第四章纤维的吸湿性 通常把纤维材料从气态环境中吸着水分的能力称为吸湿性。对纤维的吸湿现象、作用机理 影响因素、表征方法,以及纤维吸湿后的性状变化给予基本介绍。 第一节纤维的吸湿及吸湿机理 纤维的吸湿与吸湿指标 1.回潮率与含水率 (4-1) G M 100 (4-2) 其间相互关系为: 100M 100W 100-A或M: 100+W(4-3) 2.标准状态下的回潮率 表41标准温湿度及允许误差 标准温度(℃C)标准相对湿度 级别 20±1 27±2 27±3 20±3 27±5 3.公定回潮率 100+W 100+W a100+W (4-4) 多种纤维混合时的公定回潮率可按各自的混合比b1的加权平均。 Wk=∑b100
第四章 纤维的吸湿性 通常把纤维材料从气态环境中吸着水分的能力称为吸湿性。对纤维的吸湿现象、作用机理、 影响因素、表征方法，以及纤维吸湿后的性状变化给予基本介绍。 第一节 纤维的吸湿及吸湿机理 一、纤维的吸湿与吸湿指标 1. 回潮率与含水率 0 0 100 G G W G − = （4-1） 0 100 G G M G − = （4-2） 其间相互关系为： 100 100 M W M = − 或 100 100 W M W = + (4-3) 2. 标准状态下的回潮率 表 4-1 标准温湿度及允许误差 级别 标准温度(℃) 标准相对湿度 A 类 B 类 (%) 1 20±1 27±2 65±2 2 20±2 27±3 65±3 3 20±3 27±5 65±5 3. 公定回潮率 a k a 0 a 100 100 100 100 W Wk G G G W + + = = + （4-4） 多种纤维混合时的公定回潮率可按各自的混合比 bi 的加权平均。 n k i i 1 /100 i W bW = = (4-5)
表4-2几种常见纤维的公定回潮率 纤维种类 公定回潮率(%)纤维种类 公定回潮率%)纤维种类 公定回潮率(%) 原棉 11(含水率10)桑蚕丝 聚酯纤维 0.4 棉纱 柞蚕丝 11 锦纶666/1 洗净毛同质 亚麻 12 聚丙烯腈纤维 2.0 异质 16.28 聚乙烯醇纤维 毛条干梳 18.25 洋麻 含氯纤维 油梳 黄麻生麻 19.05 聚丙烯纤维 1.0 精梳落毛 16 熟麻 醋酯纤维 7.0 山羊绒 大麻 铜氨纤维 13.0 兔毛 15 粘胶纤维 玻璃纤维 2.5 4.平衡回潮率 平衡回潮率是指纤维材料在一定大气条件下,吸、放湿作用达到平衡稳态时的回潮率 、吸湿等温和等压、等湿线 时间h 吸湿平衡回潮率W 妥□初始回潮W 放湿平衡回潮率 时间h 图4-1纤维吸湿量-时间曲线 图4-2纤维的吸湿等温等压线
1 表 4-2 几种常见纤维的公定回潮率 纤维种类 公定回潮率(%) 纤维种类 公定回潮率(%) 纤维种类 公定回潮率(%) 原棉 11.1(含水率 10) 桑蚕丝 11 聚酯纤维 0.4 棉纱 8.5 柞蚕丝 11 锦纶 6/66/11 4.5 洗净毛 同质 16 亚麻 12 聚丙烯腈纤维 2.0 异质 15 苎麻 16.28 聚乙烯醇纤维 5.0 毛条 干梳 18.25 洋麻 14.94 含氯纤维 0.5 油梳 19 黄麻 生麻 19.05 聚丙烯纤维 1.0 精梳落毛 16 熟麻 14.94 醋酯纤维 7.0 山羊绒 15 大麻 14.94 铜氨纤维 13.0 兔毛 15 粘胶纤维 13 玻璃纤维 2.5 4. 平衡回潮率 平衡回潮率是指纤维材料在一定大气条件下，吸、放湿作用达到平衡稳态时的回潮率。 二、吸湿等温和等压、等湿线 相对湿度 /% 吸湿平衡回潮率 Wae 初始回潮 放湿平衡回潮率 Wde W0 0 时间/h 0 时间/h 相对湿度/% 图 4-1 纤维吸湿量-时间曲线 图 4-2 纤维的吸湿等温等压线
