吸湿排汗的基础纤维吸湿性!


吸湿排汗的基础纤维吸湿性!


纤维材料的吸湿性( hygroscopicity)在纺织品加工生产中十分重要, 因为纤维吸湿后会使纤维的性能如静电性能、机械性能、光学性能等发生变化。纤维的吸湿作用还与纺织品的染色、整理加工关系密切, 对纺织品的尺寸稳定性产生影响。

纤维的吸湿性也是服装用纤维的一项重要特性, 它能使穿着者皮肤保持适当的湿度, 并保护人体不受环境突变的影响, 所以对于服装用(特别是内衣) 纺织纤维, 吸湿性能是必须考虑的因素之一。 


纤维与纺织品的回潮率对强力有很大的影响。大多数纤维的强力随回潮率的增加而下降,只有棉纤维和麻纤维吸湿增多强力反而有所增加。所有纤维的伸长率都随回潮率的升高而增大。含湿量多时, 纤维变得比较柔软, 弹性有所下降, 纤维间摩擦系数增大。 

纤维与纺织品吸湿后发生膨胀, 织物中纱线直径变粗, 弯曲增大, 相互挤紧, 使织物长度收缩, 厚度增加。吸湿后的纤维体积显著增加, 而且长度方向与直径方向增加的程度不同, 除锦纶外, 所有纤维的长度增加远小于直径的增加, 这也是造成其缩水的一个原因。

相反, 雨衣和消防水龙带等, 则是利用纤维吸水后变粗、使织物组织更加紧密、防水性增加的原理制成的。吸湿后天然纤维的比电阻大为减小, 在加工和使用中其静电明显低于合成纤维。在纺纱过程中, 纤维含湿过高使清钢工序中杂质不易落下, 影响除杂效率; 含湿过低, 会使飞花增多。

 

在纤维和纺织品贸易中, 回潮率影响重量与计价。因此, 在纺织品生产和贸易中都必须充分考虑吸湿产生的影响。

由吸湿性优良的纤维制成的内衣, 穿着舒适; 而由吸湿性差的纤维制成的内衣, 由于不能很好地吸收人体排出的汗液, 使衣服和人体皮肤之间形成高湿区, 从而令人感到气闷。天然纤维材料的吸湿性远高于合成纤维, 且蛋白质纤维的吸湿能力大于纤维素纤维, 但羊毛等蛋白质类纤维的吸湿速度却较纤维素纤维的慢。在纤维素纤维中, 麻类纤维与再生纤维的吸湿能力比棉纤维的大, 而且达到吸湿平衡的速度快。染者无疆

研究表明, 纤维材料的吸湿作用为放热反应, 纤维吸湿放热不仅对纤维达到吸湿平衡或烘干过程有明显影响, 而且与服用舒适性有一定关系。

 

一、空气湿度的表示方法

 

为了便于讨论纤维制品的吸湿性, 简要说明如下基本概念和指标。

 

1 .水蒸气分压E

把湿空气看成是理想气体与水蒸气的混合物。由道尔顿分压定理可知, 潮湿空气的全压等于各混合气体的分压之和。因此, 可以用水蒸气的分压表示湿气体的湿度, 单位为帕斯卡( Pa )。

 

2 .绝对湿度(absolute humidity) H

绝对湿度H 是指单位体积空气中所含水的重量, 单位为g/ m3 , 它与水蒸气分压E 的关系为:


式中: E ———水蒸气分压, Pat———温度, ℃ ;H ———绝对湿度, g/ m3 。

 

3 .相对湿度RH( relative humidity)

相对湿度RH 是指绝对湿度H 与同温度下饱和状态的绝对湿度Hs 之比值。


二、标准大气

标准大气亦称大气的标准状态, 用3 个基本参数表征: 温度、相对湿度和大气压力, 国际标准规定, 温度为20℃(热带可为27℃) , 相对湿度为65% , 大气压力在86~106kPa 范围( 视各国地理环境而定) , 我国规定大气压力为1 标准大气压, 即101 .3kPa( 760mmHg) 。实际上, 不可能保持温、湿度无波动, 故标准规定了允许波动范围: 一级: T ±2℃、±2% RH, 一般用于仲裁检验; 二级: T ±2℃、±3% RH, 一般用于常规检验; 三级: T ±20℃、±5% RH, 多用于要求不高的检验。

