В прошлой статье мы подняли такой интересный вопрос, как создание ткани своими руками. 

Мы увидели, что это более чем реально, собственно, как об этом не просто утверждает, а, можно сказать, «вопиет» вся история человечества.:‑). 

Создание ткани само по себе, надо думать, достаточно «медитативное» занятие, и хорошо разгружает голову (с пользой для домашнего хозяйства). 

Однако, в ходе рассмотрения, был и ещё один очень любопытный вопрос, который мы так и не затронули: а как вообще управлять «холодностью» или «тёплостью» тканей?

И вопрос этот, как мы увидим далее, достаточно нетривиальный, но, в то же время, очень интересный, так как если мы научимся управлять теплотой тканей, поймём основные принципы, то, это поможет, как в деле гипотетического постапокалиптического «выживальчества», так и может дать ряд новых интересных идей... 

Итак, посмотрим, как это всё работает... 

Вы, наверное, многократно сталкивались с интересным эффектом, когда одна и та же ткань может восприниматься по‑разному, в зависимости от условий внешней среды. Скажем, та же полиэстровая рубашка может восприниматься как «приятно холодящая» летом, и «очень горячая» зимой... 

Также, мы знаем, что ткани делятся на субъективно воспринимаемые как «тёплые» и «холодные»: скажем, тот же шёлк издревле воспринимался как «приятная прохлада», а, скажем, шерсть — как весьма тёплая... 

Можно сказать, что подобное тактильное ощущение, возникающее от соприкосновения с тканью, является совокупностью множества факторов, среди которых можно выделить три главных:

• Насколько ткань гигроскопична: то есть, как активно она может отводить влагу от тела? Так как тело охлаждается за счёт выделения воды и испарения её с поверхности, то, критически важным является иметь возможность достаточно быстро отвести влагу*.

• Насколько ткань теплопроводна: то есть, может ли она за счёт непосредственного контакта с телом, а также радиационного обмена энергией (не надо пугаться, речь идёт всего лишь об инфракрасном излучении) отвести от тела излишки тепла?

• Насколько ткань обладает возможностями переизлучать поглощённое от тела тепло, со своей поверхности — в окружающее пространство?

*Выше, в первом пункте, мы затронули весьма фундаментальный вопрос, который заставляет сильно задуматься: ведь, насколько мы знаем, терморегуляция тела обычно происходит за счёт испарения влаги с его поверхности, так как это весьма эндотермический процесс (поглощает энергию, соответственно и охлаждает поверхность, с которой происходит испарение): согласно научным данным, чтобы испарить 1 г воды, необходимо затратить около 2,4 кДж энергии.

Это ОЧЕНЬ много! Чтобы было более наглядно видно, сравним эту энергию — с энергетикой пуль огнестрельного оружия (она тоже измеряется в Джоулях): например, кинетическая энергия пули, выпущенной из автомата Калашникова, калибром 5,45×39 в момент вылета из ствола составляет приблизительно 1,5 кДж (всего лишь, если сравнивать с необходимой энергией испарения воды!), а, чтобы разогнать эту пулю до обладания ею даже такой энергетикой, необходимо в стволе создать давление, приблизительно в 800 бар (грубо и приближённо, для понимания величин, можно считать, что это 800 атмосфер!) 

Таким образом, даже автомата Калашникова недостаточно, чтобы приблизиться к энергетике испарения воды! 

А с помощью какого же оружия можно получить подобную энергетику? 

Для этого потребуется просто «слоновий калибр»: выстрел, пулей калибра.50 BMG! 

Именно она и будет обладать указанной энергетикой, в момент вылета из ствола, равной 2,4 кДж! 

Для тех, кто не в курсе, что это за калибр: подобным калибром обладают крупнокалиберные снайперские винтовки, например, знаменитая винтовка Barrett M82, с официальной дальностью стрельбы в 1800 м (однако, другой винтовкой, но с тем же самым патроном, калибра.50 BMG, известны и рекордные попадания, на дистанции в 3540 метров):

Аналогичным калибром обладает и армейский пулемёт Browning M2:

К слову, давление в стволе, у этого пулемёта, в момент выстрела, намного больше, чем у автомата Калашникова (что естественно, калибр то большой): 3800 бар (или, грубо, 3800 атмосфер!!!) 

А теперь, перевариваем полученную информацию, сравниваем с испарением 1 г воды и «обалдеваем».:‑D

Думается, что становится понятно, почему вода такой хороший охладитель и повсеместно используется в этих целях... 

