紡織物理__第二章_纖維的吸濕性

1、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：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。一、纖維吸濕和時間的關(guān)系纖

2、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2-1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 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/hs)x100%； 其中h表示絕對濕度； hs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%1、吸濕指標（1）回潮率與含水率 回潮率W：含水量占纖維干

3、重(G0)的百分比；W=(G-G0)/G0100% 含水率M：含水量占纖維濕重(G)的百分比。M= (G-G0)/G100% W與M的換算W=100M/(100-M)；M=100W/(100+W)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。天然纖維公定回潮率：原棉8.5%；苧麻16.28%；桑蠶絲11%；羊毛16%?；瘜W(xué)纖維（親水性）：粘膠13%；維綸5%；錦綸4.5%；腈綸2%；化學(xué)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Pi，Wi

4、分別表示第i種原料所占的干重百分比和公定回潮率。NiiiWP1（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（1053），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，

5、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。（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(dāng)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

6、電能力強，極化程度高）不同，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。1、吸濕滯后性纖維在相同的大氣

7、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)較多橫向結(jié)合鍵的干結(jié)構(gòu)合鍵的干結(jié)構(gòu)較少橫向結(jié)較少橫向結(jié)合鍵的濕結(jié)構(gòu)合鍵的濕結(jié)構(gòu)水分子進入水分子逸出干結(jié)構(gòu)濕結(jié)構(gòu)H2O 對于干結(jié)構(gòu)，分子間為橫

8、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。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(dāng)RH在15%

9、-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。RH%回潮率%213456781-羊毛2-粘膠3-蠶絲4-棉5-醋酯纖維6-錦綸7-腈綸8-滌綸一定溫度條件下，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%abcd放濕吸濕 纖維從放濕平衡態(tài)a，再次

10、吸濕，沿虛線ab變化；從吸濕平衡態(tài)c，進入放濕過程，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。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)從水蒸氣吸收有：QV=Q1+LQ1：纖維吸濕微分熱；L：一定溫度下水蒸氣凝聚潛熱。（2）吸

11、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。Q與W的關(guān)系：當(dāng)回潮率增加dr，每g纖維產(chǎn)生的熱量為Q1dr/100,那么將其從r積分到飽和回潮率rs當(dāng)回潮率降低dr，每g纖維減少的熱量為Q1dr/100，或微分熱Q1有：drQWsrr1001drdWQ1001W0rs0回潮率積分熱WdWdrW0：干燥纖維的吸濕積分熱吸濕性好的纖維，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rs時積分熱W接近

12、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-NH2-）且分子鏈端含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）。羊毛粘膠棉醋酯纖維回潮率%吸濕積分熱J/g0 5 10 1510080604020羊毛粘膠棉醋酯纖維回潮率%吸濕微分熱kJ/g0 5 10 151.20.80.41g水水被質(zhì)量無限大纖維吸收放熱1g干燥纖維完干燥纖維完全潤濕產(chǎn)生熱全潤濕產(chǎn)生熱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)節(jié)體溫，具有較好的保暖

13、。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(fēng)不良，空氣潮濕，會導(dǎo)致纖維制品霉變，甚至引發(fā)火災(zāi)。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，

14、即根據(jù)曲線上某點斜率獲得微分熱。drdWQ1001回潮率W0rs0積分熱WdWdr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?？藙谛匏?克拉珀龍（Clausius-Clapeyron）方程：ps為水的飽和蒸汽壓；T為絕對溫度；Vs為飽和蒸汽壓時水蒸氣的比容(單位質(zhì)量占有的體積)；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/ps100)%兩邊同取自然對數(shù)： lnRH=lnp-lnps+ln100回潮率一定時，對溫度求導(dǎo)，并根據(jù)理想氣體定律pv=psvs=RT，有：Q1=RT2(lnRH/T)r=-RlnRH/

15、(1/T)r那么，可根據(jù)lnRH-1/T曲線的斜率得出吸濕微分熱。ssTVLdTdpTVQdTdpvrs回潮率r的紡織纖維系統(tǒng)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(fēng)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(dāng)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

