Инновации меняют мир
Пуховики, куртки с синтетическим утеплителем, флисовая одежда и многие другие виды зимней одежды используют общий принцип: удерживают относительно неподвижный воздух, замедляя потерю тепла.
Но становится ли одежда теплее только потому, что внутри неё содержится больше воздуха?
Не обязательно.
Воздух обладает низкой теплопроводностью. Однако для эффективного использования этого свойства необходимо достаточно ограничить его движение. Если воздух свободно циркулирует или замещается более холодным наружным воздухом, теплопотери могут значительно увеличиться.
Поэтому задача заключается не только в том, чтобы удержать как можно больше воздуха, но и в том, чтобы создать структуру материала и конструкцию одежды, которые ограничивают движение воздуха и уменьшают перенос тепла за счёт теплопроводности, конвекции и излучения.
1. Почему воздух способствует теплоизоляции?
При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении коэффициент теплопроводности воздуха составляет примерно 0,026 Вт/(м·К).
Это значение ниже, чем у многих распространённых твёрдых материалов, и значительно ниже, чем у жидкой воды.
Именно поэтому многие утеплители — от пуха и синтетических наполнителей до вспененных и других пористых материалов — содержат значительную долю воздуха или иных газов.
Чтобы эффективно использовать их низкую теплопроводность, важно выполнить одно условие:
Достаточно ограничить движение газа.
В достаточно большом воздушном пространстве при определённых условиях перепад температур может вызвать циркуляцию под действием выталкивающих сил. Такая естественная конвекция увеличивает перенос тепла.
Если наружный воздух проходит через утеплитель или проникает через отверстия в одежде, вытесняя тёплый воздух изнутри, возникают дополнительные теплопотери.
Таким образом, вклад воздуха в теплоизоляцию зависит не только от его количества, но и от строения пространств, в которых он находится, и степени ограничения его движения.
2. Движение воздуха не означает повышения его теплопроводности
Иногда говорят: «Неподвижный воздух изолирует, а движущийся — проводит тепло».
Это наглядная формулировка, но она не совсем точно описывает физические процессы.
При одинаковых температуре и давлении коэффициент теплопроводности воздуха не увеличивается только потому, что воздух начинает двигаться. Движение добавляет другой механизм переноса тепла:
Конвекцию.
Разницу легко понять на примере вентилятора.
Обычно вентилятор не охлаждает окружающий воздух непосредственно. Он усиливает конвективный теплообмен между кожей и воздухом и способствует испарению пота. При подходящих условиях окружающей среды это создаёт ощущение прохлады.
Тот же принцип действует и в одежде.
Если воздух свободно циркулирует внутри теплоизоляционного слоя или проходит через него, возникает дополнительный перенос тепла, который может снижать эффективность утепления.
3. Почему пух и синтетические наполнители сохраняют тепло?
Пух и синтетические наполнители сами по себе не вырабатывают тепло.
Их основная функция — формировать объёмную, рыхлую структуру низкой плотности и достаточной толщины, удерживающую много относительно неподвижного воздуха.
Пушинки или волокна распределяют воздух по небольшим промежуткам и ограничивают его циркуляцию на больших расстояниях. Так между тёплым телом и холодной окружающей средой создаётся термическое сопротивление.
При прочих равных условиях этот принцип можно выразить так:
Чем меньше движется воздух и чем больше эффективная толщина теплоизоляционного слоя, тем выше, как правило, его термическое сопротивление.
Поэтому для традиционных наполнителей так важны способность расправляться, образуя объёмный слой, и сохранение его толщины при использовании.
Такая структура позволяет создавать достаточно толстый теплоизоляционный слой при сравнительно небольшой массе материала.
4. Почему пух так эффективен?
Пух обладает сложным трёхмерным строением.
От небольшого центра каждой пушинки отходят многочисленные тонкие разветвления. Переплетаясь, они образуют рыхлую структуру, способную удерживать большой объём воздуха при малой массе.
Это даёт качественному пуху важное преимущество:
Большой объём при малой массе.
Небольшое количество пуха может сформировать относительно толстый теплоизоляционный слой, в котором движение воздуха ограничено.
Поэтому пух относится к традиционным наполнителям, позволяющим сочетать хорошую теплоизоляцию с небольшим весом, в частности в зимней одежде и спальных мешках.
5. Почему синтетические наполнители и пух ведут себя по-разному?
Современные синтетические наполнители также могут обеспечивать эффективную теплоизоляцию.
Производители используют тонкие, полые или извитые волокна, многослойные структуры и другие конструктивные решения, чтобы создавать объём и ограничивать движение воздуха.
Однако форма и расположение синтетических волокон отличаются от строения натурального пуха. Это может влиять на следующие характеристики:
объём на единицу массы;
способность сжиматься;
восстановление объёма после сжатия;
поведение при увлажнении;
долговечность;
скорость высыхания;
сохранение теплоизоляционных свойств в различных условиях окружающей среды.
Качественный пух особенно ценится за большой объём при малой массе. Синтетические наполнители, в зависимости от материала и конструкции изделия, могут иметь преимущества по поведению во влажном состоянии, скорости высыхания, стоимости, удобству ухода или устойчивости к определённым механическим нагрузкам.
Поэтому сравнение не стоит сводить к вопросу о том, какой материал «лучше».
Полезнее спросить:
Какая структура позволяет создать и сохранить необходимое термическое сопротивление в предполагаемых условиях эксплуатации при подходящих массе, толщине и долговечности?
6. Всегда ли больше воздуха означает лучшую теплоизоляцию?
Нет.
