О мембранах с любовью

В мире активного отдыха под словосочетанием «непромокаемая одежда» сегодня понимается мембранная одежда. Дождевики на разный цвет, вкус и крой, куртки из брезента и ПВХ остались в прошлом либо используются в случаях, которые не предполагают активного движения, например, на биваке.

Чтобы не путаться в терминах, сразу оговоримся. В русскоязычной традиции слово «мембрана» используется в двух значениях: собственно полимерная паропроницаемая и водоотталкивающая плёнка и класс одежды, в котором эта плёнка используется как один из слоёв. В англоязычной среде во втором случае употребляется слово hardshell. Его также можно встретить и в русскоязычных статьях, но прижилось оно не окончательно. В одежде softshell мембранный слой тоже может присутствовать, но не является обязательной составляющей.

Сам по себе мембранный слой — это тонкая полиуретановая или политетрафторэтиленовая плёнка, которая способна пропускать молекулы пара, но не пропускает капли воды. Вспомните незабываемое ощущение парника, возникающее в полиэтиленовом дождевике во время более или менее активной прогулки, когда вы отсыреваете изнутри от собственного пота. В мембранной одежде при условии, что вы используете её правильно, этого эффекта не возникает. Звучит, как что-то волшебное. Но давайте разберёмся, как работает магия.

В начале было слово. И слово было «брезент». Пропитанный на заводе и вощённый самостоятельно, громоздкий и тяжёлый, в домембранную эру он служил многим поколениям туристов защитой от ветра и осадков, а в сочетании с куском полиэтилена с дыркой посередине — защитой от сильного дождя. Стоит ли говорить, что эти материалы были далеки от совершенства. Брезент, намокая, становился непомерно тяжёлым, а многочисленные вариации на тему «дождевик из полиэтилена» не промокали снаружи, зато легко рвались и совершенно не дышали.

Потом явился Боб Гор, который придумал мембрану. Хотя на самом деле история её возникновения немного длиннее и интереснее.

1938 год. Химики компании DuPont изобретают полимер ПТФЭ (PTFE) — политетрафторэтилен, который мы знаем под торговым названием «тефлон» и антипригарным сковородкам. Изначальная область применения материала ПТФЭ была далека от текстильной промышленности. Этот очень лёгкий, химически инертный и термостойкий диэлектрик использовался и продолжает использоваться в аэрокосмической отрасли, в медицине, в автомобильной промышленности, а также в производстве тончайшей изоляции для проводов в электронной и радиоаппаратуре.

В 1958 году Уилберт (Билл) Ли Гор, который 16 лет проработал в DuPont на ряде технических должностей, и его жена Женевьева Уолтон Гор создают компанию W. L. Gore & Associates, Inc. Они продолжают работу с ПТФЭ и специализируются на изготовлении многожильных ленточных кабелей, которые используются в средствах связи и в быстрорастущей области компьютерной техники.

В 1969 году Боб Гор, трудясь в компании отца инженером-химиком и исследуя возможность растяжения твёрдых прутков ПТФЭ, совершил открытие, за которое позже был включён в Национальный зал славы изобретателей США и удостоен нескольких наград.

Однажды, во время очередной попытки растянуть нагретый до пластичного состояния пруток ПТФЭ, нити которого при плавном натяжении рвались и растягивались не более, чем на 10 % от первоначальной длины, Боб Гор то ли случайно, то ли в порыве разочарования дал рывковую нагрузку, и стержень из политетрафторэтилена вытянулся на всю длину рук. При рассмотрении в микроскоп выяснилось, что растянутый примерно на 800 % полимер образовал пористую, на 70 % наполненную воздухом структуру, состоящую из узлов, соединённых между собой тончайшими нитями-фибриллами. Материал обладал удивительным набором характеристик, а именно низкой абсорбцией воды и хорошей паропроницаемостью. Компания Gore незамедлительно подала заявку на патент. Год спустя материалу было присвоено название Gore expanded PTFE. Сегодня на вспененный ПТФЭ (ePTFE) приходится бОльшая часть продукции компании.