=10% p=90% =80% p=70% 9=15% (a)羊毛 [h)ila 度/℃ 图4-3羊毛和棉的吸湿等湿等压线 三、吸湿机理与理论 Peirce理论认为,纤维的吸湿包括直接吸收水分和间接吸收水分,见图44 纤维大分子 H20 直接水分子 20 20 20 间接水分子 图4-4直接间接吸收水 假设C为总的吸收水分子数:C为直接吸收水分子数;Cb为间接吸收水分子数,则: C=l C=C-1+ (4-8) Peirce理论是用于棉纤维吸湿的两相理论。 2.25 相对湿度/% 图4-5相对湿度对吸收水分子数的影响
2 图 4-3 羊毛和棉的吸湿等湿等压线 三、吸湿机理与理论 Peirce 理论认为，纤维的吸湿包括直接吸收水分和间接吸收水分，见图 4-4。 图 4-4 直接间接吸收水 假设 C 为总的吸收水分子数； Ca 为直接吸收水分子数； Cb 为间接吸收水分子数，则： C C C = +a b (4-6) a 1 qc C e− = − (4-7) b 1 qc C C e− = − + (4-8) Peirce 理论是用于棉纤维吸湿的两相理论。 图 4-5 相对湿度对吸收水分子数的影响
Speakman研究了羊毛纤维的吸湿,提出了羊毛吸湿的三相理论 80 图4-6相对湿度对回潮率的影响 四、吸湿滞后性 1.吸湿滞后现象 哥回 放湿 de 滞后值δ -----L--------- 吸湿 实际滞后值δ 图4-7纤维吸湿、放湿的回潮率-时间曲线 10 相对湿度/% 图4-8吸湿滞后性图
3 Speakman 研究了羊毛纤维的吸湿，提出了羊毛吸湿的三相理论。 图 4-6 相对湿度对回潮率的影响 四、吸湿滞后性 1. 吸湿滞后现象 回潮率/% Wde Wae vd1 va1 vd2 va2 放湿 吸湿 vd1 va2 滞后值 δe 实际滞后值 δ t 图 4-7 纤维吸湿、放湿的回潮率-时间曲线 图 4-8 吸湿滞后性图
2.吸湿滞后产生的原因 (1)能量获得概率的差异 (2)水分子进出的差异 (3)纤维结构的差异 (4)水分子分布的差异 (5)热能作用的差异 五、影响纤维吸湿的因素 1.亲水基团的作用 纤维大分子中,亲水基团的多少和亲水性的强弱是影响其吸湿性的最本质因素 2.纤维的结晶度 水分子只能进入纤维的无序排列区域,而无法进入纤维的结晶区 3.纤维的比表面积和内部空隙 纤维的比表面积越大,表面能越高,表面吸附的水分子数则越多,纤维的吸湿性也越好。 4.纤维中的伴生物和杂质 纤维的各种伴生物和杂质对吸湿能力也有影响。 5.温湿度和气压 集中体现在纤维表面的凝水和纤维间的毛细吸水 6.空气流速的影响 当纤维材料周围空气流速快时,有助于纤维表面吸附水分的蒸发,纤维的平衡回潮率会降低
4 2. 吸湿滞后产生的原因 (1) 能量获得概率的差异 (2) 水分子进出的差异 (3) 纤维结构的差异 (4) 水分子分布的差异 (5) 热能作用的差异 五、影响纤维吸湿的因素 1. 亲水基团的作用 纤维大分子中，亲水基团的多少和亲水性的强弱是影响其吸湿性的最本质因素。 2. 纤维的结晶度 水分子只能进入纤维的无序排列区域，而无法进入纤维的结晶区。 3. 纤维的比表面积和内部空隙 纤维的比表面积越大，表面能越高，表面吸附的水分子数则越多，纤维的吸湿性也越好。 4. 纤维中的伴生物和杂质 纤维的各种伴生物和杂质对吸湿能力也有影响。 5. 温湿度和气压 集中体现在纤维表面的凝水和纤维间的毛细吸水。 6. 空气流速的影响 当纤维材料周围空气流速快时，有助于纤维表面吸附水分的蒸发，纤维的平衡回潮率会降低
