第二章纖維的吸濕性質(zhì)(講稿)

1、第二章 纖維的吸濕性質(zhì)五要素：纖維；條件；吸濕；變化；表征紡織纖維一般都具有較好的吸濕性質(zhì)，尤其是天然纖維、人造纖維素纖維和部分差別化纖維。纖維的吸濕性質(zhì)取決于纖維的結(jié)構(gòu)、組成和所處的環(huán)境條件，并會使纖維的吸濕性能存在很大的差異。這不僅發(fā)生在不同纖維間，而且可能發(fā)生在同一纖維間。然而，纖維吸濕后其形狀和性質(zhì)均會發(fā)生變化，影響纖維的加工和使用性質(zhì)。這種影響可以是積極有利的，亦可能是消極不利的。因此，纖維吸濕性的認識、描述、表征是極為重要的。吸濕變化外界條件纖維本章我們著重介紹：纖維吸濕發(fā)生的機制與現(xiàn)象，定性和定量地描述纖維吸濕的理論與結(jié)果，纖維吸濕對纖維性質(zhì)的影響，以及纖維吸濕放濕過程和含濕量（

2、回潮率）的表征方法。本章分五節(jié)對纖維吸濕特征進行討論：§1. 纖維的吸濕機理與理論§2. 纖維吸濕與大氣條件§3. 纖維吸放濕過程與滯后性§4. 纖維吸濕對其性質(zhì)的影響§5. 纖維吸濕量的表示與測量第一節(jié) 纖維吸濕機理與理論 一、 吸濕機理與條件 1定義：紡織用纖維的吸濕本質(zhì)是水分子在纖維上的吸附、逗留或存留、固著和傳遞或流動。纖維材料的結(jié)構(gòu)和組成不同是導(dǎo)致纖維吸濕性不同的內(nèi)在原因。2吸濕的分類：1） 按可吸收水分量（回潮率）的大小大致可分為三類強吸濕性材料，如棉、毛、絲、麻、粘膠、維綸，以及一些高吸濕性的改性纖維。弱吸濕性纖維材料，如醋酸、錦

3、綸、腈綸等纖維。不吸濕纖維，如丙綸、乙綸、滌綸等常用纖維。這些不吸濕纖維最多只是在表面吸附一些附著水。2）按纖維的吸濕形式可分為三類為何纖維的吸濕性質(zhì)有如此大的差異？人們對纖維材料的吸濕特征和機制進行的研究，給出了纖維吸濕的內(nèi)在原因。這一研究可以追溯到上世紀初，至今已有近百年的歷史了。眾多研究結(jié)果認為纖維的吸濕形式可以為幾種：a) 固相吸濕：其是指纖維中分子基團對水分子的化學(xué)吸附，水汽分子進入纖維體內(nèi)，或稱纖維分子間后，與纖維大分子上的活性官能團發(fā)生化學(xué)鍵接作用，而形成的穩(wěn)定的側(cè)基的吸附。（一般難以發(fā)生，更多的是指水分子進入纖維體內(nèi)而無法析出的部分）。b) 液相吸濕：是指水分子的液相細滴的形式

4、，附著在纖維體內(nèi)的形式，其可在纖維分子間或纖維結(jié)構(gòu)界面上移動或流動，屬物理吸附。c) 汽相吸濕：是指水分子以單個分子在纖維體內(nèi)空隙或表面游離轉(zhuǎn)移或暫時停附狀態(tài)的吸附方式。液相和汽相吸附是通常概念中的吸濕形式，即水分子在一定條件下會停止運動而附著在纖維分子上或在一定條件下又能離開這一吸附狀態(tài)游離外逸的吸、放濕過程。這一過程是動態(tài)的，而動態(tài)吸放濕過程的平衡為我們通?？吹交驕y得的結(jié)果。3纖維吸濕的條件水分子的這種吸附是有條件的，其運動和停止是需要空間和能量的，因此形成纖維能夠吸著水分，并讓水分子得以進入纖維的機制是纖維吸著水分的條件。1）必要條件 纖維吸濕的必要條件是纖維的大分子上具有極性基團，即極

5、性基團是吸著水分的基本條件。 構(gòu)成纖維大分子的基團很多，但極性基團不多，常見的如： -OH；-COOH；-NH2；-CONH- 等。強吸濕性的纖維總會具有這種極性基團中的一種或一種以上，且其極性基團的含量，即單位分子長度上的量，很高。如：棉、麻、粘膠纖維的OH基團；羊毛、蠶絲等的-COOH，-CONH-和-NH2 等。而錦綸中盡管亦有-CONH-鍵，但單位長度上的量較少。維綸也有此類特征，故吸濕總不如棉、麻纖維。H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O纖維分子的極性基團不僅可以導(dǎo)致對水分子的直接捕獲吸著（直接水），還可以因吸著后的極化作用，使被直接吸著的水分子極化而吸另一個水分子（間接

6、水）。而極性越高的基團，越易導(dǎo)致這種二次吸水，乃至多次吸水，這種直接吸水和間接吸水的形象表達，見圖21。Direct absorptionIndirect absorption圖2-1 纖維大分子吸附直接水和間接水示意圖2）充分條件 纖維大分子中具有極性基團，并不一定能吸濕。極性基團的數(shù)目多，亦不一定意味著吸濕多。即具有必要條件，并不一定能吸濕。如果極性基團的相互作用強，在空間形成規(guī)整的排列，則會導(dǎo)致分子間的有序排列結(jié)構(gòu)結(jié)晶結(jié)構(gòu)。通常，這種穩(wěn)定致密的結(jié)構(gòu)，使水分子難以進入，故水分子無法被此結(jié)構(gòu)內(nèi)的極性基團所吸著。因此，纖維的吸濕還必須具備另一個條件，即纖維中或纖維分子間要具有足夠的空間（或通道