На рынке товаров для аутдора ткани с мембраной Gore-Tex появились в 1976 году. Этому предшествовали попытки предложить сотрудничество крупным компаниям типа REI, Eddie Bauer и The North Face. Однако первыми потенциал нового материала разглядели владельцы Early Winters — небольшой ныне уже несуществующей компании из Сиэтла. Их впечатлил очень простой и наглядный тест с чашечкой кофе: чашку с горячим напитком закрыли небольшим кусочком мембраны, и видимый пар с лёгкостью прошёл через образец. Когда перевернули чашку, жидкость, как и было заявлено, не просочилась. В то время Early Winters искали непромокаемый материал для изготовления лёгкой однослойной палатки. В 1975 году они сконструировали прототип из ткани Gore-Tex и протестировали в реальных условиях. А в 1976 в продаже появилась двухместная палатка под названием The Light Dimension, а также парка и анорак из нового материала.

Первая одежда с использованием мембраны не была полностью водонепроницаемой и намокала в области швов, так как целостность полимерного покрытия нарушалась иглой. Проблему решили в 1979 году, когда были разработана герметизирующая мембранная лента и станок для её нанесения.

В 1997 году истёк срок действия патентов компании на ткани на основе ePTFE. Немедленно появились другие бренды и производители поровых мембран на основе политетрафторэтилена.

Сегодня на рынке присутствует огромное количество мембранных тканей от разных производителей. Придумываются новые технологии нанесения и создания мембранных плёнок, одежда с водоотталкивающим и паропроницаемым покрытием становится всё более эффективной и узкоспециализированной. Чтобы не запутаться в изобилии, разберёмся, какие бывают мембраны и как они работают. 

ПТФЭ (PTFE) — это фторполимер, для создания которого используется перфтороктановая кислота PFOA — стойкий загрязнитель окружающей среды. В готовом изделии вреда для человеческого организма эти полимеры не несут (по крайней мере, насколько мы знаем). Однако «хвосты» от их производства крайне токсичны. Два наиболее распространённых типа фторуглеродов PFOS и PFOA были сняты с производства в США в 2002 и 2015 годах соответственно. Против компании DuPont и Gore были выдвинуты судебные иски о загрязнении воды, в которых утверждается, что компании знали, но умалчивали об опасности, которую представляет собой вещество. В 2017 году компания Gore обещала, что в 2023 году откажется от использования фторуглеродов, таких, как PFOA, представляющих опасность для окружающей среды. Пока неясно, удалось ли сдержать обещание, учитывая, что основная технология осталась прежней и основана на PTFE. Постепенно компания намерена заменить мембрану ePTFE в одежде для аутдора на мембрану из вспененного полиэтилена.

Gore — это крупный, но не единственный производитель мембранных материалов, основанных на фторуглеродах. И другие компании не спешат давать обещаний, пользуясь различными лазейками, например, все неудобные вопросы можно покрыть завесой коммерческой тайны.

Как бы то ни было, потребитель должен отдавать себе отчёт, что производство современной технологичной одежды — энергоёмкий процесс, который пагубно воздействует на окружающую среду. Главное, за счёт чего конечный пользователь может снизить нагрузку на природу, — это ответственно подходить к выбору экипировки, стимулируя производителя отдавать предпочтение более экологичным технологиям, использовать качественное снаряжение, служащее максимально долго, и бережно за ним ухаживать.

Разбирательство по вопросу фторуглеродов было весьма резонансным и наделало много шума на другой стороне океана. Настолько много, что были сняты фильмы: документальный «Дьявол, которого мы знаем» и художественный «Тёмные воды» с Марком Руффало.

Об этом веществе важно знать в том числе потому, что многие водоотталкивающие покрытия DWR, которыми обрабатывается мембранная одежда для дополнительной защиты от воды, также основаны на фторуглеродах. На сегодняшний день производители стараются отказаться от их использования хотя бы в DWR-пропитках. Поэтому, выбирая мембранную экипировку, обращайте внимание на маркировку PFС-free DWR.

Мембраны могут отличаться по молекулярному строению, по принципу работы, по количеству слоёв, по способу нанесения на внешнюю ткань. От комбинации этих характеристик будет зависеть итоговая стоимость и оптимальные условия применения конкретного изделия. Однако основное назначение останется неизменным — защитить человека от осадков и ветра, обеспечивая комфортный микроклимат и своевременный вывод влаги изнутри наружу.

Как уже говорилось, сама по себе мембрана — это тончайший полимерный слой, который и защищает изделие от протекания и обеспечивает влагоотведение. Его толщина может составлять всего 0,01 мм, что примерно соответствует толщине обычного целлофанового пакета для развески овощей. Поэтому мембрана никогда не выступает как самостоятельное изделие и наносится изнутри на внешний слой ткани, так что по факту это всегда сендвич. 

