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1、纺织物理第二章纤维的吸湿性,2023/1/12,纺织物理第二章纤维的吸湿性,纺织物理第二章纤维的吸湿性2022/9/28纺织物理第二章纤,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
2、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。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,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,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。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,第一节 纤维的吸湿平衡一、纤维吸湿和时间的关系平衡时间吸湿,绝对湿度和相对湿
3、度,两者均反映大气中的水分含量。绝对湿度(Absolute Humidity)：单位体积大气中含水质量。相对湿度(Relative Humidity%)：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%,纺织物理第二章纤维的吸湿性,绝对湿度和相对湿度两者均反映大气中的水分含量。纺织物理第二章,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)/G0100%含水率M：含水量占纤维湿重(G)的百分比。M=(G-G0)/G100%W与M的换算W=10
4、0M/(100-M)；M=100W/(100+W),纺织物理第二章纤维的吸湿性,二、纤维吸湿指标和测试方法1、吸湿指标纺织物理第二章纤维的吸,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。,纺织物
5、理第二章纤维的吸湿性,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,2、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（1053），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800-3000
6、MHz。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。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,2、吸湿指标的测试（1）直接测试法:纺织物理第二章纤维的吸湿,（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
7、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
8、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。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,（2）间接测试法纺织物理第二章纤维的吸湿性,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
9、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,纺织物理第二章纤维的吸湿性,三、纤维回潮率与相对湿度的关系1、吸湿滞后性较多横向结较少横,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
10、产生吸湿滞后性。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,干结构湿结构H2O 对于干结构，分子间为横向结合键，湿结构,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