Само по себе увеличение объёма воздуха не гарантирует улучшения теплоизоляции. Эффективность структуры, содержащей воздух, зависит от ряда факторов:
толщины теплоизоляционного слоя;
размеров и формы воздушных пространств;
степени ограничения движения воздуха внутри;
воздухопроницаемости материала и готового изделия;
строения окружающей твёрдой фазы;
перепада температур и ориентации теплоизоляционного слоя;
степени сжатия;
содержания влаги;
внешних ветровых условий.
Разделение воздуха на достаточно малые объёмы помогает ограничить естественную конвекцию. Закрытая структура также уменьшает воздухообмен с окружающей средой.
Однако замкнутое пространство не обязательно свободно от внутренней конвекции. Если оно достаточно велико и температурные условия этому способствуют, внутри может возникнуть циркуляция воздуха.
Поэтому эффективные теплоизоляционные материалы не просто удерживают воздух. Они также определяют:
Где он находится и насколько свободно может двигаться.
7. Всегда ли более облегающая одежда теплее?
Не обязательно.
Посадка одежды, толщина утеплителя и воздухообмен должны быть согласованы между собой.
Если слишком свободная одежда пропускает холодный воздух внутрь и позволяет тёплому воздуху выходить наружу, такой воздухообмен может увеличивать теплопотери.
Слишком тесная одежда, напротив, может сжимать пух или синтетический наполнитель. Это уменьшает эффективную толщину теплоизоляционного слоя и может снижать его термическое сопротивление.
Относительно неподвижная воздушная прослойка между телом и одеждой тоже способствует теплоизоляции.
Поэтому цель — не устранить все воздушные промежутки, а:
Сохранить устойчивый теплоизоляционный слой и ограничить неконтролируемый воздухообмен.
Именно поэтому посадка, манжеты, воротник, низ изделия, молнии, швы и материалы верха влияют на способность одежды сохранять тепло в реальных условиях.
8. Что на самом деле определяет способность одежды сохранять тепло?
Защита от холода зависит не от одного фактора. При проектировании одежды необходимо учитывать несколько процессов.
Теплопроводность
Тепло передаётся через волокна, воздух и другие материалы от более тёплых областей к более холодным.
Конвекция и воздухообмен
Движущийся воздух переносит тепло внутри одежды, у её поверхности и между пододёжным пространством и окружающей средой.
Тепловое излучение
Тело, одежда и окружающие поверхности непрерывно обмениваются энергией посредством теплового излучения.
Испарение
Для испарения воды требуется тепло. Количество испаряющегося пота и место, где происходит испарение, влияют на теплоотдачу тела и комфорт.
Поэтому эффективная зимняя одежда должна не только удерживать воздух, но и:
Ограничивать нежелательные потери тепла, одновременно регулируя движение воздуха и перенос влаги в реальных условиях ношения.
9. От объёмных наполнителей к специально разработанным пористым структурам
Пух и традиционные синтетические наполнители формируют необходимую толщину за счёт своей объёмной структуры. Воздух удерживается в небольших промежутках между волокнами, где его движение ограничено.
Специально разработанные пористые материалы предлагают другой конструктивный подход: управлять геометрией пор и их стенок, чтобы ограничивать движение газа и изменять пути переноса тепла.
Таким образом, акцент при проектировании смещается с вопроса:
«Сколько воздуха можно удержать?»
на вопрос:
«Насколько эффективно можно ограничить перенос тепла при заданной толщине?»
Оба подхода подчиняются одним и тем же физическим законам, но используют разные структуры материалов.
10. Как этот подход реализован в Y-Warm?
Y-Warm не зависит в первую очередь от объёмной структуры наполнителя, характерной для пуха или традиционных синтетических утеплителей.
Вместо этого материал использует специально разработанную закрытоячеистую структуру со стенками нанометровой толщины.
При толщине около 1 мм в объёме материала, соответствующем площади одного квадратного сантиметра, может находиться более 10 000 отдельных ячеек микрометрового размера.
Эти ячейки разделяют газ на множество небольших изолированных пространств, ограничивая его перемещение на больших расстояниях и прямой газообмен между ячейками.
Тонкие стенки в сочетании с общей конструкцией материала помогают поддерживать низкую долю твёрдой фазы и ограничивать пути теплопроводности в ней.
Таким образом, задача состоит не просто в удержании большего количества воздуха, а в том, чтобы:
Оптимизировать газовые пространства и твёрдый каркас для уменьшения переноса тепла в ультратонком слое материала.
Вывод: одного удержания воздуха недостаточно
Воздух — важная составляющая многих теплоизоляционных материалов. Его низкая теплопроводность в сочетании с ограничением движения помогает уменьшить перенос тепла.
Однако высокая доля воздуха сама по себе не гарантирует эффективной теплоизоляции.
Значение имеют строение воздушных пространств, свобода движения воздуха, эффективная толщина теплоизоляционного слоя, а также совместное влияние теплопроводности, конвекции, излучения, влаги и внешних воздушных потоков.
Пух и традиционные синтетические наполнители создают необходимую толщину главным образом за счёт своей объёмной структуры. Специально разработанные пористые материалы воздействуют на перенос тепла через геометрию пор и строение твёрдого каркаса.
Общий принцип таков:
Эффективность теплоизоляции определяется не максимальным количеством удерживаемого воздуха, а ограничением переноса тепла через воздух и окружающую его структуру материала.
Для Y-Warm это означает использование закрытых ячеек и стенок нанометровой толщины для теплоизоляции в ультратонком слое, без основной зависимости от объёмного наполнителя.