Мембраны могут присоединяться к внешней ткани разными способами.

Покрытия (coating) — на внутреннюю часть материала наносят жидкий состав, который не требует дополнительного защитного внутреннего слоя, что позволяет сократить общий вес изделия. К тому же сам технологический процесс нанесения мембраны в жидком виде достаточно прост, что влияет на итоговую стоимость продукта.

Ламинаты (laminate) — сегодня это основной способ создания мембранных материалов для сложных погодных условий. При ламинировании слоистая структура, внутри которой находится цельный слой мембраны, приклеивается изнутри к внешней ткани. В отличие от жидких покрытий, ламинаты обладают большей прочностью и устойчивостью к механическому воздействию и демонстрируют большую паропроницаемость. Поэтому когда речь идёт об экипировке для аутдора, подразумеваются именно мембранные ламинаты.

Мембранная ткань по умолчанию является сендвичем. Как уже говорили выше, сама по себе мембрана чрезвычайно тонка, поэтому всегда закрепляется на тканевой основе.

2 слоя (2-layer, 2L) — классическая конструкция мембранной ткани, которая существует с момента выхода первого анорака с использованием мембраны Gore-Tex в 70-х годах прошлого века. В данном случае мембранная плёнка наносится или приклеивается на внутреннюю сторону внешней ткани. Двухслойные мембраны чаще всего используются в утеплённой одежде. В этом случае мембранный слой, который не любит контакта с кожей и уязвим к механическому воздействию, будет защищён слоем утеплителя и подкладкой.

2,5 слоя (2,5-layer, 2,5L) — это уже знакомый нам двухслойный сендвич с дополнительным защитным покрытием изнутри. Это покрытие не сплошное и часто наносится локально, в виде узорного рисунка или отдельных точек. В 2,5-слойной конструкции уже не используется подкладка, за счёт чего изделие становится легче. Такую мембрану можно использовать для лёгкого треккинга, бега по пересечённой местности, поездок на велосипеде — в общем, для тех аэробных активностей, которые не требуют таскать на себе тяжёлый рюкзак.

3 слоя (3-layer, 3L) — самая прочная и долговечная конструкция. Представляет собой пирог из мембранной плёнки, запечённой между двумя слоями ткани, где внутренний слой представлен очень тонким и лёгким материалом, основная задача которого — защищать мембрану от контакта с кожей. Как правило, именно трёхслойные мембраны используются для производства верхней одежды для самых неприятных погодных условий и видов активности типа альпинизма, каякинга, горного туризма.

От того, как построена мембрана на молекулярном уровне, зависит принцип её работы, сильные и слабые стороны и, соответственно, условия, при которых материал будет работать на максимуме своих возможностей.

Поровая, или гидрофобная мембрана представляет собой тончайшую пористую плёнку из растянутого и раскатанного политетрафторэтилена (ePTFE). Сам по себе ПТФЭ гидрофобен, то есть отталкивает воду, а поры мембраны настолько малы, что не пропускают связанные между собой в капли молекулы воды. Однако молекулы водяного пара существуют как бы сами по себе и способны проходить через поры мембраны наружу. На один сантиметр хорошей мембраны приходится почти полтора миллиона микроскопических пор. Каждая пора в 20 тысяч раз меньше водяной капли и в 700 раз больше молекулы водяного пара, что позволяет мембране очень хорошо дышать и делает её полностью водонепроницаемой.

 Поровые мембраны способны работать при высокой влажности и низкой температуре. Но у них есть слабые места. Незащищенная мембрана в процессе эксплуатации может забиваться солями и сальными выделениями, которые производит человеческая кожа. Кроме того, сама плёнка чрезвычайно тонка и подвержена механическому разрушению.

