev a naopak výstup oxidu uhličitého z kůže. Průměrně přijímá kůže za hodinu 0,5 ml O 2 na 1 dm 2 a vydává zároveň 0,94-1,18 ml CO 2 / dm 2 h. [5] 15

16 4.6. Kůže skladiště výživných zásob Tuto funkci zajišťuje tukový polštář, u dospělých jedinců může být až kg vedle obsahu tekutin a soli. Tukový polštář obsahuje 2/3 všech neutrálních tuků, je to rezerva, do které organismus sáhne nejdřív v době nouze. Tukový polštář také chrání citlivá místa kůže před poraněním a zhmožděním. [5] 5. Fyzikální vlastnosti kůže 5.1. Propustnost a permeabilita kůže Propustnost a permeabilita byla studována víc než 50 let a získáno mnoho údajů, které nejsou však srovnatelné, poněvadž nemají stejnou techniku a nejsou vyjádřeny termíny běžnými ve fyzice. Teprve pokusy na excidované kůži a zejména také užití jako penetrantů (pronikajících látek) chemikálií, značkovaných radioaktivními izotopy, položily spolehlivější základy našim poznatkům. [5] Stupeň propustnosti (penetrace) je většinou úměrný stupni koncentrace látky na kůži. Úměrnost přestává, jestliže látka na kůži je tak silná, že poškodí pokožku. Pokud se týče iontů ve vodných roztocích, mnohé prostupují kůží stejně rychle jako voda, některé však kůží dobře nepronikají. [5] Propustnost kůže podle [5] závisí na: a) tělesné partií (nejméně propustná je kůže dlaní a chodidel) b) teplotě povrchu kůže, která je závislá na teplotě okolí (v chladném ovzduší je stupeň propustností nízký) c) druhu penetranta (substance, které reagují s některou složkou kůže, zadrží kůže mnohem déle, pro plyny je kůže velmi prostupná) d) na přítomnosti kožního mazu (odmaštěná kůže je snadno průchodná) 5.2. Mechanické vlastnosti kůže Na některých místech lidského těla je kůže trvale v mírném napětí, na jiných je úplně volná. Někde lehce klouže nad tkáněmi, které jsou pod ní, jinde je pevně připoutána ke spodině. Pokožka je poměrně pevné struktury, přestože je na některých místech silná pouze 0,1 mm. I při silném natahování celé kůže pokožka 16

17 sama se nevytahuje, neboť v klidu má účelně rozčleněný systém záhybů, který se zde uplatní.kůže může být natahována s návratnou schopností o 10-50% za předpokladu, že tah netrvá déle než několik málo vteřin. Je-li užito příliš velké síly, kůže se trhá; trvá-li natahování nebo roztahování příliš dlouho, vzniká trvalé nenávratné natažení. Tato schopnost klesá věkem. [5] 6. Termoregulace Termoregulací nazýváme schopnost organizmu udržovat stálou tělesnou teplotu, přestože produkce tepla, jeho příjem i ztráty nepřetržitě kolísají. Organismus člověka přestavuje samoregulační systém, jehož fyziologický mechanismus je zaměřen na zajišťování rovnováhy mezi množstvím vytvořeného tepla a množstvím tepla odevzdávaného do okolního prostředí, a tím i zachování stálé tělesné teploty. Jestliže dojde k narušení tepelné rovnováhy, teplo se buď hromadí v organismu člověka, nebo rychle uniká, a tím se mění průměrná tělesná teplota. [3] 6.1. Tělesná teplota Podle změn teploty prostředí se vždy vytváří určitý teplotní spád mezi vnitřkem organizmu a jeho povrchem. Rozeznáváme tedy teplotu tělesného jádra a teplotu povrchu těla. Teplotou jádra se rozumí teplota vnitřních orgánů a tkání. [5] Za normálních podmínek okolního prostředí a při ustálené dynamické rovnováze pochodů sdílení a vytváření tepla kolísá tělesná teplota podle [5] v rozmezí ± 0,1 C. Při teplotě okolí 20 C je vnitřní teplota 36,8 C, v podkoží 35,6 C a v kůži 35,2 C. Teplota kůže také kolísá v určitých mezích podle konstituce jednotlivce. Otylí mají vnitřní teplotu vyšší asi o 0,2-0,3 C než hubení. Spád teploty směřuje z vnitra k povrchu a teplo je zadržováno u otylých tukovou vrstvou. Teplota není v průběhu dne stejná. Nejnižší teplotu naměříme ve spánku, o málo vyšší ve stavu bdělosti při celkovém klidu a stoupá adekvátně s činností organizmu. U bdělého člověka v klidu naměříme nejnižší teplotu mezi 5-6 hodinou ranní a nejvyšší mezi hodinou. Ženy navíc mají měsíční cyklus teplotních změn, charakterizovaný zvýšením bazální teploty při ovulaci o 0,5 C. [5] Změny tepelného stavu umožňují rozeznávat smysly tepelný a chladový. Citlivost těchto smyslů není dokonalá, neboť reflexy termoregulační vycházejí z pocitů vnímaných na povrchu. V údajích jako teplo a zima mohou být 17

