纖維的吸濕性

關于纖維的吸濕性第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三研究吸濕性的意義吸濕性影響纖維性能親水性纖維——天然纖維、再生纖維疏水性纖維——合成纖維吸濕性影響纖維的紡織加工性能靜電現(xiàn)象吸濕性影響紡織品的使用舒適性吸濕導汗第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三纖維吸濕性的研究內(nèi)容纖維的吸濕平衡（老知識）纖維的吸濕熱纖維材料的吸濕速率吸濕與纖維性能之間的關系纖維的吸濕機理與理論第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三一、纖維的吸濕平衡1.吸濕平衡：單位時間內(nèi)從纖維制品中放出或蒸發(fā)出來的水分等于它吸收大氣中的水分是一種動態(tài)的吸濕和放濕的平衡狀態(tài)吸濕與大氣條件有關，標準大氣條件：溫度為20℃，相對濕度為65%吸濕的平衡第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.表征吸濕性能的指標回潮率（moistureregain）W含水率（moisturepercentage）M第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三標準回潮率標準大氣條件下（溫度為20℃，相對濕度為65%）纖維的回潮率便于比較不同纖維材料的吸濕性公定回潮率人為規(guī)定的回潮率為了貿(mào)易中計量和核價的需要而制定混合原料的公定回潮率W-各原料公定回潮率；P-各原料的干燥質(zhì)量分數(shù)；第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.纖維吸濕性的測試方法直接法：先稱取濕重，再干燥去水獲得干重烘箱法應用最多存在難以完全脫水、物質(zhì)揮發(fā)干重稱量精度低等問題紅外線干燥法（遠紅外）利用紅外線加熱，速度快，設備簡單易局部過熱，使材料變質(zhì)高頻加熱干燥法利用極性分子和水分子在高頻電場下轉(zhuǎn)向摩擦生熱烘干，干燥均勻真空干燥法真空降低水的沸點適用于不耐高溫的纖維吸濕劑干燥法（五氧化二磷粉末、氯化鈣顆粒）第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三間接法：利用纖維中含水率與纖維性能間關系的原理來測試電阻測濕法纖維回潮率不同，纖維的電阻不同電容式測濕法纖維回潮率不同，纖維的電容不同微波吸收法水和纖維材料對微波的吸收和衰減程度不同紅外光譜法水對紅外線吸收量與纖維材料含水量成比例第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三4.纖維吸濕滯后性①定義：同樣的纖維在一定的大氣溫濕度條件下，從放濕達到平衡和從吸濕達到平衡時，兩種平衡回潮率不相等，前者總是高于后者。第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三②吸濕滯后性的原因

纖維吸濕滯后性的原因可以用水分子進入或離開纖維引起纖維干、濕結(jié)構的變化來解釋。水分子外逸后，纖維大分子間距離較大，橫向結(jié)合鍵重建比水分子重新進入纖維困難，纖維達到平衡態(tài)的回潮率高吸濕滯后第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三在某一相對濕度條件下，纖維由干態(tài)達到吸濕平衡在某一相對濕度條件下，纖維由濕態(tài)達到吸濕平衡第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三③纖維的吸濕等溫線

在一定的溫度條件下，纖維材料因吸濕達到平衡回潮率和大氣相對濕度間的關系曲線，稱為纖維的吸濕等溫線（反S形）天然及再生纖維的吸濕性能比合成纖維要好得多1-羊毛 2-粘膠纖維3-蠶絲4-棉5-醋酯纖維6-錦綸7-腈綸8-滌綸第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三④吸濕滯后圈(直觀反映吸濕滯后性)在一定溫度條件下，纖維材料由放濕達到平衡回潮率和大氣相對濕度間的關系曲線，稱為放濕等溫線。由于纖維的吸濕滯后性，同一種纖維的吸濕等溫線與放濕等溫線并不重合，而形成吸濕滯后圈吸濕滯后的差值與纖維的吸濕能力有關。一般規(guī)律是吸濕性大的纖維差值比較大如圖，若纖維在放濕過程中達到a點，平衡后再進行吸濕，其吸濕曲線是沿著虛線ab而變化。同樣，若纖維的吸濕過程到達c點平衡后，再進行放濕，則其放濕曲線是沿著虛線cd而變化?！w維的回潮率與纖維的吸放濕歷史有關，試樣需要預調(diào)濕。第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三二、纖維的吸濕熱纖維吸濕放熱的原因：當纖維吸收水分時，會產(chǎn)生熱量，熱是由于纖維分子與水分子之間的吸引而結(jié)合時水分子的動能降低而轉(zhuǎn)換成熱能被釋放出來。

