SOĞUK ORTAM GİYSİLERİNDE TERMAL KONFOR

Soğuk ortam giysileri; Spor ve iş ortamlarında kullanılan, hayatta kalma ve yaşam kalitesini arttırmak için geliştirilen koruyucu giysilerin koruma performansının yanında, kullanıcıya sağladıkları konfor özelliği sağlık ve performans açılarından büyük öneme sahiptir.

Kişiyi çevre hava şartlarına karşı koruyan ve özellikle bazı iş kolları, askeri alanlar ve bazı spor alanlarında kullanılan soğuk ortam giysilerinde yeterli konforun sağlanamaması kişide hayati sorunlar veya iş/spor performansında düşüş gibi sorunların ortaya çıkmasına neden olur. Bu giysilerden beklenti, gerekli yalıtımın sağlanması yanında, dinamik bir şekilde davranabilmeleri, yani vücutta oluşan teri en kısa sürede dışarıya transfer edip düşen yalıtımı tekrar eski değerine ulaştırabilmeleridir.

Konfor karmaşık bir özelliktir ve termal konfor, genel giysi konforunun bir parçası olarak giysi tasarımında önemli bir rol oynamaktadır. Termal konforun ölçülebilir parametrelere bağlı farklı indekslerle belirlenmesi üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Daha önceki indeks çalışmalarında belirlenen kumaş özelliklerinin yanı sıra giysi ve kumaş arasındaki hava tabakası da çok etkili bir parametre olarak belirtilmiştir. Ancak bu tür spor giysilerinde giysinin vücudu sarması ve hava tabakasını en aza indirmesi, giysi konforunun kumaş özellikleri tarafından daha fazla etkilenmesine neden olmaktadır.

İnsan vücudunun termal stabilitesini sağlamak, giysinin en önemli işlevlerinden birisidir. Giysinin insan ve çevre arasındaki sağladığı ısı transferi etkisi çok karmaşıktır. Hava sıcaklığı, hava hareketi ve nem gibi çevre ile bağlantılı birçok faktör insan ve çevre arasında gerçekleşen bu transferi etkiler. Giysi deri yüzeyi ile çevresi arasında bir bariyer oluşturur. Bu bariyer sadece konveksiyon ve radyasyon ile ısı değişimini değil, aynı zamanda vücuttan dışarıya atılan terin buharlaşması ile olan ısı değişimini de etkiler.

Soğuk hava koşullarında yüksek efor sarf edilen durumlarda (spor yapmak, arama kurtarma faaliyetleri, askeri faaliyetler, vb.) ya çok fazla üşüme gerçekleşmekte, ya da önce fırın etkisi gibi ısınılmakta, sonrasında terlenmekte ve sonuçta tekrar üşümeye başlanılmaktadır. Bu durum, vücut termal dengesizliğinden ve dış ortam ile yeterli termal yalıtımının sağlanamamasından kaynaklanmaktadır. Bu giysilerin, termal yalıtım ile sağlıklı yaşam koşullarını sağlayacak vücut sıcaklığını koruması, ter transferi ile de kuruluk hissini sağlayıp yalıtım düşüşünü engellemesi gerekir. Genellikle katmanlı olarak üretilen bu giysi sistemleri, kuru ve ılık havayı vücuda yakın tutmalı, kar ve yağmur sularının giysiden geçişine izin vermemelidir.

İnsanın termal konforu çok dar bir sıcaklık aralığında söz konusudur. Eğer vücut kontrol altına alabileceğinden daha fazla ısı üretirse veya belirli bir vücut sıcaklığına yetecek kadar ısı üretemezse termal konfor ortadan kalkacaktır. Giysi, deri yüzeyinden ısı kaybını azaltarak ve aynı zamanda deriden nem kaybını düzenleyerek termal dengenin sağlanmasında önemli bir rol üstlenmektedir.

