第二章纤维的吸湿性质讲稿.docx

1、第二章 纤维的吸湿性质讲稿第二章 纤维的吸湿性质五要素：纤维；条件；吸湿；变化；表征纺织纤维一般都具有较好的吸湿性质，尤其是天然纤维、人造纤维素纤维和部分差别化纤维。纤维的吸湿性质取决于纤维的结构、组成和所处的环境条件，并会使纤维的吸湿性能存在很大的差异。这不仅发生在不同纤维间，而且可能发生在同一纤维间。然而，纤维吸湿后其形状和性质均会发生变化，影响纤维的加工和使用性质。这种影响可以是积极有利的，亦可能是消极不利的。因此，纤维吸湿性的认识、描述、表征是极为重要的。本章我们着重介绍：纤维吸湿发生的机制与现象，定性和定量地描述纤维吸湿的理论与结果，纤维吸湿对纤维性质的影响，以及纤维吸湿放湿过程和含

2、湿量（回潮率）的表征方法。本章分五节对纤维吸湿特征进行讨论：1. 纤维的吸湿机理与理论2. 纤维吸湿与大气条件3. 纤维吸放湿过程与滞后性4. 纤维吸湿对其性质的影响5. 纤维吸湿量的表示与测量第一节 纤维吸湿机理与理论 一、 吸湿机理与条件 1定义：纺织用纤维的吸湿本质是水分子在纤维上的吸附、逗留或存留、固着和传递或流动。纤维材料的结构和组成不同是导致纤维吸湿性不同的内在原因。2吸湿的分类：1） 按可吸收水分量（回潮率）的大小大致可分为三类强吸湿性材料，如棉、毛、丝、麻、粘胶、维纶，以及一些高吸湿性的改性纤维。弱吸湿性纤维材料，如醋酸、锦纶、腈纶等纤维。不吸湿纤维，如丙纶、乙纶、涤纶等常用纤

3、维。这些不吸湿纤维最多只是在表面吸附一些附着水。2）按纤维的吸湿形式可分为三类为何纤维的吸湿性质有如此大的差异？人们对纤维材料的吸湿特征和机制进行的研究，给出了纤维吸湿的内在原因。这一研究可以追溯到上世纪初，至今已有近百年的历史了。众多研究结果认为纤维的吸湿形式可以为几种：a) 固相吸湿：其是指纤维中分子基团对水分子的化学吸附，水汽分子进入纤维体内，或称纤维分子间后，与纤维大分子上的活性官能团发生化学键接作用，而形成的稳定的侧基的吸附。（一般难以发生，更多的是指水分子进入纤维体内而无法析出的部分）。b) 液相吸湿：是指水分子的液相细滴的形式，附着在纤维体内的形式，其可在纤维分子间或纤维结构界面

4、上移动或流动，属物理吸附。c) 汽相吸湿：是指水分子以单个分子在纤维体内空隙或表面游离转移或暂时停附状态的吸附方式。液相和汽相吸附是通常概念中的吸湿形式，即水分子在一定条件下会停止运动而附着在纤维分子上或在一定条件下又能离开这一吸附状态游离外逸的吸、放湿过程。这一过程是动态的，而动态吸放湿过程的平衡为我们通常看到或测得的结果。3纤维吸湿的条件水分子的这种吸附是有条件的，其运动和停止是需要空间和能量的，因此形成纤维能够吸着水分，并让水分子得以进入纤维的机制是纤维吸着水分的条件。1）必要条件 纤维吸湿的必要条件是纤维的大分子上具有极性基团，即极性基团是吸着水分的基本条件。 构成纤维大分子的基团很多

5、，但极性基团不多，常见的如： -OH；-COOH；-NH2；-CONH- 等。强吸湿性的纤维总会具有这种极性基团中的一种或一种以上，且其极性基团的含量，即单位分子长度上的量，很高。如：棉、麻、粘胶纤维的OH基团；羊毛、蚕丝等的-COOH，-CONH-和-NH2 等。而锦纶中尽管亦有-CONH-键，但单位长度上的量较少。维纶也有此类特征，故吸湿总不如棉、麻纤维。纤维分子的极性基团不仅可以导致对水分子的直接捕获吸着（直接水），还可以因吸着后的极化作用，使被直接吸着的水分子极化而吸另一个水分子（间接水）。而极性越高的基团，越易导致这种二次吸水，乃至多次吸水，这种直接吸水和间接吸水的形象表达，见图21