11、较大，回潮率增速加大。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,2、纤维的吸湿等温线RH%回潮率%213456781-羊,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。,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
12、-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。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,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,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。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,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
13、,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：,W0：干燥纤维的吸湿积分热,纺织物理第二章纤维的吸湿性,Q与W的关系：W0rs0回潮率积分热WdWdrW0：干燥纤维,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
14、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）。,1g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,纺织物理第二章纤维的吸湿性,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,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
15、%，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。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,吸湿放热和穿着舒适性及储存的关系：纺织物理第二章纤维的吸湿性,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，
16、即根据曲线上某点斜率获得微分热。,回潮率,纺织物理第二章纤维的吸湿性,三、纤维吸湿热的测试方法1、吸湿积分热W的测量回潮率W0rs,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/ps100)%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：
17、Q1=RT2(lnRH/T)r=-RlnRH/(1/T)r那么，可根据lnRH-1/T曲线的斜率得出吸湿微分热。,回潮率r的纺织纤维系统,纺织物理第二章纤维的吸湿性,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,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c/x的平面，面积为A，扩散系数D（当浓度为1个单位时
18、，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（Fick equation）：dm/dt=-DA c/x,浓度c随t的变化和质量转移率有比例关系：dc/dtdm/dt(-dc/dx)-(c-c0)或，dc/(c-c0)=dt/其中：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/),纺织物理第二章纤维的吸湿性,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,c=c0(1-e-t/)当t=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