第二节吸湿性的测量 、直接测量法 1.烘箱干燥法 箱内热称:即用烘箱上的天平钩挂称取烘篮内的纤维。由于箱内温度高,空气密度小,对试 样的浮力小,故称得的纤维干重偏重,算得的回潮率值偏小。但操作比较简便,是目前主要采用 的方法。 箱外热称:将试样烘干后,取出迅速在空气中称量。它与未烘纤维的称量是在同环境中进行 的。但烘干纤维及携带着的热空气比周围空气密度要小,称量时有上浮托力,故称得干重偏轻; 而另一方面,纤维在空气中会吸湿,又使称得的重量偏大,这与称量快慢有关,因此测量的结果 受称量时间的影响太大,可靠性差。 箱外冷称:是将烘干后的试样放在铝制或玻璃容器中,密闭在干燥器中冷却约30mn后进行 称量。此法称量条件与未烘纤维称量条件一致,因此比较精确,但费时较多。当试样较小,又要 求精确,如测含油率、混纺比等,须采用箱外冷称法。 烘箱法在湿空气排出时补入箱内的空气不是干燥的,故箱内空气的相对湿度偏高,纤维有水 分保留。烘干水分时,高温可能挥发掉纤维中的其他物质如油脂等,又使试样变轻。这些都是烘 箱法的误差与缺陷。相对而言,烘箱法结果较稳定,准确性尚可,虽费时、耗能,但仍是目前常 用的测量方法。 2.红外线干燥法 3.高频加热干燥法 4.真空干燥法 5.吸湿剂干燥法 、间接测试法 1.电阻测湿法 2.电容式测湿法 3.微波吸收法 4.红外光谱法
5 第二节 吸湿性的测量 一、直接测量法 1. 烘箱干燥法 箱内热称：即用烘箱上的天平钩挂称取烘篮内的纤维。由于箱内温度高，空气密度小，对试 样的浮力小，故称得的纤维干重偏重，算得的回潮率值偏小。但操作比较简便，是目前主要采用 的方法。 箱外热称：将试样烘干后，取出迅速在空气中称量。它与未烘纤维的称量是在同环境中进行 的。但烘干纤维及携带着的热空气比周围空气密度要小，称量时有上浮托力，故称得干重偏轻； 而另一方面，纤维在空气中会吸湿，又使称得的重量偏大，这与称量快慢有关，因此测量的结果 受称量时间的影响太大，可靠性差。 箱外冷称：是将烘干后的试样放在铝制或玻璃容器中，密闭在干燥器中冷却约 30min 后进行 称量。此法称量条件与未烘纤维称量条件一致，因此比较精确，但费时较多。当试样较小，又要 求精确，如测含油率、混纺比等，须采用箱外冷称法。 烘箱法在湿空气排出时补入箱内的空气不是干燥的，故箱内空气的相对湿度偏高，纤维有水 分保留。烘干水分时，高温可能挥发掉纤维中的其他物质如油脂等，又使试样变轻。这些都是烘 箱法的误差与缺陷。相对而言，烘箱法结果较稳定，准确性尚可，虽费时、耗能，但仍是目前常 用的测量方法。 2. 红外线干燥法 3. 高频加热干燥法 4. 真空干燥法 5. 吸湿剂干燥法 二、间接测试法 1. 电阻测湿法 2. 电容式测湿法 3. 微波吸收法 4. 红外光谱法
第三节吸湿对纤维性质的影响 吸湿对纤维重量和密度的影响 纤维材料的重量随吸着水分量的增加而成比例地增加,见式(4-1)或(4-2) 1.5 图4-9纤维密度随回潮率的变化 吸湿后纤维体积膨胀 纤维吸湿后体积膨胀,其中横向膨胀大而纵向膨胀 表4-3各种纤维在水中的膨胀性能 纤维 SD(%) SL(%) SA(%) Sv(%) 20~30 16.3~187 1.3~1.6 30~32 羊毛 36~41 粘胶 3.7~4.8 50~114 74~127 铜氨 68~107 醋酯 9~14 0.1~0.3 纤维吸湿膨胀的各向异性,会导致织物的变厚、变硬并产生收缩 tt。LcL 图4-10织物吸湿前后织物结构的变化