Если вернуться обратно к нашему телу, то известно, что в состоянии покоя, тело охлаждается многими способами (теплопроводность, конвекция и т.д), среди которых, достаточно существенное место занимает испарение воды — около 20-30% когда тело находится в состоянии покоя, и около 80% и даже более, в процессе физических нагрузок.

Теперь, представим, что тело покрыто одеждой (пока мы не конкретизируем, какой именно и как покрыто, так как рассматриваем усреднённый случай). 

При этом будет наблюдаться следующее: часть влаги будет испаряться, а часть впитываться в одежду и, если одежда обладает достаточными капиллярными свойствами — переноситься на поверхность одежды и оттуда испаряться. 

Здесь, что интересно, оба процесса — что непосредственное испарение, что впитывание влаги с поверхности тела в одежду — будут служить для охлаждения.

Но, тут существует любопытный момент: смачивание практически не будет работать для охлаждения! Его общий вклад не будет превышать нескольких процентов (до 5, максимум)!

Почему же такая странность? Ведь мы же привыкли, что, например, устройствах, например, в двигателях, используется охлаждение смачиванием, когда вода смачивает нагретую поверхность, и уносит с неё часть тепла! 

Ответ — в разнице масштабов: в технических устройствах, большая масса воды уносит тепло за счёт теплопроводности, а не испарения, то есть, наблюдается совсем другой процесс. 

В противовес ему, тело, устроено совершенно иначе и его задача — охладиться, затратив минимальные ресурсы, с максимальной эффективностью: то есть, заставив воду пройти через фазовый переход, который обеспечит в 500 и более раз более эффективный способ уноса тепла, по сравнению с теплопроводностью (как, например в двигателях).

Думается, что этот механизм имеет эволюционную природу, так как известно, что люди распространились из Африки, в течение нескольких волн, заселив континенты (основная волна расселения произошла порядка 70000–100000 лет назад). 

А, в Африке, знаете ли, вода, не то, чтобы «встречается на каждом шагу», что заставляет организм её беречь (неизвестно, когда ещё попьёшь)...

Также, мы выше упомянули процесс испарения воды под одеждой, как одного из компонентов охлаждения. 

Становится понятно, что на него возложена одна из основных ролей. 

И здесь возможны два основных варианта:

• Испарение происходит прямо под одеждой, с поверхности кожи, а ткань достаточно герметична, и не пропускает водяные пары.

  В этом случае наблюдается очень быстрое насыщение объёма между кожей и одеждой водяными парами, что, по мере роста их концентрации, резко снижает эффективность охлаждения, вызывая падение эффективности вплоть до 80%. 

  Кроме всего прочего, возникает субъективный дискомфорт, и ощущение «парилки».

• Во втором случае, часть влаги впитывается в ткань, например, если она хлопковая.

  В этом случае, влага распределяется по всей толще ткани, что затрудняет её испарение, так как нет механизма переноса всей влаги на поверхность. 

  Соответственно, часть влаги находится на внутренней поверхности ткани, также испаряясь с неё, увеличивая концентрацию водяных паров и затрудняя испарение с поверхности кожи. 

  Здесь всё ещё усугубляется тем, что мокрая ткань начинает прилипать к коже, ухудшая и так не лучшие возможности по испарению, а также создавая дискомфортные ощущения от мокрой ткани на коже.

Что, соответственно, заставляет задуматься о смене ткани, поэтому, здесь возможен и более продвинутый вариант: специальные ткани, с капиллярным эффектом. 

Такая ткань предназначена для того чтобы быстро отвести влагу с поверхности кожи и испарить её с поверхности ткани, что создаёт комфортное ощущение из‑за сухости кожи, а также существенно увеличивается площадь испарения, что, по ряду исследований, позволяет довести КПД процесса охлаждения вплоть до 70% от номинального максимума (100%, при полностью открытом теле и свободном испарении с его поверхности).

К слову: эффективность охлаждения с помощью хлопковой одежды составляет всего лишь 20-30%.

Таким образом, мы видим, что охлаждение с помощью капиллярных тканей, превосходит по эффективности хлопок в 2,5 раза. 

Но, тут сразу встаёт вопрос о механизме такой работы, так как мы выяснили, что теплопроводность совершенно недостаточна (по крайней мере, для тела — у него банально нет столько жидкости, чтобы «охлаждаться потоком»).

И тут наблюдается интересное исключение из правил — капиллярная ткань работает таким образом, что, как только кожа вспотела, она впитывает эту влагу, отводя её на поверхность ткани, где эта влага эффективно испаряется, охлаждая саму ткань. 