Sağlıklı bir insanın vücut sıcaklığı 36.5–37°C arasında değişim göstermektedir. Ortam sıcaklığı ne olursa olsun vücut sıcaklığının belirli bir aralıkta dengede tutulması gerekmektedir. Vücudun termoregülasyon sistemi, vücut içindeki termal dengeyi ısı üretimi, ısı kaybı ve ısı transferi ile gerçekleştirmektedir. Çevre şartlarına göre vücut, termoregülasyon mekanizmasında ayarlamalar yapmaktadır. Vücuttaki ısıl denge aşağıdaki denklemle ifade edilebilir.

M-W= Qsk + Qres = (C+R+Esk) + ( Cres+Eres)

Burada;

• M metabolik enerji üretimi (W/m²),
• W yapılan mekanik iş miktarı (W/m²),
• Qsk deri yüzeyinden kaybedilen toplam ısı miktarı (W/m²),
• Qres solunum ile kaybedilen toplam ısı miktarı (W/m²),
• C+R deri yüzeyinde meydana gelen hissedilebilir ısı kaybı (W/m²),
• Esk deri yüzeyinde buharlaşma ile meydana gelen toplam ısı kaybı (W/m²),
• Cres solunum esnasında taşınım ile transfer edilen ısı miktarı (W/m²),
• Eres solunum esnasında buharlaşma ile transfer edilen ısı miktarıdır (W/m²).

Vücut sıcaklık dengesinin korunabilmesi için, vücuttan kaybedilen ısı miktarı ile vücut tarafından üretilen ısı miktarının eşit olması gerekmektedir.

İplik inceldikçe ve büküm seviyesi arttıkça, daha düşük yoğunluklu kumaş yapısı oluşmakta, kumaştaki gözenek miktarı artmakta ve böylece kumaşın hava geçirgenliği ve su buharı geçirgenliği değerleri artmaktadır. Termal direnç açısından düşünüldüğünde ise, iplik inceliğinin ve büküm seviyesinin artışı ile kumaş kalınlığının azalacağı ve dolayısıyla termal direnç değerinin düşeceği düşünülmektedir.

Kumaş yapısı ve örgü tipi kumaşın hava ve su buharı geçirgenliği ve termal yalıtımını etkileyerek termal konfor üzerinde etkili olan önemli parametrelerdir. Aynı şekilde çözgü/atkı ve ilmek/sıra sıklığı da kumaşın gözenek boyutunu ve hava boşluklarını belirlemede etkili olduğu için transfer özelliklerini etkilemede oldukça önemli bir yere sahiptir. Kumaş kalınlığı ise, tekstil malzemesinin termal ve su buharı direncini belirleyen en önemli faktörlerden birisidir. Kumaşın kalınlığı ve dolayısıyla içerdiği hava miktarı arttıkça kumaşın termal ve su buharı direnci artıp, geçirgenliği azalmaktadır.

İpliğin tüylülük özellikleri, kumaşın tutum özelliklerini, gözenekliliğini ve kumaş yapısında tutulan durgun hava miktarını etkilemektedir. İplik tüylülüğünün artışı ile gözenekler kısmen azalmakta, kumaş yapısında daha fazla durgun hava tutulmaktadır. Bu durumun kumaşın geçirgenlik özelliklerini düşüreceği, termal yalıtım özelliklerini artıracağı düşünülmektedir. İplik büküm değeri ise, nem geçişinde etkili olan bir faktördür.

Termal İletkenlik/Direnç

Tekstil materyallerinin termal yalıtımının ifade edilmesi için iki tip birim kullanılır. Bunlardan birincisi, belirlenen sıcaklık farkında birim zamanda belirli numune alanından geçen ısı akışını ifade eden geçirgenlik veya iletkenlik birimleri; ikincisi ise geçirgenlik birimlerinin tersi olan direnç birimleridir.

Termal iletkenlik, termofiziksel bir özelliktir. Malzemenin termal iletkenliği, kimyasal bileşimine, fiziksel yapısına ve bulunduğu ortama göre değişmektedir. Ayrıca malzeme, sıcaklık ve basınca maruz kaldığında etkilenmektedir. Bazı durumlarda ise malzemenin termal iletkenlik değeri ısı akışının etki ettiği yöne göre değişim göstermektedir (Haghi, 2011). Termal iletkenlik, sabit ısı transferinin sadece sıcaklığa bağlı olarak gerçekleştiği durumda birim kalınlıktaki materyalin birim yüzey alanından, birim sıcaklık farkında geçen ısı miktarının ölçüsü olarak tanımlanmaktadır.

