纤维的吸湿性课件

第六章 纤维的吸湿性,吸湿性：从气态环境中吸收气态水的能力 润湿性：从水溶液中吸收液态水的能力,第六章 纤维的吸湿性,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理 第二节 吸湿性的测量(P93) 第三节 吸湿对纤维性质的影响,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,一、纤维的吸湿与吸湿指标 二、纤维吸湿机理与影响因素,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,一、纤维的吸湿与吸湿指标 （一）纤维的吸湿 纤维材料放在空气中，一方面不断吸收空气中的水蒸气，同时不断地向空气中释放水蒸气。 进入纤维中的水分子多于放出的水分子，则表现为吸湿 进入纤维中的水分子少于放出的水分子，则表现为放湿 吸湿和放湿是一个动态过程，最终会达到平衡。 在一定的大气条件下，纤维材料会吸收或放出水分，随着时间的推移逐渐达到一种平衡状态，其含湿量趋于一个稳定值，这时，单位时间内纤维材料吸收大气中的水分等于放出或蒸发出的水分，这种现象称为吸湿平衡。,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,一、纤维的吸湿与吸湿指标 （二）吸湿指标 2. 平衡回潮率 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 吸湿平衡回潮率Wae：吸湿达到相对平衡状态时的回潮率 放湿平衡回潮率Wde：放湿达到相对平衡状态时的回潮率,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,一、纤维的吸湿与吸湿指标 （二）吸湿指标 3标准回潮率 标准状态：我国规定为温度20左右，相对湿度65% 左右。(P87) 标准回潮率：在标准状态下，将纤维在“吸湿过程”中放置24小时后测得的回潮率。,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,一、纤维的吸湿与吸湿指标 （二）吸湿指标 4公定回潮率 为了贸易上计价方便，对各种纤维材料的回潮率作的统一规定的回潮率。,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,一、纤维的吸湿与吸湿指标 （二）吸湿指标 5. 重量 实际重量Ga：Ga=G0(1+Wa) 公定重量Gk：Gk=G0(1+Wk),第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,当两种纤维混纺时，成品的干重混纺比百分 数折算成投料时湿重混纺比百分数,例1：涤纶的实际回潮率为0.3%，粘胶纤维的实际回潮率为12%，为了使涤粘干重混纺比的百分数为65/35，问涤粘湿重混纺百分数应为多少？,例2：有一批毛涤粘为304030混纺原料，实际称得重量为1000Kg，实测回潮率为9.5%，求(1)该批原料的公定回潮率；(2)该批原料的公定重量和干重。(保留两位小数)。,课后作业（三）,1、解释下列名词：含水率、回潮率。推导它们之间的换算式，将原棉的标准含水率10%折算成公定回潮率。 2、60/40毛/棉涤混纺纱在公定回潮率时的混纺百分比。 3、一批腈纶重1000Kg，取50g试样烘干后称得其干重49.2g，求改批腈纶的回潮率和公定重量。 4、有一批纺织原料，其混纺比例为羊毛40/涤纶40/粘胶20，实际称、得重量为3500Kg，回潮率为8。求该批纺织原料的公定重量是多少？（保留1位小数）。,常用纤维的标准回潮率和公定回潮率,常用纱线的公定回潮率,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,二、吸湿机理与影响因素 （一）吸湿过程 吸附：水分子停留在纤维表面 吸收：水分子向纤维内部扩散与纤维内大分子上的 亲水性基团结合 凝聚：水分子进入纤维的缝隙孔洞，在纤维的 毛细管壁凝聚,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,二、吸湿机理与影响因素 （二）二相理论 1、吸附水（粘着水）：纤维因表面能而吸附的水分子。 