Perspectiva de las aplicaciones: Los fundamentos de las pruebas hidrostáticas de carga

En nuestro último artículo sobre aplicaciones, nos centramos en los fundamentos de las pruebas hidrostáticas de carga. De qué trata:

• ¿Qué es la cabeza hidrostática y por qué es importante?
• Una visión general de la prueba y algunas normas
• Equipo y preparación de la prueba
• Cómo realizar una prueba de cabeza hidrostática
• Consideraciones
• Puntos clave

"La cabeza hidrostática es la medida utilizada para calcular cuánta presión de agua puede soportar un material impermeable antes de que se produzca la penetración del agua"

La prueba de la cabeza hidrostática se realiza para determinar la resistencia que tiene un tejido o textil a que el agua sea forzada bajo presión a través de él.

"Para ello, se fuerza el agua a presión a través de una muestra de tejido y se registran los resultados. La prueba se conoce como carga hidrostática"

Durante la prueba, la muestra se somete a una presión de agua creciente desde la parte inferior (medida en kilopascales o kPa), en condiciones estándar, hasta que se obtiene una presión predeterminada, que se indica en la especificación del tejido, o hasta la penetración.

La presión del agua se controla mediante un manómetro lleno de agua que mide la presión sobre la probeta en cm o milibares de agua.

"Al aumentar la presión, la probeta se distenderá, y entonces esperamos a que se formen posibles gotas en la parte superior"

Al aumentar la presión, la muestra se distenderá. Lo que buscamos cuando probamos textiles por su valor de cabeza hidrostática, es cualquier gota de agua que pueda formarse en la superficie de la probeta probada, o igualmente si se ha producido una penetración total o nula de agua.

"La cabeza hidrostática es diferente a resistente al agua o impermeable"

Es importante saber que la prueba del valor de la cabeza hidrostática es muy diferente a otros tipos de pruebas como la repelencia al agua.

La cabeza hidrostática está probando específicamente el tiempo hasta la penetración al agua, cuando se expone a una presión de agua creciente. Esto hace que se preste más atención a la construcción a la membrana del tejido y a su resistencia a la presión del agua, y menos a las capas exteriores o acabados que pueda tener un textil que ayuden a su repelencia al agua.

Por tanto, aunque los dos están relacionados, no son lo mismo.

As pressure increases, the specimen will distend. What we look for when testing textiles for their hydrostatic head value, is any droplets of water that may form on the surface of the tested specimen, or equally if no penetration of water has occurred.

Hydrostatic head is different to 'water resistant' and 'waterproof'.

It is important to know that testing for the hydrostatic head value is very different to other types of testing such as water repellency. 

Hydrostatic head is testing specifically the time until penetration of water, when exposed to increasing water pressure. This brings more focus on the construction to the membrane of the fabric and its resistance to water pressure, and less to the outer layers or finishes a textile might have to aid its repellency to water. 

So though the two are linked, they are not the same. 

"La cabeza hidrostática es importante porque determina la resistencia de los tejidos a la penetración del agua. "

Medir la resistencia del agua a través de un textil o tejido puede ser de vital importancia por muchas razones.

Un ejemplo en el que la presión hidrostática es importante es la comprobación del suelo de una tienda de campaña. La lona de suelo necesita un alto nivel de resistencia a la penetración del agua, ya que es probable que esté expuesta a un suelo saturado. Cuando se aplica presión a la lona del suelo por personas que están de pie, sentadas o durmiendo sobre ella, el agua podría atravesarla. Un valor pobre de la cabeza hidrostática significaría que cualquier cosa en contacto con el interior de la tienda se mojaría.

Esta es la descripción más visual que puedo darle de algo que se sometería a una prueba de cabeza hidrostática, aunque hay muchos grupos de textiles en los que esta prueba es importante.

"Las tendencias crecientes en los textiles de alto rendimiento implican que los productos deben realizar más y mejores funciones. "

Los textiles de alto rendimiento son un ejemplo de grupo importante en el que realizar pruebas de cabeza hidrostática.