6、。图2-1 纤维大分子吸附直接水和间接水示意图2）充分条件 纤维大分子中具有极性基团，并不一定能吸湿。极性基团的数目多，亦不一定意味着吸湿多。即具有必要条件，并不一定能吸湿。如果极性基团的相互作用强，在空间形成规整的排列，则会导致分子间的有序排列结构结晶结构。通常，这种稳定致密的结构，使水分子难以进入，故水分子无法被此结构内的极性基团所吸着。因此，纤维的吸湿还必须具备另一个条件，即纤维中或纤维分子间要具有足够的空间（或通道），以使水分子顺利通过和进入，并有足够的表面积和空隙存留水分子。此空间或称为纤维的自由通道是纤维吸湿的充分条件。 由于通常的吸湿概念是指物理吸附作用，因此通道和表面积的作用，

7、显得更为重要。而这一特征参数直接与纤维的微细结构有关。纤维大分子的排列是规整还是混乱；是结晶部分多还是无序组份多；是堆砌致密还是疏松，都直接影响着纤维的吸湿性质。 如：人造纤维素纤维中的粘胶与富纤，两者吸湿性有很大的差异，原因就是普通粘胶的结晶度为4050%，而富强纤维的结晶度可达5060%，棉与粘胶也是如此，棉的结晶度可达70%以上。故粘胶的吸湿性最强。 类似的羊毛与蚕丝相比，其均为蛋白质纤维。但由于羊毛大分子为螺旋构型，分子内、间的排列较疏松，规整排列程度远不如折叠链分子结构和高结晶有序排列的蚕丝，故其吸湿性明显优于蚕丝丝束。而理论上蚕丝丝胶的结晶度又远不如丝束，故丝胶吸湿性极好，且易被水

8、溶解。 又如：普通涤纶纤维为不吸湿纤维，但多微孔的改性涤纶，其吸水性能大幅度的提高。其原因在于纤维的真实表面积的大幅度地提高。从而导致纤维表面积上的吸附存留水的增加。 显然，上述结构均与纤维分子中的极性基团的极性和数量无关。而与纤维分子间的空间以及存留水的表面积相关。尤其是对于无极性基团的纤维大分子。纤维微细空隙和无序区空间的增加，都有助于水分子的进入与存留。特别是在高相对湿度下的液相吸水。 综上所述，纤维吸湿要有吸湿的极性基团，其提供水分子被吸附的能量和位置条件。同时纤维的分子间要有足够空间以利水分子的进入与存留，以及保证要有自由的极性基团。无极性基团纤维的吸水主要是靠足够量的表面积，即较多

9、的微细空隙空间。二、吸湿理论 纤维的吸湿理论或称为吸湿机理的解释有多种，主要集中在吸湿性较强的纤维，即天然纤维。对纤维吸湿性的本质描述一般分为二类：一类为定性描述，另一类为定量的理论。1、 吸湿的定性理论 定性描述纤维吸湿机理的研究，早在20世纪20年代开始，随后人们提出了一些假设或说法。其中最主要的为棉纤维中的二相吸湿理论和羊毛的三相吸湿理论。（1）棉纤维的二相吸湿理论：即前面已经提到过的直接和间接吸水。两相吸湿理论，将纤维吸着的水分分为两种状态。一是直接吸附在极性基团上的水分子相；一是吸附在直接水分子相上的间接水分子层。其可以是单层，亦可以是多层。间接吸水的主要是液相吸附机制，其取决于外界

