《纺织材料学》第3版

《纺织材料学》第3版姚穆主编第二章纺织纤维的形态及基本性质第五节纤维的吸湿性一、纤维的吸湿指标1．回潮率与含水率回潮率W：纺织材料中所含水分重量对纺织材料干重的百分比。含水率M：纺织材料中所含水分重量对纺织材料湿重的百分比。式中：aG——纺织材料湿重；0G——纺织材料干重。100(%)100(%)000aaaGGGMGGGW2．标准回潮率——纺织材料在标准大气条件下，从吸湿达到平衡时测得的平衡回潮率。国际标准中规定的标准大气条件为：温度（T）为20℃（热带为27℃），相对湿度（RH）为65%，大气压力为86~106kPa，视各国地理环境而定。我国规定的标准大气条件为：大气压力为1个标准大气压，即101.3kPa（760mmHg柱），并规定了温、湿度的波动范围：一级标准：T20±2℃，RH65±2%；二级标准：T20±2℃，RH65±3%；三级标准：T20±2℃，RH65±5%；纺织材料在实验测试前需进行调湿处理，通常在标准大气条件下调湿24h以上即可，合成纤维调湿4h以上即可。3.公定回潮率(Wk)——贸易上为了计重和核价的需要，由国家统一规定的各种纺织材料的回潮率。iiPWW（％）＝混混纺纱的公定回潮率其中：Wi（%）——混纺材料中第i种纤维的公定回潮率；Pi（%）——混纺材料中第i种纤维的干重混纺比。4.标准重量Gk——是纺织材料在公定回潮率时的重量。%1%1%)1(0akakkWWGWGG常用纤维的标准状态下的回潮率和公定回潮率纤维种类标准回潮率（%）公定回潮率（%）原棉7~811．1苎麻（脱胶）7~812亚麻8~1112黄麻12~16（生麻），9~13（熟麻）14细羊毛15~17--洗净毛--15山羊毛--15干毛条--18.25油毛条--19桑蚕丝8~911.0粘胶纤维13~1513醋酯纤维4~77涤纶0.4~0.50.4锦纶63.5~0.54.5锦纶664．2~4.54.5腈纶1.2~2.02.0维纶4.5~5.05丙纶00氯纶--0氨纶--1常用纱线的公定回潮率二.纤维的吸湿机理1.吸着水分的种类根据水分子在纤维中存在的方式不同，可分为三种：（1）吸收水——由于纤维中极性基团的极化作用而吸着的水。吸收水是纤维吸湿的主要原因。直接吸收水：由于纤维中亲水基团的作用而吸着的水分子。它们之间的结合力较强，主要是氢键力，同时放出的热量也较多。间接吸收水：其他被吸着的水分子。a.由于水分子的极性再吸着的水分子b.纤维中其他物质的亲水基团所吸引的水分子。它们之间的结合力较弱，主要是范德华力，同时放出的热量也较少。2）毛细水——纤维有许多细孔，由于毛细管的作用而吸收的水分。微毛细水：存在于纤维内部微小间隙之中的水分子；大毛细水：存在于纤维内部较大间隙之中的水分子（当湿度较高时）。3）粘着水（表面吸附）——纤维因表面能而吸附的水分子。区别：吸收水属于化学吸着，是一种化学键力，因此必然有放热反应；毛细水和粘着水属于物理吸着，是范德华力，没有明显的热反应，吸附也比较快。2．吸湿过程一般认为纤维吸湿时，水分子先吸附至纤维表面，然后水蒸气向纤维内部扩散，与纤维内大分子上的亲水性基团结合，随后水分子进入纤维的缝隙孔洞，形成毛细水。大气条件与纤维吸湿一、吸湿平衡与平衡回潮率纤维材料的含湿量随所处的大气条件而变化。吸湿平衡：纤维在单位时间内吸收的水分和放出水分在数量上接近相等，这种现象称之吸湿平衡。吸湿平衡是动态平衡平衡回潮率：将具有一定回潮率的纤维，放到一个新的大气条件下，它将立刻放湿或吸湿，经过一定时间后，它的回潮率逐渐趋向于一个稳定的值，称为平衡回潮率。特点：1.都是对数曲线；2.起始段快，以后减慢直至平衡；3.吸湿平衡所需要的时间放湿平衡所需时间；4.吸湿平衡W不等于放湿平衡W。二、吸湿等温线1.定义：(T一定，W-RH%的关系)吸湿（放湿）等温线：在一定的大气压力和温度条件下，纤维材料因吸湿（放湿）达到的平衡回潮率与大气相对湿度的关系曲线；特点：1.