染者无疆编辑整理

样品在检测前必须在标准大气压下达到吸湿平衡, 必要时需预调湿。如每隔2h 连续称重其重量递变(增) 率不大于0 .25% , 或每隔30min 连续称重其重量递变( 增) 率不大于0 .1% , 则视为已达到平衡。通常, 调湿24 h 以上即可, 合成纤维则4h 以上即可。必须注意, 调湿过程不能间断, 若被迫间断必须重新按规定调湿。

 

三、纤维的吸湿现象及其表征

大多数纺织纤维放置在大气中会不断和大气进行水分的交换, 纺织纤维一面不断地吸收大气中的水分, 同时又不断地向大气放出水分。如果吸收水分占主要方面, 则称之为吸湿过程( absorption of moisture process) , 其结果使纺织纤维的重量增加; 如果放出水分占主要方面, 则称之为脱湿过程( desorption of moisture process) , 其结果使纺织纤维的重量减轻。纺织纤维这种吸收和放出水分的性能称为纺织纤维的吸湿性( hygroscopicity)。

四、吸湿量的表示方法

纺织纤维的吸湿量常以回潮率和含水率表示。回潮率(moisture regain) R 系纺织纤维内水分重量与绝对干燥纤维重量之比的百分数; 含水率( water content ) M 系纺织纤维内所含水分重量与未经烘干纤维重量之比的百分数。


式中: R ———回潮率, % ; M ———含水率, % ;

G0 ———未经烘干纤维的重量;

G ———绝对干燥纤维的重量。

由于纤维制品在不同大气状态下具有不同的吸湿性, 根据应用场合不同, 又有几种表示方法:

(1 )实际回潮率( practice moisture regain) : 纤维制品在实际所处环境条件下具有的回潮率。实际回潮率只表明材料实际含湿情况。

(2 )标准回潮率( criteria moisture regain) : 在标准状态下, 纤维制品达到吸湿平衡的回潮率。通过标准回潮率可以了解并比较各种材料的吸湿性。另外, 标准回潮率并非一成不变, 因为同一类材料的内部结构和含杂等会造成吸湿性的差异, 而“ 标准大气”也并非绝对不变, 因此同一材料的标准回潮率并非定值, 而是在一定范围内波动。表3 - 4 为几种常见纤维的标准回潮率。


(3 )公定回潮率或商业回潮率( trade moisture regain ) : 即为贸易、计价、检验等需要而定的回潮率, 纯属为工作方便而定, 它表示折算公定( 商业)重量时加到干燥纤维重量上的水分重量与干燥纤维重量之比的百分率。通常, 公定回潮率高于标准回潮率或取其上限。各国对公定回潮率的规定并不一致。我国几种常见纤维公定回潮率的规定值见表3 - 5。


 

1 .纤维的吸湿过程

放置于某一温度和湿度下的纤维, 其回潮率逐渐趋于一个稳定值, 这种现象称为吸湿平衡,此时测得的回潮率称为平衡回潮率。表3 - 4 和表3 - 5 所示回潮率数据都是指平衡回潮率。

(1 )吸湿等温线: 平衡回潮率是相对于一定的空气温、湿度而言, 温、湿度发生变化, 平衡回潮率也随之变化, 因此平衡回潮率是一个条件值。纤维在一定的温度下, 通过改变相对湿度所得到的平衡回潮率曲线称为吸湿等温线(moisture sorption isotherm)。不同纤维的吸湿等温线是不同的。图3 - 2 是各种纤维在20℃时的吸湿等温线, 显然, 处于图中位置越高的纤维吸湿能力越强。


