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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,紡織物理第二章纖維的吸濕性,*,PPT,文檔演模板,Office,PPT,紡織物理第二章纖維的吸濕性,2024/12/13,紡織物理第二章纖維的吸濕性,紡織物理第二章纖維的吸濕性2023/9/24紡織物理第二章纖,1,概述,纖維結(jié)構(gòu)是纖維的固有特性，決定纖維性能。纖維結(jié)構(gòu)不同，吸收水分的能力有所差異。,天然纖維（棉、麻、絲、毛等）以及再生纖維（再生纖維素、再生蛋白質(zhì)等），具有較高的吸濕能力，稱為,親水性纖維,；大多數(shù)合纖（聚酯、聚丙烯、聚氯乙烯等），吸濕能力低，稱為,疏水性纖維,。,通常纖維的吸濕性可細分為

2、：纖維吸收,氣相水,的能力（吸濕性）和吸收,液相水,的能力（吸水性）。,對纖維吸濕性的研究，對研究,纖維性能,、,紡織工藝加工,及穿著,舒適性,等提供理論依據(jù)；同時對纖維吸濕機理的研究，也為,開發(fā)功能性合成纖維,（特別是親水性合纖）提供理論依據(jù)；此外，吸濕性也與,纖維重量,有密切關(guān)系，這與纖維貿(mào)易中重量的計算標準有直接的聯(lián)系。,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,概述纖維結(jié)構(gòu)是纖維的固有特性，決定纖維性能。纖維結(jié)構(gòu)不同，吸,2,第一節(jié) 纖維的吸濕平衡,一、纖維,吸濕和時間,的關(guān)系,纖維制品在一定大氣條件下，會吸、放空氣中水分，隨時間推移會達到動態(tài)吸、放濕平衡，即單位時間吸收水分=放出水分。,圖2

3、-1為某干燥纖維制品在一定相對濕度條件下吸、放濕平衡過程，纖維從大氣中吸收水分，總是大于放出的水分，最終達到吸濕平衡過程。,,平衡,時間,吸濕量,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,第一節(jié) 纖維的吸濕平衡一、纖維吸濕和時間的關(guān)系平衡時間吸濕,3,絕對濕度和相對濕度,兩者均反映大氣中的水分含量。,絕對濕度(Absolute Humidity)：單位體積大氣中含水質(zhì)量。,相對濕度(Relative Humidity %)：RH=(h/h,s,)x100%；,其中h表示絕對濕度；,h,s,表示相同條件下水蒸氣飽和具有的絕對濕度。,標準大氣條件：T=20℃，RH=65%,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,絕對

4、濕度和相對濕度兩者均反映大氣中的水分含量。紡織物理第二章,4,二、纖維吸濕指標和測試方法,1、吸濕指標,（1）回潮率與含水率,回潮率W：含水量占纖維干重(G,0,)的百分比；,W=(G-G,0,)/G,0,×100%,含水率M：含水量占纖維濕重(G)的百分比。,M= (G-G,0,)/G×100%,W與M的換算,W=100M/(100-M)；,M=100W/(100+W),,紡織物理第二章纖維的吸濕性,二、纖維吸濕指標和測試方法1、吸濕指標紡織物理第二章纖維的吸,5,標準回潮率：纖維在統(tǒng)一的標準大氣條件下，一段時間后回潮率達到一個穩(wěn)定值。,公定回潮率：貿(mào)易和成本計算時，對回潮率做的統(tǒng)一規(guī)定。,

5、天然纖維公定回潮率：原棉8.5%；苧麻16.28%；桑蠶絲11%；羊毛16%。,化學纖維（親水性）：粘膠13%；維綸5%；錦綸4.5%；腈綸2%；,化學纖維（疏水性）：滌綸0.4%；丙綸0；氯綸0.,混合原料的公定回潮率為各原料混比的加權(quán)平均：,,N種混合原料公定回潮率= ,,,其中P,i,，W,i,分別表示第i種原料所占的干重百分比和公定回潮率。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,標準回潮率：纖維在統(tǒng)一的標準大氣條件下，一段時間后回潮率達到,6,2、吸濕指標的測試,（1）直接測試法:,先稱取一定濕重的紡織材料，驅(qū)除水分后得到干重，計算得到回潮率。,烘箱法,：電阻絲

6、恒溫加熱，溫度設(shè)定以水分可蒸發(fā)而材料不分解為原則。棉（105±3）℃，毛及大部分化纖（105-110）℃。吸濕性的主要測試手段。,紅外線干燥法,：紅外線燈泡（可加涂輻射遠紅外線的物質(zhì)）照射去除試樣水分，省時、省電。,高頻加熱干燥法,：高頻交變電場中，纖維內(nèi)部極性分子和水分子極化，產(chǎn)生內(nèi)摩擦發(fā)熱（分子間及分子內(nèi)，由極化現(xiàn)象產(chǎn)生的介電損耗），去除試樣水分子。頻率分為，電容加熱1-100MHz；微波加熱800-3000MHz。由于水的介電損耗較纖維約大20倍，即水分可吸收的能量很大，產(chǎn)生高熱，使水分蒸發(fā)。,真空干燥法,：在密閉容器內(nèi)抽真空并加熱烘干，由于低壓下水的沸點降低，在60-70℃下，即可短時

7、間內(nèi)使試樣水分散失，適合不耐高溫的合纖。,吸濕劑干燥法,：密閉容器中吸濕劑（五氧化二磷粉末）吸收空氣中水分使相對濕度達0%，利于纖維散失水分。常用于精密試驗研究。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,2、吸濕指標的測試（1）直接測試法:紡織物理第二章纖維的吸濕,7,（2）間接測試法,利用含水量和纖維某些性能的關(guān)系來檢測回潮率。,電阻測濕法,：當纖維材料數(shù)量、松緊度、溫度和電壓等一定時，通過的電流與回潮率存在一定的相關(guān)關(guān)系，即纖維回潮率不同電阻值不同。,電容測濕法,：將一定質(zhì)量纖維放在一定容量的電容器中，利用水分與干燥纖維介電常數(shù)（反映材料在電場中被極化的程度，介電常數(shù)大材料貯電能力強，極化程度高）不