При этом, между тканью и кожей возникает перепад температур, который и охлаждает кожу. 

Да, костыль и не самый оптимальный вариант (как было бы в случае обнажённой кожи), но, это работает, пусть и не так эффективно... 

Альтернатива — «ходить голым», конечно, интересна, но не всегда возможна...:‑D

Исходя из всего этого, становится понятно, что имеет большое значение теплопроводность этой ткани и тут мы попадаем в самую точку: учёные активно работают над тем, чтобы её увеличить. 

Тем не менее, стоит отметить, что направление научной мысли, направленное в сторону теплопроводности, относится больше к современному тренду в разработке тканей, в тот то время как предыдущие поколения известных тканей ориентировались больше на водоотведение, так как были разработаны достаточно давно (CoolMax(1986г.), DRI‑FIT(2000г.), Climacool (2002г.), Polygiene (2006г.)). 

Современное направление разработок в области увеличения теплопроводности (и не только), пережило настоящий бум с сначала 2010-х годов, а первые разработки начались ещё в начале 2000-х. 

Толчком к этому явилось развитие разнообразных нанотехнологических подходов, благодаря которым стало возможным конструировать сложную структуру тканей, вплоть до наноуровня.

Одной из таких тканей является пористый полиэтилен, разработанный в Стэнфорде в 2016 году и содержащий множество пор нано размера, благодаря чему, через эти поры может выходить как испарённая с поверхности тела вода, так и инфракрасное излучение, с неё же. 

Кроме того, у этого это типа полиэтилена была упорядочена молекулярная структура, в отличие от аморфных искусственных материалов, благодаря чему, он стал обладать повышенной теплопроводностью. 

Изготавливается такой полиэтилен, с помощью облучения в вакууме, пучком электронов, с помощью электронно‑лучевой трубки, благодаря чему, происходит выбивание атомов водорода, а, после следующего за облучением нагрева плёнки, образуется сотоподобная жёсткая структура, с аморфными промежутками между сотами. 

Далее, плёнка растягивается, что приводит к повреждению этих аморфных участков, которые и превращаются в поры — условно говоря, плёнка «контролируемо рвётся», в нужных местах. 

Регулируя степень разрыва (то бишь, растяжения), можно регулировать и размер получаемых пор... 

Альтернативным этому подходу является изготовление композитных волокон с наполнителями, обладающими большой теплопроводностью. 

В качестве подобных наполнителей используют, например оксид графена, который образует внутри волокна своеобразный каркас, по которому непрерывно может передаваться тепло. 

С аналогичным же результатом применяют и углеродные нанотрубки, внедряемые в волокно. 

В среднем, нанопористый полиэтилен позволяет увеличить охлаждение кожи вплоть до 40% (если сравнивать хлопчатой тканью), а композитные материалы, с добавлением даже небольшого количества (до 5%) оксида графена, позволяют увеличить теплопроводность вплоть до 300%!

Несмотря на громкую цифру, непосредственно само охлаждение, может быть увеличена вплоть до 20% приблизительно, из‑за композитного характера от самой ткани, где участки с высокой теплопроводностью перемежаются участками с низкой, а, суммарно, это всё приводит к понижению эффективности.

Несмотря на перспективность разработок, это пока всё весьма мелкосерийные попытки, не выходящие за пределы лабораторий... 

Однако, вернёмся снова к рассмотрению обычных тканей... 

После ознакомления совсем вышеописанным, может возникнуть впечатление, что, для большинства тканей, актуальны только два варианта передачи тепла (которые, по сути, являются частью одного и того же процесса и, разделены ниже весьма условно):

• Водоотведение‑охлаждение ткани;

• Охлаждение холодной тканью кожи (то есть за счёт теплопроводности ткани).

Однако, тут нужно понимать, что тело человека — это не статичный объект, поэтому, оно бывает «в различных режимах работы» (назовём это так): может находиться как в состоянии покоя, так и в процессе активной деятельности. 

В первом случае, испарение с поверхности тела мало, поэтому, и в этом случае, основным каналом отвода тепла является радиационный, то есть, за счёт теплового излучения в окружающее пространство.

В процентном соотношении, в состоянии покоя, этот вариант охлаждения занимает вплоть до 60% в процессе отвода тепла, где оставшаяся доля приходится на суммарный эффект, который делят между собой теплопроводность ткани, конвекция (охлаждение за счёт тепловой смены воздушных масс) и, знакомое нам испарение (в районе 10%). 