18 velké individuální odchylky. Jsou lidé otužilí a zimomřiví. Orgánem tepelného čití jsou chladové a tepelné body. Chladových bodů je celkem asi [5] Obr. 6.1 Denní změny tělesné teploty podle [5] 6.2. Teplota kůže Teplota kůže a její topografie může sloužit jako ukazatel tepelného stavu organismu. Hodnoty teploty kůže odpovídající různým subjektivním tepelným pocitům člověka ve stavu fyzického klidu uvádí tabulka. Tab. 6.1 Teplota kůže a tepelné pocity ve stavu relativního fyzického klidu [2] teplota kůže ( C) velmi horko nad 36,0 horko teplo pohoda chladno zima 36,0± 0,6 34,9± 0,7 33,2± 1,0 31,1± 1,0 29,1± 1,0 velká zima pod 28,1 Teplota kůže, zejména je-li člověk ve stavu tepelné pohody, se značně liší podle různých částí povrchu těla. Tyto rozdíly jsou dány zvláštnostmi systému krevního oběhu. Topografii teploty kůže ovlivňují: oděv, stupeň celkového ochlazení a přehřátí, druh fyzické práce, pohlaví atd. 18

19 6.3. Mechanismy termoregulace Při zvýšeném uvolňování tepla v organismu nebo při přehřátí těla vlivem vnějšího tepla mechanismus termoregulace napomáhá zvětšení přestupu tepla. Tepelná regulace, která zajišťuje zvýšení produkce tepla v organismu, se nazývá chemická. Naopak fyzikální tepelná regulace je ta, která je zaměřena na zmenšení nebo zvětšení přestupu tepla do okolního prostředí. [5] Chemická tepelná regulace se při ochlazení uskutečňuje převážně zvýšením svalového napětí a chvění, které vedou k další, přídavné tvorbě tepla v organismu.fyzikální tepelná regulace se uskutečňuje rozšiřováním a zužováním cév v pokožce. V prvním případě se sdílení tepla do okolí zvětšuje, protože stoupá tepelná vodivost tkání organismu, teplota pokožky i tepelný spád a zvětšuje se odpařování vody. V druhém případě se sdílení tepla snižuje, protože tepelná vodivost tkání i tepelný spád klesají. [5] K udržování stálé tělesné teploty podle [5] je nutné, aby byl celý systém v tepelně ustáleném stavu. Tepelné rovnováhy se dosahuje koordinací pochodů zaměřených na tvorbu tepla v organismu (produkci tepla) a na jeho odvod (přestup tepla). Obecně je možno tepelnou rovnováhu člověka vyjádřit podle [3] rovnicí: Q tt + Q tz = Q s + Q pr + Q ved + Q od + Q odc + Q op + Q ov ± Q 6.1 kde Q tt je tvorba tepla v organismu (J) Q tz vnější tepelné zatížení, např. slunečním zářením (J) Q s tepelné ztráty sáláním (J) Q pr tepelné ztráty prouděním (J) Q ved tepelné ztráty vedením (J) Q od tepelné ztráty v důsledku odpařování difúzní vlhkosti s povrchu pokožky (J) Q odc tepelné ztráty v důsledku odpařování vlhkosti z horních cest dýchacích (J) Q op tepelné ztráty odpařování potu (J) Q ov tepelné ztráty na ohřev vydechovaného vzduchu (J) Q změna tepelného stavu organismu proti stavu tepelné pohody - deficit tepla (J) Všechny složky rovnice tepelné rovnováhy jsou uvedeny za jednotkový čas τ (s), tzn. Js -1 W 19

