纺织物理第二章纤维的吸湿性

第二章纤维的吸湿性Chapter2.hygroscopicpropertyoffiber概述•纤维结构是纤维的固有特性，决定纤维性能。纤维结构不同，吸收水分的能力有所差异。•天然纤维（棉、麻、丝、毛等）以及再生纤维（再生纤维素、再生蛋白质等），具有较高的吸湿能力，称为亲水性纤维；大多数合纤（聚酯、聚丙烯、聚氯乙烯等），吸湿能力低，称为疏水性纤维。•通常纤维的吸湿性可细分为：纤维吸收气相水的能力（吸湿性）和吸收液相水的能力（吸水性）。•对纤维吸湿性的研究，对研究纤维性能、纺织工艺加工及穿着舒适性等提供理论依据；同时对纤维吸湿机理的研究，也为开发功能性合成纤维（特别是亲水性合纤）提供理论依据；此外，吸湿性也与纤维重量有密切关系，这与纤维贸易中重量的计算标准有直接的联系。第一节纤维的吸湿平衡•一、纤维吸湿和时间的关系•纤维制品在一定大气条件下，会吸、放空气中水分，随时间推移会达到动态吸、放湿平衡，即单位时间吸收水分=放出水分。•图2-1为某干燥纤维制品在一定相对湿度条件下吸、放湿平衡过程，纤维从大气中吸收水分，总是大于放出的水分，最终达到吸湿平衡过程。平衡时间吸湿量绝对湿度和相对湿度•两者均反映大气中的水分含量。•绝对湿度(AbsoluteHumidity)：单位体积大气中含水质量。•相对湿度(RelativeHumidity%)：RH=(h/hs)x100%；•其中h表示绝对湿度；•hs表示相同条件下水蒸气饱和具有的绝对湿度。•标准大气条件：T=20℃，RH=65%二、纤维吸湿指标和测试方法1、吸湿指标（1）回潮率与含水率•回潮率W：含水量占纤维干重(G0)的百分比；W=(G-G0)/G0×100%•含水率M：含水量占纤维湿重(G)的百分比。M=(G-G0)/G×100%•W与M的换算W=100M/(100-M)；M=100W/(100+W)•标准回潮率：纤维在统一的标准大气条件下，一段时间后回潮率达到一个稳定值。•公定回潮率：贸易和成本计算时，对回潮率做的统一规定。•天然纤维公定回潮率：原棉8.5%；苎麻16.28%；桑蚕丝11%；羊毛16%。•化学纤维（亲水性）：粘胶13%；维纶5%；锦纶4.5%；腈纶2%；•化学纤维（疏水性）：涤纶0.4%；丙纶0；氯纶0.•混合原料的公定回潮率为各原料混比的加权平均：•N种混合原料公定回潮率=,其中Pi，Wi分别表示第i种原料所占的干重百分比和公定回潮率。NiiiWP12、吸湿指标的测试（1）直接测试法:•先称取一定湿重的纺织材料，驱除水分后得到干重，计算得到回潮率。•烘箱法：电阻丝恒温加热，温度设定以水分可蒸发而材料不分解为原则。棉（105±3）℃，毛及大部分化纤（105-110）℃。吸湿性的主要测试手段。•红外线干燥法：红外线灯泡（可加涂辐射远红外线的物质）照射去除试样水分，省时、省电。•高频加热干燥法：高频交变电场中，纤维内部极性分子和水分子极化，产生内摩擦发热（分子间及分子内，由极化现象产生的介电损耗），去除试样水分子。频率分为，电容加热1-100MHz；微波加热800-3000MHz。由于水的介电损耗较纤维约大20倍，即水分可吸收的能量很大，产生高热，使水分蒸发。•真空干燥法：在密闭容器内抽真空并加热烘干，由于低压下水的沸点降低，在60-70℃下，即可短时间内使试样水分散失，适合不耐高温的合纤。•吸湿剂干燥法：密闭容器中吸湿剂（五氧化二磷粉末）吸收空气中水分使相对湿度达0%，利于纤维散失水分。常用于精密试验研究。（2）间接测试法利用含水量和纤维某些性能的关系来检测回潮率。•电阻测湿法：当纤维材料数量、松紧度、温度和电压等一定时，通过的电流与回潮率存在一定的相关关系，即纤维回潮率不同电阻值不同。•电容测湿法：将一定质量纤维放在一定容量的电容器中，利用水分与干燥纤维介电常数（反映材料在电场中被极化的程度，介电常数大材料贮电能力强，极化程度高）不同，电容量变化，来测定回潮率。•微波吸收法：在微波范围（频率300MHz-300GHz的电磁波，波长1mm-1m之间)材料吸收微波的强弱由介质损耗因数决定。