19、数，可用来表示纤维吸湿快慢的指标。那么，求导：dc/dt=(c0/)e-t/当t=0，上式为：dc/dt=c0/上式表明，也是时间参数，与吸湿初始速率（质量转移速率）有关。若水分以初始速率扩散，整个平衡所需时间=M/(dm/dt)其中：M为吸湿平衡时所需水的质量。按照费克方程，=Ml/D(c0-c1)A其中，A为吸湿材料的水汽吸收表面积；吸湿速率与浓度梯度，吸湿量，扩散系数，吸湿面积和空气间隔距离有关。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,c=c0(1-e-t/)l空气调湿溶液吸湿材料c0c1初始,二、影响纤维材料吸湿平衡速率的主要因素,吸湿过程：吸湿开始，由于大气较高的蒸汽压力，水分子进入试样使回潮
20、率增加，同时放出热量，温度上升。同时，纤维的蒸汽压力将增加，直到与大气环境蒸汽压力接近时，称“瞬态平衡”，此时如热量不驱散，试样将不再吸湿。当热量散失后，试样温度降低，进一步吸湿，回潮率增加，但试样中蒸汽压力保持接近大气蒸汽压力，直到纤维的温度和蒸汽压力和大气条件相同，就达到最终的吸湿平衡。平衡过程的速率取决于水分和热量通过纤维试样的难易程度，与试样大小、形状、包装密度、纤维种类、温度及回潮率大小有关。包装尺寸和形状：越大，热传递距离大，调湿越慢，调湿平衡时间（体积/表面积）2；包装密度：回潮率变化一定时，吸收水分质量或放出热量与密度正比，调湿平衡时间密度；,纺织物理第二章纤维的吸湿性,二、影
21、响纤维材料吸湿平衡速率的主要因素吸湿过程：吸湿开始，由,材料种类：不同纤维吸湿性不同，达到平衡时吸收水分的质量和放出的热量不同，对平衡速率有较大影响；回潮率：纤维在较低和较高的回潮率时，其水分子扩散系数低，吸湿平衡较慢；温度：高温时热量转移或散失迅速，平衡较快；低温时，平衡较慢；空气流动：通风好，利于热量散失，调湿平衡时间短；两种提高调湿平衡的速度的方式（1）将需调湿的试样放在比平衡大气条件更为潮湿的环境中预先吸湿平衡一段时间，然后再放至所需平衡的大气条件中，进行第二次平衡。（2）将需调湿平衡的试样放入密闭容器，并加入达到调湿平衡时，所需要的含水总量。上述两种方法，将会比试样直接进入所需平衡大
22、气中达到吸湿平衡的时间要短。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,材料种类：不同纤维吸湿性不同，达到平衡时吸收水分的质量和放出,第四节 吸湿与纤维性能的关系,一、对质量的影响吸湿后纤维质量增加，故质量或和质量有关的指标，如纤维或纱线的线密度，织物平方米质量，应采取公定回潮率时的质量。二、吸湿膨胀纤维吸湿后，体积增加，表现为横向膨胀大，纵向膨胀小。直径膨胀率SD=D/D100%；长度膨胀率SL=L/L100%；截面膨胀率SA=A/A100%；体积膨胀率SV=V/V100%；各膨胀率之间的关系(V=AL)SV=(A+A)(L+L)-AL/AL=L/L+A/A+(AL)/AL=SL+SA+SASL直径膨胀率
23、和长度膨胀率可显微镜和测长仪测量；体积膨胀率可通过纤维干燥和吸湿后密度及回潮率计算：假设1g干燥纤维吸收水分m克，0、s分别是干燥和吸湿后密度，W为回潮率；体积V=1/0 V+V=(1+m)/s=(1+W/100)/sSv=V/V=(0/s)(1+W/100)-1,纺织物理第二章纤维的吸湿性,第四节 吸湿与纤维性能的关系一、对质量的影响纺织物理第二章纤,吸湿膨胀各向异性（SLSD）的原因：纤维大分子长链取向排列，水分子进入无定形区，打开大分子间氢键或范德华力，使长链分子间距离增加，横向加粗。而纤维长度方向，大分子不完全取向，且存在卷曲构象，水分子进入改变构象，使长度有一定增加，但膨胀率远小于横
24、向膨胀率。如粘胶，SL约3.7%而SD约25%；蚕丝，SL约1.6%而SD约16.5%.三、对密度的影响纤维少量吸水，由于水分子进入大分子孔隙，体积变化不大，单位体积质量随吸湿量增加而增加，导致密度增加。大多数纤维回潮率4%-6%时，密度最大。随水分子充满孔隙后，再吸湿造成纤维显著膨胀，密度则降低。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,吸湿膨胀各向异性（SLSD）的原因：纺织物理第二章纤维的吸,四、对力学性能的影响绝大多数纤维，随回潮率增加，强力下降，其中粘胶最明显；但棉、麻等天然纤维素纤维，强力随回潮率增加而增加。断裂应变随回潮率增加而增大。随回潮率增加，纤维塑性变形增加，表面摩擦因数也增加。上述变