7、），以使水分子順利通過和進入，并有足夠的表面積和空隙存留水分子。此空間或稱為纖維的自由通道是纖維吸濕的充分條件。 由于通常的吸濕概念是指物理吸附作用，因此通道和表面積的作用，顯得更為重要。而這一特征參數(shù)直接與纖維的微細結(jié)構(gòu)有關(guān)。纖維大分子的排列是規(guī)整還是混亂；是結(jié)晶部分多還是無序組份多；是堆砌致密還是疏松，都直接影響著纖維的吸濕性質(zhì)。 如：人造纖維素纖維中的粘膠與富纖，兩者吸濕性有很大的差異，原因就是普通粘膠的結(jié)晶度為4050%，而富強纖維的結(jié)晶度可達5060%，棉與粘膠也是如此，棉的結(jié)晶度可達70%以上。故粘膠的吸濕性最強。 類似的羊毛與蠶絲相比，其均為蛋白質(zhì)纖維。但由于羊毛大分子為螺旋構(gòu)型

8、，分子內(nèi)、間的排列較疏松，規(guī)整排列程度遠不如折疊鏈分子結(jié)構(gòu)和高結(jié)晶有序排列的蠶絲，故其吸濕性明顯優(yōu)于蠶絲絲束。而理論上蠶絲絲膠的結(jié)晶度又遠不如絲束，故絲膠吸濕性極好，且易被水溶解。 又如：普通滌綸纖維為不吸濕纖維，但多微孔的改性滌綸，其吸水性能大幅度的提高。其原因在于纖維的真實表面積的大幅度地提高。從而導(dǎo)致纖維表面積上的吸附存留水的增加。 顯然，上述結(jié)構(gòu)均與纖維分子中的極性基團的極性和數(shù)量無關(guān)。而與纖維分子間的空間以及存留水的表面積相關(guān)。尤其是對于無極性基團的纖維大分子。纖維微細空隙和無序區(qū)空間的增加，都有助于水分子的進入與存留。特別是在高相對濕度下的液相吸水。 綜上所述，纖維吸濕要有吸濕的極

9、性基團，其提供水分子被吸附的能量和位置條件。同時纖維的分子間要有足夠空間以利水分子的進入與存留，以及保證要有自由的極性基團。無極性基團纖維的吸水主要是靠足夠量的表面積，即較多的微細空隙空間。二、吸濕理論 纖維的吸濕理論或稱為吸濕機理的解釋有多種，主要集中在吸濕性較強的纖維，即天然纖維。對纖維吸濕性的本質(zhì)描述一般分為二類：一類為定性描述，另一類為定量的理論。1、 吸濕的定性理論 定性描述纖維吸濕機理的研究，早在20世紀20年代開始，隨后人們提出了一些假設(shè)或說法。其中最主要的為棉纖維中的二相吸濕理論和羊毛的三相吸濕理論。（1）棉纖維的二相吸濕理論：即前面已經(jīng)提到過的直接和間接吸水。兩相吸濕理論，將

10、纖維吸著的水分分為兩種狀態(tài)。一是直接吸附在極性基團上的水分子相；一是吸附在直接水分子相上的間接水分子層。其可以是單層，亦可以是多層。間接吸水的主要是液相吸附機制，其取決于外界環(huán)境的水汽壓。Peirce在前人的想法和一些基本的說法基礎(chǔ)上，對此理論作了定量化地描述。（2）毛纖維的三相吸濕理論：雖說該理論是在二相吸濕理論基礎(chǔ)上發(fā)展或拓延出來的，但表示的內(nèi)容有很大的不同。其主要由Speakman提出。Speakman將羊毛纖維的吸濕分為三相，其第一相為角朊分子側(cè)鏈上的極性基團吸附的水分；第二相為吸附在螺旋大分子主鏈中極性基團上的水分子和替換分子間交聯(lián)的水分子；以及第三相在羊毛組織結(jié)構(gòu)疏散處縫隙中的液態(tài)

11、水。第一相吸水不影響纖維模量和強伸性，為側(cè)向直接水和部分間接水；第二相吸水影響纖維模量和強伸性，為螺旋段間的直接水和交聯(lián)破壞的溶解水（化學(xué)鍵）；第三相吸水為表面積、毛細或直接液態(tài)水,影響纖維的形態(tài)。（3）其他的定性描述理論：如多層吸附理論（B.E.T理論），實質(zhì)是多相多級附著吸水的解釋。溶解理論（Barrer理論），是指水分子與纖維大分子混合互溶形成的固溶解水，由統(tǒng)計熱力學(xué)法導(dǎo)出，與固相吸附的解釋無關(guān)，而更多的是表達液相吸附作用。縱觀上述說法，實際上水分的吸著，從分子間和原子間作用來說，無非就是化學(xué)鍵結(jié)合水，氫鍵結(jié)合水和范德華力作用吸附水，以及自然液體水在纖維空間的存留。而二相理論和三相理論均