第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三1.吸濕熱指標①吸濕微分熱Q，也稱為吸濕熱定義：是指在一定回潮率條件下，1g質(zhì)量的水被質(zhì)量為無限大的纖維材料吸收時產(chǎn)生的熱量單位為Ｊ/ｇ從水蒸氣中吸收水分時產(chǎn)生的熱量為Qv；從液態(tài)水中吸收時產(chǎn)生的熱量為Ql，兩者間關系為

Qv=Ql＋L式中，L是在一定溫度下，水蒸氣凝聚時的潛熱；Ql為纖維的吸濕微分熱，有時稱為膨脹熱。第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三②吸濕積分熱W，也稱為潤濕熱。是指在一定回潮率條件下，1g質(zhì)量干燥的纖維材料，達到完全潤濕時所產(chǎn)生的熱量單位為Ｊ/g第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三③微分熱與積分熱之間的關系當回潮率增量dr時，產(chǎn)生的熱量為Qldr/100。如將其從r積分到飽和回潮率r時，這就是當回潮率為r時的積分熱，即反之，如果回潮率減少dr，則其所減少的熱量也應該等于Qldr／100，或微分熱Ql等于W是r的函數(shù)（見下圖）積分熱隨回潮率變大減小對微分熱曲線求積分第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.影響纖維吸濕熱的因素①吸濕性能好的纖維，它的積分熱高第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三②纖維的積分熱隨纖維的回潮率提高而減少，在飽和時，積分熱接近于零。纖維的微分熱隨回潮率增加而減少。原因：高回潮率條件下，水分子與纖維結(jié)合松弛，產(chǎn)熱少。第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三③纖維吸濕積分熱的大小與纖維上親水基團的極性有關，具有相同親水基團的纖維，其積分熱也基本相同。第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三④纖維吸濕放熱的應用纖維吸濕放熱的特性和衣著的舒適性有關，吸濕熱大，有幫助人體調(diào)節(jié)體溫的作用，體現(xiàn)為有較好的保暖性。但纖維吸濕放熱這一特性對纖維材料的儲存是不利的，如果倉庫空氣潮濕和通風不良，就會因吸濕放熱而使纖維或織物變質(zhì)發(fā)霉，甚至引起火災。第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.纖維吸濕熱的測試方法吸濕積分熱的測量將一已知質(zhì)量的一定回潮率的纖維試樣，放入一已知熱容量的量熱器中，并加過量的水，然后測量其上升的溫度，根據(jù)上升的溫度和測試系統(tǒng)的熱容量，可以計算出積分熱吸濕微分熱的測量直接測量纖維的微分熱是困難的，但可以測量與纖維微分熱有關的其他性能，然后經(jīng)換算得到。量熱器法：按積分熱的測量方法，獲得纖維的積分熱—回潮率曲線，然后算出該纖維在任何給定回潮率時的微分熱。吸濕等溫線法：利用在一系列不同溫度下的纖維的吸濕等溫線可以計算得到該纖維在不同回潮率時的微分熱的一種方法。

纖維的吸濕微分熱可以由在一定回潮率時lnH～1/T曲線的斜率求得第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三三、纖維材料的吸濕速率1.纖維吸濕的水分子擴散方程及其近似解如果在一給定介質(zhì)(如空氣或纖維材料)中水分子濃度各處是變化著的，則水分子將從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散或滲透，直到水分子濃度分布均勻為止。通過垂直于濃度梯度的平面，面積為A，擴散系數(shù)為D的質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率，可由費克(Fich)方程給出如下濃度梯度，是水分子擴散的推動力，為負值;