Однако, все соотношения меняются в другую сторону, с преимущественным охлаждением за счёт испарения/отведения воды (вплоть до 80%), во время физической активности.

Таким образом, исходя из всего, что мы узнали, получается, что имеет смысл некая универсальная ткань, которая хорошо демонстрировала бы все три эффекта:

• Водоотведение;

• Теплопроводность;

• Радиационные (приём инфракрасного излучения и переизлучение наружу) и конвективные (хорошо продувается воздухом) свойства.

Другими словами, мы можем здесь отметить, что в зависимости от того, насколько хорошо конкретная ткань проявляет себя в рамках трёх описанных эффектов, тем более она субъективно воспринимается как «тёплая» или «холодная» — это, если буквально отвечать на вопрос, в заголовке статьи.

Именно поэтому, шёлк или, например, полиэстер, воспринимаются как холодные, а, например, шерсть, — ощущается как тёплая, так как обладает плохой теплопроводностью, плохим водоотведением. 

Кроме того, за счёт своей пористой структуры ткани, она содержит много запертого воздуха, который ещё больше ухудшает теплообмен, выступая изолятором.

К сожалению, среди широко распространённых тканей, универсальной ткани нет, поэтому, мы легко вспомним, если мы обратимся к тому, что видели в жизни, что существуют ткани под разные условия эксплуатации. 

Скажем, капиллярные ткани обычно достаточно плотные, пропускающие инфракрасное излучение — пористые и недостаточно прочные, а хорошо проявляющие свойства конвекции — обычно выглядят как нечто мешковатое, хорошо продуваемое воздухом. 

Теперь, если мы обратимся к нашей идее, по созданию самодельной ткани, на самодельном ткацком станке (что мы рассматривали в прошлой статье), то, у нас будет не так много возможностей по управлению «теплотой/холодностью» тканей, но, тем не менее, они есть! 

Там мы рассматривали три основных варианта сырья для создания ткани: лён, конопля, крапива. 

Все три варианта, являются основой для создания «холодных» тканей, так как обладают относительно высокой теплопроводностью, и хорошо проводят влагу.

Тем не менее, если мы захотим ещё более увеличить холодные свойства этой ткани, то мы можем играть, например, диаметром плетения нити: чем нить более толстая, тем больше промежутков между нитями, а, соответственно, и ткань не будет плотно прилегать к телу, и тело за счёт конвекции будет хорошо обдуваться воздухом. 

Менее выраженного, но примерно подобного эффекта можно достичь с сохранением относительно малого диаметра нити, но используя плотное скручивание нитей, во время прядения: такие нити будут давать хорошие чёткие промежутки между ними, не заполненные ворсом, благодаря чему увеличится обдув тела воздухом. 

Если же нас интересует обратная задача — из «холодной» ткани сделать «тёплую», то, снова, в первую очередь, мы должны обратиться к степени скрученности нити: в этом случае, нам нужно делать нить менее скрученную, более «волосатую», то есть, пушистую. 

Ткань из такой нити будет хорошо удерживать в себе воздух, способствуя теплоизоляции. 

Ещё одним путём варьирование теплотой тканей является изменение плетения: при прочих равных, обычное полотняное переплетение, которое мы рассматривали в прошлой статье, является достаточно плотным, и такая ткань будет хорошо контактировать с кожей — соответственно, она будет восприниматься как более холодная, за счёт увеличенной таким контактом теплопроводности. 

Ещё более увеличить холодность ткани, можно за счёт увеличения конвекции, применив «саржевое» плетение, что сделает ткань более объёмной, хорошо продуваемой воздухом. 

Соответственно, используя описанные выше два вида плетения, но, применив более «распушённую» нить, — можно создать более тёплую ткань... 

Ну и не надо забывать про отверстия — никто не мешает сделать ткань достаточно ажурной, со множеством отверстий, что так же улучшит охлаждение (или, соответственно, ухудшить, если отверстий не будет).

Подытоживая, можно отметить, что управление теплотой ткани достаточно комплексный процесс, который, к сожалению, не может быть выведен на некую универсальную плоскость, чтобы ткань удовлетворяла всем требованиям сразу. 

Поэтому, вынужденно, и приходится проектировать ткань под каждую конкретную задачу...

И напоследок: в последнее время началось широкое распространение фотополимерных 3d‑принтеров, с высоким разрешением печати, что позволяет многим попробовать свои силы в совершенно новой области: в проектировании своих собственных инженерных 3D тканей! 