Como grupo, los textiles de rendimiento suelen tener muchas características, y la mayoría de ellas se solapan entre sí; por ejemplo, la transpirabilidad de un impermeable está directamente relacionada con su resistencia a la penetración del agua, lo que se conoce como cabeza hidrostática. Este no es estrictamente el caso de todos los textiles de alto rendimiento, pero en el clima actual, con las exigencias que hay que satisfacer, estos textiles cada vez tienen más funciones que cumplir.

La ropa de exterior y sus accesorios o equipos basados en textiles necesitan ser probados para muchas de sus diferentes funciones, y a partir de cada prueba, se construye una imagen de cómo rinde la prenda o el producto.
A menudo, un técnico puede ser capaz de predecir una estimación aproximada del rendimiento en otra área a partir de los datos recogidos en una prueba concreta, aunque no se trata de una ciencia exacta.

"Los textiles de alto rendimiento, como la ropa de exterior, necesitan un alto valor de cabeza hidrostática"

Una prenda de rendimiento que reivindique propiedades impermeables necesitaría demostrar un alto nivel de resistencia a la presión hidrostática para demostrar su capacidad de defensa contra el viento, la lluvia y otros factores físicos.
La prueba de la cabeza hidrostática es clave para comprender el rendimiento de una prenda en condiciones climáticas adversas, lo que se relaciona directamente con la comodidad del usuario y, lo que es más importante, con su seguridad.

Hemos mencionado en seminarios web anteriores que la seguridad es una función vital en muchos de los textiles de alto rendimiento que se comercializan hoy en día, y la seguridad tiene un aspecto diferente según el uso final del producto. En la ropa de alto rendimiento en particular, un buen valor de cabeza hidrostática evitaría que el usuario se mojara en climas potencialmente bastante duros y fríos, y por lo tanto se mantendría más abrigado, más seco y, en general, más seguro con su ropa.

"La cabeza hidrostática puede ser un indicador de la permeabilidad al agua y también al aire de los tejidos, o una medida de la transpirabilidad de los revestimientos faciales. Es un factor que contribuye a la comodidad de un tejido"

Además del aspecto de la seguridad y el bienestar, los textiles médicos pueden estar estrechamente relacionados con otras aplicaciones textiles técnicas. Ejemplos de estos textiles de protección serían los utilizados en el quirófano, que son similares a otros tipos de EPI utilizados para la protección contra productos químicos, riesgos biológicos o condiciones meteorológicas adversas. A menudo, los textiles médicos DEBEN tener múltiples funciones, como transpirabilidad, regulación térmica e incluso propiedades antimicrobianas.

La cabeza hidrostática, junto con la permeabilidad al aire, están ambas directamente relacionadas con la comodidad de los textiles médicos, y aquí es donde entra en juego el término transpirabilidad. Cuando pensamos en la mascarilla facial común con la que todos estamos familiarizados ahora, necesitamos un nivel de protección de la mascarilla, sin embargo, necesitamos ser capaces de respirar tan fácilmente como sea posible a través de ella también, ya que a menudo la gente estará usando estos en el trabajo durante muchas horas durante el día. Probar el rendimiento y los textiles médicos en todas estas diversas áreas, es crucial para proporcionar una indicación en cuanto a su rendimiento.

"Las aplicaciones de la industria son variadas, y van desde la ropa de rendimiento y los textiles médicos, hasta los tejidos para tiendas de campaña y los geotextiles"

Las aplicaciones de la industria son variadas, y van desde la ropa de alto rendimiento y los textiles médicos, hasta los textiles para tiendas de campaña y geotextiles, pasando incluso por los textiles estructurales y de construcción.

Cualquier textil que esté expuesto al agua, y específicamente al agua combinada con presión, necesita ser probado para determinar su valor de cabeza hidrostática.
Un ejemplo de textil estructural/de construcción que debería someterse a pruebas sería el tejado del O2 de Londres (que puede ver en la parte superior derecha de la pantalla).
Se trata de un tipo de plástico de construcción ETFE "resistente a la intemperie" y, debido a su tamaño y finalidad en el O2, necesita tener un valor de cabeza hidrostática muy alto.