10、环境的水汽压。Peirce在前人的想法和一些基本的说法基础上，对此理论作了定量化地描述。（2）毛纤维的三相吸湿理论：虽说该理论是在二相吸湿理论基础上发展或拓延出来的，但表示的内容有很大的不同。其主要由Speakman提出。Speakman将羊毛纤维的吸湿分为三相，其第一相为角朊分子侧链上的极性基团吸附的水分；第二相为吸附在螺旋大分子主链中极性基团上的水分子和替换分子间交联的水分子；以及第三相在羊毛组织结构疏散处缝隙中的液态水。第一相吸水不影响纤维模量和强伸性，为侧向直接水和部分间接水；第二相吸水影响纤维模量和强伸性，为螺旋段间的直接水和交联破坏的溶解水（化学键）；第三相吸水为表面积、毛细或直接

11、液态水,影响纤维的形态。（3）其他的定性描述理论：如多层吸附理论（B.E.T理论），实质是多相多级附着吸水的解释。溶解理论（Barrer理论），是指水分子与纤维大分子混合互溶形成的固溶解水，由统计热力学法导出，与固相吸附的解释无关，而更多的是表达液相吸附作用。纵观上述说法，实际上水分的吸着，从分子间和原子间作用来说，无非就是化学键结合水，氢键结合水和范德华力作用吸附水，以及自然液体水在纤维空间的存留。而二相理论和三相理论均较多地考虑氢键作用吸附，其次范德华力和化学键结合作用。而忽略了毛细水和自然液滴存留水的作用，只是用相对湿度提高液态水增多的一句话带过。应该说，目前在高吸水材料中较多地采用低表

12、面张力的芯吸材料和多微孔材料，改善或改变纤维吸湿性。该吸湿过程（芯吸作用）和理论是值得探讨的问题。2吸湿的定量表征理论 吸湿的定量表征理论主要是描述纤维在一定条件下，纤维固有的吸湿可能性与最终平衡态时吸收水分总量的关系。显然这其中最为相关的是纤维本身可以吸附水的能力（位置数）与环境条件中的相对湿度。 下面所要介绍的三种理论均在此基础上获得。1） Peirce theory (two phase absorption)2） Hailwood & Horrobin theory (two phase absorption)3） Speakman theory (three phase absorp

13、tion)4） Ficks diffusion theory (disperse)1）Peirces theory (1929) 的二相吸湿理论.a)直接吸水：与氢键直接作用的吸附水分子作用（Ca）直接水位置分数 = 每个位置上的平均直接水分子的个数b)间接吸水：与已经吸附的直接水的相互吸附水分子(Cb)间接水位置分数 =每个位置上的平均间接水分子的个数c)总吸水分数 = 每个位置上的平均水分子数纤维中水分子的增加，即C的增加dC，应符合下述关系： (或 ) q为常数，积分得 (1) 另 (2)式中的C与回潮率R=Regain存在下述关系R= (3)Mw 水分子的质量18，M0每个位置的纤维分

14、子重量（纤维素为1/3）的总重量为54，所以 () （4）进一步，Peirce引入相对湿度的概念，讨论相对湿RH对吸附水的影响及关系。如知实际的水气压p与饱和水气压p0 (同温度时)的比值，其与间接水Cb的位置分数有关，即当相对湿度增加d(p/p0)时，间接水的位置分数dCb也增加。当然，间接水的增加量要受原有未被水分子占有位置数（1- p/p0）的制约，所以有下式 ; 两边积分得： (5)Peirce在求得由相对湿度影响的间接水作用后，进而考虑在纤维中的某些位置上，虽有直接水的吸附，但可能存在无间接水位置或已蒸发掉间接水的位置。而这部分位置分数应该所以将此项作为修正，代入（5）式得：；k为常

15、数。丝光棉的结果见图2-2（c） 2）多相吸附层理论Speakman 的羊毛吸湿理论比Peirces theory在羊毛中的应用进了一步。Figure 2-3. Division of water into three phases on Speakmans theory for wool分成三相水：（1） 直接与大分子紧密侧基间的氢键作用的直接或间接吸收水（无影响）（2） 与分子主链内的氢键、基团或分子间交联的化学作用（影响模量）（3） 在高相对湿度时的间接水和毛细水吸附（影响纤维的形态与结构）1）B.E.T方程布鲁耐尔(Brunauer)、埃米特(Emmett)和泰勒(Teller)(19