擴散速度，單位時間擴散通過的物質(zhì)的量;D為單位濃度梯度時，物質(zhì)通過單位截面的擴散速度，是物質(zhì)的屬性，表示物質(zhì)的擴散能力。第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三當t=0時無限源，濃度不變接受體為引入常數(shù)對上式積分，由初始條件t=0,c=0得到對上式微分受體中水汽濃度隨時間變化情況纖維材料以此速率吸濕，達到平衡需時間為t=時，c=0.63c0，可表示纖維吸濕快慢第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三如圖所示的水分通過空氣長度為l到達吸濕材料的擴散系統(tǒng)。如果水分以初始速率擴散，整個平衡過程所需的時間τ為表明吸濕速率與濃度梯度、吸濕量、擴散系數(shù)、吸濕表面積、空氣間隔的關系第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.影響纖維材料吸濕平衡速率的主要因素與吸濕平衡速率有關的因素：擴散系數(shù)（水）&吸濕放熱的驅(qū)散（纖維）纖維材料吸濕平衡過程中回潮率、溫度、蒸汽壓力變化初始：大氣水蒸氣壓高→水分子進入試樣→回潮率↑吸濕放熱→溫度↑→水蒸氣壓↑當纖維的蒸汽壓等于大氣蒸汽壓時為“瞬態(tài)平衡”，熱量必須驅(qū)散吸濕才能進行。熱量驅(qū)散→溫度↓→水分子動能↓→水蒸氣壓↓→吸濕進行，補充水分子→保持壓力不變，直到纖維溫度與大氣溫度相同。上述過程中吸濕產(chǎn)生的熱量必須驅(qū)散第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三包裝的尺寸和形狀:包裝尺寸(或體積)大，熱傳遞的距離越大，調(diào)濕越慢。表面積增加，熱傳遞加快包裝密度:調(diào)濕平衡時間∝密度纖維材料種類:不同纖維材料的吸濕性不同，達到平衡時吸收水分的質(zhì)量和放出的熱量不同。對平衡速率有較大影響?；爻甭?纖維試樣在較低和較高回潮率時，其水分子擴散系數(shù)低，吸濕平衡較慢。溫度:高溫時，熱量的轉(zhuǎn)移或驅(qū)散較迅速，平衡較快，低溫時，吸濕平衡較慢?？諝饬鲃?圍繞纖維試樣周圍通風越好，熱量散失越快，調(diào)濕平衡時間也越短。外界條件可控因素第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三四、吸濕與纖維性能間的關系1.對質(zhì)量的影響纖維吸濕后質(zhì)量增加。纖維或紡織制品的質(zhì)量，實際上都是一定回潮率下的質(zhì)量，因此正確表示紡織材料的質(zhì)量或與質(zhì)量有關的一些指標，如纖維或紗線的線密度，織物的平方米質(zhì)量即面密度等，應取公定回潮率時的質(zhì)量即標準質(zhì)量。第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.吸濕膨脹纖維吸濕后，其縱向和橫向均要發(fā)生膨脹，體積增大，其中橫向膨脹大而縱向膨脹小。因此，織物吸水后，由于紗線直徑變粗會使織物產(chǎn)生收縮；也會使柔軟的織物變得粗硬，如粘膠纖維織物；如果密度很高的織物，吸濕后由于膨脹，可能成為不透水織物，如文泰爾防水織物。纖維的膨脹值可用直徑、長度、截面積和體積的膨脹率來表示。吸濕膨脹的測量：體積膨脹率可表示為△V-纖維膨脹后體積增量