20 7. Obecné poznatky o mechanizmech hydratace kožního povrchu Voda podle [12] se do rohové vrstvy dostává dvojím způsobem. 1. Fyziologicky z vývodních částí potní žlázy a prostupem vody z hlubších epidermálních vrstev (endogenní hydratace) a) transduktální difůzí z termálního úseku vývodu potní žlázy b) vsakováním vody z vypuzeného potu do rohoviny v okolí póru potní žlázy c) transepidermálním prostupem insensibilní vody 2. Vodou ze zevního prostředí (exogenní hydratace) a) vodou ve fázi plynné (vlhkost vzduchu) b) vodou ve fázi tekuté (máčení, macerace pod oklusí kombinace obou) ad 1) Fyziologické zavodnění tenké membranosní rohoviny je především výslednicí rovnováhy mezi obsahem vody v atmosféře a přísunem prostou difůzí méně aktivním pocením. Je tedy ovlivňováno hlavně mikroklimatickými podmínkami na epidermálním povrchu.při nízké relativní vlhkosti vzduchu (podzimní a zimní měsíce) je voda z rohoviny ve větší míře vydávána, v obdobích s vysokou relativní vlhkostí naopak přijímána. V závislosti na ročním období kolísá i propustnost rohoviny pro vodu. [12] ad 2) Voda ze zevního prostředí může působit na povrch epidermální třemi způsoby: - Působením vodních par zevního ovzduší (mikroklima epidermální) - Přímým stykem pokožky s tekutou vodou a roztokem. Hraniční koncentrace NaCl pro sorbci do rohoviny je 5,5%. - Potlačením odpařování vody s povrchu oklusí pro vodu nepropustnou (polyetylenová, polypropylenová fólie) Následkem výše uvedených způsobů působení vody ze zevního prostředí dochází po určité době ke zbobtnání rohoviny s následným mechanickým uzávěrem vývodu potních žláz a tím k přechodnému omezení až k úplnému zastavení pocení. Hydratace povrchní rohoviny vede až k 4 násobku její váhy. [12] 20

21 a) vodou ve fázi plynné (vlhkost vzduchu) Trvale se měnící faktory klimatu (teplota a pohyb vzduchu, jeho vlhkost) mění aktuální stav kožního mikroklimatu, dochází k vytváření nových rovnovážných stavů ať zvýšeným výdajem nebo zvýšeným příjmem vody z povrchních epidermálních vrstev. Dochází tak k vysychání nebo ke zvýšené hydrataci až zbobtnání rohoviny pokrývající kožní povrch. Absolutní množství par ve vzduchu je závislé na jeho teplotě čím teplejší, tím větší % vodních par může obsahovat. V experimentech bylo dokázáno, že působení vzduchu nasyceného vodními parami na 90% vede k sorbci vody do rohoviny, pod 90% vede k vysychání desorbci vody z kožního povrchu. [12] Transfer vody do kůže je podle [12] závislý na vodním gradientu v rohovině a na odporu proti difúzi kapalin jako by procházeli submikroskopickými dutinkami. Při RV 90% proniká voda do kůže rychlostí gr/m 2. Výdej vody z kožního povrchu je podle [12] uskutečňován odpařováním vody z vypuzeného potu vsakující se do periporální rohoviny (vyústění potních žláz), dále difúzí povrchní rohovinou, vysycháním vody z naplněných vývodů potních žláz (hlavně na dlaních a ploskách). U nepotící se kůže mluvíme o perspiratio insensibilis (neznatelné pocení). Ztráty vody z kožního povrchu se snižují tou měrou, jak se zvyšuje vlhkost okolního vzduchu. b) vodou ve fázi tekuté (máčení, macerace pod oklusí kombinace obou) Rychlost průniku vody podle [12] závisí hlavně na teplotě působící vody, dále na její osmotické koncentraci (nad nobo pod 5,5% NaCl). Excesivní (vysoká) hydratace vede k fyziologickému potlačení pocení, až k úplnému zastavení pocení (hydromeiosis). 21

22 Obr. 7.1 Schéma mikrocirkulace vody v hlubších i povrchních vrstvách kůže za normálních podmínek podle /12/. V celém průběhu volně průchodný potní vývod. Znázorněná závislost sorbce a desorbce vodních par na relativní vlhkosti vzduchu. V dolních partiích vývodu znázorněny základní cesty difúze, reabsorbce a výměny vody a solut. 22

23 Obr. 7.2 Schéma cirkulace vody v rohovině podle [12] při zúženém průsvitu až uzávěru terminálního úseku vývodu potní žlázy (abnormální rohovatění, změny v povrchní rohovině, chemické, zbobtnání rohoviny). 23