25、化，都是由于水分子进入纤维后，改变了纤维分子间的结合状态引起。五、对热、光、电学性能的影响除吸湿放热外，纤维吸湿后，比热、导热系数增加，保暖性大大降低；纤维材料具有电绝缘性，吸湿后由于水具有导电性，故电阻下降、介电常数上升，不同回潮率时，电阻差异很大；回潮率增加，纤维折射率下降，双折射率也改变，如纤维吸湿膨胀，双折射率减小，但又产生形状双折射，使湿纤维双折射增加。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,四、对力学性能的影响纺织物理第二章纤维的吸湿性,第五节 纤维的吸湿机理和理论,一、纤维材料的吸湿机理(内因)1、亲水基团的作用纤维大分子中，亲水基团的多少和极性强弱对吸湿性有很大影响。较强的亲水基团有：羟
26、基（-OH）、酰胺基（-CONH）、氨基(-NH2)、羧基(-COOH)等，与水分子形成化学结合水（直接吸收水），这类基团，吸湿。纤维素纤维（棉8.5%、麻16.3%、粘胶13%），大分子中每个葡萄糖剩基含有3个羟基，故吸湿性；醋酯纤维中葡萄糖剩基上大部分羟基被乙酰基取代，而乙酰基（-COCH3）对水的吸引力不强，故醋酯纤维吸湿性较粘胶低；蛋白质大分子主链含酰胺基，侧链含羟基、氨基、羧基等，故羊毛(16%)、丝(11%)等吸湿性好；合纤中含亲水基团不多，吸湿性均较低，维纶(5%)中纤维大分子上羟基经过缩甲醛后，一部分被封闭，故吸湿性减小；锦纶(4.5%)大分子中酰胺基也具有一定吸湿性；腈纶(2
27、%)大分子的氰基（-CN）极性较大，但亲水性弱，故吸湿能力小；涤纶(0.4%)、丙纶(0)缺乏亲水基团，故吸湿能力很低。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,第五节 纤维的吸湿机理和理论一、纤维材料的吸湿机理(内因)纺,2、纤维结晶度天然纤维素的XRD表明，吸湿前后图像并无变化，认为结晶区内，纤维大分子排列紧密有序，亲水基团在分子间形成交键，水分子一般不能进入结晶区，纤维吸湿主要发生在大分子不规则排列的无定形区。纤维结晶度，吸湿能力，如棉丝光后，结晶度降低，吸湿性增加；棉和粘胶虽然化学组成均为纤维素纤维，但棉结晶度约70%，粘胶约30%，故粘胶吸湿性（13%）高于棉（8.5%）。同结晶度时，微晶体大小
28、也对吸湿性产生影响，颗粒小，表面积大，晶体表面纤维大分子亲水基团吸收水，吸湿性增加。粘胶皮、芯层晶粒尺寸不同，皮层相对晶粒小而分散均匀（13%-14%），芯层（11%-12%）。纤维大分子取向度一般对吸湿性影响很小，但聚合度对吸湿性有一定影响。如大分子端基为亲水性基团，聚合度低的纤维吸湿性较强，如粘胶。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,2、纤维结晶度纺织物理第二章纤维的吸湿性,3、纤维的比表面积和内部孔隙比表面积：单位质量纤维具有的表面积。表面能：物质表面分子由于引力不平衡，使其较内部分子具有多余的能量。表面积越大，表面能也越大；表面张力：液、气界面处，液体表面分子有表面收缩以降低表面能的倾向。表
29、面吸附：固、气界面处，表面能不能以缩小表面来降低，但由吸附某种物质以降低表面能的倾向。纤维表面积越大，表面能越多，表面吸附能力越强，纤维表面吸附水分子的能力也越强，吸湿性越好。纤维内部大分子排列越不规则，孔隙越多，吸湿能力越强。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,3、纤维的比表面积和内部孔隙纺织物理第二章纤维的吸湿性,（1）直接吸收水和间接吸收水直接吸收水：直接被大分子上亲水基团吸附和起化学反应的水分子；间接吸收水：已被吸附的水分子，本身也具有极性，可吸附其他水分子，被吸附水分子上的水分子，称为间接吸收水；结合力较弱，存在于纤维内部微小间隙成为微毛细水；高湿度时，间接吸收水可填充到纤维内部较大空隙成
30、为大毛细水。（2）毛细水在很高的RH时，液态水由于纤维表面张力作用，能保持在毛细空隙内。按照Kelvin公式（1871年，定量描述纯液体饱和蒸汽压和与半径的关系，界面化学重要公式）：ln(RH/100)=-2M/(RTa)RH相对湿度；表面张力；M水的相对分子量；水的密度；R气体常数；T绝对温度；a毛细管中水面曲率半径。当20时，毛细管临界曲率半径ac=0.47/(2-lgRH)(nm)上式表明，当RH，液态水可保持在较大直径的毛细管（纤维孔隙）中，使回潮率；当aac，液面平坦，水分易蒸发；aac，水分子被保持在毛细管，不易蒸发。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,（1）直接吸收水和间接吸收水纺织物