V-纖維原來的體積

W-回潮率

-纖維干燥時密度

-纖維吸濕膨脹后密度纖維直徑和長度膨脹率可由顯微鏡和長度儀測量。第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三纖維的吸濕膨脹具有顯著的各向異性（由纖維結(jié)構各向異性造成）。截面方向：水分進入無定形區(qū)，分子間力打開，長鏈分子距離增加，直徑增加。徑向：水分子進入，非完全取向大分子構象變化，纖維長度略有增加。第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三羊毛在亞硫酸鹽還原劑中的溶脹

第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.對纖維密度的影響纖維在吸著少量水時，其體積變化不大，水分子吸附在纖維大分子間的孔隙，單位纖維體積質(zhì)量隨吸濕量的增加而增加，使纖維密度增加。大多數(shù)纖維在回潮率為4%～6%時密度最大。待水分子充滿孔隙后再吸濕，纖維體積顯著膨脹，使纖維密度反而降低。1-棉2-粘膠纖維3-蠶絲4-羊毛5-錦綸第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三4、對力學性能的影響大多數(shù)纖維強力隨回潮率升高下降，但棉、麻纖維相反；所有纖維斷裂伸長率隨回潮率升高增加。纖維塑性變形增大。5、對熱、光、電學性能的影響回潮率↑→導熱系數(shù)↑電阻↓介電常數(shù)↑雙折射↓形狀雙折射↑第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三五、纖維吸濕的影響因素（材料、環(huán)境）1.纖維材料本身對纖維吸濕的影響因素①親水性基團：羥基（OH）、羧基（COOH）、氨基（NH2）、酰胺基（CNOH）②結(jié)晶度：水分不能進入纖維的結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶度低吸濕能力好（棉70%、粘膠30%），晶粒小吸濕好（粘膠皮層回潮率13-14%，粘膠芯層回潮率11-12%）。③纖維比表面積和空隙：比表面積大，表面能高，吸附能力強，吸濕好（直接吸收水，間接吸收水）空隙在高相對濕度時形成毛細水④伴生物和雜質(zhì)第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.環(huán)境對纖維吸濕性的影響相對濕度的影響在一定溫度條件下，相對濕度越高，空氣中水汽分壓力越大，單位體積空氣中的水分子數(shù)目越多，纖維的吸濕機會也較多。溫度的影響溫度對纖維平衡回潮率的影響比相對濕度要小，其一般規(guī)律是溫度越高，平衡回潮率越低。溫度對棉纖維吸濕的影響羊毛和棉的吸濕等濕線第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三空氣流速的影響當周圍空氣流速快時，有助于纖維表面被吸附水分子的蒸發(fā)，纖維的平衡回潮率有所降低。應力的影響纖維的吸濕膨脹意味著應力作用于纖維將會改變其平衡回潮率。當拉應力作用于長絲纖維時，纖維平衡回潮率增加

;當橫向壓應力作用于纖維，其回潮率降低。第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.吸濕理論

皮爾斯(Peirce)理論

海爾伍德(Hailwood)和霍洛賓(Horrobin)理論

其他的纖維吸濕理論

第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三①皮爾斯(Peirce)理論(1929)理論提出的實驗依據(jù)：纖維吸濕后模量呈指數(shù)下降。纖維吸收的水分子分成兩類一類是直接吸收水，即水分子通過氫鍵直接與纖維大分子上的親水基團結(jié)合在一起。另一類是吸附在直接水分子上的間接吸收水。間接吸收水對纖維的物理機械性質(zhì)影響不大，結(jié)合力較小，容易蒸發(fā)，它對纖維中水分的蒸發(fā)起主要作用。第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三C為總吸著位置上具有的水分子的比數(shù)。其中，Ca為總吸著位置上直接吸著水分子的比數(shù)，Cb為總吸著位置上間接吸著水分子的比數(shù)，則有：

C=Ca+Cb第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三當C增加dC時，其中直接吸著水分子的增量應與未被直接吸著水分子占據(jù)的位置數(shù)成正比，即q為比例常數(shù)，將上式積分得到假設q=1，有即第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三由回潮率定義：r=吸收水的質(zhì)量/纖維干重=