12、較多地考慮氫鍵作用吸附，其次范德華力和化學(xué)鍵結(jié)合作用。而忽略了毛細水和自然液滴存留水的作用，只是用相對濕度提高液態(tài)水增多的一句話帶過。應(yīng)該說，目前在高吸水材料中較多地采用低表面張力的芯吸材料和多微孔材料，改善或改變纖維吸濕性。該吸濕過程（芯吸作用）和理論是值得探討的問題。2吸濕的定量表征理論 吸濕的定量表征理論主要是描述纖維在一定條件下，纖維固有的吸濕可能性與最終平衡態(tài)時吸收水分總量的關(guān)系。顯然這其中最為相關(guān)的是纖維本身可以吸附水的能力（位置數(shù)）與環(huán)境條件中的相對濕度。 下面所要介紹的三種理論均在此基礎(chǔ)上獲得。1） Peirce theory (two phase absorption)2）

13、Hailwood & Horrobin theory (two phase absorption)3） Speakman theory (three phase absorption)4） Ficks diffusion theory (disperse)1）Peirces theory (1929) 的二相吸濕理論.a)直接吸水：與氫鍵直接作用的吸附水分子作用（Ca）直接水位置分數(shù) = 每個位置上的平均直接水分子的個數(shù)b)間接吸水：與已經(jīng)吸附的直接水的相互吸附水分子(Cb)間接水位置分數(shù) =每個位置上的平均間接水分子的個數(shù)c)總吸水分數(shù) = 每個位置上的平均水分子數(shù)纖維中水分子的增加

14、，即C的增加dC，應(yīng)符合下述關(guān)系： (或 ) q為常數(shù)，積分得 (1) 另 (2)式中的C與回潮率R=Regain存在下述關(guān)系R= (3)Mw 水分子的質(zhì)量18，M0每個位置的纖維分子重量（纖維素為1/3）的總重量為54，所以 () （4）進一步，Peirce引入相對濕度的概念，討論相對濕RH對吸附水的影響及關(guān)系。如知實際的水氣壓p與飽和水氣壓p0 (同溫度時)的比值，其與間接水Cb的位置分數(shù)有關(guān)，即當(dāng)相對濕度增加d(p/p0)時，間接水的位置分數(shù)dCb也增加。當(dāng)然，間接水的增加量要受原有未被水分子占有位置數(shù)（1- p/p0）的制約，所以有下式CCaCb ; 兩邊積分得： (5)Peirce在

15、求得由相對濕度影響的間接水作用后，進而考慮在纖維中的某些位置上，雖有直接水的吸附，但可能存在無間接水位置或已蒸發(fā)掉間接水的位置。而這部分位置分數(shù)應(yīng)該40所以將此項作為修正，代入（5）式得： ；k為常數(shù)。絲光棉的結(jié)果見圖2-2（c） 2）多相吸附層理論Speakman 的羊毛吸濕理論比Peirces theory在羊毛中的應(yīng)用進了一步。Figure 2-3. Division of water into three phases on Speakmans theory for wool分成三相水：（1） 直接與大分子緊密側(cè)基間的氫鍵作用的直接或間接吸收水（無影響）（2） 與分子主鏈內(nèi)的氫鍵、基團

16、或分子間交聯(lián)的化學(xué)作用（影響模量）（3） 在高相對濕度時的間接水和毛細水吸附（影響纖維的形態(tài)與結(jié)構(gòu)）1）B.E.T方程布魯耐爾(Brunauer)、埃米特(Emmett)和泰勒(Teller)(1944)在藍繆爾(Langmuir)的單分子層吸附理論的基礎(chǔ)上提出了多層吸附理論，作出的B.E.T.方程（如下式）能描述呈反S形的纖維吸濕等溫線，如圖2-23所示。 或 式中，R1和R分別為單分子層的吸濕回潮率和纖維的實際回潮率；a為與吸附能量有關(guān)的函數(shù)。 2）吸濕熱的影響由于 式中，E1為第一吸附層的吸濕熱，EL為后續(xù)吸附層的吸濕熱。故B.E.T.方程與吸濕熱有關(guān)。 3）膨脹的影響Cassie 力圖

17、考慮纖維的膨脹作用對B.E.T方程的影響，并導(dǎo)出了回潮率的減少與相對濕度的關(guān)系曲線（），其用減少的氣壓pF代替p得到了在高相對濕度下的較好的吻合。4）多種位置作用 Windle 修正了Cassie的理論，并應(yīng)用于羊毛纖維。他假設(shè)被吸收的水分子可分為三類：a) 定位水(Localized water LW)：直接吸附在吸附位置上，且一位一個；b) 間位水(Intermediate water IW)：吸附在定位水位置上，且一位一個；c) 移位水(Mobile water MW)：吸附在間位水位置上，但沒有位置限制。因此有三個任意的物理常數(shù)要被確定，當(dāng)此完成，理論才能符合實驗結(jié)果。而吸水位置數(shù)取決

