纺织材料学-于伟东-中国纺织出版社-第4章

1、第四章 纺织材料的吸湿性,一、吸湿指标,1、回潮率和含水率 回潮率W：纺织材料中所含水分重量对纺织材料干重的百分比。 含水率M：纺织材料中所含水分重量对纺织材料湿重的百分比。,4-1 吸湿指标和吸湿机理,G 纺织材料湿重； G0 纺织材料干重。,3、公定回潮率,2、标准回潮率,定义：贸易上为了计重和核价的需要，由国家统一规定的各种纺织材料的回潮率。,各种纤维和纱线标准回潮率和公定回潮率 表,定义：纺织材料放在一个统一的标准大气条件下，回潮率达到一个稳定值（吸湿平衡），这时的回潮率称为标准回潮率。,国际标准中规定的标准大气条件为： 温度（T）为20（热带为27）， 相对湿度（RH）为65%， 大

2、气压力为86106kPa，视各国地理环境而定。 我国规定的标准大气条件为：大气压力为1个标准大气压，即101.3kPa（760mmHg柱），并规定了温、湿度的波动范围： 一级标准：T 202，RH 652%； 二级标准：T 202，RH 653%； 三级标准：T 202，RH 655%；,4、标准重量GK,在公定回潮率时的重量叫标准重量公定重量（公量）,混纺纱的公定回潮率,Wi（%）混纺材料中第i种纤维 的公定回潮率； bi（%）混纺材料中第i种纤维的 干重混纺比。,5、吸湿平衡与平衡回潮率 定义：纺织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。,影响吸湿达到平衡所需时间的因素

3、图 吸湿能力强弱： 纤维集合体的结构： 纤维相对回潮率大小： 空气的温度和流速：,吸湿放湿速度 如图,二、纤维的吸湿机理,吸湿机理 纤维表面的吸附作用 极性极团的亲水作用 毛隙效应,吸湿过程 纤维吸湿时，水分子先吸附至纤维表面，然后水蒸气向纤维内部扩散，与纤维内大分子上的亲水性基团结合，随后水分子进入纤维的缝隙孔洞，形成毛细水。,吸着水分的种类 1、吸收水 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。它 们之间的结合力较强，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

4、质的亲水基团所吸引的水分子。它们之间的结 合力较弱，主要是范德华力，同时放出的热量也较少。,2、毛细水 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）。 3、粘着水（表面吸附） 纤维因表面能而吸附的水分子。 4、区别： 吸收水属于化学吸着，是一种化学键力，因此必然有放热反应； 毛细水和粘着水属于物理吸着，是范德华力，没有明显的热反应， 吸附也比较快。,1、定义：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；,一、吸湿等温线（T一定，W-R

5、H%的关系）,4-2 大气条件与纤维吸湿,特点 1.曲线呈反S形。 2.RH= 0%15% 时，曲线的斜率比较大； 3.RH= 15%70% 时，曲线的斜率比较小； 4.RH70% 时，曲线斜率又明显地增大。,2、原因：（不同纤维吸湿等温线） （温度对吸湿的影响） 空气干燥，纤维吸湿量也小，极性基团处于自由状态，空气湿度稍有增加，纤维极性基团能吸收较多水分子，故随RH ， W。 当极性基团吸收了一定水分子后，再进入纤维的水分子主要靠间接吸收，它们存在于纤维微小空隙中，形成微毛细水，故纤维吸收的水分子比开始阶段减少。 随着RH增加，当中RH 70%时，水分子进入纤维较大空隙中，毛细水大量增加，表

6、面吸附的能力也大大增强，纤维发生膨胀，可以拆开一些分子间结合点，使更多亲水基团与水分子结合，故纤维吸湿能力加强。,二、吸湿等湿线（RH%一定，W-T的关系曲线）,2、规律： t， w平 高温、高湿时随温度增加，由于纤维的热膨胀等原因，平衡回潮率略有增加。,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。,3、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，它比空气中蒸气压力的上升快，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。,三、吸湿滞后性（保守