Беспоровая, или гидрофильная мембрана — это сплошная плёнка из гидрофильного полиуретана. Влага отводится по совершенно иному принципу. Испарения, идущие от тела человека, попадают на внутреннюю поверхность мембраны, охлаждаются и оседают на ней в виде конденсата. Под воздействием разницы температур и парциального давления внутри и снаружи куртки мембрана начинает впитывать влагу и выводить её наружу, передавая по цепочке от молекулы к молекуле, выводя на внешний слой, откуда она испаряется в окружающую среду. Прежде чем влага транспортируется на поверхность ткани, она должна скопиться в материале, отсюда может возникнуть ощущения влажности и возникнуть желание открыть вентиляционные молнии. Но этого делать не стоит, иначе вы обнулите работу мембраны. Чтобы мембрана начала активно выталкивать скопившиеся молекулы пота, внутри куртки должно стать более влажно и жарко, чем снаружи. Молекулы пара будут стремиться из зоны с высоким давлением в зону низкого, то есть изнутри наружу. К тому же под воздействием тепла, которое исходит от тела человека при движении, материал нагревается и расширяется: расстояние между молекулами полиуретана увеличивается и растёт скорость транспортировки водяного пара и дышимость. То есть чем активнее вы двигаетесь, тем активнее работает мембрана.

Во время дождя или при высокой влажности градиента в парциальном давлении может не возникнуть. В этих случаях мембрана будет работать хуже, осуществляя транзит влаги только за счёт разницы температур.

Теоретически, если давление пара и температура во внешней среде будет больше, чем под одеждой, перемещение влаги внутрь экипировки тоже возможно. Но для этого потребуется зайти в мембране в хамам или найти похожие условия в дикой природе.

Комбинированная мембрана — это поровый материал, который изнутри защищён беспоровым покрытием. Первые мембраны семейства Gore-Tex отлично дышали, но в процессе эксплуатации быстро забивались кожными выделениями и теряли свои свойства. Производители решили защитить пористую мембрану, совместив её с более тонкой версией гидрофильной полиуретановой мембраны. Сендвич из верхней гидрофобной и нижней гидрофильной мембран обеспечил неприхотливость и долговечность материала, но наложил свои ограничения на паропроницаемость. Тем не менее большая часть современной экипировки, которая рассчитана на максимально сложные погодные условия и агрессивную эксплуатацию, сконструирована из комбинированных мембран.

Паропроницаемость — ключевая характеристика одежды для активного отдыха и спорта. Это способность материала пропускать молекулы водяного пара (в нашем случае пот), за счёт чего тело человека остаётся сухим. В зависимости от того, как тестируется материал, паропроницаемость может выражаться разными показателями.

Чаще всего паропроницаемость мембранной экипировки выражается в г/м²/24 часа. Этот показатель отображает количество водяного пара, которое пройдёт через квадратный метр материала за сутки, и обозначается аббревиатурой MVTR (moisture vapor transmission rate). Чем больше этот показатель, тем лучше. Паропроницаемость в пределах 5–10 тысяч г/м²/24 ч. (значение «24 ч.» часто опускают) демонстрируют материалы, рассчитанные скорее на использование в городе и невысокую физическую активность. Ткани со значениями 10–15 тысяч г/м2 можно отнести к достаточно паропроницаемым и использовать при нагрузках средней интенсивности. Дышимость мембраны 20 тысяч г/м² считается уже очень приличной.

Однако технологии не стоят на месте, и разработчики порой демонстрируют цифры от 30 до 70 тысяч г/м² (например, электроспиннинговые мембраны от The North Face — Futurelight).

В более редких случаях паропроницаемость может выражаться в RET (Resistance of Evaporation of a Textile), т. е. демонстрировать сопротивление материала испарению. Чем ниже значение RET, тем лучше дышащие свойства изделия. Например, ткани с показателем RET 0–6 относятся к максимально дышащим, RET 6–13 — хорошо дышащие материалы, RET 13–20 — дышащие, RET более 20 — недышащие.

Водонепроницаемость, или водостойкость (waterproof или water resistant) — способность ткани не пропускать воду. Это относительная характеристика, так как под определённым давлением вода может проникнуть через любой текстиль. Для измерения этого показателя в мировой практике используется гидростатический тест: сначала образец проходит процедуру состаривания путём стирки, после чего на площадь в 1 см² нагнетается давление, эквивалентное давлению водяного столба определённой высоты, выраженной в миллиметрах. Для того чтобы мембранная экипировка получила статус водонепроницаемой, минимальное значение водостойкости должно составлять около 10000 мм водяного столба. По заявлениям производителей, такой материал способен выдержать мокрый снег, туман, продолжительный дождь любой силы. Мембранные материалы с водостойкостью 20000 дают серьёзный запас прочности на отсутствие протекания в течение длительной эксплуатации, конечно, при отсутствии механических повреждений слоя.