18、于分子的結(jié)構(gòu)、吸附能和分子間結(jié)構(gòu)。Feughelman和Haly 假設(shè)每一個水分子有四種與其鄰位的結(jié)合方式，這樣水分子可分為五種形式：0、1、2、3、4。第一組（0）相對于其他四組是最自由的；而第五組（4）是連接最強的。盡管B.E.T.方程有許多改進，并考慮諸如膨脹、多種吸附位置、各層間的相互作用、吸濕熱的變化等等，但幾乎沒有一個在與實測結(jié)果的一致性上取得明顯的進展。3）Hailwood & Horrobin theory水分子的吸附或進入纖維可將此混合體分成三部分：a) 結(jié)合水： P×H2O 相當(dāng)于直接水吸附；b) 溶解水： H2O溶 與聚合物混合在一起，相當(dāng)于液態(tài)水；c)

19、 聚合物: P 未與水結(jié)合的聚合物本身;根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的平衡過程，終值與物質(zhì)的濃度相互關(guān)系為 P×H2O =k1 H2O溶解P k1 為平衡常數(shù)溶解水與水蒸氣也存在一定的平衡態(tài) H2O溶解= k2 H2O汽= k2 H/100=KH在理想的固態(tài)中，三種成分的濃度比，等于它們的克分子數(shù)之比 H2O溶解= nw 溶解水的克分子數(shù) （1） P = np未與水結(jié)合的聚合物克分子數(shù) （2） P·H2O = nx與水結(jié)合的聚合物克分子數(shù) （3） 由（1）式得 （4） 由（2）、（3）式得 H2O溶解= np （5） (6)討論回潮率效果也較好(Wool & Cotton)4) F

20、icks disperse theory 擴散速率 D 常數(shù) A 有效面積 濃度梯度如是單維方向討論到纖維： µ µ µ C0-Cf 濃度變化 質(zhì)量變化速度 水分變化速率 濃度差令 =（C0-Cf ）積分得： -ln(C0-Cf)= t=0時： Cf =0（干燥纖維）；K=-ln C0 ; 從公式的形式上看，擴散理論只討論了單相作用（直接水），但給出了纖維吸收或釋放水分的快慢。其中t值是很關(guān)鍵的參數(shù)，與分子極性，極性基團數(shù)和空的通道有關(guān)。極性­、通道­、溫度梯度­、基團數(shù)­， 都使 t 理論計算20µ的纖維需5se

21、c平衡。但實際要長的多，羊毛纖維 1 min Equilibrium；Cotton 3.5min Equilibrium原因是： 、熱效應(yīng) 、膨脹 、Cb間接水 、滯后性Hysteresis平衡時間相對紗線來說，將更長需十幾分鐘到幾十分鐘，這主要取決于紗線的結(jié)構(gòu)與加拈的程度。同時也與組成紗的纖維類別有關(guān)。由紗形成的織物、紗管、筒子的平衡時間相對單紗來說要更長更復(fù)雜。（幾小時或12個月）由纖維壓緊形成的棉包、毛包，以及其他纖維包，其吸濕平衡可能達幾年。（13年）第二節(jié) 纖維吸濕與大氣條件 前一節(jié)談了纖維吸濕的本身條件，但纖維的吸濕過程是外部水分對纖維體的滲入、擴散、吸著和解吸的過程。水分子的運動

22、，停留附著以及再運動離逸，是在外界環(huán)境下進行的。水分子量的多少也直接取決于大氣中水汽的含量。因此大氣條件是纖維有否水分可吸收和多少水分可吸收的外部條件。其主要包括三方面的要素。 1 溫度：環(huán)境溫度反映氣體分子熱運動的統(tǒng)計量（動能） 2 濕度：相對濕度決定水分子在大氣中的含量或濃度。 3 壓力：大氣壓反映單位體積內(nèi)的分子數(shù)和運動能。一、溫度與纖維含濕量的關(guān)系 當(dāng)環(huán)境中的濕度和氣壓不變時，纖維的回潮率隨環(huán)境溫度而變的曲線，稱為吸濕等濕等壓線，如圖25所示。當(dāng)溫度T上升時，纖維回潮率W值下降，在低溫條件下纖維的回潮率變化不大,在水的沸點附近，回潮率值會大副度地下降。一般認為R 0。纖維吸收水分還會發(fā)

23、熱，影響纖維周圍環(huán)境溫度，使吸濕情況變得復(fù)雜。 圖2-5吸濕等濕等壓線 T() 二、濕度與纖維含濕量的關(guān)系 相對濕度（RH）對纖維回潮率的影響為最典型的反“S”形曲線。這也是皮爾斯（Peirce）二相吸濕理論解釋的現(xiàn)象。如圖26所示，存在三個區(qū)域:1 低相對濕度區(qū)：回潮率快速上升，這主要是纖維分子中的極性基團的作用，直接吸水。2 中間平臺區(qū)：回潮率的上升緩慢，對某些低吸濕纖維該區(qū)幾乎是一常數(shù)。因為直接吸水位置以基本占滿，纖維分子無其他能量，束縛運動的水分子。3 高相對濕度區(qū)：由于水汽壓的增大，水分子易于侵入纖維體內(nèi)，打開一些鍵接與空間；另外，水分子也易于在表面和孔隙中凝結(jié)聚集形成間接水和毛細水

