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          吸濕改變紡織纖維:重量、長度、橫截面積、密度、力學、熱學、光學、電學性質的影響

          來源:印染人 | 作者:印染人 | 時間:2021-02-05 09:57:25 | 訂閱《東方紡織》周刊

          影響纖維回潮率的因素有內因和外因兩方面,而外因也是通過內因起作用的。纖維內在因素包括纖維大分子親水基團的多少和親水性的強弱、纖維的結晶度、纖維內孔隙的大小和多少、纖維比表面積的大小以及纖維伴生物的性質和含量等,它們對纖維回潮率的大小均有影響,纖維在空氣中吸濕能力的強弱,主要決定于它的內因。但是,周圍空氣條件、放置時間的長短以及吸濕放濕過程等外界因素,對于一種具體纖維來說,也是不可忽視的外在因素。

           

          影響紡織纖維回潮率內在因素

          1、親水基團的作用

          纖維大分子中,親水基團的多少和親水基極性的強弱均能影響其吸濕能力的大小。如羥基(-OH)、酰胺基(-CONH)、胺基(-NH2)、羧基(-COOH)等都是較強的親水基團,它們與水分了的親和力很大,能與水分子形成化學結合水(或稱吸收水)。這類基團越多,纖維的吸濕能力越高。

          圖1 酰胺基化學式

          纖維素纖維,如棉、粘膠纖維、銅氨纖維等,大分子中的每一個葡萄糖剩基含有3個羥基,所以吸濕性較大。醋酯纖維中大部分羥基都被乙酰基取代,而乙酰基(-COCH3)對水的吸引力又不強,因此醋酯纖維的吸濕性較低。

          蛋白質纖維的主鏈上含有親水性的酰胺基(-CONH),側鏈中含有羥基(-OH)、胺基(-NH2)、羧基(-COOH)等親水性基團,因此吸濕性很好,尤其是羊毛,側鏈中親水基團較蠶絲更多,故其吸濕性優于蠶絲。

          合成纖維含有親水基團不多,所以吸濕性都較差,維綸大分子中含有羧基(-COOH),但經縮醛化后一部分羥基被封閉,所以吸濕性減小,但在合成纖維中其吸濕能力還算好;錦綸6、錦綸66的大分子中,每6個碳原子上含有一個酰胺基(-CONH),所以也具有一定的吸濕能力;腈綸大分子中只有親水性弱的基團氰基( -CN),故吸濕能力小;滌綸、丙綸中缺少親水性基團,故吸濕能力極差,尤其是丙綸基本不吸濕。

           

          2、纖維的結晶度

          纖維分于在結晶區中能夠緊密地集聚而成有規則的排列圖像,這時由于活性基在分子間形成了交鍵,如氫鍵、鹽式鍵、雙硫鍵等,因此水分子就不易滲入,若要產生吸濕作用就須打開這些交鍵,顯然這是困難的,因而纖維的吸濕作用主要產生在無定形區。

          纖維分子結構中,無定形區所占的百分比和吸濕性能有著密切的關系。纖維的結晶度越低,吸濕能力就越強。例如棉和粘膠纖維,雖然它們的每一個葡萄糖剩基上都有3個羥基,但由于棉纖維的結晶度為70%左右,而粘膠纖維僅30%左右,所以粘膠纖維的吸濕能力比棉纖維高得多。

           

          3、纖維的比表面積和內部空隙

          圖2 粘膠纖維的橫截面圖

          纖維的比表面越大,表面能也越多,表面吸附能力越強,纖維表面吸附的水分子數也越多,表現為吸濕性越好。所以細纖維較粗纖維的回潮率偏大些。

          纖維內的孔隙越多越大,水分子越容易進入,毛細管凝結水可增加,使纖維吸濕能力越強。粘膠纖維結構比棉纖維疏松,粘膠纖維的吸濕能力高于棉纖維;合成纖維結構一般比較致密;而天然纖維組織中有微隙,天然纖維的吸濕能力遠大于合成纖維。

           

          4、纖維內的伴生物和雜質

          纖維的各種伴生物雜質對吸濕能力有影響。

          此外。天然纖維在采集和初步加工過程中,總會留有一定數量的雜質,這些雜質往往具有較高的吸濕能力。因此,纖維中含雜多少的因素,對回潮率也有一定的影響。

           