31、理第二章纤维的吸湿性,4、纤维中伴生物和杂质伴生物和杂质对吸湿产生影响。如棉含有比纤维更易吸水的氮物质、果胶、也含有不易吸水的脂肪、棉蜡；因此脱脂程度越高，吸湿性越好。麻纤维的果胶和丝纤维的丝胶有利于吸湿；羊毛表面油脂是拒水物质；合纤中表面油剂通常亲水性表面活性剂，可提高吸湿性；天然纤维中含杂质多少也对回潮率有一定影响。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,4、纤维中伴生物和杂质纺织物理第二章纤维的吸湿性,二、环境对纤维吸湿性的影响（外因）,前面的分析基于纤维吸湿性本质的内因，实际空气环境条件、吸湿、放湿过程以及平衡时间长短等外因，也影响纤维吸湿性。1、RH的影响温度T一定时，RH，空气中水汽分压力，
32、单位体积空气中水分子数量，纤维吸湿几率，平衡回潮率随RH增加，呈反“S”形增加。2、T的影响温度T对纤维平衡回潮率的影响较RH小，总趋势：T，平衡回潮率。RH相同时，T低时，水分子活动能量小，与纤维亲水基团结合后，不易分离。T高时，水分子活动能量大，纤维大分子热振动能也大，同时存在于纤维内部空隙的液态水蒸发产生的蒸汽压上升，使得水分子容易从纤维内部逃逸。通常，RH一定时，平衡回潮率随T而，平衡回潮率随温度变化的曲线称为纤维的吸湿等湿线。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,二、环境对纤维吸湿性的影响（外因）前面的分析基于纤维吸湿性本,温度对棉纤维平衡回潮率的影响,随温度增加平衡回潮率降低，但高温高湿条
33、件下，由于纤维热膨胀等原因，平衡回潮率略有增加。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,RH%平衡回潮率%0 20 40 6,3、空气流速的影响空气流速快，有助于纤维表面被吸附的水分子蒸发，纤维平衡回潮率有所降低。4、应力的影响纤维的吸湿膨胀表明应力的作用影响纤维的回潮率。当拉应力作用于长丝纤维时，平衡回潮率有所增加。相反，纤维受到横向压应力时，其回潮率将会降低。例如，RH=75.5%，T=25，无定形纤维素纤维应力5.7MPa，10.2MPa，13.6MPa时，回潮率分别增加0.2%，0.4%，0.6%；定向纤维素纤维应力10.2MPa，17.7MPa，35.6MPa，回潮率分别增加0.1%，0.4%
34、，1.1%.Nickerson对加捻的棉纱线的测定结果表明，当拉应力达到60%断裂强力时，回潮率由8.78%降低至8.19%。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,3、空气流速的影响纺织物理第二章纤维的吸湿性,三、吸湿理论,目的：建立吸湿等温线（RH%和纤维平衡回潮率）的数学定量表达式。1、皮尔斯（Peirce）理论(direct&indirect absorption water)根据吸湿后纤维模量(modulus)呈指数关系下降，提出纤维吸收水分子为两类：直接吸收水（纤维大分子上亲水基团和水分子通过氢键结合）、间接吸收水（吸附在直接吸收水上）。后者对纤维的物理机械性质影响不大，结合力较小，对纤维水
35、分的蒸发起主要作用。氢键（hydrogen bond）：键能(25-40kJ/mol)比化学键(共价键、离子键)小，又比通常的分子间作用力大的一种特殊的分子间作用力，可用XHY表示，X和Y代表F，O，N等电负性大而原子半径较小的非金属原子。X和Y可以是两种相同（或不同）的元素。氢键可分为同种分子间（如H2O）、不同分子间(如H2O，NH3导致氨气在水中惊人的溶解度1:700)、分子内氢键(如苯环上相邻两个-OH)。若设C为总吸着位置上水分子的比数，其中Ca、Cb分别为总吸着位置上直接、间接吸着水分子的比数，则：C=Ca+Cb,纺织物理第二章纤维的吸湿性,三、吸湿理论目的：建立吸湿等温线（RH%