24、。RHR曲線是在溫度和氣壓不變的條件下的相關(guān)曲線稱為等溫等壓線。實際吸濕中的濕度會在纖維中發(fā)生變化，而這種變化一般忽略，只認為大氣的總體溫度未變。三、氣壓與纖維含濕量的關(guān)系 在溫度和濕度不變的條件下，大氣氣壓P與纖維回潮率W的關(guān)系稱為吸濕等溫線，如圖27所示。 隨著環(huán)境氣壓的下降，水的沸點或稱為蒸發(fā)點將下降，在完全真空的條件下，水分子的自由程無窮大，故無法在纖維中存留而逸出。故纖維回潮率值是隨P值的下降而下降。 在常規(guī)大氣壓中，氣壓的變化很小，纖維的回潮率變化更小，一般可以忽略不計。如氣壓值為2001200mHg時，WP曲線為線性曲線，回潮率的絕對差值為0·30·5。這一結(jié)

25、果對本身吸濕性較強的纖維（棉、粘膠、麻、毛）來說，在不同氣壓環(huán)境下其回潮率值就需修正。 第三節(jié) 纖維的吸放濕過程與滯后性 纖維的吸濕與本身性質(zhì)和環(huán)境因素有關(guān)外，作用時間的長短對其也有影響，即吸濕達到某回潮率或吸濕達平衡的過程不同。吸濕與放濕過程在同樣的內(nèi)在和外部原因和條件下，其平衡過程和平衡點也不同，這種現(xiàn)象為滯后現(xiàn)象。 一、 纖維吸濕與時間的關(guān)系tRH(%)0tR (%)0d 首先看圖28，如果環(huán)境的相對濕度變化曲線為圖28（a），則纖維回潮率相對時間的變化曲線為圖28（b），而且最終的相對濕度與起始的相對濕度一致，R-t曲線的起始點和終止點也不會在同一水平上。這是典型的吸濕滯后性的影響。我

26、們又稱為纖維吸濕的記憶性。 圖 28、 二、 吸濕的滯后性 1、 定義 纖維的吸濕滯后性是指纖維在同樣的環(huán)境條件下，吸濕達平衡點的回潮率值始終小于放濕達平衡點回潮率值的性質(zhì)或特征。而且在平衡過程中吸濕達平衡的速率和放濕達平衡的速率在不同區(qū)段呈不同差異，見圖29。 Vai > VdiVal < VdlRa < RddRVaiVdiValVdlR(%)0t圖292、 產(chǎn)生滯后性的原因 1） 纖維結(jié)構(gòu)的變化 分子的鍵合（溶解） 結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞 2） 纖維的膨脹 無序部分的膨脹 （無回復(fù)能） 結(jié)構(gòu)塊的移動 （無回復(fù)能） 表面能表面積的上升 3） 水分子的傳遞梯度作用 先外后內(nèi)，有梯度

27、差 4） 水分子的能量的改變 停頓時能量來源明確 再次運動逃逸的能量來源隨機 5） 水浸后的表面能發(fā)生變化，粘合性和互溶性增長。 毛細吸水 超細纖維、高表面張力纖維等。 根據(jù)Kelvins equation ln= -=ln表面張力；M水分子量18；H相對濕度；水的密度；R氣體常數(shù)；T絕對溫度；毛細管水面的曲率半徑。 在20水時 （nm） 液面曲率半徑吸濕滯后性中的 液面曲率半徑變化 液面包圍角變化圖2-10 Hysteresis in Capillaries第四節(jié) 纖維吸濕對纖維性質(zhì)的影響 對于有吸濕特征的纖維，在其吸濕后，其性狀將發(fā)生變化，這體現(xiàn)在諸多方面。通常這些變化有形狀、密度、力學(xué)性

28、質(zhì)以及熱、光、電學(xué)性質(zhì)的變化。一、 吸濕對纖維形態(tài)的影響 1、 纖維的吸濕膨脹 纖維在水分子進入體內(nèi)后，會產(chǎn)生膨脹。其原因是水分子對纖維大分子間的空隙的侵入，導(dǎo)致纖維分子建作用力的拆開。同時大量的水分子以間接吸附，集聚的方式，使這種空隙或間距拉大。其結(jié)果是纖維整個形態(tài)的膨脹。 膨脹量的大小用纖維的膨脹系數(shù)來表達。常用的有： 1 軸向膨脹系數(shù)Sl或稱長度膨脹系數(shù) (×100%) 纖維的軸向膨脹系數(shù)一般為12，不吸濕纖維則無變化。 2 徑向膨脹系數(shù)Sd：（橫向膨脹系數(shù)） Sd=(×100%) 徑向膨脹系數(shù)，一般為1030，顯然纖維的吸濕膨脹性是各向異性的。 3 截面膨脹系數(shù)：S

29、A=(×100%) 纖維的截面膨脹系數(shù)，一般可達2070。 纖維的截面膨脹系數(shù)SA與徑向膨脹系數(shù)Sd存在下述關(guān)系。 注： SA= =2+×100%=2 Sd+ Sd2 即： SA+1=1+Sd+(1+Sd)Sd=(1+Sd)2 4纖維的體積膨脹系數(shù)SV SV×100% 其與軸向和截面膨脹系數(shù)存在以下關(guān)系。 SVSlSASl×SA/100 注： ×100%= ×100%=×100% =()×100% 實際纖維的膨脹系數(shù)如表21所示 表21 纖維 棉 羊毛 蠶絲 苧麻 粘膠 Sl 0.10.5 1.31.6 0.50.