То есть, тканей, на манер кольчуги, собранных из отдельных микросекторов и печатаемых сразу целиком, в собранном виде. 

Весьма любопытное занятие, скажу я вам (я пробовал!) — гибкий фотополимер, тонкий слой, практически «какая угодно» сложность...

Ниже фото одного из моих тестов 3d‑печатной фотополимерной ткани. «А слабо тебе ткань напечатать?!» — спросил я как то себя. «А не слабо!» — ответил я себе.:‑)

Ну, как бы и вот (ниже пример обычной «плоской» ткани; регулярные структуры из сегментов тоже пробовал успешно, фото только не сохранились):

Желающие попробовать себя в роли «hi‑tech ткача XXI века» — вот вам и одна из интересных идей! 

Ещё, в качестве «наводки» подскажу, что в сети есть даже специальные программные пакеты, позволяющие генерировать такие структуры автоматически. 

Но, при самостоятельном моделировании — процесс становится куда интереснее...:‑)

Впрочем, даже обычный FDM 3D принтер годится на многое:

Ну и, напоследок (мы же всё‑таки инженеры?), «для фана», посмотрим пару по‑настоящему безумных способов для создания тепла, так как мы живём в достаточно холодных широтах, и, для нас это имеет повышенную важность.:‑) 

С момента открытия графена в 2004 году, прошло достаточно большое количество времени, и, за это время, экспериментаторы разработали множество способов, дешёвого и массового производства графена (отсутствие которых, на начальных этапах, ограничивало его распространение). 

Теперь, технология стала настолько доступной, что, в этой области могут работать многие, даже далёкие от науки! 

Например, графен легко получается с помощью взбивания графита с моющим средством для посуды (да, да, как не смешно) — в обычной ультразвуковой ванне, или с помощью кухонного блендера, заполненных водой. 

Вкратце: при взбивании в миксере (по УЗ ванне у меня нет точных данных по времени, надо экспериментировать), процесс длится порядка получаса, после чего, на дно оседает нерасщепившийся графит, а наверху образуется пена, из графена, где отдельным пластинкам не даёт слипнуться моющее средство, обволакивающее их. Пена зачёрпывается любым способом (хоть ладонью) и высушивается. Порошок графена — готов! 

Однако, существует и ещё более простой способ создания графеновых структур! 

Этот способ был открыт в 2014 году, и заключается он в лазерном обугливании каптонового скотча (оранжевый скотч, хорошо известный 3D печатникам). 

Было выявлено, что, регулируя интенсивность, продолжительность, а также фокусировку лазера, можно добиваться поверхностного обугливания скотча, в результате чего, на нём начинают расти иглоподобные структуры, покрывающий скотч сплошным слоем. 

Этот слой хорошо проводит электричество, и, регулируя параметры лазера, можно добиться разных сопротивлений слоя. 

А дальше, вы уже, наверное, поняли: подключаем питание, встраиваем ленты или пластины из такого скотча в одежду — и вуаля: греющая одежда готова! 

Сразу скажу, что это самый передний край науки, и в данном направлении, прямо сейчас идут весьма активные работы, так что вы можете попробовать присоединиться к разработкам.;‑)

Чем способ интересен:

• Сопротивление графенового слоя регулируется в очень широких пределах, а, соответственно, и потенциальное его тепловыделение, при пропускании электрического тока;

• Способ весьма прост и дёшев, что даёт шанс попробовать каждому свои силы;

• Греющий слой прочно интегрирован в прочную каптоновую подложку, так что даже не надо специально напрягаться и каким‑то образом его крепить! То есть, нагревательный слой и термостойкая подложка представляют собой единое прочное целое!

Если кто‑то хочет побольше почитать на эту тему, то, рекомендую погуглить по фразе «Laser‑Induced Graphene» (LIG).

Те кто экспериментировал в этой теме, успешно создавали подобный графен, даже на слабых лазерных установках хобби‑уровня (где то 10000–20000 руб, на AliExpress).

Выглядит это примерно так:

Однако, это всё более‑менее «цивильные» технологии. 

Но, если кто‑то хочет рискнуть и попробовать настоящее безумство, то вот тут, рассматривается очень интересный вариант самоделки, и человек там сделал греющий рюкзак, где теплоноситель подогревается с помощью маленького резервуара со сжатым газом, после чего, этот теплоноситель, с помощью помпы заставили циркулировать по трубкам на теле! 

Как заявляет сам автор, — «ощущение, как будто выключили холод!» (тесты проводились им при температуре в -10°С).