16、=-DA c/xdm/dtc0cc=0t=0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/dtdm/dt (-dc/dx) -(c-c0)或，dc/(c-c0)=dt/其中：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=c0(1-e-t/)c=c0(1-e-t/)當(dāng)t=時，c=c0(1-1/e)=0.63c0物理意義：當(dāng)纖維中水濃度c由0-63%無限源濃度c0，所需時間t等于比例常數(shù)，可用來表示纖維吸濕快慢的指標。那么，求導(dǎo)：dc/dt=(c0/ ) e-t/當(dāng)t=0，上式為：dc/dt=c0/ 上式表明， 也是時間參數(shù)，與吸濕初始速率（質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率）有

17、關(guān)。若水分以初始速率擴散，整個平衡所需時間 =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， =Ml/D(c0-c1)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空氣空氣調(diào)濕溶液調(diào)濕溶液吸濕材料吸濕材料c0c1初始濃度不變濃度吸濕過程：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(dāng)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

18、，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/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；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(fēng)好，利于熱量散失，調(diào)濕平衡

19、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，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。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SD=D/D100%；長度膨脹率SL=L/L100%；截面膨脹率SA=A/A100%；體積膨

20、脹率SV=V/V100%；各膨脹率之間的關(guān)系(V=AL) SV=(A+A) (L+L)-AL/AL=L/L+A/A+(AL)/AL =SL+SA+SASL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，0、s分別是干燥和吸濕后密度，W為回潮率；體積V=1/ 0 V+V=(1+m)/ s =(1+W/100)/ sSv=V/V=(0/s)(1+W/100)-1吸濕膨脹各向異性（SLSD）的原因：纖維大分子長鏈取向排列，水分子進入無定形區(qū)，打開大分子間氫鍵或范德華力，使長鏈分子間距離增加，橫向加粗。而纖維長度方向，大分子不

21、完全取向，且存在卷曲構(gòu)象，水分子進入改變構(gòu)象，使長度有一定增加，但膨脹率遠小于橫向膨脹率。如粘膠，SL約3.7%而SD約25%；蠶絲， SL約1.6%而SD約16.5%.三、對密度的影響纖維少量吸水，由于水分子進入大分子孔隙，體積變化不大，單位體積質(zhì)量隨吸濕量增加而增加，導(dǎo)致密度增加。大多數(shù)纖維回潮率4%-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。四、對力學(xué)性能的影響絕大多數(shù)纖維，隨回潮率增加，強力下降，其中粘膠最明顯；但棉、麻等天然纖維素纖維，強力隨回潮率增加而增加。斷裂應(yīng)變隨回潮率增加而增大。隨回潮率增加，纖維塑性變形增加，表面摩擦因數(shù)也增加。上述變化，都是

22、由于水分子進入纖維后，改變了纖維分子間的結(jié)合狀態(tài)引起。五、對熱、光、電學(xué)性能的影響除吸濕放熱外，纖維吸濕后，比熱、導(dǎo)熱系數(shù)增加，保暖性大大降低；纖維材料具有電絕緣性，吸濕后由于水具有導(dǎo)電性，故電阻下降、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。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(-NH2)、羧基(-COOH)等，與水分子形成化學(xué)結(jié)合水（直接吸收水），這

23、類基團，吸濕。纖維素纖維（棉8.5%、麻16.3%、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?；〈?，而乙酰基（-COCH3）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??；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?。粶炀](0.4%)、丙綸(0)缺乏親水基團，故吸濕能力很

24、低。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(xué)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勻（13%-14%），芯層（11%-12%）。纖維大分子取向度一般對吸濕性影

25、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。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。（1）直接吸收水和間接吸收水直接吸收水：直接被大分子

26、上親水基團吸附和起化學(xué)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(xué)重要公式）：ln(RH/100)=-2M/(RTa)RH相對濕度；表面張力；M水的相對分子量；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(dāng)20時，毛細管臨界曲率半徑ac=0.47/

27、(2-lgRH) (nm)上式表明，當(dāng)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(dāng)aac，液面平坦，水分易蒸發(fā)； aac，水分子被保持在毛細管，不易蒸發(fā)。4、纖維中伴生物和雜質(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。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

28、度T一定時，RH，空氣中水汽分壓力，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。RH%平衡回潮率%0 20 40 60 80 1002418126507090110溫度對棉纖維平衡回潮率的影響溫度對棉纖維