7、性）,1、吸湿滞后性 同一种纤维在一定温度下，由放湿达到平衡和由吸湿达到平衡，两种W平不相等，W放W吸，这种现象叫作纤维吸湿滞后性（保守性）。,1）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，这要克服大分子结合力因而受到阻力大，所以吸湿较困难。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。 2）纤维表面能吸附一些其它气体

8、分子沉积在纤维表面形成固体表面膜，从而限制了空气中的水分子的吸附，又限制了吸附在固体表面膜内的水分子解吸。,2、吸湿滞后原因,（1）调湿和预调湿： 调湿：纺织材料具有一定的吸湿性，故测试前，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 纤维处于放湿时，车间空气的RH%规定值。,3.应用,4-3 影响纤维吸湿的因素,1）纤维大分子亲水基团的多少和亲水性的强弱,2）纤维的结晶度和内部空隙,3）纤维聚合度,4）纤

9、维的比表面积,5）纤维的伴生物性质和含量,1、内因,2、外因,纤维素纤维： 如棉、粘纤、铜氨等纤维，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（-COCH3）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、氨基（一NH2）、羧基（一COOH）等亲水性基团，因此吸湿性很好，尤其是羊毛，侧链中亲水基团较蚕丝更多，故其吸湿性优于蚕丝。,纤维大分子亲水基团的多少和亲水性的强弱 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

10、越高。,合成纤维： 含有亲水基团不多，故吸湿性都较差。 维纶大分子中含有羟基（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6、锦纶66 大分子中，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、丙纶大分子中因缺少亲水性基团，故吸湿能力极差，尤其是丙纶基本不吸湿.,结晶区中：纤维大分子排列整齐、密实、缝隙、孔洞少，分子间互相接近的各基团结合力相互饱和，故纤维吸湿难。 非结晶区中：大分子排列紊乱、疏松，有较多缝隙、孔洞，密度低，大分子表面基团距离较远，结合力小，没

11、有完全饱和，易于吸湿。 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。,纤维的结晶度和内部空隙 纤维吸收的水分一般不能进入结晶区，只进入无定形区。,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，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。,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。 纤维无定形区内缝隙孔洞越多越大，纤维吸湿能力越强。 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。,纤维聚合度 大分子聚合

12、度低时，大分子端基存在自由亲水基团多，吸湿能力大。 如粘胶纤维聚合度小于棉纤维的聚合度，故粘胶纤维的吸湿性大于棉纤维。,纤维的比表面积 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。 细纤维由于比表面积大，较粗纤维的回潮 率偏大些。,纤维的伴生物性质和含量 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。 羊毛表面的油脂是拒水性物质，它的存在使吸湿能力减弱。 麻纤维的果胶和蚕丝中的丝胶有利于吸湿。 化学纤维表面的油剂，其性质会引起吸湿能力的变化，当

13、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。,外因 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

14、潮率大小也有一定的影响。,一、直接测定法 称得湿重G，去除水分后得干重G0，根据定义求得W。 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。 国家标准规定供给烘箱的大气应为标准大气，如为非标准大气，则测得的烘干质量应修正到标准大气条件下的干重。,4-4 吸湿性的测试方法,(2)影响烘干效果的因素： a.温度和时间 温度：棉105C；丝110C；其它

15、纤维105110C。 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。 优点：检验历史长，测得的结果比较稳定； 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 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，

16、使材料内部在短时间内达到很高的温度，将水分去除。 一般情况下只要520min即可烘干。 优点：烘干迅速、耗电量省、设备简单； 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 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）； 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； 缺点：设备费用高，投资多、耗电量大，运转和维修费用较高，水汽蒸发过快，常引起纤维曝裂；微波对人体有害，必须很好加以屏蔽。,4.吸湿剂干燥法 将纺织材料和强吸湿剂放在

