Die Physik des Feuchtigkeitstransports: Kapillarität und MMT
Der Weg des Schweißes von der Haut in die Umgebung lässt sich vollständig auf Kontaktwinkel, Kapillardruck und den Gradienten zwischen den Lagen zurückführen; beschrieben wird er durch die Washburn-Gleichung, gemessen wird er mit dem MMT.
8 Abschnitte 5 Begriffe 8 Quellen ~7 Min.
Dass eine Maschenware Schweiß abführt und trocknet, ist keine Magie, sondern Hydrostatik und Oberflächenphysik. Die Bewegung flüssiger Feuchtigkeit in einer Faserstruktur besteht aus zwei getrennten Vorgängen: zuerst die Benetzung (wetting), also die Neigung der Flüssigkeit, sich auf der Faseroberfläche auszubreiten, danach der Kapillartransport (wicking, Dochtwirkung), also das selbsttätige Einziehen der Flüssigkeit in die Hohlräume zwischen den Fasern. Polyester selbst ist hydrophob; die Leistung kommt weniger aus der Chemie der Faser als aus der Querschnittsgeometrie, der Garnarchitektur und der Ausrüstung. Dieser Beitrag behandelt diese Mechanismen in der Sprache genormter Prüfverfahren, mit ingenieurtechnischen Größen.
Benetzung: Kontaktwinkel und die Young-Gleichung
Fällt ein Wassertropfen auf eine Oberfläche, ist der entstehende Kontaktwinkel (theta) das Maß der Benetzung. Nach der Young-Gleichung entsteht dieser Winkel aus dem Gleichgewicht der Grenzflächenspannungen fest-dampfförmig, fest-flüssig und flüssig-dampfförmig. Bei theta < 90 Grad ist die Oberfläche hydrophil und die Flüssigkeit breitet sich aus; bei theta > 90 Grad ist sie hydrophob und der Tropfen perlt ab. Auf rohem Polyester liegt der Wasserkontaktwinkel typischerweise im Band 70-90 Grad; das erklärt, warum die Ware ohne zusätzlichen Eingriff dazu neigt, Schweiß abzuweisen. Damit Kapillartransport möglich wird, muss cos(theta) positiv sein, der Kontaktwinkel also unter 90 Grad liegen.
Kapillarer Aufstieg: die Washburn-Gleichung
Die Hohlräume zwischen den Fasern verhalten sich wie feine Kapillarrohre. In einem Kapillarrohr wird die Eindringstrecke L der Flüssigkeit durch die Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben: L = Wurzel[(gamma * r * t * cos(theta)) / (2 * eta)]. Dabei ist gamma die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, r der wirksame Kapillar- bzw. Porenradius, theta der Kontaktwinkel, eta die dynamische Viskosität der Flüssigkeit und t die Zeit. Die Gleichung leitet sich aus dem Young-Laplace-Kapillardruck (Pc = 2*gamma*cos(theta)/r) und der Hagen-Poiseuille-Strömung ab; sie gilt für den waagerechten Fall, in dem die Schwerkraft vernachlässigt wird.
Diese Gleichung sagt der Konstruktion drei Dinge. Erstens: Die Eindringstrecke wächst mit der Wurzel der Zeit (L proportional Wurzel-t), das Wicking ist also anfangs sehr schnell und wird dann stetig langsamer. Zweitens: Ein kleiner Porenradius r bedeutet höheren Kapillardruck (Pc proportional 1/r), aber langsamere Strömung (L proportional Wurzel-r); dieser Zielkonflikt erklärt, warum das Verfeinern zum Mikrofilament sowohl die Saugkraft erhöht als auch ein Optimum verlangt. Drittens: Da cos(theta) ein Multiplikator ist, wirkt jede hydrophile Ausrüstung, die den Kontaktwinkel unter 90 Grad senkt, unmittelbar auf das Wicking. Beim senkrechten Wicking wirkt die Schwerkraft entgegen; deshalb steigt die Flüssigkeit nicht unbegrenzt, sondern es gibt eine Gleichgewichtshöhe, in der der Kapillardruck dem hydrostatischen Druck gleicht.