2、吸收水：由于纤维中极性基团的极化作用而吸着的水。 直接吸收水：由于纤维中亲水基团的作用而吸着的水分子。 结合力较强，主要是氢键力，同时放出的热量也较多。 间接吸收水：其他被吸着的水分子。 a.由于水分子的极性再吸着的水分子 b.纤维中其他物质的亲水基团所吸引的水分子。 结合力较弱，主要是范德华力，同时放出的热量也较少。,直接吸收和间接吸收的水分子,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,二、吸湿机理与影响因素 （二）二相理论 3、毛细水(毛细管凝结水)：纤维有许多细孔，由于毛细管的作用而吸收的水分。 微毛细水：存在于纤维内部微小间隙之中的水分子。 大毛细水：存在于纤维内部较大间隙之中的水分子（当湿度较高时）。 4、区别： 吸收水属于化学吸着水，是化学键力，因此必然有放热反应； 吸附水和毛细水属于物理吸着，是范德华力，没有明显的热反应， 吸附也比较快。,第一节 纤维的吸湿及吸湿机理,二、吸湿机理与影响因素 （三）影响因素 1、内因 亲水基团的作用 纤维的结晶度 纤维的比表面积和内部空隙 纤维内的伴生物和杂质 2、外因 大气压力 相对湿度 温度 初始回潮率,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均能影响其吸湿能力的大小。数量越多，极性越强，纤维的吸湿能力越高。如：羟基（-OH）、 酰胺基（-NHCO-)、羧基（-COOH）、氨基(-NH2)等。与水分子的亲和力很大，能与水分子形成化学结合水（吸收水）。 纤维素纤维：如棉、麻 粘胶，大分子中的每一葡萄糖剩基含有3个-OH，在水分子和-OH之间可形成氢键，所以吸湿性较大。醋酯纤维中大部分羟基都被乙酸基（CH3COO-）取代，而乙酸基对水的吸引力又不强，因此醋酯纤维的吸湿性较低。 蛋白质纤维： 主链上含有亲水性的酰胺基，因此吸湿性很好。羊毛侧链中比蚕丝含有较多的羟基、氨基、羧基等亲水性基团，故其吸湿性优于蚕丝。 合成纤维： 含有亲水基团不多，故吸湿性都较差。 维纶：含有羟基（一OH），经缩醛化后一部分羟基被封闭，吸湿性减小，但在合纤中其吸湿能力最好。 锦纶：每6个碳原子上含有一个酰胺基（-CONH-），所以也具有一定的吸湿能力。 腈纶：大分子中只有亲水性弱的极性基团氰基（-CN），故吸湿能力小。 涤纶、丙纶：缺少亲水性基团，故吸湿能力极差，尤其是丙纶基本不吸湿。,纤维的结晶度,纤维的结晶度越低，吸湿能力就越强。在同样的结晶度下，微晶体的大小对吸湿性也有影响。一般来说，晶体小的吸湿性较大。 纤维吸收的水分一般不能进入结晶区，在结晶区内，分子有规则地紧密排列，活性基在分子间形成了交键，如氢键、盐式键、双硫键等，所以水分子就不易渗入，若要产生吸湿作用就须打开这些交键，使活性基游离，显然这是困难的。因而纤维的吸湿作用主要是发生在无定形区。 棉、麻和粘胶同属纤维素纤维，每一个葡萄糖剩基上都含有3个一OH，但棉麻纤维的结晶度为70，而粘胶纤维仅30左右，粘胶吸湿性好于棉麻。,纤维的比表面积和内部空隙,纤维的比表面积越大，表面能也就越大，表面吸附能力越强，吸附的水分子数也越多，吸湿性越好。细纤维的比表面积大，较细纤维的回潮率偏大些。 纤维无定形区内缝隙孔洞越多越大，纤维吸湿能力越强。 成熟度差的棉纤维比较细，表面积大，因此其吸湿能力大于成熟度好的棉纤维。 粘胶纤维结构比棉麻纤维疏松，缝隙孔洞多，是其吸湿能力远高于棉的原因之一 合成纤维结构一般比较致密，而天然纤维组织中有微隙，这也是天然纤维的吸湿能力远大于合成纤维的原因之一。,纤维的内的伴生物和杂质,a.棉纤维中有含氮物质、棉蜡、果胶、脂肪等，其中含氮物质、果胶较其主要成分更能吸着水分，而蜡质、脂肪不易吸着水分。 因此棉纤维脱脂程度越高，其吸湿能力越好； b.羊毛表面的油脂是拒水性物质，它的存在使吸湿能力减弱； c.麻纤维的果胶和蚕丝中的丝胶有利于吸湿； d.化学纤维表面的油剂，其性质会引起吸湿能力的变化，当油剂表面活性剂的亲水基团向着空气定向排列时，纤维吸湿量变大。