24 Obr. 7.3 Změny cirkulace vody podle [12] v podmínkách okluse pro vodu (krytí nepropustnou fólií). 24

25 8. Transport tepla, vlhkosti a vzduchu soustavou člověk oděv prostředí Oděvní systém podle [8] zahrnuje nitro organismu jako zdroj tepla a vlhkosti, povrch pokožky, jednu až tři oděvní mezivrstvy, oděvní mikroklima vytvořené oděvem kolem těla. Každá oděvní mezivrstva je jako elementární jednotka oděvního systému složena z vrstvy vzduchu, vrstvy textilie a z vrstvy vzduchu uzavřeného v textilii. Tyto tři vrstvy nelze uvažovat nezávisle na sobě, jelikož se všechny účastní transportu tepla, vlhkosti a vzduchu. Stav a fyzikální vlastnosti jedné vrstvy ovlivňují stav a fyzikální vlastnosti vrstvy druhé, resp. třetí a opačně.schéma oděvního systému podle [8] je zakresleno na obr povrch pokožky spodní textilie vrchní textilie I vrchní textilie II transport: tepla nitro organismu vlhkosti vzduchu I II III okolní prostředí vrstvy vzduchu Obr. 8.1 Schéma oděvního systému 25

26 8.1. Oděvní mezivrstvy a mikroklima Z obecného hlediska můžeme definovat mikroklima, jako uzavřenou oblast mezi pokožkou a oděvem. Mikroklima přímo ovlivňuje subjektivní pocity člověka. Je závislé na tepelném stavu organismu, klimatických poměrech vnějšího prostředí a na vlastnostech oděvu. Mikroklima můžeme hodnotit z hlediska hygienického a to na základě zkoumání tepelného stavu organismu a dalších ukazatelích : teplotě, vlhkosti, pohybu, rychlosti vzduchu a obsahu oxidu uhličitého.[2] 8.2. Teplota vzduchu pod oděvem Pro uživatele je nejsměrodatnější teplota mezi povrchem těla a první oděvní vrstvou. Pro osobu ve stavu klidu je optimální teplota udávána v rozmezí 30 až 32 C (v oblasti trupu), avšak pro osobu vykonávající těžkou fyzickou práci je tato teplota 15 C. Proto je potřeba z hlediska hodnocení přistupovat ke každé situaci diferenciovaně. Z hlediska tepelného komfortu je nejpodstatnější udržení optimální teploty mikroklimatu, tedy docílit vhodnou volbou materiálu udržení teploty jednak v podmínkách chladu (dostatečný tepelný odpor), větrných podmínek (prodyšnost) a v neposlední řadě schopnost odvodu případného zvýšeného množství tepla v důsledku fyzické aktivity. [2] 8.3. Vlhkost vzduchu pod oděvem Hodnota relativní vlhkosti pod oděvem v mikroklimatu udávaná pro stav fyziologického komfortu se pohybuje v rozmezí 35 až 60%. Může být o něco nižší než vlhkost okolního vzduchu v důsledku vyšší teploty ve vrstvě mikroklimatu. Nejdůležitější pro množství vlhkosti vzduchu pod oděvem je schopnost odvádět vodu z povrchu těla do okolního prostředí. [2] 8.4. Obsah oxidu uhličitého pod oděvem Oxid uhličitý, vznikající při kožním dýchání, se neustále dostává do prostoru mezi pokožkou a oděvem. Z tohoto prostoru se oxid uhličitý odstraňuje díky větrání. Jeho obsah je ukazatelem stupně zamoření produkty kožního dýchání. Intenzita větrání je závislá na prodyšnosti oděvu a jeho konstrukčním řešení. Přičemž pod oděvem jednovrstvým je koncentrace nižší než pod oděvy vícevrstvými, jelikož jejich prodyšnost je nižší. Podle údajů Širbeka obsah oxidu uhličitého pod oděvem překračující 0,8% vyvolává nepříjemné subjektivní pocity a také vede k narušení výměny tepla s okolním prostředím. [2] 26

