湖工院纺织材料学课件04纺织纤维的吸湿性

Chapterfourmoistureabsorptionoftextilefiber纺织纤维的吸湿性

1内容提要：summary吸湿指标及计算；吸湿性随内外因变化的一般规律；吸湿性对纤维性能的一般影响规律；烘箱法与电阻法测纤维回潮率的一般原理及优缺点。

24.1Theoriesofmoisturesorption

吸湿与吸湿机理

4.1.1Regainandmoisturecontent回潮率、含水率

Theamountofwaterinaspecimenmaybeexpressedintermsofeithertheregainorthemoisturecontent:3

Ifthedrymass=G0andthemassofundriedspecimen=G,wehave:4ThetwoaresimplyrelatedAlsowehave:51.标准状态下的回潮率(criterionregain)Wc

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120±127±265±2220±227±365±3320±327±565±562.公定回潮率

WkWa-----实际回潮率

Wk-----公定回潮率

(p88)Ga-----称见重量Gk-----公定重量78常用纤维的标准状态下的回潮率和公定回潮率纤维种类标准回潮率（%）公定回潮率（%）原棉7~811．1苎麻（脱胶）7~812亚麻8~1112黄麻12~16（生麻），9~13（熟麻）14细羊毛15~17--洗净毛--15山羊毛--15干毛条--18.25油毛条--19桑蚕丝8~911.0粘胶纤维13~1513醋酯纤维4~77涤纶0.4~0.50.4锦纶63.5~4.54.5锦纶664.2~4.54.5腈纶1.2~2.02.0维纶4.5~5.05丙纶00氯纶--0氨纶--19常用纱线的公定回潮率纱线种类公定回潮率（%）纱线种类公定回潮率（%）棉纱8.5（英制9.89）粘胶纱及长丝13苎麻纱10粘胶针织绒线（内销）8亚麻纱12粘胶针织绒线（外销）13经梳毛纱16涤纶纱及长丝0..4粗梳毛纱15锦纶纱及长丝4.5羊毛绒线（国内）10腈纶纱2羊毛绒线（外销）15维纶纱5羊毛针织绒线15涤棉纱（65/35）3.2（英制3.7）绢纺蚕丝11103.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。Wae

Wde

114.1.2Theoriesofmoisturesorption吸湿机理

1.Theeffectofhydrophilicgroups亲水基团及其作用纤维大分子上是否存在亲水性基团，是决定纤维吸湿性能的决定性因素。极性基团的多少、极性的强弱、结构状态等综合影响吸湿性。Forexample,thecellulosemoleculecontainsthreehydroxylgroupsforeachglucoseresidue,andhydrogenbondscanbeformedbetweenwatermoleculesandthehydroxylgroups:1213DirectlyandindirectlyattachedwaterPeirce理论认为，纤维的吸湿包括直接吸收水分和间接吸收水分Directandindirectabsorptionofwatermoleculesbyapolymermolecule14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：Peirce理论是用于棉纤维吸湿的两相理论。15162.Absorptionincrystallineandnon-crystallineregions

结晶区与非结晶区吸湿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。纤维的吸湿作用主要发生在非结晶区，这是肯定的，水分能否进入结晶区，目前尚有争议，但水分进入结晶区的量是很少的。在相同的结晶度条件下，晶型和晶粒的大小对吸湿也有影响，一般来说，晶粒小，吸湿性大。

Itwillnotbeeasyforwatermoleculestopenetrateintoacrystallineregion.

173Hysteresis--amolecularexplanation滞后-分子学说Schematicviewofdryandwetstructurescross-lingks184.2Relationbetweenregainandrelativehumidity吸湿平衡回潮率与空气相对湿度的关系

4.2.1hysteresisintherelationbetweentheregain吸湿滞后现象（湿历史）

在同一空气条件下，纺织材料吸湿平衡回潮率比放湿平衡回潮率小的现象叫吸湿滞后性（或叫吸湿保守性，吸湿滞后现象）。

19Hysteresisinmoistureabsorption2021特点：1.都是对数曲线

；

2.

起始段快，以纤维大分子中，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。后减慢直至平衡

；

3.吸湿平衡所需要的时间<放湿平衡所需时间；

4.吸湿平衡Wae不等于放湿平衡Wde。22吸湿平衡是动态的，其稳定性很差，而且是自动进行的，外界条件一变，平衡就立即遭到破坏，而且要达到新的平衡需一定的时间。同一种纤维的吸湿等温线与放湿等温线并不重合，而形成吸湿滞后圈。

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。如羊毛

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温等温线则基本重合。23Typicalcurvesofregainagainstrelativehumidity.A--Absorption.B--Desorption.C--Intermediate(soda-boiledcotton)24吸湿滞后性图25应用（1）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40～50℃下去湿0.5～lh），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。（2）车间温湿度调节如：纤维处于放湿时，车间空气的RH%<规定值；纤维处于吸湿时,车间空气的RH%>规定值。26