30、8 34 Sd 2030 1520 1620 2030 2552 SA 4050 2635 2030 4050 5080 SV 4250 3645 2536 4555 60100 從表中可以看出，纖維的徑向膨脹遠大于纖維的軸向膨脹，一般可相差一個數(shù)量級以上。 即 Sd >> Sl 其原因在于：纖維的本身結(jié)構(gòu)存在各向異性（纓狀微胞或Staudinger模型） 水分子進入分子間（側(cè)向）較容易且易于拉開分子間距；而水分子即便進入分子的頭端也很難推移大分子，形成軸向的伸長。因此,水分子 分子間 拆開 膨化 彎曲 軸向的收縮 水分子 分子頭端 軸向推開 軸向的膨化 屈曲 徑向膨化 長度不變故

31、各向異性體的纖維軸向膨脹必然很少。2、纖維吸濕后的形態(tài)改變 形態(tài)的改變: 一是形態(tài)大小的變化,膨脹系數(shù)足以證明。 一是形狀變化,如棉纖維變成圓形,轉(zhuǎn)曲消失;毛纖維卷曲下降,卷曲波長增大,波幅減小等。纖維集合體織物的變化，一般指織物的縮水。即織物吸收水分后,織物變硬,變厚,變短,干燥后仍維持變短的特征。這主要是棉、粘膠織物.對毛織物來說會產(chǎn)生濕膨脹。由于羊毛卷曲和卷曲強度的下降所致。前者稱為織物的”縮水”,后者稱為織物的”濕膨脹”。二、吸濕對纖維重量和密度的影響1. 重量纖維的回潮率的上升,直接導(dǎo)致纖維重量的提高,為線形關(guān)系 Gf=G0+Gw =G0(1+R/100) Go為纖維干重 斜率 k=

32、 =G0/1002. 密度(或比重) 纖維中存在空隙和自由體積,水分可以進入這些區(qū)域,而不影響纖維的外觀形態(tài).但吸濕量大幅度增加后,纖維的表觀體積會增大,由此纖維的密度(或比重會發(fā)生非線形變化,其情況如圖212(b). 因為纖維的重量為： fVf=0V0+wVw 在吸濕的初始階段Vf=Vf0+Vff(Vf0 纖維實際占有體積Vff纖維的空隙與自由體積)中的Vff成為水分子進入存留的主要空間,而未對外觀尺寸發(fā)生影響.即Vf=const ，而分子中的第二項wVw 在增加，故w 曲線上升。隨著Vf開始變化，而水的密度一般小于纖維實體的密度。故水與纖維的混合體密度將變小。纖維吸收水會造成纖維的膨脹，盡

33、管在初始階段不明顯，其關(guān)系可以用膨脹率的表達式求得 = 式中： 為干燥纖維的密度 為實際纖維的密度注：絕對膨脹率 SV=×100%=×100%=×100% =×100%三、吸濕對纖維力學(xué)性質(zhì)的影響纖維的力學(xué)性質(zhì)，通常指纖維的強伸性、摸量和彈性。纖維吸濕對這些性質(zhì)的影響，一般是：1、 強伸性：對纖維而言其強力一般下降，因為分子間的作用力被吸收的水分子破壞；伸長變大，原因是纖維分子間的滑移性增大。吸濕性越大，這種強伸性的變化越大。對不吸濕纖維而言，其強伸性一般無變化。纖維中只有棉、麻纖維的強力隨吸濕量的變化是一特例。即隨著棉、麻纖維吸濕量的增加，纖維的強力不

34、但不會下降，而且會略有上升。其原因是棉、麻纖維的分子鏈較長，大分子可以連續(xù)穿過若干個晶區(qū)與非晶區(qū)。吸濕中水分子可以將部分結(jié)合較弱的結(jié)晶點破壞，而使纖維分子在外力作用下的受力更為均勻，從而使纖維的整體強力無多小變化并有部分提高。如圖213所示。但纖維的伸長性質(zhì)與其他吸濕纖維一樣。吸濕量增加，伸長增大，圖213也能說明次現(xiàn)象。2、 模量： 纖維吸濕后，由于分子間作用減弱，分子和分子鏈段間的滑移變得容易，因纖維摸量的下降，對羊毛螺旋大分子結(jié)構(gòu)來說，吸濕對其摸量的影響更大。吸濕前后纖維的拉伸曲線的典型區(qū)別如圖214所示 3、 彈性：纖維的彈性，嚴格地說是指纖維能夠被變形而且易于回復(fù)的特征。若纖維的變形

35、值越大，且回復(fù)越多越快，該纖維的彈性越好。顯然，纖維吸濕后，伸長增大，但回復(fù)性下降。故纖維的彈性變差。其主要原因是吸濕后纖維的塑性變形量增大。4、 纖維的耐疲勞性：纖維吸濕后，其耐疲勞性受到二方面因素的影響。其一：吸濕后纖維的強力下降，伸長卻有較大地增加，由此纖維的斷裂總能量值有所增加，這一特征有助于纖維耐疲勞性的提高。其二：水分子進入纖維后，削弱了分子間的作用力，分子間的滑移增大，纖維因疲勞引起的蠕變增大而易于累積引起纖維的疲勞破壞。故使纖維耐疲勞性能下降。綜合上述兩個相對因素，起主導(dǎo)作用的一般是后者，故纖維吸濕后的耐疲勞性能一般下降。 四、吸濕對纖維熱學(xué)性質(zhì)的影響吸濕對纖維熱學(xué)性質(zhì)的影響主