,吸湿等温线,吸湿等温线,1、定义：在一定大气压力和温度下，平衡回潮率随湿度变化的曲线(T一定，W-RH%的关系曲线) 2、特点：曲线都呈反S形 RH= 0%15% 曲线的斜率比较大 原因：开始阶段纤维中游离的亲水基因比较多，容易吸湿。 RH= 15%70% 时 曲线的斜率比较小 原因：因主要靠间接吸收，且水分子进入纤维内部的微小间隙中，形成毛细水，同时纤维还有一个膨化过程，所以吸收的水分比开始阶段减少； RH70% 时 曲线斜率又明显地增大。 原因：因水分进入纤维内部较大的间隙，纤维产生膨化，毛细水大量增加，表面吸附的能力，也大大增强，这就进一步增加了回潮率的上升速度。 3、纤维种类不同，曲线的高低不同： 吸湿能力强的在上方，如羊毛、粘胶； 吸湿能力差的在下方，如腈纶、涤纶等。,吸湿等湿线,吸湿等湿线,定义：纤维在一定的大气压力和湿度下，平衡回潮率随温度而变化的曲线。(RH%一定，W-T的关系曲线） 特点：温度愈高，平衡回潮率愈低。但在高温高湿的条件下，由于纤维的热膨胀等原因，平衡回潮率略有增加。 原因： T增加时，纤维中的水分子的热运动能和纤维分子的热振动能增大，使纤维内水蒸汽的蒸发压升高，它比空气中已成为气体的蒸汽部分压力的上升快得多，因此使水分子保留在纤维分子上的能力减少。 存在于纤维内部空隙中的液态水蒸发蒸汽压力也随着温度的上升而升高。,吸湿滞后性(吸湿保守现象),吸湿滞后性(吸湿保守现象),1、定义：同样的纤维在一定的大气压力和温湿度条件下，从放湿达到平衡和从吸湿达到平衡，两种平衡回潮率不相等，前者大于后者，这种现象叫作纤维吸湿滞后性。 2、原因：一 般认为吸湿时由于水分子进人纤维的无定形区，使大分子间距离增加，少数连接点被迫拆开，而与水分子形成氢键结合。放湿时，水分子离开纤维，连接点有重新结合的趋势，但由于大分子上已有较多的极性基因与水分子相吸引，阻止水分子离去，而且大分子间的距离不能及时完全回复到原来情况，因而保留了一部分水分子。 因此同一纤维在同样的温湿度的条件下，从放湿达到平衡比从吸湿达到平衡具有较高的回潮率。,吸湿滞后性(吸湿保守现象),吸湿滞后性,3、吸湿滞后圈：同一种纤维的吸湿等温线与放湿等温线并不重合而形成的。 吸湿滞后值（即差值）与纤维的吸湿能力和相对湿度有关。在同一相对湿度条件下，吸湿性大的纤维，差值比较大。 羊毛 ：2.0% 粘纤： 1.8%2.0% 蚕丝：1.2%， 棉：0.9% 锦纶： 0.25% 涤纶等：吸湿等温线和放湿等温线则基本重合。,吸湿滞后性,4、应用 调湿和预调湿 调湿：纺织材料具有一定的吸湿性，故实验前，需要将试样统一在标准状态下放置一定时间，使达到平衡回潮率。 预调湿：为避免纤维因吸湿滞后性所造成的误差，需预先将材料在较低的温度下烘燥（一般为4050C下去湿0.5l h），使纤维的回潮率远低于测试所要求的回潮率。然后再在标准状态下，使达到平衡回潮率。 车间温湿度调节 纤维处于放湿时，车间空气的RH%规定值,1相对湿度的影响 在一定温度条件下，相对湿度越高，空气中水蒸气的压力越大，也即是单位体积空气内的水分子数目越多，水分子到达纤维表面的机会越多，纤维的吸湿也就较多。 温度的影响 在一般的情况下，随着空气和纤维材料温度的提高，纤维的平衡回潮率将会下降。 在温度和湿度这两个因素： 对亲水性纤维来说，相对湿度对回潮率的影响是主要的， 对疏水性的合成纤维来说，温度对回潮率的影响明显。 3. 纤维原来回潮率大小的影响 由吸湿滞后性我们可知，当纤维材料置于一新的大气条件下时，其从放湿达到平衡时的回潮率要高于从吸湿达到的回潮率。故纤维原来回潮率大小也有一定的影响。 4.空气流速的影响,作业（四）,1.论述纤维材料的吸湿机理及影响纤维吸湿性大小的因素有哪些？,第三节 吸湿对纤维性质的影响,一、对重量和密度的影响 1、重量随回潮率的增加而增加 2、密度随回潮率的增加先增后降 水分子进入纤维的空隙，质量增加而体积不变，密度 体积膨胀，水的密度小于纤维密度，密度 回潮率为4-6%时，密度最大,第三节 吸湿对纤维性质的影响,二、对体积的影响 吸湿膨胀，横向大于纵向(SLSD) 原因：大分子进入无定形区的大分子之间的间隙中，拆开可一些联结点，使分子间距离增加，纤维变粗 表示： 膨胀各向异性值： fs=1，完全取向 fs=0，完全随机排列 影响： 织物变厚、变硬、缩水 增加织物弹性,第三节 吸湿对纤维性质的影响,三、对力学性质的影响 吸湿的纤维 大部分纤维 回潮率，强度 水分子进入无定形区，减弱了大分子间的结合力，使分子容易在外力作用下发生滑移 粘胶吸湿后强度下降非常显著 聚合度和结晶度低，水分子对大分子间的结合力减弱显著 棉麻纤维 回潮率，强度 聚合度和结晶度高，水分子对大分子间的结合力的减弱不显著，并且可将一些大分子链上的缠结打拆开，分子链得以舒展和受力的大分子链的增加 不吸湿性的纤维 强度下降不显著,常见纤维在润湿状态下强伸度变化表,大部分纤维吸湿后，强度下降，伸长率增加。 