27 9. Vlhkost základní parametry Vlhkost je významným parametrem v řadě průmyslových i zemědělských odvětví. Její nedostatek nebo naopak přebytek má často větší vliv na ztráty materiálu, poruchy zařízení a kvalitu finálních výrobků než kterýkoliv jiný parametr. Pro vyjadřování vlhkosti plynů, kapalin a tuhých látek slouží řada jednotek. U plynu se vlhkost nejčastěji určuje pomocí absolutní nebo relativní vlhkosti. Vlhký plyn obsahuje suchý plyn a vodní páru. [7] Absolutní vlhkost Φ je podle [7] definována jako hmotnost vodní páry m v kg, obsažené v plynu, dělená objemem vlhkého plynu V v m 3. Φ = m V 3 [ m ] kg 9.1 Takto vyjádřená absolutní vlhkost má rozměr hustoty vodní páry v plynu, častěji se však vyjadřuje v jednotkách g m- 3. Φ max - maximální množství vodní páry, které vlhký plyn může obsahovat; plyn se v tomto stavu nazývá sytý a teplota,při níž je plyn vodní parou nasycen, je tzv. rosný bod Relativní vlhkost ϕ plynu je podle [7] dána poměrem absolutní vlhkosti plynu k vlhkosti s nasycenými párami za téže teploty a tlaku. Relativní vlhkost tedy lze vyjádřit v procentech vztahem: Φ ϕ = 100 Φnas [%] 9.2 Z termodynamiky je známo, že relativní vlhkost lze též vyjádřit poměrem parciálního tlaku vodní páry p [Pa] a parciálního tlaku syté vodní páry p nas [Pa], a že platí podle [7]: p ϕ = p nas 100 [%] 9.3 Je známo [7], že vodní pára se nechová zcela jako ideální plyn a proto platí vztah ϕ ϕ. Relativní vlhkost suchého plynu tedy je ϕ = 0 (0%,) plyn ve stavu nasycení vodní párou má vlhkost ϕ = 1 (100%). Rosný bod ϑ rb je teplota, kterou získá vlhký plyn, je-li izobaricky ochlazen do úplného nasycení. Měrná vlhkost w [7] je poměr hmotnosti vodní páry m k hmotnosti vlhkého plynu m vp ve stejném objemu. Někdy se vyjadřuje i poměrem hmotnosti vodní páry k hmotnosti suchého plynu m sp ve stejném objemu. w m = m = mvp msp

28 Stupeň nasycení ψ je definován podle [7] vzorcem: ψ = Φ Φ nas Mezi ϕ a ψ platí vztah podle [7]: p p ϕ = ψ p p nas p - celkový tlak směsi daný součtem parciálních tlaků jednotlivých složek p - parciální tlak vodní páry p nas parciální tlak nasycené vodní páry Pro vzájemné přepočty mezi jednotlivými vlhkostními veličinami lze při normálním tlaku plynu s chybou kolem 1% používat stavovou rovnici ideálního plynu. Pro odlišné tlaky vznikají přídavné chyby a je nutné používat vztahy obsahující kompresibilní faktory reálného plynu. [7] Ze stavové rovnice ideálního plynu můžeme vypočítat tlak vodní páry [7]: m R T e, M V = Zv Tv nv v 9.7 M v molární hmotnost vodní páry (Mv = 0, kg.mol- 1 ) R molární plynová konstanta (R = 8, J.mol- 1.K- 1 ) T [K] termodynamická teplota Z v kompresibilní faktor n v látkové množství vodní páry Relativní vlhkost (stupeň nasycení v procentech) se používá i u kapalin a to podle vztahu [7]: c ϕ = 100 cs [%] 9.8 c koncentrace vody v dané kapalině c s maximální dosažitelná koncentrace vody v dané kapalině za stejné teploty Vlhkost tuhých materiálů se podle [7] vyjadřuje v kg vody na kg materiálu, přičemž se musí uvést, zda jde o obsah vody připadající na 1 kg vlhkého materiálu (absolutní vlhkost w) nebo na 1 kg suchého materiálu (relativní vlhkost w r ): w = mv mv + m s

29 w r = m m v s 9.10 m v hmotnost vody obsažené v materiálu m s hmotnost suchého materiálu 10. Přenos tepla a vlhkosti v textiliích Fyzikální procesy v oděvním komfortu Psychologická vnímání jsou formulována na základě neuropsychologických signálů, které jsou odvozeny z různých zakončení nervových senzorů podle [13]. Termopsychologické regulátory reagují na tělo a jsou spouštěny signály z termálních receptorů umístěných v celém těle. Signály z nervových zakončení jsou vytvářeny v podstatě různými fyzikálním podněty z vnějšího okolí, zejména z oděvů, které pokrývají většinu našeho těla. Fyzikální procesy /13/ vytvářejí tyto podněty včetně tepelného přenosu vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) a sáláním (radiací), přenosem vlhkosti difúzí, sorpcí, sáním a odpařováním a mechanickými interakcemi (vzájemným působením), a to tlakem, třením a nepravidelným dynamickým kontaktem. V posledních desetiletích byly provedeny rozsáhlé výzkumy studia mechanizmů procesů přenosů tepla a tlaku v oděvech, avšak mechanismy mechanických interakcí mezi oděvem a tělem nebyly ještě prozkoumány důkladně. Tato kapitola se zaměří na procesy přenosu tepla a vlhkosti Teplo a vlhkost přenášené z oděvu Chování oděvů při přenosu tepla a vlhkosti je již dlouho známo jako velmi důležité pro lidské přežití. V tomto odvětví byla vykonána velká práce. V roce 1970 Fourt a Hollies [14] provedli podrobnou rešerši literatury zahrnující oděvní komfort a jeho funkci se speciálním zaměřením na tepelný komfort. O sedm let později předložil Slater [15] rozsáhlý přehled vlastností komfortu u textilií, zahrnující měření jejich tepelné rezistence (odporu), odvod vodních par, odvod kapalné vlhkosti a propustnost vzduchu. Hollies a Goldman (1977) [16] udělali přehled kritérií v hodnocení vlastností tepelného komfortu oděvů. Použili tyto rovnice k popisu přenosu tepla a vlhkosti v oděvech: 29