8、同，電容量變化，來測定回潮率。,微波吸收法,：在微波范圍（頻率300MHz-300GHz的電磁波，波長1mm-1m之間 )材料吸收微波的強弱由介質(zhì)損耗因數(shù)決定。微波加熱就隨材料損耗因數(shù)具有選擇性，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)40-80，損耗角正切0.15-1.2，其介質(zhì)損耗因數(shù)大，對微波具有強吸收能力。纖維材料介電常數(shù)2-5，損耗角正切0.001-0.05。利用水和纖維對微波的吸收和衰減程度不同，可測定其回潮率。,紅外光譜法,：水對不同波長的紅外線有不同的吸收率，吸收量和材料中水分的比例有關(guān)，根據(jù)紅外線吸收圖譜，可推測纖維回潮率。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,（2）間接測試

9、法紡織物理第二章纖維的吸濕性,8,三、纖維回潮率與相對濕度的關(guān)系,1、吸濕滯后性,纖維在相同的大氣溫濕度條件下，從放濕達到平衡和從吸濕達到平衡，兩種平衡回潮率不等，且前者大于后者，稱吸濕滯后性。,吸濕滯后性的原因：水分子進入或離開纖維會引起纖維干、濕結(jié)構(gòu)的變化，在纖維非晶區(qū)或晶區(qū)界面間，大分子鏈的親水基團（-OH）相互形成橫向結(jié)合鍵-氫鍵。環(huán)境相對濕度大，水分子進入纖維需克服氫鍵作用，纖維從干結(jié)構(gòu)變成濕結(jié)構(gòu)；環(huán)境相對濕度低，水分子克服阻力逸出纖維，纖維重新回到干結(jié)構(gòu)。,,,,由于結(jié)構(gòu)具有保持不變的傾向，結(jié)合鍵打開和重建存在滯后，故纖維吸、放濕存在滯后。,較多橫向結(jié),合鍵的干結(jié)構(gòu),較少橫向結(jié),合

10、鍵的濕結(jié)構(gòu),水分子進入,水分子逸出,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,三、纖維回潮率與相對濕度的關(guān)系1、吸濕滯后性較多橫向結(jié)較少橫,9,,,,,,,,,,,,,,,,,干結(jié)構(gòu),濕結(jié)構(gòu),H,2,O,,對于干結(jié)構(gòu)，分子間為橫向結(jié)合鍵，濕結(jié)構(gòu)中含有水分子，假設(shè)在相同的大氣環(huán)境，水分子進入干結(jié)構(gòu)需克服橫向結(jié)合鍵，而水分子一旦離開纖維，由于原來的分子間距離很近，很容易重建結(jié)合鍵，因此，水分子進入干結(jié)構(gòu)較困難。,對于濕結(jié)構(gòu)，水分子逃逸后，纖維分子間距離較大，重建分子間結(jié)合鍵比水分子重新進入逃逸位置要困難，因此，濕結(jié)構(gòu)纖維較干結(jié)構(gòu)纖維具有更高的回潮率，從而產(chǎn)生吸濕滯后性。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,干結(jié)構(gòu)濕

11、結(jié)構(gòu)H2O 對于干結(jié)構(gòu)，分子間為橫向結(jié)合鍵，濕結(jié)構(gòu),10,2、纖維的吸濕等溫線,一定溫度條件下，纖維材料平衡回潮率和大氣相對濕度的關(guān)系曲線。,不同纖維吸濕性不同，同樣的相對濕度，吸濕性：天然及再生>合纖。,,,,,,,,,不同纖維吸濕等溫線均反“S”形，表明其吸濕機理本質(zhì)一致。RH小時，曲線斜率大，纖維中極性基團直接吸水。當RH在15%-70%，曲線斜率較小，纖維內(nèi)表面被水分子覆蓋，再進入的那部分水分子活動性大，動態(tài)平衡時，吸著較困難，水分子進入纖維速度減慢。RH繼續(xù)增大，水分子進入纖維內(nèi)部較大的空隙，形成毛細水，特別是纖維本身膨脹，空隙增大，故毛細水大量增加，曲線斜率較大，回潮率增速加大。

12、,,,,,,,,,RH%,回潮率%,2,1,3,4,5,6,7,8,1---羊毛,2---粘膠,3---蠶絲,4---棉,5---醋酯纖維,6---錦綸,7---腈綸,8---滌綸,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,2、纖維的吸濕等溫線RH%回潮率%213456781---羊,11,一定溫度條件下，纖維材料由放濕達平衡回潮率和大氣相對濕度間關(guān)系曲線，放濕等溫線。由于吸濕滯后性，同種纖維吸濕等溫線與放濕等溫線不重合，形成吸濕滯后圈。吸濕性大則放濕與吸濕回潮率差值大。,,,RH%,平衡回潮率%,a,b,c,d,,,放濕,吸濕,纖維從放濕平衡態(tài)a，再次吸濕，沿虛線ab變化；從吸濕平衡態(tài)c，進入放濕過程，

13、沿虛線cd變化。即某一大氣條件下的平衡狀態(tài)受吸放濕歷史影響，平衡回潮率可能處于吸放濕等溫線間的任意一個位置。,因此，檢驗纖維性能時，為避免回潮率不同，不僅需要統(tǒng)一的標準大氣條件，還要進行預(yù)調(diào)濕過程，即預(yù)先在低溫下烘燥（50℃，0.5-1h），以保證材料在標準條件下，從吸濕等溫線達到平衡回潮率。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,一定溫度條件下，纖維材料由放濕達平衡回潮率和大氣相對濕度間關(guān),12,第二節(jié) 纖維的吸濕熱,纖維吸水時，纖維分子和水分子間結(jié)合，水分子動能降低會產(chǎn)生熱。,,一、吸濕熱指標,（1）,吸濕微分熱Q,:一定回潮率下，1g質(zhì)量水被質(zhì)量無限大的纖維材料吸收產(chǎn)生熱量，J/g。假設(shè)從水蒸氣