曲线都呈反S形，吸湿机理基本一致。2.RH=0%～15%时，曲线的斜率比较大；原因：开始阶段纤维中游离的亲水基团比较多，容易吸湿。RH=15%～70%时，曲线的斜率比较小；原因：因主要靠间接吸收，且水分子进入纤维内部的微小间隙中，形成毛细水，同时纤维还有一个膨化过程，所以吸收的水分比开始阶段减少；RH70%时，曲线斜率又明显地增大。原因：因水分进入纤维内部较大的间隙，纤维产生膨化，毛细水大量增加，表面吸附的能力，也大大增强，这就进一步增加了回潮率的上升速度。3.纤维种类不同，曲线的高低不同吸湿能力强的在上方，如羊毛、粘胶；吸湿能力差的在下方，如腈纶、涤纶等。三、吸湿滞后性（或吸湿保守现象）1.定义：同样的纤维在一定的大气温湿度条件下，从放湿达到平衡和从吸湿达到平衡，两种平衡回潮率不相等，前者大于后者，这种现象称之。2.产生原因：一般认为吸湿时由于水分子进人纤维的无定形区，使大分子间距离增加，少数连接点被迫拆开，而与水分子形成氢键结合。放湿时，水分子离开纤维，连接点有重新结合的趋势，但由于大分子上已有较多的极性基团与水分子相吸引，阻止水分子离去，而且大分子间的距离不能及时完全回复到原来情况，因而保留了一部分水分子。因此同一纤维在同样的温湿度的条件下，从放温达到平衡比从吸湿达到平衡具有较高的回潮率。同一种纤维的吸湿等温线与放湿等温线并不重合，而形成吸湿滞后圈。吸湿滞后值（即差值）与纤维的吸湿能力和相对湿度有关。在同一相对湿度条件下，吸湿性大的纤维，差值比较大。如羊毛2.0%，粘纤1.8%～2.0%，蚕丝1.2%，棉0.9%，锦纶0.25%，涤纶等吸湿等温线和放温等温线则基本重合。3.应用（1）调湿和预调湿：调湿：纺织材料具有一定的吸湿性，故实验前，需要将试样统一在标准状态下放置一定时间，使达到平衡回潮率。预调湿：为避免纤维因吸湿滞后性所造成的误差，需预先将材料在较低的温度下烘燥（一般为40～50°C下去湿0.5～lh），使纤维的回潮率远低于测试所要求的回潮率。然后再在标准状态下，使达到平衡回潮率。（2）车间温湿度调节如：纤维处于放湿时，车间空气的RH%规定值；纤维处于吸湿时,车间空气的RH%规定值。四、吸湿等湿线1.定义：纤维在一定的大气压力下，相对湿度一定时，平衡回潮率随温度而变化的曲线。（RH%一定，W-T的关系曲线）规律：温度愈高，平衡回潮率愈低。但在高温高湿的条件下，由于纤维的热膨胀等原因，平衡回潮率略有增加。3.原因：T增加时，纤维中的水分子的热运动能和纤维分子的热振动能增大，使纤维内水蒸汽的蒸发压升高，它比空气中已成为气体的蒸汽部分压力的上升快得多，因此使水分子保留在纤维分子上的能力减少。此外，存在于纤维内部空隙中的液态水蒸发蒸汽压力也随着温度的上升而升高。影响纤维吸湿的因素一内在因素1．亲水基团的作用2．纤维的结晶度及内部空隙3．纤维的比表面积4．纤维内的伴生物和杂质二外界因素纤维大分子中，亲水基团的多少和极性强弱均能影响其吸湿能力的大小。数量越多，极性越强，纤维的吸湿能力越高。如：羟基（-OH）、酰胺基（-NHCO-)、羧基（-COOH）、氨基(-NH2)等。与水分子的亲和力很大，能与水分子形成化学结合水（吸收水）。纤维素纤维：如棉、粘纤、铜氨等纤维，大分子中的每一葡萄糖剩基含有3个-OH，在水分子和-OH之间可形成氢键，所以吸湿性较大。醋酯纤维中大部分羟基都被乙酸基（-COCH3）取代，而乙酸基对水的吸引力又不强，因此醋酯纤维的吸湿性较低。蛋白质纤维：主链上含有亲水性的酰胺基、氨基（一NH2）、羧基（一COOH）等亲水性基团，因此吸湿性很好，尤其是羊毛，侧链中亲水基团较蚕丝更多，故其吸湿性优于蚕丝。合成纤维：含有亲水基团不多，故吸湿性都较差。维纶——大分子中含有羟基（一OH），经缩醛化后一部分羟基被封闭，吸湿性减小，但在合纤中其吸湿能力最好。锦纶6、锦纶66——大分子中，每6个碳原子上含有一个酰胺基（-CONH-），所以也具有一定的吸湿能力。