16、44)在蓝缪尔(Langmuir)的单分子层吸附理论的基础上提出了多层吸附理论，作出的B.E.T.方程（如下式）能描述呈反S形的纤维吸湿等温线，如图2-23所示。 或 式中，R1和R分别为单分子层的吸湿回潮率和纤维的实际回潮率；为与吸附能量有关的函数。 2）吸湿热的影响由于 式中，E1为第一吸附层的吸湿热，EL为后续吸附层的吸湿热。故B.E.T.方程与吸湿热有关。 3）膨胀的影响Cassie 力图考虑纤维的膨胀作用对B.E.T方程的影响，并导出了回潮率的减少与相对湿度的关系曲线（），其用减少的气压pF代替p得到了在高相对湿度下的较好的吻合。4）多种位置作用 Windle 修正了Cassie的理

17、论，并应用于羊毛纤维。他假设被吸收的水分子可分为三类：a) 定位水(Localized water LW)：直接吸附在吸附位置上，且一位一个；b) 间位水(Intermediate water IW)：吸附在定位水位置上，且一位一个；c) 移位水(Mobile water MW)：吸附在间位水位置上，但没有位置限制。因此有三个任意的物理常数要被确定，当此完成，理论才能符合实验结果。而吸水位置数取决于分子的结构、吸附能和分子间结构。Feughelman和Haly 假设每一个水分子有四种与其邻位的结合方式，这样水分子可分为五种形式：0、1、2、3、4。第一组（0）相对于其他四组是最自由的；而第五组

18、（4）是连接最强的。尽管B.E.T.方程有许多改进，并考虑诸如膨胀、多种吸附位置、各层间的相互作用、吸湿热的变化等等，但几乎没有一个在与实测结果的一致性上取得明显的进展。3）Hailwood Horrobin theory水分子的吸附或进入纤维可将此混合体分成三部分：a) 结合水： PH2O 相当于直接水吸附；b) 溶解水： H2O溶 与聚合物混合在一起，相当于液态水；c) 聚合物: P 未与水结合的聚合物本身;根据化学反应的平衡过程，终值与物质的浓度相互关系为 PH2O =k1 H2O溶解P k1 为平衡常数溶解水与水蒸气也存在一定的平衡态 H2O溶解= k2 H2O汽= k2 H/100=

19、KH在理想的固态中，三种成分的浓度比，等于它们的克分子数之比 H2O溶解= nw 溶解水的克分子数 （1） P = np未与水结合的聚合物克分子数 （2） PH2O = nx与水结合的聚合物克分子数 （3） 由（1）式得 （4） 由（2）、（3）式得 H2O溶解= np （5） (6)讨论回潮率效果也较好(Wool & Cotton)4) Ficks disperse theory 扩散速率 D 常数 A 有效面积 浓度梯度如是单维方向讨论到纤维： C0-Cf 浓度变化 质量变化速度 水分变化速率 浓度差令 =（C0-Cf ）积分得： -ln(C0-Cf)= t=0时： Cf =0（干燥纤维）

20、；K=ln C0 ; 从公式的形式上看，扩散理论只讨论了单相作用（直接水），但给出了纤维吸收或释放水分的快慢。其中值是很关键的参数，与分子极性，极性基团数和空的通道有关。极性、通道、温度梯度、基团数， 都使 理论计算20的纤维需5sec平衡。但实际要长的多，羊毛纤维 1 min Equilibrium；Cotton 3.5min Equilibrium原因是： 、热效应 、膨胀 、Cb间接水 、滞后性Hysteresis平衡时间相对纱线来说，将更长需十几分钟到几十分钟，这主要取决于纱线的结构与加拈的程度。同时也与组成纱的纤维类别有关。由纱形成的织物、纱管、筒子的平衡时间相对单纱来说要更长更复杂