14、吸收有：,Q,V,=Q,1,+L,Q,1,：纖維吸濕微分熱；L：一定溫度下水蒸氣凝聚潛熱。,,（2）,吸濕積分熱W,:一定回潮率下，1g質(zhì)量干燥纖維達到完全潤濕，所產(chǎn)生的熱量，J/g。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,第二節(jié) 纖維的吸濕熱纖維吸水時，纖維分子和水分子間結(jié)合，水分,13,Q與W的關(guān)系：,,當回潮率增加dr，每g纖維產(chǎn)生的熱量為Q,1,dr/100,那么將其從r積分到飽和回潮率r,s,,,,,,,當回潮率降低dr，每g纖維減少的熱量為Q,1,dr/100，或微分熱Q,1,有：,,W,0,r,s,0,,回潮率,積分熱W,,,,,dW,dr,W,0,：干燥纖維的吸濕積分熱,,紡織物理第二

15、章纖維的吸濕性,Q與W的關(guān)系：W0rs0回潮率積分熱WdWdrW0：干燥纖維,14,二、影響纖維吸濕熱的因素,吸濕性好的纖維，積分熱W高，如從回潮率為0，各類干燥纖維的積分熱W數(shù)據(jù)：棉46，亞麻55，羊毛113，絲69，粘膠106，錦綸31，滌綸5。,RH對纖維吸濕熱Q影響大，回潮率隨RH增加而增加，積分熱W隨回潮率增加而減少，回潮率達到飽和r,s,時積分熱W接近0。微分熱Q隨回潮率增加而減少。,微分熱Q與纖維親水基團的極性有關(guān)，具有相同親水基團的纖維，其微分熱Q基本相同，如含羥基(-OH)的天然纖維素和再生纖維素；羊毛和錦綸分子主鏈含酰胺鍵（-C=O-NH,2,-）且分子鏈端含有氨基（-NH

16、2）和羧基（-COOH）。,,,,,羊毛,粘膠,棉,醋酯纖維,回潮率%,吸濕積分熱J/g,0 5 10 15,100,,80,,60,,40,,20,,,,,羊毛,粘膠,棉,醋酯纖維,回潮率%,吸濕微分熱kJ/g,0 5 10 15,1.2,,,0.8,,,0.4,,1g水,被質(zhì)量無限,大纖維吸收放熱,1g干燥纖維完,全潤濕產(chǎn)生熱,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,二、影響纖維吸濕熱的因素吸濕性好的纖維，積分熱W高，如從回潮,15,吸濕放熱和穿著舒適性及儲存的關(guān)系：,纖維的吸濕放熱和舒適性有關(guān)，吸濕熱大有利于人體調(diào)

17、節(jié)體溫，具有較好的保暖。例如，1.5kg的羊毛服裝，從T=18℃，RH=45%的室內(nèi)，到T=5℃，RH=95%的室外，其回潮率從10%增加至27%，吸濕放熱量約6000kJ。,吸濕放熱不利于纖維制品的儲存，若倉庫通風不良，空氣潮濕，會導致纖維制品霉變，甚至引發(fā)火災(zāi)。,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,吸濕放熱和穿著舒適性及儲存的關(guān)系：紡織物理第二章纖維的吸濕性,16,三、纖維吸濕熱的測試方法,1、吸濕積分熱W的測量,將已知回潮率和質(zhì)量的纖維放入熱容已知的量熱器，并加過量的水，測量器上升溫度，計算積分熱，需高靈敏測溫裝置，可測量不同回潮率下積分熱，繪制纖維積分熱和回潮率關(guān)系曲線。,2、吸濕微分熱Q

18、的測量,直接測量微分熱困難，但可以通過測量與微分熱有關(guān)的其他性能，換算。如量熱器法，吸濕等溫線法。,量熱器法：按照積分熱-回潮率曲線，由公式計算某回潮率下的微分熱，即根據(jù)曲線上某點斜率獲得微分熱。,,,回潮率,W,0,r,s,0,,積分熱W,,,,,dW,dr,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,三、纖維吸濕熱的測試方法1、吸濕積分熱W的測量回潮率W0rs,17,吸濕等溫線法：利用一系列不同溫度下，纖維吸濕等溫線，可得到不同回潮率下微分熱。,克勞修斯-克拉珀龍（Clausius-Clapeyron）方程：,,,,,p,s,為水的飽和蒸汽壓；T為絕對溫度；V,s,為飽和蒸汽壓時水蒸氣的比容(單位質(zhì)量占

19、有的體積)；L為水蒸氣的凝聚潛熱。,p為紡織纖維平衡蒸汽壓；V是該蒸汽壓下的蒸汽比容。,由相對濕度： RH=(p/p,s,×100)%,兩邊同取自然對數(shù)： lnRH=lnp-lnp,s,+ln100,回潮率一定時，對溫度求導，并根據(jù)理想氣體定律pv=p,s,v,s,=RT，有：,Q,1,=RT,2,(,?,lnRH,/?,T),r,=-R[,?,lnRH,/?,(1/T)],r,那么，可根據(jù)lnRH-1/T曲線的斜率得出吸濕微分熱。,,,回潮率r的紡,織纖維系統(tǒng),,紡織物理第二章纖維的吸濕性,吸濕等溫線法：利用一系列不同溫度下，纖維吸濕等溫

20、線，可得到不,18,第三節(jié) 纖維材料的吸濕速率,纖維制品需要長時間才能和環(huán)境達到吸濕平衡，吸濕速率決定于大氣中的T、RH、風速、材料厚度、密度及纖維本身性能。,一、纖維吸濕的水分子擴散方程及其近似解,靜止的水體由于水分子無規(guī)則運動，水中的微粒也隨之無規(guī)則運動（布朗運動，1826年）。纖維制品中水分子將從高濃度向低濃度擴散，通過垂直于濃度梯度,?c/?x,的平面，面積為A，擴散系數(shù)D（當濃度為1個單位時，單位時間通過單位面積的氣體量），質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率dm/dt，可由費克（1855年，德）方程（Fick equation）：,dm/dt=-DA,?c/?x,,,dm/dt,c,0,c,c=0,t=0