17、同一个密闭的容器内，利用吸湿剂吸收空气中的水分，使容器内空气的相对湿度达到0%。 吸湿剂：干燥的五氧化二磷粉末（效果最好）； 干燥氯化钙颗粒状（最常用）。 优点：比较准确 缺点：适用于小量试样，否则吸不干，成本高，费时长（一般在室温下达到真正吸干约需46周的时间）。,5、真空干燥法 原理： 将试样放在密闭的容器中抽取真空，在一定的真空度下，再对容器用电阻丝加热，加热的温度可以自动控制。一定时间后由于水汽被去除，真空度变小，用差压法即可推算水分的含量。,气压表,水蒸气,试样,利用水的沸点随气压的降低而下降的特性，将纤维放在真空室内，加速纤维内水分的蒸发。,如使干燥器内的气压下降至15KPa，在温

18、度6070条件下，烘燥1h可得到材料干重。 优点：不需要称取干重，工作简便，试样用量很少；可在较低温度（6070C）下将试样中的水分去除，烘干时间减少且可避免材料氧化变质。 测定结果精确可靠而设备费用也不高。,二、间接测定法 利用纺织材料中含水多少与某些性质密切相关的原理，通过测试这些性质来推测含水率或回潮率。 特点：不用去除材料中的水分，不损坏试样，速度很快，可以不接触试样在生产上可用作连续测定，便于对回潮自动监控；影响因素较多，在稳定性、准确性和适应性欠佳。 1.电阻测湿仪 利用纤维在不同的回潮率下具有不同的电阻值来进行测定。 多数纤维当RH=30%90%，M和m的关系是： mMn =K

19、式中：K常数（与试样的数量、松紧程度、温度和电压等有关）； n常数（随试样种类而定的）。,2.电容式测湿仪（较少用） 以一定量的纤维材料，放在一定容量的电容器中，由于纺织材料和水的介电常数相差很大，随着材料中含水的多少使电容量发生变化，即可推测含水率或回潮率的大小。,4-5 吸湿性对纺织材料性能影响,一、对重量和密度的影响,二、对长度和横截面积的影响,三、对机械性能的影响,四、对热学性质的影响 五、对电学性质的影响 六、对光学性质的影响,吸湿对纤维重量和密度的影响,纤维重量以公定回潮率时的重量为标准重量 纤维密度随回潮率的增加先增加后下降。,纤维吸湿后体积膨胀，横向膨胀大而纵向膨胀小，表现出明

20、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。 纤维吸湿膨胀具有明显的各向异性，即 SdSl。 膨胀各向异性值 同一纤维，根据吸湿膨胀后各向异性的大小，来判断大分子的取向度。 纤维吸湿膨胀具有的各向异性，导致织物缩水。,吸湿对纤维长度和横截面积的影响,吸湿对纤维机械性能的影响,1、对强度的影响 表 （1）一般规律：W增加，纤维强力下降； 这是因为水分子进入纤维内部无定形区，减弱了大分子间的结合力，使分子间容易在外力作用下发生

21、滑移之故。强力下降的程度，视纤维内部结构和吸湿多少而定。 粘胶纤维由于大分子聚合度较低，结晶度也较低，纤维断裂主要表现为大分子的滑脱，水分子进入后对大分子结合力的减弱显著，因此吸湿后强力下降非常显著。 （2）吸湿能力差的纤维，W增加，强力变化不太显著。,（3）棉、麻纤维，吸湿后强力增加； 这是由于棉和麻纤维大分子聚合度很高，结晶度也很高，纤维断裂主要表现为大分子本身的断裂，而水分子进入后对大分子间结合力的减弱不显著，并主要表现为水分 子进入后可将一些大分子链上的缠结被拆开，分子链的舒展和受力分子链的增加，平均地负担纤维上所受的外力，因此使纤维强力增加。 2、对伸长率的影响： W增加，伸长率有所增加。 这是因为水分子进入纤维内部后，减弱了大分子间的结合力，使它在受外