21、。（几小时或12个月）由纤维压紧形成的棉包、毛包，以及其他纤维包，其吸湿平衡可能达几年。（13年）第二节 纤维吸湿与大气条件 前一节谈了纤维吸湿的本身条件，但纤维的吸湿过程是外部水分对纤维体的渗入、扩散、吸着和解吸的过程。水分子的运动，停留附着以及再运动离逸，是在外界环境下进行的。水分子量的多少也直接取决于大气中水汽的含量。因此大气条件是纤维有否水分可吸收和多少水分可吸收的外部条件。其主要包括三方面的要素。 1 温度：环境温度反映气体分子热运动的统计量（动能） 2 湿度：相对湿度决定水分子在大气中的含量或浓度。 3 压力：大气压反映单位体积内的分子数和运动能。一、温度与纤维含湿量的关系 当环境

22、中的湿度和气压不变时，纤维的回潮率随环境温度而变的曲线，称为吸湿等湿等压线，如图25所示。当温度T上升时，纤维回潮率W值下降，在低温条件下纤维的回潮率变化不大,在水的沸点附近，回潮率值会大副度地下降。一般认为R 0。纤维吸收水分还会发热，影响纤维周围环境温度，使吸湿情况变得复杂。 图2-5吸湿等湿等压线 T() 二、湿度与纤维含湿量的关系 相对湿度（RH）对纤维回潮率的影响为最典型的反“S”形曲线。这也是皮尔斯（Peirce）二相吸湿理论解释的现象。如图26所示，存在三个区域:1 低相对湿度区：回潮率快速上升，这主要是纤维分子中的极性基团的作用，直接吸水。2 中间平台区：回潮率的上升缓慢，对某

23、些低吸湿纤维该区几乎是一常数。因为直接吸水位置以基本占满，纤维分子无其他能量，束缚运动的水分子。3 高相对湿度区：由于水汽压的增大，水分子易于侵入纤维体内，打开一些键接与空间；另外，水分子也易于在表面和孔隙中凝结聚集形成间接水和毛细水。RHR曲线是在温度和气压不变的条件下的相关曲线称为等温等压线。实际吸湿中的湿度会在纤维中发生变化，而这种变化一般忽略，只认为大气的总体温度未变。三、气压与纤维含湿量的关系 在温度和湿度不变的条件下，大气气压P与纤维回潮率W的关系称为吸湿等温线，如图27所示。 随着环境气压的下降，水的沸点或称为蒸发点将下降，在完全真空的条件下，水分子的自由程无穷大，故无法在纤维中

24、存留而逸出。故纤维回潮率值是随P值的下降而下降。 在常规大气压中，气压的变化很小，纤维的回潮率变化更小，一般可以忽略不计。如气压值为2001200mHg时，WP曲线为线性曲线，回潮率的绝对差值为0305。这一结果对本身吸湿性较强的纤维（棉、粘胶、麻、毛）来说，在不同气压环境下其回潮率值就需修正。 第三节 纤维的吸放湿过程与滞后性 纤维的吸湿与本身性质和环境因素有关外，作用时间的长短对其也有影响，即吸湿达到某回潮率或吸湿达平衡的过程不同。吸湿与放湿过程在同样的内在和外部原因和条件下，其平衡过程和平衡点也不同，这种现象为滞后现象。 一、 纤维吸湿与时间的关系 首先看图28，如果环境的相对湿度变化曲

25、线为图28（a），则纤维回潮率相对时间的变化曲线为图28（b），而且最终的相对湿度与起始的相对湿度一致，R-t曲线的起始点和终止点也不会在同一水平上。这是典型的吸湿滞后性的影响。我们又称为纤维吸湿的记忆性。 图 28、 二、 吸湿的滞后性 1、 定义 纤维的吸湿滞后性是指纤维在同样的环境条件下，吸湿达平衡点的回潮率值始终小于放湿达平衡点回潮率值的性质或特征。而且在平衡过程中吸湿达平衡的速率和放湿达平衡的速率在不同区段呈不同差异，见图29。 R(%)0t 图292、 产生滞后性的原因 1） 纤维结构的变化 分子的键合（溶解） 结晶结构的破坏 2） 纤维的膨胀 无序部分的膨胀 （无回复能） 结构块