36、要反映在兩個方面的作用，一是纖維吸濕的熱效應(yīng)；一是纖維吸濕的熱學(xué)性質(zhì)變化。1、 纖維吸收濕的放熱現(xiàn)象纖維吸濕的放熱機制由圖2-15所示。 產(chǎn)生熱量 Qv纖維 +水汽 纖維+吸附水 （運動） （靜止） L Ql 纖維+液態(tài)水 （運動） 圖2-15由熱動力學(xué)第一定理：Qv=L+Ql 式中：Qv 為汽化水變?yōu)槲剿懦龅臒崃浚↗/g）； Ql 為液態(tài)水變?yōu)槲剿懦龅臒崃浚↗/g），又稱為膨脹熱； L 為水汽變液態(tài)水的潛能（J/g）；(單位質(zhì)量或重量)或單個分子 顯然，由熱力學(xué)第一定理公式可以看出纖維吸收空氣中的水分放熱是由水汽轉(zhuǎn)換的潛能和水分吸附的吸附能所構(gòu)成。這種熱量通常采用二種方式來定量表示。

37、 吸濕積分熱（Integral heat of sorption）：是指單位質(zhì)量或重量的纖維（g）從某一回潮率值（w）吸收水分到完全浸潤時所放出的熱量（J），完全浸潤即纖維的飽和回潮率值（ws ） 所以：Hw= ( J/g ) 典型的纖維吸濕積分熱曲線即Hww曲線如圖2-16所示，纖維從完全干燥到完全濕潤所放出的總熱量Hw0為纖維的完全潤濕熱。 各種纖維的完全潤濕熱是不同的，其值見表。Hw0HwdwdHwWWsMoisture regain, WIntegral Heat 圖吸濕積分熱曲線（Hww）表完全潤濕熱（J/g）Heats of wetting from zero regain纖維RH

38、%棉粘膠醋酯羊毛蠶絲尼龍聚酯腈氯綸絲光棉亞麻Hw0(J/g)0461063411369315773556540822985542668羊毛與粘膠纖維以及棉與醋酸纖維的吸濕積分熱曲線如圖2-17所示，可以看出羊毛與粘膠具有較高的吸濕積分熱值。而棉纖維相對較低。但在完全潤濕熱處的斜率值較接近（見圖2-17），說明其吸附水分子的極性基團數(shù)和瞬間吸附量相近。該斜率在理論上為吸濕微分熱。 圖2-17 幾種纖維的吸濕積分熱曲線（2）、吸濕微分熱（Differential heats of sorption）吸濕微分熱Ql是指無窮大的試樣吸收一克水所放出的熱量。在理論上，顯然等于吸濕積分熱曲線的一次微分，即

39、 =()= -顯然，吸濕微分熱與吸濕熱（由液態(tài)水到吸收水）存在等量綱的關(guān)系。 Ql= -100故通常在實際表達中，又常以液態(tài)水吸收熱來表示吸濕微分熱。 Ql=QV - L （總吸濕熱 - 潛熱）根據(jù)纖維吸濕微分熱的定義式，其值顯然隨纖維已有回潮率值的變化而變化，其特征如圖2-18所示，起始點相近，如前所述，隨后迅速下降，而后在高回潮率值時趨于平緩，只是羊毛略有不同。 羊毛的吸濕微分曲線為線性，即微分曲線的變化為常數(shù)。 纖維的吸濕微分熱可通過三種方法（在理論上）求得： ）由吸濕熱方法即熱力學(xué)第一定律： Ql=Qv-L ) 由吸濕積分熱方程的微分求得： Ql=-100 圖2-18 羊毛與部分纖維素

40、纖維的吸濕微分熱曲線 ) 由纖維的吸濕等溫線，即Clausius-Clapeyron方程求得（其忽略了液體的體積變化的影響）得： Ql=RT2()w 式中：R為氣體常數(shù) T為絕對濕度 RT=pV=psvs H為相對濕度（%） H=(p/ps)100% p為纖維中的實際氣壓 V為p時的比體積（比容） ps為飽和水氣壓 vs為ps時的比體積（比容） = ; ( )w= lnH = lnp - lnps+ ln100兩邊微分：（）w = ( )w - =(QV - L) Ql=RT2()= - R()w 由第二中方式求得的理論方程，纖維的吸濕微分熱是濕度和相對濕度的函數(shù)。其值見表2-3纖維 相對濕度

41、（%）01530456075 棉 粘膠 醋酯 絲光棉 羊毛 尼龍41.171.341.050.50.550.560.610.750.750.390.460.380.440.550.550.320.390.310.330.420.420.290.34由吸濕等溫線 求得(From sorption isotherms )表2-4不同回潮率時的吸濕微分熱（直接法和等溫線法）纖維回潮率%吸濕微分熱（kJ/g）直接量熱法吸濕等溫線法Viscose rayon05101.170.530.391.090.440.25Acetate50.270.21Cotton5

42、0.320.27Wool612180.590.400.170.540.400.26由表2-4的值可以看出，直接量熱法所得的值均高于吸濕等溫線法求得的值。(3)吸濕放熱作用 纖維在一定條件下的吸收和釋放水分，會導(dǎo)致能量的轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生放熱和吸熱反應(yīng)或稱現(xiàn)象，這種吸濕放熱或放濕吸熱現(xiàn)象對各種纖維來說是不同的。根據(jù)前述理論和吸濕的積分熱與微分熱定義可以看出：吸濕的積分熱值越高，材料在整個吸濕過程中放出熱的總量越高；吸濕微分熱值越高，反映材料在某一條件下的吸放熱的速度越快。表2-5纖維放濕量表1kg,4070%纖維KJWool159Cotton84Viscose rayon168Acetate50Nylo