微波加热就随材料损耗因数具有选择性，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数40-80，损耗角正切0.15-1.2，其介质损耗因数大，对微波具有强吸收能力。纤维材料介电常数2-5，损耗角正切0.001-0.05。利用水和纤维对微波的吸收和衰减程度不同，可测定其回潮率。•红外光谱法：水对不同波长的红外线有不同的吸收率，吸收量和材料中水分的比例有关，根据红外线吸收图谱，可推测纤维回潮率。三、纤维回潮率与相对湿度的关系1、吸湿滞后性•纤维在相同的大气温湿度条件下，从放湿达到平衡和从吸湿达到平衡，两种平衡回潮率不等，且前者大于后者，称吸湿滞后性。•吸湿滞后性的原因：水分子进入或离开纤维会引起纤维干、湿结构的变化，在纤维非晶区或晶区界面间，大分子链的亲水基团（-OH）相互形成横向结合键-氢键。环境相对湿度大，水分子进入纤维需克服氢键作用，纤维从干结构变成湿结构；环境相对湿度低，水分子克服阻力逸出纤维，纤维重新回到干结构。•由于结构具有保持不变的倾向，结合键打开和重建存在滞后，故纤维吸、放湿存在滞后。较多横向结合键的干结构较少横向结合键的湿结构水分子进入水分子逸出干结构湿结构H2O•对于干结构，分子间为横向结合键，湿结构中含有水分子，假设在相同的大气环境，水分子进入干结构需克服横向结合键，而水分子一旦离开纤维，由于原来的分子间距离很近，很容易重建结合键，因此，水分子进入干结构较困难。•对于湿结构，水分子逃逸后，纤维分子间距离较大，重建分子间结合键比水分子重新进入逃逸位置要困难，因此，湿结构纤维较干结构纤维具有更高的回潮率，从而产生吸湿滞后性。2、纤维的吸湿等温线•一定温度条件下，纤维材料平衡回潮率和大气相对湿度的关系曲线。•不同纤维吸湿性不同，同样的相对湿度，吸湿性：天然及再生合纤。•不同纤维吸湿等温线均反“S”形，表明其吸湿机理本质一致。RH小时，曲线斜率大，纤维中极性基团直接吸水。当RH在15%-70%，曲线斜率较小，纤维内表面被水分子覆盖，再进入的那部分水分子活动性大，动态平衡时，吸着较困难，水分子进入纤维速度减慢。RH继续增大，水分子进入纤维内部较大的空隙，形成毛细水，特别是纤维本身膨胀，空隙增大，故毛细水大量增加，曲线斜率较大，回潮率增速加大。RH%回潮率%213456781---羊毛2---粘胶3---蚕丝4---棉5---醋酯纤维6---锦纶7---腈纶8---涤纶•一定温度条件下，纤维材料由放湿达平衡回潮率和大气相对湿度间关系曲线，放湿等温线。由于吸湿滞后性，同种纤维吸湿等温线与放湿等温线不重合，形成吸湿滞后圈。吸湿性大则放湿与吸湿回潮率差值大。RH%平衡回潮率%abcd放湿吸湿•纤维从放湿平衡态a，再次吸湿，沿虚线ab变化；从吸湿平衡态c，进入放湿过程，沿虚线cd变化。即某一大气条件下的平衡状态受吸放湿历史影响，平衡回潮率可能处于吸放湿等温线间的任意一个位置。•因此，检验纤维性能时，为避免回潮率不同，不仅需要统一的标准大气条件，还要进行预调湿过程，即预先在低温下烘燥（50℃，0.5-1h），以保证材料在标准条件下，从吸湿等温线达到平衡回潮率。第二节纤维的吸湿热•纤维吸水时，纤维分子和水分子间结合，水分子动能降低会产生热。一、吸湿热指标（1）吸湿微分热Q:一定回潮率下，1g质量水被质量无限大的纤维材料吸收产生热量，J/g。假设从水蒸气吸收有：QV=Q1+LQ1：纤维吸湿微分热；L：一定温度下水蒸气凝聚潜热。（2）吸湿积分热W:一定回潮率下，1g质量干燥纤维达到完全润湿，所产生的热量，J/g。•Q与W的关系：•当回潮率增加dr，每g纤维产生的热量为Q1dr/100,那么将其从r积分到饱和回潮率rs•当回潮率降低dr，每g纤维减少的热量为Q1dr/100，或微分热Q1有：drQWsrr1001drdWQ1001W0rs0回潮率积分热WdWdrW0：干燥纤维的吸湿积分热二、影响纤维吸湿热的因素•吸湿性好的纤维，积分热W高，如从回潮率为0，各类干燥纤维的积分热W数据：棉46，亚麻55，羊毛113，丝69，粘胶106，锦纶31，涤纶5。