26、的移动 （无回复能） 表面能表面积的上升 3） 水分子的传递梯度作用 先外后内，有梯度差 4） 水分子的能量的改变 停顿时能量来源明确 再次运动逃逸的能量来源随机 5） 水浸后的表面能发生变化，粘合性和互溶性增长。 毛细吸水 超细纤维、高表面张力纤维等。 根据Kelvins equation ln= -=ln表面张力；M水分子量18；H相对湿度；水的密度；R气体常数；T绝对温度；毛细管水面的曲率半径。 在20水时 （nm） 液面曲率半径吸湿滞后性中的 液面曲率半径变化 液面包围角变化图2-10 Hysteresis in Capillaries第四节 纤维吸湿对纤维性质的影响 对于有吸湿特征的

27、纤维，在其吸湿后，其性状将发生变化，这体现在诸多方面。通常这些变化有形状、密度、力学性质以及热、光、电学性质的变化。一、 吸湿对纤维形态的影响 1、 纤维的吸湿膨胀 纤维在水分子进入体内后，会产生膨胀。其原因是水分子对纤维大分子间的空隙的侵入，导致纤维分子建作用力的拆开。同时大量的水分子以间接吸附，集聚的方式，使这种空隙或间距拉大。其结果是纤维整个形态的膨胀。 膨胀量的大小用纤维的膨胀系数来表达。常用的有： 1 轴向膨胀系数Sl或称长度膨胀系数 (100%) 纤维的轴向膨胀系数一般为12，不吸湿纤维则无变化。 2 径向膨胀系数Sd：（横向膨胀系数） Sd= (100%) 径向膨胀系数，一般为1

28、030，显然纤维的吸湿膨胀性是各向异性的。 3 截面膨胀系数：SA= (100%) 纤维的截面膨胀系数，一般可达2070。 纤维的截面膨胀系数SA与径向膨胀系数Sd存在下述关系。 注： SA= =2+100%=2 Sd+ Sd2 即： SA+1=1+Sd+(1+Sd)Sd=(1+Sd)2 4纤维的体积膨胀系数SV SV100% 其与轴向和截面膨胀系数存在以下关系。 SVSlSASlSA/100 注： 100%= 100%=100% =()100% 实际纤维的膨胀系数如表21所示 表21 纤维 棉 羊毛 蚕丝 苎麻 粘胶 Sl 0.10.5 1.31.6 0.50.8 34 Sd 2030 15

29、20 1620 2030 2552 SA 4050 2635 2030 4050 5080 SV 4250 3645 2536 4555 60100 从表中可以看出，纤维的径向膨胀远大于纤维的轴向膨胀，一般可相差一个数量级以上。 即 Sd Sl 其原因在于：纤维的本身结构存在各向异性（缨状微胞或Staudinger模型） 水分子进入分子间（侧向）较容易且易于拉开分子间距；而水分子即便进入分子的头端也很难推移大分子，形成轴向的伸长。因此,水分子 分子间 拆开 膨化 弯曲 轴向的收缩 水分子 分子头端 轴向推开 轴向的膨化 屈曲 径向膨化 长度不变故各向异性体的纤维轴向膨胀必然很少。2、纤维吸湿后

30、的形态改变 形态的改变: 一是形态大小的变化,膨胀系数足以证明。 一是形状变化,如棉纤维变成圆形,转曲消失;毛纤维卷曲下降,卷曲波长增大,波幅减小等。纤维集合体织物的变化，一般指织物的缩水。即织物吸收水分后,织物变硬,变厚,变短,干燥后仍维持变短的特征。这主要是棉、粘胶织物.对毛织物来说会产生湿膨胀。由于羊毛卷曲和卷曲强度的下降所致。前者称为织物的”缩水”,后者称为织物的”湿膨胀”。二、吸湿对纤维重量和密度的影响1. 重量纤维的回潮率的上升,直接导致纤维重量的提高,为线形关系 Gf=G0+Gw =G0(1+R/100) Go为纤维干重 斜率 k= =G0/1002. 密度(或比重) 纤维中存在空隙和自由体积,水分可以进入这些区域,而不影响纤维的外观形态.但吸湿量大幅度增加后,纤维的表观体积会增大,由此纤维的密度(或比重会发生非线形变化,其情况如图212(b). 因为纤维的重量为： fVf=0V0+wVw