43、n42Terylene4 對通常的纖維材料來說，其放熱量大致為如圖表2-5所示的結(jié)果，該值為單位1kg重的纖維材料在相對濕度由40%到70%時的釋放熱 的總量。 這種放熱對人體適當(dāng)外界條件的變化是極為有利的，例如：人們從環(huán)境溫度18，相對濕度45%的房間，走到戶外5；95%RH。如果穿著1.5kg重的羊毛織物時，其將獲得6000KJ的熱量。(4) 吸濕放熱作用的機理與影響 吸濕放熱或其逆過程放濕吸熱。這是材料的一種記憶或一種智能過程。這在前一點所舉的例子中可以看出。由于自然環(huán)境的變化，與纖維的這種反應(yīng)的相配性，給材料的應(yīng)用（如人們的穿衣）提供了很大的方便與舒適。而纖維吸濕中是如何產(chǎn)生吸放熱現(xiàn)象

44、的呢？ 原因主要是水分子的運動能的釋放轉(zhuǎn)化。高速運動的氣態(tài)水分子變化為較低運動能的液態(tài)水分子將放出汽化潛能，而液態(tài)水分子被纖維極性基團的固著（或吸附）將放出吸附時的動能轉(zhuǎn)化熱能。這兩部分熱能就是纖維發(fā)熱的原因，當(dāng)然潛能在纖維體外也能發(fā)生。因此不是纖維發(fā)熱的主要原因，主要原因是后者，纖維吸收水分子后放出的熱能。 吸放濕的熱效應(yīng)，會影響纖維材料的加工過程，如紡、織、染加工中的，烘燥、給濕、熱定型的給熱和熱平衡計算；會影響纖維材料的儲運中的通風(fēng)、干燥、降溫等措施，以保證纖維的原有性能和質(zhì)量和安全性，如纖維的霉變，纖維自身發(fā)熱的高溫現(xiàn)象和甚至燃燒，會影響纖維材料的服用過程中 的不合理使用，如強運動高濕

45、狀態(tài)下的服裝，穿衣中的不和理穿著等。2、 纖維吸濕后的熱性能變化纖維吸濕后的熱性能指標比熱，導(dǎo)熱系數(shù)會發(fā)生變化。（1）比熱：由于水的比熱為1(cal/g)，標準制CGS J/g而紡織纖維在20，絕干狀態(tài)下的比熱為0.3-0.5卡/克度，只有水的1/31/2。故混合體的比熱將變化，一般吸濕后纖維比熱值增大。（2）導(dǎo)熱系數(shù)：水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.515 kcal/mhr。絕干的纖維在20時的導(dǎo)熱系數(shù)在0.040.3千卡/米度時。顯然水的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎是常規(guī)纖維的10倍。 顯然，纖維吸濕后其比熱和導(dǎo)熱系數(shù)增大，纖維材料的保暖性下降，吸熱的概率上升，且儲熱的能力增大。故對穿著來說夏季的舒適性變好，冬季的舒適

46、性變差，纖維材料的耐熱、耐熔孔性增加。五、對纖維電學(xué)性質(zhì)的影響纖維一般是導(dǎo)電性極差的材料，其體積比電阻一般在101010 15 。如果纖維能夠吸濕，水分子的導(dǎo)電子作用遠高于纖維。因此可以改善纖維的導(dǎo)電性，一般可使纖維在107左右。在回潮率達10%以上，或相對濕度達90%以上。如羊毛時，電阻值為10131015，但當(dāng)為90%時電阻值可達107。水分子的進入不僅可以改善纖維的導(dǎo)電性，而且會引起纖維介電性能的變化。由于水的介電常數(shù)為80，纖維的介電常數(shù)一般在25。故吸濕后的纖維的介電常數(shù)明顯增大。纖維吸濕后的導(dǎo)電性增強，將使纖維的抗靜電性提高。天然纖維的吸濕性一般都較好，故抗靜電性都較好。羊毛由于表

47、層存在拒水性的油脂，且纖維內(nèi)對水分子的附著力較大。故羊毛纖維的抗靜電性，在同樣的回潮率狀態(tài)下，其效果不明顯，即仍用靜電現(xiàn)象。六、吸濕對纖維光學(xué)性質(zhì)的影響纖維吸濕后纖維的結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯的量的變化，即分子間的距離拉大，層間結(jié)構(gòu)的層間距變大，而且水分子在纖維中的存留直接引起纖維結(jié)構(gòu)相的多重復(fù)合化。這將影響材料的密度和組成。纖維的折射率與密度的關(guān)系，符合Glacstone & Dale定律. =const水分子的進入影響纖維的密度，即而引起纖維折射率的變化。同時從結(jié)構(gòu)變化的角度說，亦會影響纖維對光的反射，透射，吸收特征。這些變化的測量，目前因量較微小，難以測準，而無多少報道。纖維吸收水分后對纖維雙折射的影響是一較復(fù)雜的問題，這將在纖維光學(xué)性質(zhì)一章中介紹。第五節(jié) 纖維吸濕性的表征與測量一、 纖維吸濕量的表征指標1、 直接表達指標 直接指標