Buharı Geçirgenliği/Nefes Alabilirlik

Isı transferi mekanizmalarından biri olan buharlaşma yoluyla terin vücuttan uzaklaşabilmesi, nefes alabilirlik özelliğinin daha iyi sağlanıp konfor algısı üzerinde büyük etkiye sahip olan kuruluk hissinin korunabilmesi açısından önemlidir.

Su buharı geçirgenliği, kumaşın su buharını iletebilme yeteneğidir. Yani kumaşın birim alanından belli bir zamanda geçen su buharı miktarıdır. Vücudun fazla ısısının çevreye iletilmesi, ısı transfer yöntemleri ile (iletim, taşınım ve ışınım) ve yine bu yöntemlerden biri sayılan terin buharlaşması ile gerçekleşmektedir. Aktivite değişimlerine bağlı olarak vücut sıcaklığının dengede tutulması için oluşan sıvı ve buhar halindeki terin hızlıca deri ile giysi arasındaki mikro klimadan geçmesi gerekmektedir.

Ter vücuttan üç şekilde atılabilir;

1. Direkt deriden buharlaşabilir ve çevreye buhar olarak serbest bırakılır. Bu, ter kullanımının en optimum formudur. Çünkü ısı enerjisinin çoğu vücuttan dışarı atılmış olur.
2. Sıvı ter iç çamaşırına yayılabilir. Bu durum materyalin hidrofilitesine bağlıdır.
3. Sıvı formunda giysinin ikinci katmanına iletilebilir. Bu durumda çok az ısı vücuttan uzaklaştırılabilir.

Vücut sıcaklık yükselişi ile oluşan yüksek ısının vücuttan uzaklaştırılması ve termal dengenin sağlanması için en önemli mekanizma terlemedir. İdeal durum, vücut tarafından üretilen su buharının çevreye tamamen atılmasıdır. Fakat termal enerjinin açığa çıktığı katmanların birinde yoğuşma olması sık karşılaşılan bir durumdur. Terlemenin olduğu anda tekstil materyalinin hidrofilitesinin, giysinin fizyolojik karakteristikleri yani vücutta oluşan ter ve bu terin iletilmesi üzerinde büyük etkisi vardır.

Sıvı Absorbsiyon ve Transferi

Tekstil malzemelerinden sıvı formda nem iletimi insan vücudunun termofizyolojik konforu üzerinde oldukça önemlidir. Tekstil materyalleri, liflerin farklı yapısal formlarda birleştiği gözenekli yapılardır. Materyalin sıvıyla teması sonucunda öncelikle kumaş yüzeyinin ıslanması, bunu takiben de kapilar kuvvetlerin etkisiyle sıvının yapı içerisinde yatay ve dikey olarak ilerlemesi gerçekleşir. Sıvı transferi sıvının lif yüzeyi boyunca aktarılarak lifin içine absorbe edilmediği durumda gerçekleşmektedir. Sıvı transferi sıvının gözenekli bir yapıda kılcal kuvvetlerin etkisiyle spontan akışıdır. Gözenekli yapıda bu tip bir akış sıvının, sıvı-yapı arasındaki yüzey etkileşiminin ve yapı içindeki gözeneklerin geometrik konfigürasyonu tarafından yönetilir.