36、和纤维平衡回潮率）的,当C增加dC时，其中直接吸着水的增量dCa与未被直接吸着水分子的位置数成正比（q为比例常数），即：dCa/dC=q(1-Ca)上式积分，ln(1-Ca)=-qC；即，Ca=1-e-qC假设q=1，Ca=1-e-CCb=C-Ca=C-1+e-qC由回潮率定义：r=吸收水的质量/吸水后纤维的质量100%=(MwC)/(kM0)100%Mw水分子相对质量=18；M0每一吸着位置相应的纤维质量=1/3葡萄糖剩基质量=54；k=纤维分子质量/纤维分子在无定形区的质量；这里，k表示只有无定形区才能吸收水分子，使纤维回潮率相应降低。故：C=3kr/100,纺织物理第二章纤维的吸湿性,当
37、C增加dC时，其中直接吸着水的增量dCa与未被直接吸着水分,按照皮尔斯两相理论，不同RH时，棉纤维吸收水的两个组成部分：实际吸湿等温线C，由两部分Ca、Cb组成，分别代表总吸着位置上直接吸收水和间接吸着水分子的比数。由右图可见，随RH增加，开始阶段直接吸收水Ca增加快，并逐渐趋于平稳；Cb在RH很大时，才有较大增加，代表膨胀及毛细水。,皮尔斯假设，水的蒸发主要和间接吸收水有关，且有 RH=p/p0Cb其中，相对湿度RH，即水蒸汽压p与饱和水蒸汽压p0之比，正比于间接吸着水分子的比数Cb。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,按照皮尔斯两相理论，不同RH时，棉纤维吸收水的两个组成部分：,随RH增加，Cb
38、增加。当p/p0增加dp/p0时，Cb应增加dCb（间接吸着水的增量），只能吸附于尚未有间接水分子的位置的部分，即（1-p/p0）才能增加蒸发的有效面积，此外，由于间接吸着水的封堵，并非所有尚未有间接水分子的位置，都是有效的，故：dp/p0=（1-p/p0）dCb或 dp/(1-p/p0)=p0 dCb其中，为修正位置（1-p/p0）的常数。上式积分可得到，p/p0=1-e-Cb此即为RH和吸湿关系方程，皮尔斯进一步认为，没有间接吸收水的直接吸着水也可能有部分被蒸发，这部分位置应等于（1-p/p0），其吸收水为Ca（1-p/p0）=Cae-Cb，那么有，p/p0=1-e-Cb+K Cae-Cb
39、即，1-p/p0=（1-KCa）e-Cb其中，K为常数，将Ca=1-e-qC，q=1，C=3kr/100，Cb=C-Ca，带入得到1-p/p0=（1-K（1-e-3kr/100）e-（3kr/100-1+e-3kr/100）,纺织物理第二章纤维的吸湿性,随RH增加，Cb增加。当p/p0增加dp/p0时，Cb应增加,2.海伍德（Hailwood）和霍洛宾（Horrobin）理论假设，一部分水分子与纤维结合（类似皮尔斯理论直接吸着水），其他水分子溶解于纤维，与纤维混合在一起，认为吸湿后的纤维是三元混合体固体相混合物（溶解于水（H2O溶解）、与水结合的纤维（FH2O）、未与水结合的纤维（F）。上述固
40、体相混合物，存在三者平衡态：FH2O F+H2O溶解平衡时，各物质浓度关系：FH2O=K1H2O溶解F其中，K1为平衡常数。同时，溶解水和水蒸气存在一定平衡态：H2O溶解 H2O蒸汽浓度关系：H2O溶解=K2H2O蒸汽相对湿度RH可以用水蒸气浓度表示，即RH/100=H2O蒸汽故，H2O溶解=KRH其中，K=K2/100,纺织物理第二章纤维的吸湿性,2.海伍德（Hailwood）和霍洛宾（Horrobin）理,理想的固态中，成分浓度比=摩尔比，故：H2O溶解=nw/(nw+n0+n1)F=n0/(nw+n0+n1)FH2O=n1/(nw+n0+n1)其中，nw表示纤维中溶解水的分子数；n0、n
41、1分别表示未与水分子结合、与水分子结合的纤维分子数。那么，nw=(n0+n1)KRH/(1-KRH)n1=n0 FH2O/F=KK1RH纤维吸收的总水分=nw+n1，纤维分子总数=n0+n1，故纤维回潮率r为：r=(nw+n1)18/(n0+n1)M100%18为水相对分子质量；M为纤维单元（每个亲水基团）相对分子质量。上式可分别表示为：Mr/1800=nw/(n0+n1)+n1/(n0+n1)=KRH/(1-KRH)+KK1RH/(1+KK1RH),纺织物理第二章纤维的吸湿性,理想的固态中，成分浓度比=摩尔比，故：纺织物理第二章纤维的吸,3.其他纤维吸湿理论斯毕克曼（Speakman）提出三