Collectively performance textiles usually have several features, and most of them overlap with one another, for example the breathability of a raincoat is directly related to its resistance to penetration to water, otherwise known as hydrostatic head.

Outdoor wear and related textile accessories/equipment need to be tested to prove the efficacy of their different functions, for example pilling and snagging strength or abrasion resistance under wet conditions, and from each test it builds up a picture of how the garment or product performs. 

Performance textiles such as outdoor wear need a high hydrostatic head value.

A performance garment claiming waterproof properties would need to demonstrate a high level of resistance to hydrostatic pressure to demonstrate its defence capabilities against wind, rain and other physical factors. 

Hydrostatic head testing is key to understanding the performance of a garment in adverse weather conditions, which relates directly to the wearer's comfort, and more importantly their safety.

In performance wear particularly, a good hydrostatic head value would keep the wearer from becoming wet in potentially harsh and cold climates, and therefore the wearer will stay warmer, drier, and safer overall in their clothing.

Industry applications cover many areas, ranging from performance wear to medical textiles, tenting and geo-textiles, through to even structural/building textiles. 

Any textile that is exposed to water, and specifically water combined with pressure, needs to be tested to determine its hydrostatic head value. An example of a structural/building textile that should be tested would be the roof of the O2 stadium (pictured) in London, which is a type of ETFE ‘weather resistant’ building plastic, which needs to have a high hydrostatic head value as it provides shelter and safety. 

Tejido
EN ISO 811
JIS L 1092
AATCC 208* + AATCC 127
F/Z T 01004
G/B T 4744

No tejido
NWSP 080.6R0
EN ISO 9073-16
ISO 1420

BS EN ISO 811:2018

Nos centraremos en el método de la norma EN ISO 811, pero antes de entrar en materia, veamos el equipo necesario.

Comprobador de cabeza hidrostática

Necesitará su comprobador de cabeza hidrostática. Su comprobador debe tener una zona para dosificar el agua para cada muestra, un cabezal sellado para sujetar la muestra al cabezal, evitando cualquier fuga, y un botón manual para identificar si se forma una gota de agua y cuándo. Estas tres cosas son básicas en cualquier comprobador hidrostático de cabezales. Ahora puede ver en la pantalla nuestro HydroView, que es nuestra más reciente incorporación a nuestra gama de comprobadores de rendimiento aquí en James Heal.

Compresor de aire

También necesita un compresor de aire, dependiendo del tipo de comprobador de cabeza hidrostática que esté utilizando.

En el caso de James Heal necesitamos un compresor de aire ya que nuestro HydroView es un instrumento neumático.

La presión es la forma en que funciona nuestro instrumento. El instrumento necesita un alto nivel de presión para poder aplicarlo gradualmente a las muestras que se están probando, ya que algunos tejidos funcionarán mejor que otros y pueden necesitar presiones mucho más altas para obtener resultados. Utilizar un compresor de aire significa que puede tener un nivel de presión regulado que es fácil de ajustar y le proporciona datos mucho más precisos.

Agua recién destilada

Por supuesto, necesita agua para poder realizar una prueba de carga hidrostática, pero no sólo agua del grifo. Con las pruebas textiles, nunca lo es.

En la norma en la que nos centramos hoy, se recomienda utilizar agua recién destilada de grado 3 (la norma que estamos utilizando establece que este grado de agua debe coincidir con el de la norma ISO 3696, de ahí la razón por la que se exige el grado 3).

La razón por la que la norma es escrupulosa sobre la calidad del agua es que la prueba depende de que el agua sea 100% clara, y tan consistente y repetible para pruebas futuras/ o de comparación como sea posible conseguir.

También hay que tener en cuenta la temperatura del agua, ya que se sabe que a temperaturas más altas se obtienen valores más bajos de cabeza hidrostática. La temperatura específica en esta norma es de 20oc -+2, o 27oc -+2, la que usted utilice depende de las condiciones climáticas del uso final del producto, y debe predeterminarse con el cliente antes de la prueba.