21、,濃度為常數(shù)的無限源,濃度c隨t的變化和質(zhì)量轉(zhuǎn)移率有比例關(guān)系：,dc/dt∝dm/dt ∝(-dc/dx) ∝[-(c-c,0,)],或，dc/(c-c,0,)=dt/τ,其中：τ比例常數(shù),對上式積分，由初始條件t=0時，c=0，微分方程的解為：,c=c,0,(1-e,-t/τ,),,紡織物理第二章纖維的吸濕性,第三節(jié) 纖維材料的吸濕速率纖維制品需要長時間才能和環(huán)境達到吸,19,c=c,0,(1-e,-t/τ,),當t=τ時，c=c,0,(1-1/e)=0.63c,0,物理意義：當纖維中水濃度c由0-63%無限源濃度c,0,，所需時間t等于比例常數(shù)τ，τ可用來表示纖維吸濕快慢的指標。,那么，求

22、導：,dc/dt=(c,0,/ τ) e,-t/τ,當t=0，上式為：,dc/dt=c,0,/ τ,上式表明， τ也是時間參數(shù)，與吸濕初始速率（質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率）有關(guān)。,,若水分以初始速率擴散，整個平衡所需時間,τ =M/(dm/dt),其中：M為吸濕平衡時所需水的質(zhì)量。,按照費克方程， τ =M,l,/[D(c,0,-c,1,)A],其中，A為吸濕材料的水汽吸收表面積；吸濕速率與濃度梯度，吸濕量，擴散系數(shù)，吸濕面積和空氣間隔距離有關(guān)。,,,,l,空氣,調(diào)濕溶液,吸濕材料,c,0,c,1,初始,濃度,不變,濃度,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,c=c0(1-e-t/τ)l空氣調(diào)濕溶液吸濕材料c0c1

23、初始,20,二、影響纖維材料吸濕平衡速率的主要因素,吸濕過程：吸濕開始，由于大氣較高的蒸汽壓力，水分子進入試樣使回潮率增加，同時放出熱量，溫度上升。同時，纖維的蒸汽壓力將增加，直到與大氣環(huán)境蒸汽壓力接近時，稱“瞬態(tài)平衡”，此時如熱量不驅(qū)散，試樣將不再吸濕。當熱量散失后，試樣溫度降低，進一步吸濕，回潮率增加，但試樣中蒸汽壓力保持接近大氣蒸汽壓力，直到纖維的溫度和蒸汽壓力和大氣條件相同，就達到最終的吸濕平衡。,,平衡過程的速率,取決于水分和熱量通過纖維試樣的難易程度，與試樣大小、形狀、包裝密度、纖維種類、溫度及回潮率大小有關(guān)。,包裝尺寸和形狀,：越大，熱傳遞距離大，調(diào)濕越慢，,調(diào)濕平衡時間∝（體積

24、/表面積）,2,；,包裝密度,：回潮率變化一定時，吸收水分質(zhì)量或放出熱量與密度正比，調(diào)濕平衡時間∝密度；,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,二、影響纖維材料吸濕平衡速率的主要因素吸濕過程：吸濕開始，由,21,材料種類,：不同纖維吸濕性不同，達到平衡時吸收水分的質(zhì)量和放出的熱量不同，對平衡速率有較大影響；,回潮率,：纖維在較低和較高的回潮率時，其水分子擴散系數(shù)低，吸濕平衡較慢；,溫度,：高溫時熱量轉(zhuǎn)移或散失迅速，平衡較快；低溫時，平衡較慢；,空氣流動,：通風好，利于熱量散失，調(diào)濕平衡時間短；,,兩種提高調(diào)濕平衡的速度的方式,（1）將需調(diào)濕的試樣放在比平衡大氣條件更為潮濕的環(huán)境中預(yù)先吸濕平衡一段時間

25、，然后再放至所需平衡的大氣條件中，進行第二次平衡。,（2）將需調(diào)濕平衡的試樣放入密閉容器，并加入達到調(diào)濕平衡時，所需要的含水總量。,上述兩種方法，將會比試樣直接進入所需平衡大氣中達到吸濕平衡的時間要短。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,材料種類：不同纖維吸濕性不同，達到平衡時吸收水分的質(zhì)量和放出,22,第四節(jié) 吸濕與纖維性能的關(guān)系,一、對質(zhì)量的影響,吸濕后纖維質(zhì)量增加，故質(zhì)量或和質(zhì)量有關(guān)的指標，如纖維或紗線的線密度，織物平方米質(zhì)量，應(yīng)采取,公定回潮率,時的質(zhì)量。,二、吸濕膨脹,纖維吸濕后，體積增加，表現(xiàn)為橫向膨脹大，縱向膨脹小。,直徑膨脹率S,D,=ΔD/D×100%；長度膨脹率S,L,=ΔL/

26、L×100%；,截面膨脹率S,A,=ΔA/A×100%；體積膨脹率S,V,=ΔV/V×100%；,各膨脹率之間的關(guān)系(V=AL),S,V,=[(A+ΔA) (L+ΔL)-AL]/AL=ΔL/L+ΔA/A+(ΔA×ΔL)/AL,=S,L,+S,A,+S,A,·S,L,直徑膨脹率和長度膨脹率可顯微鏡和測長儀測量；體積膨脹率可通過纖維干燥和吸濕后密度及回潮率計算：假設(shè)1g干燥纖維吸收水分m克，ρ,0,、ρ,s,分別是干燥和吸濕后密度，W為回潮率；體積V=1/ ρ,0,,V+ΔV=(1+m)/ ρ,s,=(1+W/100)/ ρ,s,S,v,=ΔV/V=(ρ,0,/ρ,s,)(1+W/100)-1,,