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。274.2.2吸湿等温、等压、等湿线吸湿等温线

1.定义：(T一定，W-RH%的关系)

吸湿（放湿）等温线：在一定的大气压力和温度条件下，纤维材料因吸湿（放湿）达到的平衡回潮率与大气相对湿度的关系曲线.28Regain-r.h.relationsforvarioustextilefibers

29特点：1.曲线都呈反S形，吸湿机理基本一致。2.RH=0%～15%时，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；

RH>70%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。30吸湿等湿线1.定义：纤维在一定的大气压力下，相对湿度一定时，平衡回潮率随温度而变化的曲线。（RH%一定，W-T的关系曲线）2.规律：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。31羊毛和棉的吸湿等湿等压线323.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。

此外，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。334.2.3影响纤维吸湿的因素

一.内在因素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。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）。342.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。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。如：棉经丝光后，由于结晶度降低使吸湿量增加；

棉和粘胶—同属纤维素纤维，每一个葡萄糖剩基上都含有3个一OH，但棉纤维的结晶度为70％左右，而粘胶纤维仅30％左右，W粘胶>W棉。353.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。纤维无定形区内缝隙孔洞越多越大，纤维吸湿能力越强。如：粘胶纤维结构比棉纤维疏松，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。364.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。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。37二.外界因素1．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。

2．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。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。384.3吸湿对纤维性质的影响

4.3.1对纤维重量的影响

纤维材料的重量随吸着水分量的增加而成比例地增加4.3.2对几何尺寸的影响

纺织纤维是由大分子组成的一个各向异性体，吸湿后膨胀明显表现各向异性，具体讲就是：长度方向和直径方向上的膨胀增加率不一样。纤维膨胀和内部结构的关系是很密切的。结构影响膨胀，而膨胀反映结构状况。39纤维吸湿后体积膨胀，横向膨胀大而纵向膨胀小，表现出明显的各向异性。纤维的膨胀值：SD=⊿D/D；SL=⊿L/L；SA=⊿A/A；

SV=⊿V/V

式中：D、L、A、V—纤维原来的直径、长度、截面积和体积；⊿D、⊿L、⊿A、⊿V—纤维膨胀后，其直径、长度、截面积和体积的增加值。40纤维吸湿膨胀具有明显的各向异性，即SD>SL。同一纤维，可根据吸湿膨胀后各向异性的大小，来判断大分子的取向度。41各种纤维在水中的膨胀性能表

纤维种类Sd

(%)Sl

(%)Sa(%)Sv

(%)棉20～30--40～4242～44蚕丝16.3～18.71.3～1.61～930～32羊毛15～17--25～2636～41粘胶纤维25～523.7～4.850～11474～127铜氨纤维32～532～656～6268～107醋酯纤维9～140.1～0.36～8--42纤维的湿膨胀，使得由它织造的织物，同样要发生一些变化，如织物变厚、变硬、变短，织物洗涤以后尺寸变短，就是我们常见的缩水，这一点大家都有经验。43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。

织物吸湿前后织物结构的变化444.3.3对密度和体积的影响

对密度的影响，纤维的密度是随回潮率的增加，先上升，然后下降。

对含水纤维来讲，总质量是干纤维与水的质量和，随水的进入，是线性增加的。而体积由三部分组成：干纤维本身的体积，内部空隙的体积，再加上进入的水的体积。（对于密度小于1的纤维又怎样呢？）454.3.4对机械性质的影响

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。

464.3.5对热学性质的影响

1.原因：由于空气中的水分子被纤维大分子上的极性基因所吸引而与之结合，分子的动能降低而转换为热能被释放出来的缘故。2.指标：

吸湿积分热：在一定的温度下，1g干燥纤维从某一回潮率吸湿到达完全润湿，所放出的总热量，单位为J/g（干纤维）。

吸湿能力强的纤维，其吸湿积分热也大。纤维积分热与回潮率间关系

47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。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46.11240羊毛纤维112.61340苎麻纤维46.5-蚕丝纤维69.1-醋酯纤维34.31240锦纶纤维30.61050涤纶纤维3.4-腈纶纤维7.1-维纶纤维35.2-纤维吸湿微分热与回潮率间关系

483.应用（1）吸湿放热与保暖性（2）吸湿放热与纺织材料储存（3）吸湿放热与热工计算494.3.6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。吸湿会使导电性能增强,抗静电性能增强.4.3.7对光学性质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。

504.4吸湿性的测试方式

测量方法很多，可分为直接法与间接法.

4.4.1直接法：所谓直接法就是根据吸湿指标的定义，直接测量出公式中的各个参数：G0，G，直接法的关键在于：烘干和称重。

发展到现在使纤维干燥的方式方法已有很多，如：吸干、抽取、烘燥、红外、高频、微波等，效率各不相同。以烘箱法为例测试的基本原理。

51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