6 第三节 吸湿对纤维性质的影响 一、吸湿对纤维重量和密度的影响 纤维材料的重量随吸着水分量的增加而成比例地增加，见式(4-1)或(4-2)。 图 4-9 纤维密度随回潮率的变化 二、吸湿后纤维体积膨胀 纤维吸湿后体积膨胀，其中横向膨胀大而纵向膨胀小。 表 4-3 各种纤维在水中的膨胀性能 纤维 SD(%) SL(%) SA(%) SV (%) 棉 20~30 ≈0 40~42 42~44 蚕丝 16.3~18.7 1.3~1.6 19 30~32 羊毛 15~17 ≈0 25~26 36~41 粘胶 25~52 3.7~4.8 50~114 74~127 铜氨 32~53 2~6 56~62 68~107 醋酯 9~14 0.1~0.3 6~8 — 纤维吸湿膨胀的各向异性，会导致织物的变厚、变硬并产生收缩。 图 4-10 织物吸湿前后织物结构的变化
三、对纤维力学性质的影响 纤维吸湿后,其力学性质如强力、模量、伸长、弹性、刚度等随之变化 棉 20 0102030405060 10应变/% 应变 图4-11不同湿度下纤维的应力应变曲线 四、对电学性能的影响 干燥纤维的电阻很大,是优良的绝缘体,其质量比电阻在101-~108数量级。在相对湿度较 高时,纤维的质量比电阻下降到10°108数量级。 五、对热学性能的影响 纤维在吸湿时会放出热量,这是由于运动中的水分子被纤维大分子吸附时,水分子会将动能 转化成热能而释放,这种放热会使温度上升。 1.吸湿积分热 在一定的温度下,质量为lg的纤维从某一回潮率开始吸湿到完全润湿时所放出的热量,称 为吸湿积分热,或润湿热。 羊毛 潮}(% 图4-12纤维积分热与回潮率间关系
7 三、对纤维力学性质的影响 纤维吸湿后，其力学性质如强力、模量、伸长、弹性、刚度等随之变化。 图 4-11 不同湿度下纤维的应力应变曲线 四、对电学性能的影响 干燥纤维的电阻很大，是优良的绝缘体，其质量比电阻在 1011～1018 数量级。在相对湿度较 高时，纤维的质量比电阻下降到 106~108 数量级。 五、对热学性能的影响 纤维在吸湿时会放出热量，这是由于运动中的水分子被纤维大分子吸附时，水分子会将动能 转化成热能而释放，这种放热会使温度上升。 1. 吸湿积分热 在一定的温度下，质量为 1g 的纤维从某一回潮率开始吸湿到完全润湿时所放出的热量，称 为吸湿积分热，或润湿热。 图 4-12 纤维积分热与回潮率间关系
表4-4完全润湿热和吸湿微分热比较 纤维种类 润湿热(Jg)微分热(J/g) 棉纤维 46.1 羊毛纤维 1340 苎麻纤维 蚕丝纤维 醋酯纤维 30.6 涤纶纤维 腈纶纤维 纶纤维 35.2 2.吸湿微分热 纤维在给定回潮率条件下吸着1g水放出的热量称为吸湿微分热。 图4-13纤维吸湿微分热与回潮率间关系 六、对光学性能的影响 吸湿会影响纤维的折射、反射、透射和吸收性质,进而影响纤维的光泽、颜色,以及光降解 和老化性能。当纤维的回潮率升高时,纤维的光折射率、透射率和光泽会下降,光的吸收会增加 颜色会变深,光降解和老化会加剧等。这些变化都是由于水分子进入纤维后,引起纤维结构的改 变所造成
8 表 4-4 完全润湿热和吸湿微分热比较 纤维种类 润湿热(J/g) 微分热(J/g) 棉纤维 46.1 1240 羊毛纤维 112.6 1340 苎麻纤维 46.5 - 蚕丝纤维 69.1 - 醋酯纤维 34.3 1240 锦纶纤维 30.6 1050 涤纶纤维 3.4 - 腈纶纤维 7.1 - 维纶纤维 35.2 - 2. 吸湿微分热 纤维在给定回潮率条件下吸着 1g 水放出的热量称为吸湿微分热。 图 4-13 纤维吸湿微分热与回潮率间关系 六、对光学性能的影响 吸湿会影响纤维的折射、反射、透射和吸收性质，进而影响纤维的光泽、颜色，以及光降解 和老化性能。当纤维的回潮率升高时，纤维的光折射率、透射率和光泽会下降，光的吸收会增加， 颜色会变深，光降解和老化会加剧等。这些变化都是由于水分子进入纤维后，引起纤维结构的改 变所造成