从图3 - 2 可见, 吸湿性强的几种纤维(羊毛、粘胶纤维、蚕丝、棉纤维等)的吸湿等温线呈反S 形, 而吸湿性弱的几种纤维(大多数的合成纤维)的反S 形特征就不明显。这些曲线总的特点是在空气相对湿度逐渐提高的情况下, 平衡回潮率提高的速度是不一致的。在空气相对湿度为0~15%和70%~100%两个阶段中, 曲线斜率较大, 说明在这两个阶段中, 随空气相对湿度的增加, 纤维的平衡回潮率增加较快。而空气相对湿度为15%~70% 时, 曲线斜率较小, 说明在这一阶段纤维的平衡回潮率增加较慢。

 

这一现象可以以纤维素纤维为例进行解释: 存在于纤维素无定形区的亲水性基团(如棉纤维的羟基)是吸湿中心, 干燥纤维开始吸湿时, 水分子很快被纤维中的亲水性基团吸着, 形成单分子层吸附, 因此平衡回潮率增加较快。这种直接吸附的水分子较牢固地吸着在纤维的羟基上, 较难从纤维上去除, 称为结合水。当纤维吸湿达到饱和点后, 水分子继续进入纤维的细胞腔和各孔隙中, 使水分子层加厚, 形成多分子层吸附(如图3 - 3 所示)或毛细管水, 这种间接吸附的水分子结合较为松弛, 较易从纤维上去除, 也称游离水。因为在吸湿的同时还伴随着纤维的膨化, 导致新的吸湿中心的增加, 又由于毛细管的作用, 所以曲线斜率又趋上升。


(2 )吸湿热: 纤维在吸湿的同时伴随着热量的放出, 这部分热量称为吸湿热。绝对干燥的纤维在吸湿过程中, 开始放出的热量最大, 然后逐渐减少, 最后等于零。1g 纤维完全润湿时所放出的热量称为积分吸着热( integral sorption heat )。1g 水自大量干的或湿的纤维中取出所产生的热量称为微分吸着热( differential sorption heat ) 。各种纤维在绝对干燥时微分吸着热基本相同, 其数值为1 .2~1 .26kJ/ g( 水) , 恰好与氢键的键能相同, 表明结合水是以氢键结合的。到达纤维吸湿饱和点再吸附水则无热效应产生, 这是由于纤维中极性基团和水分子之间的反引力而造成的。

2 .时间和温度对吸湿的影响

影响纤维吸湿的外因主要是吸湿时间、吸湿滞后和环境的温湿度。纤维的吸湿、脱湿是一指数过程, 严格地说, 达到平衡回潮率所经历的时间是很长的, 纤维集合体愈紧密达到平衡回潮率的时间也愈长。在进行各种纤维材料物理性能的检验时, 需要把它们放置在标准的温湿度环境中进行定时调湿。相对湿度变化对纤维吸湿的影响, 表现在纤维的吸湿曲线上, 总体趋势是,相对湿度增加, 纤维的吸湿增加。温度对纤维的吸湿有一定的影响, 主要从两方面起作用, 一方面当温度较高时, 水分子热运动的动能增大, 逸出纤维表面的概率增加, 纤维吸湿少, 回潮率也小; 另一方面温度较高时纤维膨胀, 有些纤维内部孔隙增多, 故吸湿能力又会略有增加。温度对棉纤维吸湿的影响如图3 - 6 所示, 曲线上存在一点C, 相应的相对湿度为HC , 当棉纤维相对湿度小于HC 时, 吸湿随温度升高而下降; 当相对湿度大于HC 时, 吸湿随温度升高而增加。

3 .纤维结构对吸湿的影响

1)亲水性基团:

纤维的吸湿性从本质上说, 取决于纤维化学结构中有无可与水分子形成氢键的极性基团及其强弱和数量。亲水基团有羟基(—OH )、氨基(—NH2 )、酰胺基(—CONH) 、羧基(—COOH)等。天然纤维及再生纤维都含有较多的亲水性基团, 所以吸湿性都比较好, 如蛋白质纤维的大分子主链上含有酰胺键, 侧链中还含有羟基(—OH ) 、氨基( —NH2 )、羧基(—COOH) 等, 而纤维素纤维大分子的每一个葡萄糖剩基中含有三个羟基( —OH) , 这些基团都可能与水分子形成氢键结合。一般合成纤维的亲水性基团不多, 故吸湿性都较差, 如聚酰胺纤维大分子主链上每隔几个碳原子有一个酰胺键, 它是亲水性的; 腈纶大分子上带有极性的氰基(—CN) , 所以具有一定的吸湿能力; 涤纶除疏水性的苯环和亚乙基外, 只含有吸水性不强的酯键, 所以吸湿性差; 氯纶、丙纶等纤维的吸湿性几乎为零。

(2 )结晶区与非结晶区:

纤维的吸湿性还与其物理结构有关。在结晶区, 纤维大分子中的亲水基团在分子间形成交键, 分子排列紧密有序, 水分子难以进入结晶区, 因此, 吸湿主要发生在纤维的无定形区和结晶区的表面, 所以同样化学结构的纤维, 由于其物理结构不同, 纤维的吸湿性也不同。无定形区比例越大, 吸湿性越强。如棉纤维经过丝光后, 无定形区比例增加, 吸湿性随之提高; 又如粘胶纤维和棉纤维尽管化学组成相同, 但它们的吸湿性不同, 这也是由于它们的无定形区比例不同。

(3 )纤维内部孔隙:

亲水基团与水分子形成水合物, 这种结合较为牢固, 称直接吸附。当温度较高时, 纤维中的水分填充到较大的孔隙中形成毛细水, 故纤维中各种孔隙的多少对于纤维的吸湿起着重要作用。孔隙多, 纤维吸湿性好。为了提高疏水性纤维的吸湿性, 可在纤维成形加工过程中使纤维内部形成无数毛细孔。

(4 )表面吸附:

纤维表面具有吸附某种物质以降低自身表面能的特性, 故纤维的表面能吸附大气中的水汽和其他气体, 吸附量的多少与纤维的表面积及组成成分有关。纤维愈细, 比表面积愈大, 则吸附水分子的能力愈强。所以, 进行适当的表面处理, 以改善纤维的表面结构, 是改善疏水性纤维吸湿性的有效方法。 

(5 )纤维伴生物:

纤维的伴伴生物位于纤维的表面, 它改变了纤维的表面特性。如脱脂棉纤维的吸湿能力强, 是因为除去了棉蜡的影响; 麻纤维的果胶多则吸湿好; 化学纤维表面的油剂性物质会影响其吸湿能力, 当油剂表面活性剂的亲水基团朝向空气定向排列时, 纤维的吸湿能力大。

五、纤维的溶胀

纤维在吸湿的同时伴随着体积的增大, 这种现象称为溶胀(或膨化)。纤维在溶胀时, 直径增大的程度远大于长度增大的程度, 这种现象称为纤维溶胀的异向性( anisotropy)。各种纤维吸湿后溶胀的程度不一, 吸湿高的纤维溶胀程度较大。

如棉纤维在水中溶胀后,截面积可增大约40% ~ 70% , 长度增加约1% ~ 2% ; 粘胶纤维截面积增大可高达70% ~100% , 长度增加约2%~5%。纤维由于吸湿而发生的溶胀现象基本上是可逆的。纤维的溶胀是由于纤维吸湿后削弱了无定形区分子间的相互联系, 使无定形区大分子链段的运动范围增大。

而结晶部分限制了纤维的溶胀作用, 所以纤维在水中只发生有限的溶胀, 不发生无限的溶胀—溶解。

纤维能在水中溶胀是一个非常重要的性质, 染整加工中的许多工序是借助于这个性质实现的。纤维在水中溶胀后, 微隙增大, 这样染料和有关化学药剂的分子便能扩散到纤维内部, 使染整加工得以顺利进行。

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