Messung des senkrechten Wickings: Streifenprüfungen
Der kapillare Aufstieg lässt sich unmittelbar messen. Bei den klassischen Streifenprüfungen (strip test) taucht das untere Ende eines senkrecht hängenden Warenstreifens in ein Wasserreservoir, und nach festgelegten Zeiten wird die Steighöhe des Wassers (mm) abgelesen. DIN 53924 ist ein kurzzeitiges Steighöhenverfahren (Größenordnung Minuten) für Ware mit verhältnismäßig schnellem Wicking; BS 3424 (Method 21) ist dagegen eine bis zu 24 Stunden reichende Widerstandsprüfung für beschichtete/technische Ware mit sehr langsamem Wicking. Die moderne Entsprechung ist AATCC 197: Am senkrecht ausgerichteten Prüfling wird der kapillare Aufstieg über der Zeit verfolgt; das ist die Geometrie, die dem realen Fall der an schwitzender Haut anliegenden Ware am nächsten kommt. Für die waagerechte Ausbreitung dient AATCC 198 (Zeit, bis die mittig aufgebrachte Flüssigkeit 100 mm Durchmesser erreicht); die Ergebnisse beider Verfahren sind nicht vergleichbar, weil die Geometrien verschieden sind.
MMT: die Feuchtigkeitssteuerung in einem Durchgang kartieren
Die Streifenprüfung zeigt, wie schnell eine Ware transportiert, nicht aber den Richtungsunterschied zwischen den beiden Seiten einer Ware. Genau das misst AATCC 195 (Moisture Management Tester, MMT): Der Prüfling wird zwischen konzentrische Sensorringe auf Ober- und Unterseite gelegt, in die Mitte wird Prüfflüssigkeit (meist eine salzhaltige Lösung ähnlich synthetischem Schweiß) getropft, und der elektrische Widerstand bzw. die Leitfähigkeit beider Seiten wird über der Zeit aufgezeichnet. Die entstehende Kurve wird in sechs Kennzahlen aufgelöst: Benetzungszeit (WT, s, getrennt für oben/unten), Aufnahmegeschwindigkeit (AR, %/s), maximaler Benetzungsradius (MWR, mm), Ausbreitungsgeschwindigkeit (SS, mm/s), unidirektionale (kumulierte) Transportkapazität R und die sie zusammenfassende Gesamtfähigkeit zur Feuchtigkeitssteuerung OMMC (Index zwischen 0 und 1).
OMMC: Zusammenfassung in einer Zahl aus ARB, R und SSB
OMMC ist die Zusammenfassung der Fähigkeit einer Ware zur Feuchtigkeitssteuerung in einer einzigen Zahl und wird aus drei Bestandteilen berechnet: Aufnahmegeschwindigkeit der Unterseite (ARB), unidirektionale Transportkapazität (R) und maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit der Unterseite (SSB). Die Logik ist klar: Eine gute Sportmaschenware drückt ihre Flüssigkeit von der Hautseite (oben) zur Außenseite (unten), breitet sie außen auf großer Fläche aus und bereitet sie auf schnelle Verdunstung vor. Jede Kennzahl wird aus ihrem Messwert in eine Note von 1 bis 5 überführt (1 = schwach, 5 = ausgezeichnet). Der Unidirektionalindex R ist die Differenz zwischen den Zeitintegralen der Wassergehalte von Ober- und Unterseite; ein positives und großes R bedeutet einen Nettofluss der Flüssigkeit von der Haut weg.
| Kennzahl | Was sie misst | Einheit | 1 (schwach) | 3 (gut) | 5 (ausgezeichnet) |
|---|---|---|---|---|---|
| Benetzungszeit (WT) | Zeitpunkt, zu dem die Oberfläche zu benetzen beginnt | s | > 120 (benetzt nicht) | ~5-20 | < 3 |
| Aufnahmegeschwindigkeit (AR) | Anfängliche Anstiegsrate des Wassergehalts | %/s | 0-10 | ~50-100 | > 100 |
| Max. Benetzungsradius (MWR) | Weitester von der Flüssigkeit erreichter Kreis | mm | 0-7 | ~17-22 | > 22 |
| Ausbreitungsgeschwindigkeit (SS) | Kumulierte Geschwindigkeit von der Mitte bis zum MWR | mm/s | 0-1 | ~3-4 | > 4 |
| Unidirektionaler Transport (R) | Nettofluss der Flüssigkeit von oben nach unten | - | < -50 | ~100-200 | > 300 |
| OMMC | Gesamte Feuchtigkeitssteuerung | 0-1 | 0-0,2 | ~0,4-0,6 | > 0,8 |
Push-Pull: gerichteter Transport in zwei Lagen
Der Unidirektionalindex R des MMT beschreibt zugleich ein Konstruktionsziel: die gerichtete Bewegung der Flüssigkeit von der Haut weg. Am deutlichsten leistet das der zweilagige Push-Pull-Aufbau. Die zur Haut zeigende Innenseite ist bewusst hydrophob (z. B. Polypropylen oder unbehandeltes Mikrofilament-Polyester), die Außenseite wird hydrophil gewählt. Der entstehende Benetzungsgradient wirkt für die Flüssigkeit wie eine Einwegpumpe: Die hydrophobe Innenlage hält den Schweiß nicht fest und drückt ihn über ihre kleinen Poren („push“) in die Außenlage; die stark saugende Außenlage zieht („pull“) die Flüssigkeit und breitet sie auf großer Fläche aus, was die Verdunstungsfläche vergrößert. Damit wird nicht die Faserchemie, sondern der Unterschied der Oberflächenenergie zwischen beiden Lagen zur Ingenieuraufgabe; die Haut bleibt trocken, die Verdunstung findet außen statt.