27、,紡織物理第二章纖維的吸濕性,第四節(jié) 吸濕與纖維性能的關(guān)系一、對質(zhì)量的影響紡織物理第二章纖,23,吸濕膨脹各向異性（S,L,

28、%-6%時，密度最大。隨水分子充滿孔隙后，再吸濕造成纖維顯著膨脹，密度則降低。,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,吸濕膨脹各向異性（SL

29、電阻下降、介電常數(shù)上升，不同回潮率時，電阻差異很大；,回潮率增加，纖維折射率下降，雙折射率也改變，如纖維吸濕膨脹，雙折射率減小，但又產(chǎn)生形狀雙折射，使?jié)窭w維雙折射增加。,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,四、對力學性能的影響紡織物理第二章纖維的吸濕性,25,第五節(jié) 纖維的吸濕機理和理論,一、纖維材料的吸濕機理(,內(nèi)因,),1、,親水基團,的作用,纖維大分子中，親水基團的多少和極性強弱對吸濕性有很大影響。較強的親水基團有：羥基（-OH）、酰胺基（-CONH）、氨基(-NH,2,)、羧基(-COOH)等，與水分子形成化學結(jié)合水（直接吸收水），這類基團↑，吸濕↑。,纖維素纖維（棉8.5%、麻16.3%

30、、粘膠13%），大分子中每個葡萄糖剩基含有3個羥基，故吸濕性↑；醋酯纖維中葡萄糖?；洗蟛糠至u基被乙?；〈阴；?COCH,3,）對水的吸引力不強，故醋酯纖維吸濕性較粘膠低；,蛋白質(zhì)大分子主鏈含酰胺基，側(cè)鏈含羥基、氨基、羧基等，故羊毛(16%)、絲(11%)等吸濕性好；,合纖中含親水基團不多，吸濕性均較低，維綸(5%)中纖維大分子上羥基經(jīng)過縮甲醛后，一部分被封閉，故吸濕性減小；錦綸(4.5%)大分子中酰胺基也具有一定吸濕性；腈綸(2%)大分子的氰基（-CN）極性較大，但親水性弱，故吸濕能力??；滌綸(0.4%)、丙綸(0)缺乏親水基團，故吸濕能力很低。,,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,

31、第五節(jié) 纖維的吸濕機理和理論一、纖維材料的吸濕機理(內(nèi)因)紡,26,2、纖維,結(jié)晶度,天然纖維素的XRD表明，吸濕前后圖像并無變化，認為結(jié)晶區(qū)內(nèi)，纖維大分子排列緊密有序，親水基團在分子間形成交鍵，水分子一般不能進入結(jié)晶區(qū)，纖維吸濕主要發(fā)生在大分子不規(guī)則排列的無定形區(qū)。,纖維結(jié)晶度↓，吸濕能力↑，如棉絲光后，結(jié)晶度降低，吸濕性增加；棉和粘膠雖然化學組成均為纖維素纖維，但棉結(jié)晶度約70%，粘膠約30%，故粘膠吸濕性（13%）高于棉（8.5%）。,同結(jié)晶度時，微晶體大小也對吸濕性產(chǎn)生影響，顆粒小，表面積大，晶體表面纖維大分子親水基團吸收水，吸濕性增加。粘膠皮、芯層晶粒尺寸不同，皮層相對晶粒小而分散均

32、勻（13%-14%），芯層（11%-12%）。,纖維大分子取向度一般對吸濕性影響很小，但聚合度對吸濕性有一定影響。如大分子端基為親水性基團，聚合度低的纖維吸濕性較強，如粘膠。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,2、纖維結(jié)晶度紡織物理第二章纖維的吸濕性,27,3、纖維的,比表面積,和,內(nèi)部孔隙,比表面積：單位質(zhì)量纖維具有的表面積。,表面能：物質(zhì)表面分子由于引力不平衡，使其較內(nèi)部分子具有多余的能量。,表面積越大，表面能也越大；,表面張力：液、氣界面處，液體表面分子有表面收縮以降低表面能的傾向。,表面吸附：固、氣界面處，表面能不能以縮小表面來降低，但由吸附某種物質(zhì)以降低表面能的傾向。,纖維表面積越大，表

33、面能越多，表面吸附能力越強，纖維表面吸附水分子的能力也越強，吸濕性越好。,纖維內(nèi)部大分子排列越不規(guī)則，孔隙越多，吸濕能力越強。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,3、纖維的比表面積和內(nèi)部孔隙紡織物理第二章纖維的吸濕性,28,（1）直接吸收水和間接吸收水,直接吸收水,：直接被大分子上親水基團吸附和起化學反應(yīng)的水分子；,間接吸收水,：已被吸附的水分子，本身也具有極性，可吸附其他水分子，被吸附水分子上的水分子，稱為間接吸收水；結(jié)合力較弱，存在于纖維內(nèi)部微小間隙成為微毛細水；高濕度時，間接吸收水可填充到纖維內(nèi)部較大空隙成為大毛細水。,（2）毛細水,在很高的RH時，液態(tài)水由于纖維表面張力作用，能保持在毛細空

34、隙內(nèi)。按照Kelvin公式（1871年，定量描述純液體飽和蒸汽壓和與半徑的關(guān)系，界面化學重要公式）：,ln(RH/100)=-2σM/(ρRTa),RH相對濕度；σ表面張力；M水的相對分子量；ρ水的密度；R氣體常數(shù)；T絕對溫度；a毛細管中水面曲率半徑。當20℃時，毛細管臨界曲率半徑a,c,=0.47/(2-lgRH) (nm),上式表明，當RH↑，液態(tài)水可保持在較大直徑的毛細管（纖維孔隙）中，使回潮率↑；當a＞a,c,，液面平坦，水分易蒸發(fā)； a＜a,c,，水分子被保持在毛細管，不易蒸發(fā)。,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,（1）直接吸收水和間接吸收水紡織物理第二章纖維的吸濕性,29,4、纖維中