30 Tepelná ztráta prouděním Hc kc A ( Tsk Tab) Tepelná ztráta odpařováním He ke A ( Psk Pab) = 10.1 = 10.2 Střední teplota záření MRT = + 2, 22 ( V ( Tg Tab) + Tab) Nastavená teplota suchého objemu AT db ( Tab + MRT ) = kde k c je koeficient přenosu tepla prouděním, který zahrnuje nejenom stálou oděvní mezivrstvu, ale také tepelné charakteristiky oděvů, A je povrch plochy těla, T sk je průměrně měřená teplota na povrchu těla, T ab je teplota suchého objemu, ke je odpařovací koeficient, podle Lewise se rovná (k e =2,2k c ), P sk je tlak nasycených vodních par při teplotě kůže, P ab je tlak okolních par, V je rychlost proudění vzduchu, T g je okolní teplota, AT db je kombinovaný koeficient pro tepelnou izolaci oděvů začleňující proudící a tepelně vyzařující přenosy. Nejpoužívanější jednotkou pro komplexní hodnocení komfortu nošení oděvů v USA je clo, navrženou Gaggeem a jeho kolegy na Pierceho ústavu v roce 1941 [17]. Bylo definováno jako skutečná izolace typického obleku té doby a rovná se 0,15 Km 2 W -1. Mecheels a Umbach (1977) [18] udělali přehled psychrometrického rozsahu oděvního systému. Poukázali na to, že tepelné vlastnosti oděvních systémů jsou určeny jejich vlastním odporem prostupu tepla R c a jejich odporem prostupu vlhkosti R e kde: ( s Ta) 2-1 A T R c = v155 C m W 10.5 Hc R e = A ( Ps Pa) 2-1 x H e v155mm Hg m W 10.6 i m =0,45 (R c oděvu / R e odevu ) kde im je index propustnosti vlhkosti podle Woodcocka v roce 1962 [19]. Jestliže oděv je dokonale nepropustný pak im=0, jestliže je 100% zpocený člověk tak je dosaženo plného odpařovacího potenciálu mokré kuličky teploměru. Poukázali, že skrze tyto dvě hodnoty odporu mohou určit minimální a maximální teplotu okolí. Minimální teplota okolí byla definována jako teplota, při které termoregulační systém lidského těla je ve studené oblasti (rozmezí), tzn. koncentrace 30

31 vlhkosti blízko kůže se blíží okolí, takže vlhkostní tok může být zanedbán. Maximální teplota okolí je teplota, při které termoregulační systém lidského těla dosahuje vrchních hodnot, kde oděvní systém musí chránit teplotu těla (jádra) pod určitými podmínkami komfortu zvyšováním pomocí odpařování. Rozdíl mezi minimální a maximální teplotou okolí se nazývá psychrometrickým rozsahem oděvního systému. Odpor teplotního a vlhkostního přenosu a psychrometrický rozsah může být měřen pomocí manekýnů (model lidského těla) a modelem kůže, které byly vyvinuty v Hohensteinově institutu. Parametry jsou závislé na konstrukci (designu), způsobu nošení, textilních materiálech a proudění větru. Breckenridge (1977) [20] zmapoval literaturu o vlivech pohybu lidského těla na proudící a odpařovací tepelné změny v oděvech. Tepelná izolace oděvu je závislá na těchto činitelích: tloušťce a počtu vrstev oděvu, střihu, záhybech, hustotě vláken a flexibilitě vrstev a přiměřenosti uzavření oděvu (propustnosti). Hodnoty tepelné izolace a index vlhkostní propustnosti (i m ) oděvu byly mnohokrát měřeny pomocí stojatých měděných manekýnů v životní velikosti v MED v USARIEM. K hodnocení tepelných ztrát při vypařování se používají citlivé váhy s monitorem měřící hmotnostní ztrátu subjektu. K měření tzv. čerpacích ( pumping ) koeficientů spojených s pohybem těla. Mecheels (1971) [21] vytvořil chodícího manekýna v Hohensteinově institutu a Madsen a Fanger (1975) vyvinuli manekýna, který mohl šlapat na kole stejně dobře jako stát [20]. Všechny tyto výzkumy považovali tepelný a vlhkostní proces přenosu jako dva nezávislé procesy, které lze široce aplikovat pro stav oděvů ve všech státech. V průběhu vlhkostních přechodů procesy přenosu tepla a vlhkosti probíhají společně. Tepelná izolace oděvů je ovlivněna vlhkostní sorpcí textilních vláken. A proto metody a kritéria měření nemusí být vhodné pro hodnocení tepelného komfortu oděvu za dynamických podmínek. V posledním desetiletí chování dynamického tepelného a vlhkostního transportu oděvů a jejich vliv na tepelné a vlhkostní vnímání se stalo hlavním cílem výzkumu. Další články ukazují hlavní pokroky v tomto výzkumu Dynamické teplo a vlhkost transportovaná v textiliích Společný přenos tepla a vlhkosti v textiliích byly uznány jako velmi důležité pro pochopení dynamického tepelného komfortu při nošení. V roce 1939 Henry navrhl mechanismus přechodů difúze vlhkosti a tepla do textilních vláken [22] a dále popsal model tohoto přechodu v roce 1948 [23]. V tomto modelu Henry vyvinul systém diferenciálních rovnic k popisu těchto procesů. Dvě z rovnic zahrnují zákony zachování hmoty a energie. Třetí rovnice popisuje obsah vlhkosti ve vláknech do přiléhající vrstvy vzduchu. Jak je vidět na obr [13] v malé části (elementu) textilie jednotkové plochy a tloušťky, vytvořené z vláken a vystavené vlhkostnímu a tepelnému gradientu, vodní 31