29、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 35151311975吸濕吸濕-等濕線（棉）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 20 30 4030252015105吸濕吸濕-等濕線（羊毛）等濕線（羊毛）RH=100%RH=90%RH=75%RH=60%RH=45%RH=30%RH=15%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

30、脹表明應(yīng)力的作用影響纖維的回潮率。當(dāng)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=75.5%，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(dāng)拉應(yīng)力達到60%斷裂強力時，回潮率由8.78%降低至8.19%。目的：建立吸濕等溫線（RH%和纖維平衡回潮率）的數(shù)學(xué)定量表達式。1、皮爾斯（Peirce）理論(dire

31、ct & indirect absorption 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(xué)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XHY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

32、2O）、不同分子間(如H2O，NH3導(dǎo)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Ca、 Cb分別為總吸著位置上直接、間接吸著水分子的比數(shù)，則：C=Ca+Cb當(dāng)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子的位置數(shù)成正比（q為比例常數(shù)），即：dCa/dC=q(1-Ca)上式積分，ln(1-Ca)=-qC；即，Ca=1-e-qC假設(shè)q=1，Ca=1-e-CCb=C-Ca=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% =(MwC)/(kM0)100%Mw水分子相對質(zhì)量=18；M0每一吸著

33、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=3kr/100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Ca、Cb組成，分別代表總吸著位置上直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Ca增加快，并逐漸趨于平穩(wěn)；Cb在RH很大時，才有較大增加，代表膨脹及毛細水。0 20 40 60 80 100RH(%)2.01.61.20.80.422.2517.8013.358.904.45CCaCb回潮率(%)吸著水

34、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/p0Cb其中，相對濕度RH，即水蒸汽壓p與飽和水蒸汽壓p0之比，正比于間接吸著水分子的比數(shù)Cb 。隨RH增加，Cb增加。當(dāng)p/p0增加dp/p0時，Cb應(yīng)增加dCb（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/p0 ）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/p0 = （1- p/p0 ） dCb或 dp/(1- p/p0 )=p0 dCb其中，為修正位置（1- p/p0 ）的常數(shù)。上式積分可得到， p/p0 =1-e-Cb此

35、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/p0 ） ，其吸收水為Ca（1- p/p0 ）=Cae-Cb，那么有，p/p0 =1-e-Cb+K Cae-Cb即，1- p/p0 =（1-KCa）e-Cb其中，K為常數(shù)，將Ca=1-e-qC，q=1，C=3kr/100，Cb=C-Ca，帶入得到1- p/p0 =（1-K（1-e-3kr/100）e-（3kr/100-1+e-3kr/100）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

36、，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（H2O溶解）、與水結(jié)合的纖維（FH2O）、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)：FH2O F+ H2O溶解平衡時，各物質(zhì)濃度關(guān)系：FH2O=K1H2O溶解F其中，K1為平衡常數(shù)。同時，溶解水和水蒸氣存在一定平衡態(tài)：H2O溶解 H2O蒸汽濃度關(guān)系：H2O溶解 =K2H2O蒸汽相對濕度RH可以用水蒸氣濃度表示，即RH/100=H2O蒸汽故，H2O溶解 =KRH其中，K=K2/100理想的固態(tài)中，成分濃度比=摩爾比，故：H2O溶解=nw/(nw+n0+n1)F=n0/(nw+n0+n1)FH2O=n1/(nw

37、+n0+n1)其中，nw表示纖維中溶解水的分子數(shù)；n0、n1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， nw=(n0+n1)KRH/(1-KRH)n1=n0 FH2O/ F=KK1RH纖維吸收的總水分=nw+n1，纖維分子總數(shù)=n0+n1，故纖維回潮率r為：r=(nw+n1)18/(n0+n1)M100%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=nw/(n0+n1)+n1/(n0+n1) =KRH/(1-KRH)+KK1RH/(1+KK1RH)3.其他纖維吸濕理論斯畢克曼（Speakman）提出三相理論：第一相第一相：與角蛋

38、白質(zhì)側(cè)鏈親水基團緊密結(jié)合的水分子；第二相第二相：吸著與主鏈上親水基團的結(jié)合水分子；第三相第三相：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在一起成理想的固溶體，利用統(tǒng)計熱力學(xué)推導(dǎo)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。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；

39、（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(xué)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)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(xué)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；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