Сегодня выбор экипировки с использованием мембран не ограничивается только куртками и штанами. Это могут быть ботинки, кроссовки, перчатки, шапки и даже носки.

Учитывая, что мембрана — не самый простой в производстве материал, и крупные производители вкладывают много средств в тестирование и разработку новых образцов, высокий ценник и громкое имя — это определённая гарантия качества. Однако не всегда есть смысл гнаться за самыми высокими цифрами.

При выборе мембранной экипировки, как и при выборе любого снаряжения, в первую очередь нужно задаться вопросом: в каких условиях планируется её использовать? Будет это одежда для города, для горных походов, для сноубординга, ски-тура или трейл-раннинга? Необходима ли она вообще?

Покупать мембранную одежду для походов в лес за грибами в дождливую погоду или для рыбалки на берегу живописного озера стоит, только если вы планируете стать самым модным грибником или рыбаком в округе. В противном случае обычного дождевика будет более чем достаточно, поскольку при низкой физической активности нет необходимости отводить лишнюю влагу от тела.

У всех синтетических материалов сложные отношения с огнём. Если вы собираетесь сидеть в дождь у костра, то точно не стоит делать это в мембранной одежде. Вся мембранная экипировка боится инфракрасного и теплового излучения. К тому же она легко прожигается искрами. И если последнюю проблему можно попробовать решить с помощью специальных заплаток, то разрушенный мембранный слой уже не вылечить. Для вечерних посиделок у костра лучше выбрать натуральные материалы с пропитками. А вот заниматься альпинизмом, сплавляться по горным рекам или бегать по пересечёнке в брезенте или дождевике-пончо нецелесообразно.

Для высокой аэробной нагрузки в условиях холода (например, беговые лыжи или ски-тур), когда вероятность осадков не слишком велика и первоочередное значение имеют дышащие свойства ткани, стоит отдать предпочтение более дышащему, эластичному и плотному софтшеллу.

Если вы предпочитаете спортивный стиль и хотите чувствовать себя комфортно в городской среде, одежды с показателями водостойкости 10 тысяч мм хватит с запасом, высокой паропроницаемости в условиях города тоже не требуется, достаточно 5–10 тысяч г/м2. Дополнительной вентиляции можно добиться, просто приоткрыв воротник или расстегнув карманы. Большее внимание можно уделить дизайну и крою.

Для аэробных нагрузок в относительно тёплых условиях лучше выбрать лёгкую и наиболее дышащую мембранную одежду. Правда, за лёгкость материала придётся платить его прочностью. Тонкие мембранные куртки для бега чувствительны к механическому воздействию и не рассчитаны на жёсткие условия эксплуатации. Для занятия альпинизмом, горным туризмом, сноубордингом и горными лыжами, каякингом, где верхняя одежда должна на протяжении долгого времени защищать от осадков, сильного ветра и выдерживать контакт с разнообразным рельефом, hardshell нужно будет поискать среди трёхслойных ламинатов с показателями дышимости и водонепроницаемости 20000 на 20000 и выше соответственно.

Из-за разных технологий производства и разночтений в интерпретации результатов тестирования многие производители предпочитают вообще не указывать цифровые показатели своих мембран и обозначают лишь, что материал относится к тому или иному классу или серии, является водостойким или экстремально дышащим и подходит для конкретных условий. Так что сравнивать между собой мембраны, которые работают по разным принципам и тестировались разными способами, не имеет большого практического смысла.

Не стоит забывать, что какие бы показатели ни были обозначены на этикетке, мембрана не гарантирует абсолютной паропроницаемости и вечной водостойкости. Даже с грамотно подобранными нижними слоями во время пиковых нагрузок и интенсивного потоотделения на внутренней стороне ткани всё равно будет скапливаться конденсат, и мембране потребуется некоторое время, чтобы его вывести. Водонепроницаемым изделие становится не только благодаря свойствам мембранного слоя, но и за счёт качественной герметизации швов, водоотталкивающей DWR-пропитки и продуманного кроя. Как и любое технологичное снаряжение, мембранная экипировка подвержена старению и требует правильного ухода. И об этом у нас есть отдельная статья.

Мембранная одежда — это дорогостоящий функциональный продукт. В заботливых руках экипировка переживёт не один сезон и защитит владельца от осадков, ветра и прочих радостей дикой природы. Так что будьте толковыми аутдорщиками — используйте снаряжение с умом и по назначению!