42、相理论：第一相：与角蛋白质侧链亲水基团紧密结合的水分子；第二相：吸着与主链上亲水基团的结合水分子；第三相：高湿态条件下附着于纤维的结合力较低的间接水或毛细水。布鲁耐尔、埃米特、泰勒等在兰缪尔单层吸附理论基础上，提出多层吸附理论，用B.E.T方程描述反S形纤维吸湿等温线。巴勒认为水分子和纤维大分子混合在一起成理想的固溶体，利用统计热力学推导出吸湿溶解理论。但根据该理论做出的吸湿等温线呈现凹向回潮率轴，并非反S形，而单分子吸附理论是凸向回潮率轴，故B.E.T多层吸附理论，能较好地符合纤维实际的吸湿等温线。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,3.其他纤维吸湿理论纺织物理第二章纤维的吸湿性,四、亲水性合成纤
43、维,1、合纤亲水化原理：具有类似天然纤维的亲水结构：（1）纤维结构中引进各种亲水基团，建立氢键与水分子缔合；（2）使纤维出现孔隙、微孔、裂缝，增加比表面积，通过表面能及毛细管效应吸附水分。2、合纤亲水化方法（1）化学改性A.纤维大分子结构的亲水化通过聚合或共聚，在大分子结构中引入大量亲水基团，如腈纶纤维共聚（以丙烯腈（约85%）、丙烯酸甲酯和甲基丙烯磺酸钠为单体，偶氮二异丁腈为引发剂，异丙醇为链转移剂，经自由基型三元共聚反应而制得的三元共聚物）时引进丙烯酸、乙烯基吡啶和二羰基吡咯化合物等亲水性单体，或者用化学处理，使纤维中部分氰基转化为酰胺基或羧基的方法，均可得到吸湿性较好的腈纶；,纺织物理第
44、二章纤维的吸湿性,四、亲水性合成纤维1、合纤亲水化原理：具有类似天然纤维的亲水,对于锦纶，在大分子结构中，减少亚甲基(-CH2)的数量，可大大提高吸湿性；此外，通过共聚，改变大分子结构的规整性，降低结晶度以增加酰胺基团来提高纤维亲水性；B.与亲水物质接枝共聚丙烯腈与天然蛋白接枝共聚的亲水性改性腈纶；涤纶与丙烯酸、甲基丙烯酸接枝共聚可提高涤纶的吸湿性；锦纶66与丙烯酸或顺丁二酸接枝可提高锦纶66的吸湿性。C.纤维表面亲水处理纤维或织物表面增加亲水性化合物（亲水整理剂）：丙烯酸系单体或结构为亲水部分和固着部分的表面活性剂，采用浸渍法和浸轧法加工处理。优点：成本低、工艺简单，能保持纤维原有特性并提高
45、吸湿性；缺点：耐洗涤性差（亲水持久性）。引入亲水基团和接枝共聚法易使纤维失去某些原有优良性能，如染色牢度下降、手感硬化等，故吸湿性能只能适当提高。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,对于锦纶，在大分子结构中，减少亚甲基(-CH2)的数量，可大,（2）物理改性A.与亲水性物质共混或复合共混：亲水性物质混入纺丝熔体或溶液；如高吸湿性锦纶纤维（4%-25%的N-已丙酰胺+聚酰胺共混纺丝）吸湿性达8%-9%；高吸湿性腈纶（聚丙烯酰胺+聚丙烯腈共混）；高吸湿性涤纶（聚乙二醇衍生物、聚亚烷基二醇等+聚酯）；复合：亲水性高聚物和待改性疏水性高聚物复合纺丝，如以丙烯腈共聚体为皮层，含羧基丙烯腈为芯层，中空复合纤维的
46、保水率达30%；以普通聚酯为皮层，改性聚酯为芯层，熔纺得到复合纤维，再皂化处理(强碱催化下酯被水解生产醇和羧酸盐)，得到吸湿性好、抗静电聚酯。B.纤维结构微孔化纤维具有大量内外贯通的微孔，利用毛细现象吸水，同时还具备低密度、易干燥、保暖的特点，如微孔腈纶、微孔涤纶；,纺织物理第二章纤维的吸湿性,（2）物理改性纺织物理第二章纤维的吸湿性,C.纤维截面异形化和表面粗糙化如L截面纤维间易形成毛细孔。纤维表面粗糙度增加，表观接触角可减小，以提高纤维的亲水性。表面浸润性通常用接触角(在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角)大小来衡量，研究表明，表面能与表面结构是影响
47、表观接触角大小的重要因素。一滴液体落在水平固体表面上，当达到平衡时，形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式（Young Equation）:1）当=0，完全润湿；2）当90，部分润湿或润湿；3）当90，不润湿；4）当=180，完全不润湿。此外，涤纶与阳离子改性聚酯共混纺丝的中空纤维，再用NaOH处理，使纤维出现大量微孔，部分微孔互相贯通，并达到中空部分。调节碱液浓度，可调整微孔数量，大大提高涤纶的亲水性。,纺织物理第二章纤维的吸湿性,C.纤维截面异形化和表面粗糙化纺织物理第二章纤维的吸湿性,演讲完毕，谢谢听讲!,再见，see you again,3rew,2023/1/12,纺织物理第二章纤维的吸湿性,演讲完毕，谢谢听讲!再见，see you again3rew,