•RH对纤维吸湿热Q影响大，回潮率随RH增加而增加，积分热W随回潮率增加而减少，回潮率达到饱和rs时积分热W接近0。微分热Q随回潮率增加而减少。•微分热Q与纤维亲水基团的极性有关，具有相同亲水基团的纤维，其微分热Q基本相同，如含羟基(-OH)的天然纤维素和再生纤维素；羊毛和锦纶分子主链含酰胺键（-C=O-NH2-）且分子链端含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）。羊毛粘胶棉醋酯纤维回潮率%吸湿积分热J/g05101510080604020羊毛粘胶棉醋酯纤维回潮率%吸湿微分热kJ/g0510151.20.80.41g水被质量无限大纤维吸收放热1g干燥纤维完全润湿产生热•吸湿放热和穿着舒适性及储存的关系：•纤维的吸湿放热和舒适性有关，吸湿热大有利于人体调节体温，具有较好的保暖。例如，1.5kg的羊毛服装，从T=18℃，RH=45%的室内，到T=5℃，RH=95%的室外，其回潮率从10%增加至27%，吸湿放热量约6000kJ。•吸湿放热不利于纤维制品的储存，若仓库通风不良，空气潮湿，会导致纤维制品霉变，甚至引发火灾。三、纤维吸湿热的测试方法1、吸湿积分热W的测量•将已知回潮率和质量的纤维放入热容已知的量热器，并加过量的水，测量器上升温度，计算积分热，需高灵敏测温装置，可测量不同回潮率下积分热，绘制纤维积分热和回潮率关系曲线。2、吸湿微分热Q的测量•直接测量微分热困难，但可以通过测量与微分热有关的其他性能，换算。如量热器法，吸湿等温线法。•量热器法：按照积分热-回潮率曲线，由公式计算某回潮率下的微分热，即根据曲线上某点斜率获得微分热。drdWQ1001回潮率W0rs0积分热WdWdr•吸湿等温线法：利用一系列不同温度下，纤维吸湿等温线，可得到不同回潮率下微分热。•克劳修斯-克拉珀龙（Clausius-Clapeyron）方程：•ps为水的饱和蒸汽压；T为绝对温度；Vs为饱和蒸汽压时水蒸气的比容(单位质量占有的体积)；L为水蒸气的凝聚潜热。•p为纺织纤维平衡蒸汽压；V是该蒸汽压下的蒸汽比容。由相对湿度：RH=(p/ps×100)%两边同取自然对数：lnRH=lnp-lnps+ln100回潮率一定时，对温度求导，并根据理想气体定律pv=psvs=RT，有：Q1=RT2(əlnRH/əT)r=-R[əlnRH/ə(1/T)]r那么，可根据lnRH-1/T曲线的斜率得出吸湿微分热。ssTVLdTdpTVQdTdpvrs回潮率r的纺织纤维系统第三节纤维材料的吸湿速率•纤维制品需要长时间才能和环境达到吸湿平衡，吸湿速率决定于大气中的T、RH、风速、材料厚度、密度及纤维本身性能。一、纤维吸湿的水分子扩散方程及其近似解•静止的水体由于水分子无规则运动，水中的微粒也随之无规则运动（布朗运动，1826年）。纤维制品中水分子将从高浓度向低浓度扩散，通过垂直于浓度梯度əc/əx的平面，面积为A，扩散系数D（当浓度为1个单位时，单位时间通过单位面积的气体量），质量转移速率dm/dt，可由费克（1855年，德）方程（Fickequation）：dm/dt=-DAəc/əxdm/dtc0cc=0t=0浓度为常数的无限源浓度c随t的变化和质量转移率有比例关系：dc/dt∝dm/dt∝(-dc/dx)∝[-(c-c0)]或，dc/(c-c0)=dt/τ其中：τ比例常数•对上式积分，由初始条件t=0时，c=0，微分方程的解为：c=c0(1-e-t/τ)c=c0(1-e-t/τ)当t=τ时，c=c0(1-1/e)=0.63c0物理意义：当纤维中水浓度c由0-63%无限源浓度c0，所需时间t等于比例常数τ，τ可用来表示纤维吸湿快慢的指标。那么，求导：dc/dt=(c0/τ)e-t/τ当t=0，上式为：dc/dt=c0/τ上式表明，τ也是时间参数，与吸湿初