Kumaşların transfer ve geçirgenlik özellikleri direkt olarak geometrilerine bağlıyken sıvı transfer karakteristikleri büyük oranda lif özelliklerinden etkilenmektedir. Yüksek sıvı absorbsiyon kapasitesine sahip bir kumaş sadece ıslak kumaşa vücudun temasından doğan konforsuzluk hissini önlemez, aynı zamanda suyun daha geniş bir kumaş alanına yayılıp daha fazla buharlaşmasına bağlı olarak daha fazla ısı transferine imkân tanır. Kumaş anizotropik bir yapıya sahip olduğu için farklı eksenlerinde farklı sıvı transfer davranışları gösterir ve bu davranışların ayrı ayrı ölçülmesi gerekmektedir. Genel olarak kumaşlardaki sıvı transfer mekanizmasının liflerin kapilar kuvvetlerine bağlı olduğu ve lif yüzey özellikleri tarafından belirlendiği görüşü yaygındır. Giysi konforu söz konusu olduğunda kumaşın sıvı transferiyle ilgili en önemli özelliği anlık absorblama gücüdür.

Kumaşın sıvı transfer özellikleri iki gruba ayrılabilir. Bunlar; kumaşın absorbsiyon davranışıyla ilgili olanlar ve absorblanan sıvının kumaş içerisindeki transferi ile ilgili olanlardır.

Sıvı Absorbsiyonu; Kumaşlardaki sıvı transfer mekanizmalarının ilk aşaması olan, bir damlacığın katı yüzey üzerindeki davranışları, katı ve sıvı materyallerin akışkan dinamiği, karakteristikleri, yoğunluk, katı ve sıvının sıcaklığı, sıvının viskozitesi, yüzey pürüzlülüğü ve katının şekli gibi farklı fiziksel ve kimyasal parametreler tarafından etkilenir. Islanma katı ve sıvı yüzeyin teması ile ortaya çıkan bir durum olarak tanımlanırken, ıslanabilirlik, katı yüzeyin belirli özellikteki sıvılar ile etkileşiminin sağlanması için yüzeyin potansiyelidir. Aynı zamanda, kapilar ıslanma aşamasından önce gerçekleşen katı-sıvı arasındaki etkileşimdir. Kapilar etki ile lifler arasındaki gözeneklerde suyun taşınması başlamadan önce, sıvının lif yüzeyini ıslatması gerekir. Bir sıvının, lif demeti içindeki moleküllerinin etkileşimi eşit kuvvetler tarafından dengeleniyorken, sıvı yüzeyi üzerindeki moleküller dengelenmez. Bundan dolayı, sıvının yüzeyinde serbest bir enerji oluşur. Fazla enerji, bir sıvının yüzey alanın minimum tutma eğiliminde olan ‘’serbest yüzey enerjisi’’ olarak adlandırılır ve katı yüzey üzerinde sıvının ilerlemesini kısıtlar. Bir katı yüzey, sıvının serbest yüzey enerjisini yenmek için yeterli yüzey enerjisine sahip olmalıdır.

Kapilar Islanma; Kumaşın ıslanma özellikleriyle ilgili yapılan çalışmalarda genellikle sıvının iplik içerisinde lif yüzeyi/sıvı arasındaki yanal-arayüzey kuvvetlerin etkisiyle lifler arasındaki boşluklarda hareket ettiği kabul edilmiştir. Bu yüzden, ıslanma oranı lifin yüzey enerjisine ve iplik içerisindeki lifler arasındaki ayrılma eğilimine bağlıdır. Fakat gerçekte tekstil materyallerinde lifler arasındaki boşluklar farklılık gösterir ve sıvı akış kanalı dolambaçlı bir yapıya sahiptir.

Kuruma Özellikleri; Kumaşların kuruma özellikleri de emilen sıvının en kısa sürede vücuttan uzaklaştırılıp kuruluğun sağlanması açısından önemlidir. Tam tersi olarak serinliğin istendiği durumda ise rutubet absorbsiyonu fazla ve yavaş kuruyan kumaşların tercih edilmesi gerekir. Kumaşın içerisinde bulunan sıvı rutubetin buharlaşarak kumaştan uzaklaşması olarak tanımlanabilecek kuruma davranışı, rutubetin sıvı olarak lif yüzeyinde veya buhar olarak lifin iç kısmında bulunmasına göre değişir.

---

T.C.
SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TEKSTİL MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

Bilge YILMAZ
Danışman
Prof. Dr. Sibel KAPLAN
YÜKSEK LİSANS TEZİ

ISPARTA – 2020