其中，Mw為水分子相對質(zhì)量=18；Mo為每一吸著位置相應的纖維質(zhì)量=1/3葡萄糖?；|(zhì)量=54；k=纖維質(zhì)量/纖維中無定形區(qū)質(zhì)量，k>1，其引入表示纖維中的無定形區(qū)才能吸收水分。由上式得出皮爾斯兩相理論的棉纖維回潮率分配C為每個吸著位置上的平均水分子數(shù)第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三水分的蒸發(fā)，與間接吸著水有關

P為蒸汽壓；Po為飽和蒸汽壓；P/Po為相對濕度。P/Po增加dP/Po，Cb增加dCb，且其只吸附于尚未有間接水分子的部位對上式積分得上式為相對濕度和吸濕之間的關系方程式。β為修正位置（1-P/Po）的常數(shù)第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三考慮到有直接吸著水，但沒有間接吸著水的位置上，也有一部分水分子會蒸發(fā)，為相對濕度的增加做貢獻，這部分位置等于（1-P/Po），其上吸著的直接吸著水分子為因此K為常數(shù)間接水直接水第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三將前面分析結(jié)果帶入，得到回潮率與相對濕度的理論關系K可通過實驗求得。絲光棉的回潮率與相對濕度的理論關系為絲光棉的回潮率與相對濕度的關系這里對于棉來說，K=0.4,β=5.4第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三②海爾伍德(Hailwood)和霍洛賓(Horrobin)理論假設一部分水分子與纖維結(jié)合在一起，其他的水分子則溶解于纖維，與纖維混合在一起，他們認為吸濕后的纖維是溶解水(H2O溶解)、與水結(jié)合的纖維(F-H2O)、未與水結(jié)合的纖維(F)，三者混合在一起，形成一個簡單的固體相物質(zhì)。各物質(zhì)濃度關系為：溶解水與水蒸氣存在平衡態(tài)水蒸氣濃度可代表相對濕度H為相對濕度得到K=K2/100第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三三種成分濃度比等于其摩爾比（1）（2）（3）由（1）得到由（2）、（3）得到纖維吸收總水分（包括溶解水與結(jié)合水）等于，纖維總分子數(shù)（與水結(jié)合及未與水結(jié)合的）等于，因此，纖維回潮率為18為水分子相對分子量；M為纖維每一親水基團的相對分子量（4）（5）上式可改寫成由（4）、（5）兩式得第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三海氏理論與棉、毛纖維的實驗值的比較第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三③其他的纖維吸濕理論

斯畢克曼（Speakman）理論(1944)三相理論：與角蛋白質(zhì)側(cè)鏈中親水基團結(jié)合的水分子，稱為第一相；吸著于主鏈上親水基團的結(jié)合水分子為第二相；而在高濕條件下，附著于纖維的結(jié)合力較低的間接水分子或毛細水，稱為第三相。羊毛纖維的吸濕等溫線的三相水a(chǎn)、b、c的分配第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三多層吸附理論基于布魯耐爾(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上提出了多層吸附理論，得到B.E.T.方程能夠描述反S形的纖維吸濕等溫線。第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三單分子層吸附理論假設

a)單分子層吸附；

b)相鄰被吸附分子間沒有作用力；

c)表面各處吸附能力相同；

d)吸附是動態(tài)平衡。解吸速度=K1θ其中，θ為任一瞬間已吸附氣體的固體表面對固體總表面的分數(shù)；1-θ為未吸附氣體的表面積占總面積的分數(shù)。K1為一定溫度時的比例常數(shù)。第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三吸附速度=K2P（1-θ）K2為一定溫度下的比例常數(shù)；

P為氣體壓力（吸附速度與單位時間內(nèi)碰撞單位面積上氣體的分子數(shù)有關）吸附平衡有：吸附速度=解析速度即K1θ=K2P（1-θ）θ=K2P/(K1+K2P)——蘭繆爾等溫方程用于化學吸附或溶液中吸附較大分子（如染料），效果滿意，但其它情況與實驗結(jié)果不符。第五十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三多分子層吸附理論是對蘭繆爾理論的擴充和提高，認為被吸