32 páře pronikající mezi vlákennými prostory a tím vzniká absorpce a desorpce vlhkosti ve vláknech. Pro zjednodušení matematických procesů byly navrženy tyto předpoklady: 1. Objemové změny vláken závisející na obsahu vlhkosti mohou být zanedbány. 2. Vlhkostní přenos vlákny může být zanedbán stejně jako koeficient difúze vody vlákny, v porovnání se vzduchem procházejícím vlákny. 3. Orientace vláken v textiliích hraje minimální roli v procesu přenosu vodních par, protože průměry vláken jsou malé a vodní páry mohou pronikat snadněji vzduchem než vlákny. 4. Okamžitá tepelná rovnováha mezi vlákny a vzduchem v mezivlákeném prostoru je dosažena během procesu, protože většina textilních vláken má malý průměr a velký povrch. Obr. 5.1 Přenos tepla a vlhkosti v textilii [13] Na základě těchto předpokladů, rovnice zachování hmoty, která bere v úvahu hromadění vlhkosti ve vzduchu i vláken a přenos vlhkosti vzduchovými mezerami může být napsán podle [13] takto: 2 C C a f Daε Ca ε + ( 1 ε ) = t t τ x V této rovnici první člen popisuje hromadění vodních par mezivlákenných prostorách a druhý člen popisuje hromadění absorbované vody ve vláknech. Přenos vlhkosti skrz mezivláknový prostor je popsán členem na pravé straně rovnice. Druhá rovnice pro zachování tepelné energie může být odvozena pokud vezmeme v úvahu změny tepelného objemu v elementu, který se vyskytuje v těchto procesech: vedení do a nebo z elementu, změna ve fázi vodních par (sorpce, 32