粘胶湿强小于干强，棉、麻湿强大于干强 合成纤维湿强约等于干强,第三节 吸湿对纤维性质的影响,四、对热学性质的影响 影响：吸湿放热，温度上升 原因：空气中运动的水分子被纤维大分子的极性基团吸引而与之结合，水分子的动能降低而转化为热能并释放。这种放热会使纤维温度升高。 指标 吸湿微分热(J/g)：纤维在给定回潮率时下吸着1克水放出的热量。 干燥纤维的吸湿微分热差不多，约为11501350J/g。 回潮率，吸湿微分热 吸湿积分热(J/g) ：在一定的温度下，1g干燥纤维从开始吸湿到完全润湿，所放出的热量。 吸湿能力强的纤维，其吸湿积分热也大。,各种纤维的吸湿积分热,吸湿放热对材料的保暖性有利，但对纤维材料的储存不利。,第三节 吸湿对纤维性质的影响,五、对电学性质的影响 干燥纤维是优良的绝缘体 提高车间温湿度或对纤维给湿，使纤维回潮率增加，电阻下降，导电性提高，电荷不易积聚，减少静电现象，抗静电性增强 六、对光学性质的影响 折射、反射和透射：回潮率增加，光泽 吸收：回潮率增加，颜色 ，降解和老化 水分子进入纤维后引起纤维结构的改变,作业（五）,1、为什么必须将纤维放在标准温湿度条件下调湿一定时间后才可进行物理性能的测试？当纤维含水较多时，为什么必须先经预调湿。如何进行预调湿？ 2、什么是纤维的平衡回潮率？什么是材料的吸湿滞后现象？并用图说明纤维的吸湿滞后性。举例说明其在实际中的应用。 3、何谓缩水？说明棉织物缩水的原因。 4、何谓吸湿等湿线和吸湿等温线，并画图解释不同纤维的吸湿等温线的反S形。,第二节 吸湿性的测量,一、直接测量：称得湿重Ga，去除水分后得干重G0，根据定义求得W。 1、烘箱法 2、红外线辐射法 3、高频加热干燥法 4、吸湿剂干燥法 5、真空干燥法 二、间接测量 电阻式测湿仪 电容式测湿仪,1、烘箱法,（1）原理：烘箱是利用电热丝加热，当箱内温度升至规定值时，把试样放入烘箱内，使纺织材料内的水分蒸发于热空气中，并利用换气装置将湿空气排出箱外。由于纺织材料内水分不断蒸发和散失，质量不断减少，当质量烘至恒量时，即为纺织材料干重（烘燥过程中的全部质量损失都作为水分），最后算出回潮率指标。 （2）影响烘干效果的因素： a. 温度和时间 温度：棉105；丝110 ；其它纤维105110 。 （有温控装置） 时间：烘燥90分钟左右,第一次称重，10min后第二次称重，两次重量之差与后一次重量之比0.05%，后一次重量为干燥重量。 b. 称重方法 称重方法：箱内热称、箱外热称和箱外冷称三种。 c. 大气温湿度条件 箱内的相对湿度不可能达到0，当烘箱置于非标准大气条件下测试时，其干重需根据当时环境的温度和相对湿度进行修正。再用修正后的干重计算其回潮率。,1、烘箱法,（3）优点：检验历史长，测得的结果比较稳定； （4）缺点： 耗电量大，时间长，并易损坏试样； 纤维内的一些油脂或其他物质的挥发，影响测定结果的真实性； 干重不是绝对的干重。,2、红外线辐射法,（1）原理：利用红外线灯泡发出来的红外线照射试样，能量高，穿透力强，使材料内部在短时间内达到很高的温度，将水分去除。 （2）优点 烘干迅速（一般情况下只要520min即可烘干） 耗电量省、设备简单 （3）缺点 试验结果不稳定 （温度无法控制，能量分布也不均匀，局部过热而使材料烘焦变质）,3、高频加热干燥法,（1）原理：利用高频电磁波在物质内部产生热量以去除水。 高频介质加热法或电容加热法（频率范围为1100MHZ）； 微波加热法（频率范围是8003000MHZ）。 （2）优点 从材料内部产生高热，一次烘燥量也比较大，迅速而均匀；加热设备直接作用于被烘燥的物体上，热损失小； （3）缺点 设