35、,伴生物,和,雜質(zhì),伴生物和雜質(zhì)對吸濕產(chǎn)生影響。,如棉含有比纖維更易吸水的氮物質(zhì)、果膠、也含有不易吸水的脂肪、棉蠟；因此脫脂程度越高，吸濕性越好。,麻纖維的果膠和絲纖維的絲膠有利于吸濕；,羊毛表面油脂是拒水物質(zhì)；,合纖中表面油劑通常親水性表面活性劑，可提高吸濕性；,天然纖維中含雜質(zhì)多少也對回潮率有一定影響。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,4、纖維中伴生物和雜質(zhì)紡織物理第二章纖維的吸濕性,30,二、環(huán)境對纖維吸濕性的影響（,外因,）,前面的分析基于纖維吸濕性本質(zhì)的內(nèi)因，實際空氣環(huán)境條件、吸濕、放濕過程以及平衡時間長短等外因，也影響纖維吸濕性。,1、,RH,的影響,溫度T一定時，RH↑，空氣中水汽

36、分壓力↑，單位體積空氣中水分子數(shù)量↑，纖維吸濕幾率↑，平衡回潮率隨RH增加，呈,反“S”形,增加。,2、,T,的影響,溫度T對纖維平衡回潮率的影響較RH小，總趨勢：T↑，平衡回潮率↓。,RH相同時，T低時，水分子活動,能量,小，與纖維親水基團結(jié)合后，不易分離。T高時，水分子活動能量大，纖維大分子熱振動能也大，同時存在于纖維內(nèi)部空隙的液態(tài)水蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽壓上升，使得水分子容易從纖維內(nèi)部逃逸。,通常，RH一定時，平衡回潮率隨T↑而↓，平衡回潮率隨溫度變化的曲線稱為纖維的吸濕等濕線。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,二、環(huán)境對纖維吸濕性的影響（外因）前面的分析基于纖維吸濕性本,31,,,,,RH%,平

37、衡回潮率%,0 20 40 60 80 100,24,,18,,12,,6,,,50℃,70℃,90℃,110℃,溫度對棉纖維平衡回潮率的影響,隨溫度增加平衡回潮率降低，但高溫高濕條件下，由于纖維熱膨脹等原因，平衡回潮率略有增加。,,,,,,,,平衡回潮率%,溫度℃,0 5 10 15 20 25 30 35,15,,13,,11,,9,,7,,5,吸濕-等濕線（棉）,RH=100%,RH=90%,RH=80%,RH=70%,RH=60%,RH=50%,RH=40%,,,,,,,,平衡回潮率%,溫度℃,0 10

38、 20 30 40,30,,25,,20,,15,,10,,5,吸濕-等濕線（羊毛）,RH=100%,RH=90%,RH=75%,RH=60%,RH=45%,RH=30%,RH=15%,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,RH%平衡回潮率%0 20 40 6,32,3、,空氣流速,的影響,空氣流速快，有助于纖維表面被吸附的水分子蒸發(fā)，纖維平衡回潮率有所降低。,,4、,應(yīng)力,的影響,纖維的吸濕膨脹表明應(yīng)力的作用影響纖維的回潮率。當拉應(yīng)力作用于長絲纖維時，平衡回潮率有所增加。相反，纖維受到橫向壓應(yīng)力時，其回潮率將會降低。,例如，RH=75.

39、5%，T=25℃，無定形纖維素纖維應(yīng)力5.7MPa，10.2MPa，13.6MPa時，回潮率分別增加0.2%，0.4%，0.6%；定向纖維素纖維應(yīng)力10.2MPa，17.7MPa，35.6MPa，回潮率分別增加0.1%，0.4%，1.1%.,Nickerson對加捻的棉紗線的測定結(jié)果表明，當拉應(yīng)力達到60%斷裂強力時，回潮率由8.78%降低至8.19%。,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,3、空氣流速的影響紡織物理第二章纖維的吸濕性,33,三、吸濕理論,目的：建立,吸濕等溫線,（RH%和纖維平衡回潮率）的數(shù)學定量表達式。,1、皮爾斯（Peirce）理論(direct & indirect abs

40、orption water),根據(jù)吸濕后纖維模量(modulus)呈指數(shù)關(guān)系下降，提出纖維吸收水分子為兩類：,直接吸收水,（纖維大分子上親水基團和水分子通過氫鍵結(jié)合）、,間接吸收水,（吸附在直接吸收水上）。后者對纖維的物理機械性質(zhì)影響不大，結(jié)合力較小，對纖維水分的蒸發(fā)起主要作用。,氫鍵（,hydrogen bond,）,,：鍵能( 25-40kJ/mol)比化學鍵(共價鍵、離子鍵)小，又比通常的分子間作用力大的一種特殊的分子間作用力，可用X－H···Y表示，X和Y代表F，O，N等電負性大而原子半徑較小的非金屬原子。X和Y可以是兩種相同（或不同）的元素。氫鍵可分為同種分子間（如H,2,O）、不同

41、分子間(如H2O，NH3導致氨氣在水中驚人的溶解度1:700)、分子內(nèi)氫鍵(如苯環(huán)上相鄰兩個-OH)。,若設(shè)C為總吸著位置上水分子的比數(shù)，其中C,a,、 C,b,分別為總吸著位置上直接、間接吸著水分子的比數(shù)，則：,C=C,a,+C,b,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,三、吸濕理論目的：建立吸濕等溫線（RH%和纖維平衡回潮率）的,34,當C增加dC時，其中直接吸著水的增量dC,a,與未被直接吸著水分子的位置數(shù)成正比（q為比例常數(shù)），即：,dC,a,/dC=q(1-C,a,),上式積分，ln(1-C,a,)=-qC；即，C,a,=1-e,-qC,假設(shè)q=1，C,a,=1-e,-C,C,b,=C-C,