腈纶——大分子中只有亲水性弱的极性基团氰基（-CN），故吸湿能力小。涤纶、丙纶——中因缺少亲水性基团，故吸湿能力极差，尤其是丙纶基本不吸湿。此外，大分子聚合度低的纤维，如果大分子端基是亲水性基团，其吸湿能力也较强。纤维的结晶度和内部空隙纤维吸收的水分一般不能进入结晶区，在结晶区内，分子有规则地紧密排列，活性基在分子间形成了交键，如氢键、盐式键、双硫键等，所以水分子就不易渗入，若要产生吸湿作用就须打开这些交键，使活性基游离，显然这是困难的。因而纤维的吸湿作用主要是发生在无定形区。纤维的结晶度越低，吸湿能力就越强。在同样的结晶度下，微晶体的大小对吸湿性也有影响。一般来说，晶体小的吸湿性较大。如：棉经丝光后，由于结晶度降低使吸湿量增加；棉和粘胶—同属纤维素纤维，每一个葡萄糖剩基上都含有3个一OH，但棉纤维的结晶度为70％左右，而粘胶纤维仅30％左右，W粘胶W棉。纤维无定形区内缝隙孔洞越多越大，纤维吸湿能力越强。如：*粘胶纤维结构比棉纤维疏松，缝隙孔洞多，是其吸湿能力远高于棉的原因之一；*合成纤维结构一般比较致密，而天然纤维组织中有微隙，这也是天然纤维的吸湿能力远大于合成纤维的原因之一。纤维的比表面积越大，表面能也就越大，表面吸附能力越强，吸附的水分子数也越多，吸湿性越好。细纤维的比表面积大，较细纤维的回潮率偏大些。a.棉纤维中有含氮物质、棉蜡、果胶、脂肪等，其中含氮物质、果胶较其主要成分更能吸着水分，而蜡质、脂肪不易吸着水分。因此棉纤维脱脂程度越高，其吸湿能力越好；b.羊毛表面的油脂是拒水性物质，它的存在使吸湿能力减弱；c.麻纤维的果胶和蚕丝中的丝胶有利于吸湿；d.化学纤维表面的油剂，其性质会引起吸湿能力的变化，当油剂表面活性剂的亲水基团向着空气定向排列时，纤维吸湿量变大。外界因素1．温度的影响在一般的情况下，随着空气和纤维材料温度的提高，纤维的平衡回潮率将会下降。2．相对湿度的影响在一定温度条件下，相对湿度越高，空气中水蒸气的压力越大，也即是单位体积空气内的水分子数目越多，水分子到达纤维表面的机会越多，纤维的吸湿也就较多。在温度和湿度这两个因素：对亲水性纤维来说，相对湿度对回潮率的影响是主要的；对疏水性的合成纤维来说，温度对回潮率的影响明显。3.纤维原来回潮率大小的影响由吸湿滞后性我们可知，当纤维材料置于一新的大气条件下时，其从放湿达到平衡时的回潮率要高于从吸湿达到的回潮率。故纤维原来回潮率大小也有一定的影响。吸湿对纤维性质的影响一、对重量的影响其中：G0——干重；Ga——称见重量。二、对长度和横截面积的影响纤维吸湿后体积膨胀，横向膨胀大而纵向膨胀小，表现出明显的各向异性,即SdSl。纤维的膨胀率：Sd=⊿D/D；Sl=⊿L/L；Sa=⊿A/A；Sv=⊿V/V式中：D、L、A、V—纤维原来的直径、长度、截面积和体积；⊿D、⊿L、⊿A、⊿V—纤维膨胀后，其直径、长度、截面积和体积的增加值。同一纤维，可根据吸湿膨胀后各向异性的大小，来判断大分子的取向度。各种纤维在水中的膨胀性能表三、对密度的影响W增加，纤维密度增加；大多数纤维在W=4%～6%时密度最大。W再增加，纤维密度逐渐变小，因为纤维体积显著膨胀，而水的比重小于纤维。四、对机械性质的影响纤维吸湿后，其力学性质如强力、伸长、弹性、刚度等随之变化。1.对强力的影响：（1）一般规律是W增加，其强力会下降；这是因为水分子进入纤维内部无定形区，减弱了大分子间的结合力，使分子间容易在外力作用下发生滑移之故。强力下降的程度，视纤维内部结构和吸湿多少而定。粘胶纤维由于大分子聚合度较低，结晶度也较低，纤维断裂主要表现为大分子的滑脱，同时水分子进入后对大分子结合力的减弱也很显著，因此吸湿后强力下降非常显著。（2）吸湿能力差的纤维，W增加，强力变化不太显著合成纤维由于较弱，所以吸湿后强力的降低。（3）棉、麻纤维，吸湿后强力反而增加；这是由于棉和麻纤维大分子聚合度很高，结晶度也很高，纤维断裂主要表现为大分子本身的断裂，而