Trocknungsgeschwindigkeit: die feuchte Hälfte schließen
Der Transport ist nur die Hälfte; der Komfort ist erst vollständig, wenn die Flüssigkeit verdunstet. Die Verfahren zur Trocknungsgeschwindigkeit messen verschiedene physikalische Größen und dürfen nicht vermischt werden. AATCC 201 (beheizte Platte) trocknet den Prüfling auf einer auf 37 °C temperierten Platte, die die Hauttemperatur nachbildet, mit einem Luftstrom über der Oberseite und leitet die Trocknungsgeschwindigkeit (meist mm/Stunde oder g/m2/Stunde) aus der Änderung der Oberflächentemperatur ab; das ist das anwendungsnächste Szenario. AATCC 199 verfolgt dagegen den vollständig gesättigten Prüfling bei 37 °C im gravimetrischen Feuchteanalysator über den Gewichtsverlust und liefert so die Trocknungszeit. AATCC 200 schätzt die Zeit bis zur vollständigen Trocknung (dry-out) ohne äußere Beheizung aus der Oberflächentemperatur, während Luft durch die Ware gesaugt wird. Kurz gefasst sind 201 und 200 temperaturbasiert, 199 ist gewichtsbasiert; bei jedem Vergleich muss angegeben werden, welches Verfahren verwendet wurde.
Hydrophile Ausrüstung gegenüber dauerhafter Hydrophilie
Es gibt zwei Wege, den Multiplikator cos(theta) positiv zu machen. Der erste ist die chemische Ausrüstung: Ein hydrophiles Polymer (z. B. Polyether-/PEG-Derivate) auf der Polyesteroberfläche senkt den Kontaktwinkel und verbessert Aufnahmegeschwindigkeit und Wicking rasch. Einfache Ausrüstungen waschen sich jedoch aus; typischerweise fällt die Leistung nach 30-50 Wäschen deutlich ab. Dauerhaftere Lösungen nutzen mehrpunktverankerte Polyether, die mit einem Ende kovalent an den Polyester binden und mit dem anderen dauerhaft hydrophil bleiben, Silan-Haftvermittler oder vernetzte Polymernetzwerke; gut formuliert bleibt ein großer Teil des Wickings auch nach 30 Wäschen erhalten. Der zweite Weg ist strukturell: Ein kanalförmiger Querschnitt (z. B. das in der Branche bekannte gerillte Filament vom Typ Coolmax) oder das Verfeinern zum Mikrofilament stellt den Kapillarradius r und die Oberfläche über die Geometrie ein; diese Wirkung ändert sich beim Waschen nicht, weil sie an der Form hängt und nicht an der Chemie. Die robusteste Leistung verbindet meist strukturelle Geometrie mit dauerhafter Ausrüstung.
Checkliste für die Produktentwicklung
- Messen Sie zuerst den Kontaktwinkel: Sinkt er nicht unter 90 Grad, weist die Ware Schweiß ab, und ein hydrophiler Eingriff ist zwingend (Young-Gleichung).
- Vergessen Sie die Wurzel-t-Verlangsamung des Wickings nicht: Die ersten Sekunden sind am kritischsten; der reale Komfort steckt in der frühen Aufnahmegeschwindigkeit.
- Wenn Sie aus dem MMT eine einzige Zahl wollen, fordern Sie OMMC an; der eigentliche Nachweis eines Push-Pull-Aufbaus ist aber R (unidirektionaler Transport).
- Vergleichen Sie senkrechtes (AATCC 197) und waagerechtes Wicking (AATCC 198) nicht; die Geometrien sind verschieden.
- Nennen Sie bei Trocknungsangaben das Verfahren: AATCC 201/200 (Temperatur) und AATCC 199 (Gewicht) ergeben nicht dieselbe Zahl.
- Sagen Sie nicht „steuert Feuchtigkeit“, ohne die Waschbeständigkeit zu klären: Eine Ausrüstung wäscht sich in 30-50 Wäschen aus, ein struktureller Querschnitt nicht.