42、a,=C-1+e,-qC,由回潮率定義：r=吸收水的質(zhì)量/吸水后纖維的質(zhì)量×100%,=(M,w,·C)/(k·M,0,)×100%,M,w,水分子相對質(zhì)量=18；,M,0,每一吸著位置相應(yīng)的纖維質(zhì)量=1/3葡萄糖?；|(zhì)量=54；,k=纖維分子質(zhì)量/纖維分子在無定形區(qū)的質(zhì)量；,這里，k表示只有無定形區(qū)才能吸收水分子，使纖維回潮率相應(yīng)降低。,故：,C=3k·r/100,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,當C增加dC時，其中直接吸著水的增量dCa與未被直接吸著水分,35,按照皮爾斯兩相理論，不同RH時，棉纖維吸收水的兩個組成部分：實際吸濕等溫線C，由兩部分C,a,、C,b,組成，分別代表總吸著位置上直

43、接吸收水和間接吸著水分子的比數(shù)。由右圖可見，隨RH增加，開始階段直接吸收水C,a,增加快，并逐漸趨于平穩(wěn)；C,b,在RH很大時，才有較大增加，代表膨脹及毛細水。,,0 20 40 60 80 100,RH(%),2.0,,,1.6,,,1.2,,,0.8,,,0.4,22.25,,,17.80,,,13.35,,,8.90,,,4.45,,,,C,C,a,C,b,回潮率(%),吸著水分子數(shù)/吸著位置數(shù),皮爾斯假設(shè)，水的蒸發(fā)主要和間接吸收水有關(guān)，且有,RH=p/p,0,∝C,b,其中，相對濕度RH，即水蒸汽壓p與飽和水蒸汽壓p

44、,0,之比，正比于間接吸著水分子的比數(shù)C,b,。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,按照皮爾斯兩相理論，不同RH時，棉纖維吸收水的兩個組成部分：,36,隨RH增加，C,b,增加。當p/p,0,增加dp/p,0,時，C,b,應(yīng)增加dC,b,（間接吸著水的增量），只能吸附于尚未有間接水分子的位置的部分，即（1- p/p,0,）才能增加蒸發(fā)的有效面積，此外，由于間接吸著水的封堵，并非所有尚未有間接水分子的位置，都是有效的，故：,dp/p,0,=β· （1- p/p,0,）· dC,b,或 dp/(1- p/p,0,)=β·p,0,· dC,b,其中，β為修正位置（1- p/p,0,）的常數(shù)。,上式積分可

45、得到，,p/p,0,=1-e,-βCb,此即為RH和吸濕關(guān)系方程，皮爾斯進一步認為，沒有間接吸收水的直接吸著水也可能有部分被蒸發(fā)，這部分位置應(yīng)等于（1- p/p,0,） ，其吸收水為C,a,（1- p/p,0,）=C,a,·e,-βCb,，那么有，,p/p,0,=1-e,-βCb,+K C,a,·e,-βCb,即，1- p/p,0,=（1-KCa）·e,-βCb,其中，K為常數(shù)，將C,a,=1-e,-qC,，q=1，C=3kr/100，C,b,=C-C,a,，帶入得到,1- p/p,0,=（1-K（1-e,-3kr/100,））·e,-β（3kr/100-1+e-3kr/100）,,,,紡織物

46、理第二章纖維的吸濕性,隨RH增加，Cb增加。當p/p0增加dp/p0時，Cb應(yīng)增加,37,2.海伍德（Hailwood）和霍洛賓（Horrobin）理論,假設(shè)，一部分水分子與纖維結(jié)合（類似皮爾斯理論直接吸著水），其他水分子溶解于纖維，與纖維混合在一起，認為吸濕后的纖維是三元混合體固體相混合物（溶解于水（H,2,O,溶解,）、與水結(jié)合的纖維（F·H,2,O）、未與水結(jié)合的纖維（F））。,上述固體相混合物，存在三者平衡態(tài)：F·H,2,O F+ H,2,O,溶解,平衡時，各物質(zhì)濃度關(guān)系：,[F·H,2,O]=K,1,[H,2,O,溶解,][F],其中，K,1,為平衡常

47、數(shù)。,同時，溶解水和水蒸氣存在一定平衡態(tài)：H,2,O,溶解,H,2,O,蒸汽,濃度關(guān)系：[H,2,O,溶解,]=K,2,[H,2,O,蒸汽,],相對濕度RH可以用水蒸氣濃度表示，即RH/100=[H,2,O,蒸汽,],故，[H,2,O,溶解,]=K·RH,其中，K=K,2,/100,,,,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,2.海伍德（Hailwood）和霍洛賓（Horrobin）理,38,理想的固態(tài)中，成分濃度比=摩爾比，故：,[H,2,O,溶解,]=n,w,/(n,w,+n,0,+n,1,),[F]=n,0,/(n,w,+n,0,+n,1,),[F·H,2,O]=n,1,/(n,w,+n,0,

48、+n,1,),其中，n,w,表示纖維中溶解水的分子數(shù)；n,0,、n,1,分別表示未與水分子結(jié)合、與水分子結(jié)合的纖維分子數(shù)。,那么， n,w,=(n,0,+n,1,)·K·RH/(1-K·RH),n,1,=n,0,[F·H,2,O]/ [F]=KK,1,·RH,纖維吸收的總水分=n,w,+n,1,，纖維分子總數(shù)=n,0,+n,1,，故纖維回潮率r為：,r=(n,w,+n,1,)·18/[(n,0,+n,1,)·M]×100%,18為水相對分子質(zhì)量；M為纖維單元（每個親水基團）相對分子質(zhì)量。,上式可分別表示為：Mr/1800=n,w,/(n,0,+n,