33 desorpce), a tepelné změny vláken a dále vedení (kondukce) vzduchu do mezivlákenného prostoru. Rovnice pro zachování energie může být napsána podle [13] takto: C v T t 2 C f T λ ( 1 ε ) = K t x V této rovnici C v a λ jsou závislé na koncentraci vody ve vláknech. Tyto dvě rovnice nejsou lineární a obsahují tři neznámé (C f a T a C a ). Třetí rovnice, která popisuje vztah mezi C a a C f, tzn. výměna vody mezi vlákny a vzduchem čeká na vyřešení Výměna vlhkosti mezi vlákny a vzduchem Chování vláken při vysychání Výměna vlhkosti mezi vlákny a vzduchem je komplexní (uzavřený proces) závisející na tomí, jestli vlhkost je v kapalném stavu a nebo jako pára. To je nejlépe ilustrováno na chování vláken při vysychání. Lyons a Vollers [24] analyzovali tyto procesy schnutí textilií. Přišli na to, že to má tři rozdílné úrovně, v první úrovni mokré textilie přizpůsobí své tepelné a vlhkostní toky obklopujícímu prostředí. Druhá úroveň je konstantní vysychající stupeň, ve kterém stupeň schnutí zůstává konstantní jako stupeň tepelného přenosu a odpařování dosáhne rovnováhy. Kapalná vlhkost se pohybuje v textilii k udržení nasycených podmínek na povrchu. Třetí úroveň je klesající schnoucí stupeň v průběhu kterého vlhkostní tok na povrchu je nedostatečný k udržení nasycení a plocha se přesouvá do textilie. Vlákna začnou desorbovat vlhkost dokud se nedosáhne rovnováhy mezi textilií a prostředím. Obrázek 10.2 popisuje vysychání vlny a PES při 25 C a 25% jako funkci času. Vertikální osu vyjadřuje nadbytek vlhkosti v %, tzn. obsah vody nad nasycením vlhkosti vlákny [25]. Rychlost sušení vláknové vrstvy je přibližně konstantní, neboť proces sušení je určen vypařováním z povrchu. Když obsah vody v textilii je nad nasyceným obsahem vlhkosti ve vláknech, stupeň vysychání obou tkaných textilií je konstantní a přibližně stejný, protože proces vysychání je vyjádřen plochou vypařovaného procesu. Když obsah vody v textilií klesne pod čáru nasycení stupeň vysychání klesne v závislosti na vypařování kapaliny na povrchu vláken a vody absorbované do vláken. Tento proces vysychání pokračuje dokud se nedosáhne rovnováhy s okolními podmínkami. Rozdíl mezi vlnou a PES je ten, že konstantní stupeň periody odpařování je prodloužen pro PES, jako jeho stupeň nasycení vlhkosti je pod 1%. Zatím co klesající perioda je prodloužena u vlny, vlna má mnohem vyšší stupeň vodou až do 36%. 33

34 Obr Změna v objemu vody mokrých textilií během schnutí [25] Odpovídající teploty textilií během procesu schnutí jsou ukázány na obr [25] jestliže obměna vody v textilií je nad jejich nasycením stavem, teploty obou textilií jsou přibližně stejné pod okolní teplotou, protože převládající proces je odpařování volné vody. Jak se obsah vody v textiliích přibližuje rovnovážnému stavu, jejich teploty se začínají zvyšovat až do úplného vypaření nadbytečné vlhkosti a dosažení rovnováhy s okolním prostředím. Teplotní změny vlny jsou velmi rozdílné od teplotních změn PES během schnutí. Vlna vykazuje delší změnu v teplotě při přechodu z mokra do sucha než PES. To vykazuje větší sorpční kapacitu vlny a její vliv na tepelné a vlhkostní změny mezi textilií a okolím. Obr Vztah mezi teplotou textilií a nadbytečnou vlhkostí [25] 34

35 Z těchto pozorování vyplývá, že je potřeba získat dvě rozdílné rovnice popisující změny vlhkosti mezi vláknem a okolním vzduchem, které jsou diskutovány v následujících dvou sekcích. Přenos kapalin v textiliích ovlivňuje přenos hmoty (tzn. rovnice zachování hmoty), ale neovlivňuje změnu energie. Nicméně to určuje dynamickou dodávku do textilií, která zase určuje plochu odpařování vody. Experimentální výzkum ukázal, že přenos vody má význačný dopad na procesy přenosu tepla v oděvech, a jeho tepelný komfort a provedení komfortu [26]. Gibson (1994) [27] Získal řadu matematických rovnic k popisu více fázových přenosů tepla a hmoty v hygroskopicky porézním médiu s aplikací na oděvní materiály. Nicméně řešení rovnic nebylo dosud předloženo Odpařování a kondenzace Crank (1975) [28] popsal odpařovací a kondenzační proces (viz rovnice 10.9). Tato rovnice se požívá, jestliže objem vody v textilii je nad stavem nasycení ve vláknech, tj. tekutina je současně přítomna v kapilárách ve vlákenné struktuře a nebo na povrchu vláken. Výměna vody v textiliích je proces odpařování a kondenzace. C f t = h cf S v( C fs Ca ) 10.9 kde C fs je objemová hustota (koncentrace) vody na povrchu vláken v (kgm -3 ), C a je koncentrace vody v přiléhajícím vzduchu (kgm -3 ), h ef je koeficient přenosu hmoty na povrch vláken (ms -1 ), S v je specifický objem vlákna (m -1 ) Vlhkostní sorpce a desorpce Jestliže je objem vody v textiliích pod stavem nasycení vlákna, změny vody mohou být brány jako sorpčně - desorpční proces. David a Nordon (1969) [29] odvodili experimentální vztah mezi stupněm změny vody ve vláknech a absolutním rozdílem mezi relativní vlhkostí vzduchu a vlákny. Tyto rovnice znějí takto: kde 1 C ε t f = ( H H ) χ a ( 1 [ k ]) f χ = k1 exp 2 H a H f