Así que pasemos a ver cómo se realiza una prueba en un comprobador de cabeza hidrostática.

Los pasos exactos pueden variar según los distintos fabricantes de instrumentos, pero éste es el esquema del método ISO 811 utilizando el HydroView de James Heal.

"Decidir el índice de presión y la temperatura"

Antes de que comience la prueba, la norma que estamos utilizando especifica que tiene que haber una de dos tasas aceptables de aumento de la presión del agua, y una de dos temperaturas aceptables, para la prueba.

La presión puede aumentar o bien 10 cm por minuto, o bien 60 cm por minuto, y la temperatura debe ser o bien 20oc o bien 27oc. Debe elegir, y atenerse al mismo ritmo de aumento de presión y temperatura durante toda la prueba.

La temperatura que elija dependerá del uso final de la probeta, y de si se va a utilizar en un clima de condiciones templadas, o tropicales. Por ejemplo, con productos que tendrán un uso final para clientes del Reino Unido, digamos un impermeable, la temperatura que elegiría sería probablemente 20oc, ya que en el Reino Unido no tenemos clima tropical. Por otro lado, si el cliente que utilizara el producto final estuviera cerca del ecuador, y tuviera usos muy intensivos para el producto final, probablemente elegiría los 27oc y el mayor índice de aumento de presión.

La presión, al igual que la temperatura, debe acordarse de antemano con el fabricante textil, ya que algunos tejidos tienen un mayor nivel de resistencia al agua que otros, pero debe discutirse de antemano para asegurarse de que se utiliza la tasa de aumento de presión más adecuada.

Determining when a drop is 'a drop’ can at times be precarious. The test needs to be performed with attentiveness, as hydrostatic head testing is predominantly observed with the naked eye and drops can form within seconds of a glance away.

The standard (EN ISO 811) clearly documents that a drop is any detection of water on the face of the specimen that grows. On occasion, small drops that do not grow in size may appear throughout the test, but these should not be counted. These do not give us an accurate representation of penetration, as some fabrics can ‘sweat’, and some fabrics may have small imperfections, though for this test these are not a consideration.

Note whether the penetration occurs at the edge of the specimen, if so, the standard states to ‘reject as unsatisfactory’ any individual test in which this occurs. Seeing these smaller drops nearer the edge of your specimen could mean that there are more frequent small imperfections in the fabric. Test further specimens until reproducible results are obtained.

All drops shown within these guidelines are to be recorded as part of the data, though for the majority of tests and specimens, this will not be difficult to gauge. 
 

When the drops are recorded for each of the 5 tests, the data includes the time in which it took for the drop to form and at what pressure, specified as either centimetres or millibars of water.

To interpret the results, the mean needs to be calculated from the 5 tests, which forms the final hydrostatic head value for this test. When reporting the data, it is important to provide the data from each test, as well as the final hydrostatic head value, as this gives a good indication of how evenly the specimen performs from test to test.

NOTE: When comparing sets of data and different specimens, only specimens that have been tested at the same pressures and temperatures can be compared to each other.
 

Final considerations

As with nearly all types of testing, that the relative humidity (RH) of the laboratory environment in which the specimens are tested, is an important consideration. Particularly with this type of testing will the RH be a contributing factor to the consistency of the results, but there are also other conditions to look out for in the lab's atmosphere.

Other considerations include:

• Trapped air in between the specimen and the water - when mounting your specimens, ensure there are no pockets of air trapped between the specimen and the water level. 

This is a common issue that technicians find, as it can happen quite easily. Ensure that you have a levelled surface of water, that comes right to the top of the testing area to ensure the water sits as a totally flat surface. We would suggest rolling the specimen over from one side to the other, as opposed to bringing the full piece down vertically.  

• Water tight seal -  the head relies on a completely tight seal. Often these seals will include a rubber ring which aides the sealing.

Should there be imperfections under the seal, water and water pressure could be lost, and you will not be able to perform a test correctly, if any test at all.