纺织材料学 (于伟东-中国纺织出版社) 第4章

平衡回潮率
§4-2 大气条件与纤维吸湿
一、吸湿等温线（T一定，W-RH%的关系） 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；
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.RH>70% 时，曲线斜率又明显地增大。
第四章 纺织材料的吸湿性
§4-1 吸湿指标和吸湿机理 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。
W (%) G G0 100 G0
M (%) G G0 100 G
G ——纺织材料湿重； G0 ——纺织材料干重。
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；
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。
20 40 60 80 100 相对湿度（％）
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。
纤维聚合度
大分子聚合度低时，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。
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）
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。
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。
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。
§4-4 吸湿性的测试方法
一、直接测定法 义求—得—W称。得湿重G，去除水分后得干重G0，根据定
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，
三、吸湿滞后性（保守性）
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）。
2、吸湿滞后原因
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。
3.应用
（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； 纤维处于吸湿时, 车间空气的RH%>规定值。
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。
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
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，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5～20min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。
2、标准回潮率
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%， 大气压力为86~106kPa，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 20±2℃，RH 65±2%； 二级标准：T 20±2℃，RH 65±3%； 三级标准：T 20±2℃，RH 65±5%；
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。
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。
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.
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。
❖ 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。
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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 图 ①吸湿能力强弱： ②纤维集合体的结构： ③纤维相对回潮率大小： ④空气的温度和流速：
（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1～ 100MHZ）；
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。
§4-3 影响纤维吸湿的因素 1、内因 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）纤维的比表面积
5）纤维的伴生物性质和含量 2、外因
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，纤维的吸湿能力越高。
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。
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 。
❖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。
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。
(2)影响烘干效果的因素： a.温度和时间 温度：棉—105°C；丝—110°C；其它纤维— 105~110°C。 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。
3、公定回潮率
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
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）
Gk

(100 Wk 100 W
)G
Gk

G0
(1

Wk 100
)
混纺纱的公定回潮率
n
Wk biWi i 1
吸湿放湿速度 如图
二、纤维的吸湿机理
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。