49、1,)+n,1,/(n,0,+n,1,),=K·RH/(1-K·RH)+KK,1,·RH/(1+KK,1,·RH),,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,理想的固態(tài)中，成分濃度比=摩爾比，故：紡織物理第二章纖維的吸,39,3.其他纖維吸濕理論,斯畢克曼,（Speakman）提出三相理論：,第一相,：與角蛋白質(zhì)側(cè)鏈親水基團緊密結(jié)合的水分子；,第二相,：吸著與主鏈上親水基團的結(jié)合水分子；,第三相,：高濕態(tài)條件下附著于纖維的結(jié)合力較低的間接水或毛細水。,,布魯耐爾、埃米特、泰勒等在蘭繆爾單層吸附理論基礎(chǔ)上，提出,多層吸附理論,，用,B.E.T方程,描述反S形纖維吸濕等溫線。,巴勒認為水分子和纖維大分子混合

50、在一起成理想的固溶體，利用統(tǒng)計熱力學推導出,吸濕溶解理論,。但根據(jù)該理論做出的吸濕等溫線呈現(xiàn)凹向回潮率軸，并非反S形，而單分子吸附理論是凸向回潮率軸，故B.E.T多層吸附理論，能較好地符合纖維實際的吸濕等溫線。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,3.其他纖維吸濕理論紡織物理第二章纖維的吸濕性,40,四、親水性合成纖維,1、合纖親水化原理：具有類似天然纖維的親水結(jié)構(gòu)：,（1）纖維結(jié)構(gòu)中引進各種親水基團，建立氫鍵與水分子締合；,（2）使纖維出現(xiàn)孔隙、微孔、裂縫，增加比表面積，通過表面能及毛細管效應(yīng)吸附水分。,,2、合纖親水化方法,（1）化學改性,A.纖維大分子結(jié)構(gòu)的親水化,通過聚合或共聚，在大分子結(jié)構(gòu)

51、中引入大量親水基團，如腈綸纖維共聚（以丙烯腈（約85%）、丙烯酸甲酯和甲基丙烯磺酸鈉為單體，偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，異丙醇為鏈轉(zhuǎn)移劑，經(jīng)自由基型三元共聚反應(yīng)而制得的三元共聚物）時引進丙烯酸、乙烯基吡啶和二羰基吡咯化合物等親水性單體，或者用化學處理，使纖維中部分氰基轉(zhuǎn)化為酰胺基或羧基的方法，均可得到吸濕性較好的腈綸；,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,四、親水性合成纖維1、合纖親水化原理：具有類似天然纖維的親水,41,對于錦綸，在大分子結(jié)構(gòu)中，減少亞甲基(-CH,2,)的數(shù)量，可大大提高吸濕性；此外，通過共聚，改變大分子結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，降低結(jié)晶度以增加酰胺基團來提高纖維親水性；,,B.與親水物質(zhì)接枝共聚

52、,丙烯腈與天然蛋白接枝共聚的親水性改性腈綸；滌綸與丙烯酸、甲基丙烯酸接枝共聚可提高滌綸的吸濕性；錦綸66與丙烯酸或順丁二酸接枝可提高錦綸66的吸濕性。,C.纖維表面親水處理,纖維或織物表面增加親水性化合物（親水整理劑）：丙烯酸系單體或結(jié)構(gòu)為親水部分和固著部分的表面活性劑，采用浸漬法和浸軋法加工處理。優(yōu)點：成本低、工藝簡單，能保持纖維原有特性并提高吸濕性；缺點：耐洗滌性差（親水持久性）。,引入親水基團和接枝共聚法易使纖維失去某些原有優(yōu)良性能，如染色牢度下降、手感硬化等，故吸濕性能只能適當提高。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,對于錦綸，在大分子結(jié)構(gòu)中，減少亞甲基(-CH2)的數(shù)量，可大,42,（2

53、）物理改性,,A.與親水性物質(zhì)共混或復合,共混：,親水性物質(zhì)混入紡絲熔體或溶液；如高吸濕性錦綸纖維（4%-25%的N-已丙酰胺+聚酰胺共混紡絲）吸濕性達8%-9%；高吸濕性腈綸（聚丙烯酰胺+聚丙烯腈共混）；高吸濕性滌綸（聚乙二醇衍生物、聚亞烷基二醇等+聚酯）；,復合：,親水性高聚物和待改性疏水性高聚物復合紡絲，如以丙烯腈共聚體為皮層，含羧基丙烯腈為芯層，中空復合纖維的保水率達30%；以普通聚酯為皮層，改性聚酯為芯層，熔紡得到復合纖維，再皂化處理(強堿催化下酯被水解生產(chǎn)醇和羧酸鹽)，得到吸濕性好、抗靜電聚酯。,,B.纖維結(jié)構(gòu)微孔化,纖維具有大量內(nèi)外貫通的微孔，利用毛細現(xiàn)象吸水，同時還具備低密度、

54、易干燥、保暖的特點，如微孔腈綸、微孔滌綸；,,,,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,（2）物理改性紡織物理第二章纖維的吸濕性,43,C.纖維截面異形化和表面粗糙化,如L截面纖維間易形成毛細孔。纖維表面粗糙度增加，表觀接觸角可減小，以提高纖維的親水性。,表面浸潤性通常用接觸角(在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θ)大小來衡量，研究表明，表面能與表面結(jié)構(gòu)是影響表觀接觸角大小的重要因素。,一滴液體落在水平固體表面上，當達到平衡時，形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式（Young Equation）:,,1）當θ=0，完全潤濕；,2）當θ﹤90°，部分潤濕或潤濕；,3）當θ﹥90°，不潤濕；,4）當θ=180°，完全不潤濕。,此外，滌綸與陽離子改性聚酯共混紡絲的中空纖維，再用NaOH處理，使纖維出現(xiàn)大量微孔，部分微孔互相貫通，并達到中空部分。調(diào)節(jié)堿液濃度，可調(diào)整微孔數(shù)量，大大提高滌綸的親水性。,,紡織物理第二章纖維的吸濕性,C.纖維截面異形化和表面粗糙化紡織物理第二章纖維的吸濕性,44,演講完畢，謝謝聽講,!,再見，see you again,3rew,2024/12/13,紡織物理第二章纖維的吸濕性,演講完畢，謝謝聽講!再見，see you again3rew,45,