          影響紡織纖維回潮率的外界因素

          1、相對濕度的影響

          在一定溫度條件下,相對濕度越高,空氣中水氣分壓力越大,單位體積空氣內的水分子數目越多,水分子到達纖維表面的機會越多,纖維的吸濕也就越多。在一定溫度條件下,纖維回潮率與空氣相對濕度關系的示意曲線如圖3所示。

          吸收水分在起始階段隨著相對濕度的提高迅速增加,而后趨于不再增加;而毛細管凝結水在起始階段增加緩慢,到相對濕度較高則迅速增加,因此纖維回潮率隨著相對濕度的提高而增加的曲線呈反S形。合成纖維由于大分子上缺乏親水基團,結構又較緊密,因此吸濕性差,吸濕等溫線反S形不明顯。

          圖3 纖維回潮率和相對濕度關系的示意曲線

           

          2、溫度的影響

          在溫度和相對濕度這兩個影響因素中,對親水性纖維來說,相對濕度對回潮率的影響是主要的。而對疏水性的合成纖維來說,溫度對回潮率的影響也很明顯。

          在相對濕度相同的條件下,空氣溫度低時,水分子活動能量小。一旦水分子與纖維親水基團結合后就不易再分離。空氣溫度高時,水分子活動能量大,纖維分子的熱振動能也隨之增大,會削弱水分子與纖維大分子中親水基團的結合力,使水分子易于從纖維內逸出。同時,存在于纖維內部空隙中的液態水蒸發的蒸氣壓也隨之上升。因此,在一般情況下,隨著空氣和纖維材料溫度的提高,纖維的平衡回潮率會下降。

          圖4、圖5、圖6和圖7分別為棉纖維、毛纖維、粘膠纖維和錦綸66在不同溫度時的吸濕等溫線。

          吸濕對紡織纖維性質的影響

          1、對重量的影響

          紡織纖維材料的重量,實際上都是一定回潮率下的重量。如果疏忽了回潮率這一因素,將使重量有誤差。持別是在生產中,由于紡織生產技術的高度機械化和連續性,生產量很大,同時加工時間短,周轉快,因而即使原料的回潮率在計算時誤差很小,在產品和半成品的總產量上造成的差錯也會很大,往往給生產管理造成混亂,必須加以充分注意。不同回潮率條件下重量折算見第一章。

          2、對長度和橫截面積的影響

          纖維吸濕后體積膨脹,其長度和橫截面積都發生膨脹,而且這種膨脹表現了明顯的各向異性。纖維吸濕后在長度方向的膨脹很小,而在直徑方向膨脹很多,一些資料給出,纖維在充分潤濕以后截面積的增長率如下:棉為45%~50%,羊毛為30%~37%,粘膠纖維為50%~100%,苧麻為30%~35%,蠶絲為19%~30%,錦綸為1.6%~3.2%。而長度方向的增長率如下:天然纖維為0.1%~l.7%,粘膠纖維為3.7%~4.8%,錦綸為1.0%~6.9%。

          纖維吸濕后的膨脹,特別是橫向膨脹,不僅使織物變厚、變硬,而且是造成織物收縮的原因之一。濕態的收縮,一般叫做縮水。織物浸水后,纖維吸濕膨脹,使紗線的直徑變粗,織物中紗線的彎曲程度增大,同時相互擠緊,使織物在經向或緯向比吸濕前需要占用較長的紗線,其結果是使織物收縮。不過纖維的吸濕膨脹也有有利的一面,例如。水龍帶和雨衣可以利用它們遇水后因纖維變粗使組織更加緊密,而使水更難透過。又如,纖維膨脹在織物的起皺、干燥和染色等工藝過程中,也是一個重要因素。

           

          3、對密度的影響

          吸濕對纖維密度的影響,開始時是隨著回潮率的增大而密度上升,以后又下降,這是由于回潮率小時,吸附的水分子與纖維呈氫鍵結合,而氫鍵長度短于范德華力結合的長度。因而纖維吸附水分子后增加的體積比原來水分子體積小,故密度有所增加。實驗證明,多數吸濕性較好的纖維在回潮率為4%~6%時密度最大,以后隨著水分子的大量進入,纖維的體積膨脹,密度反而降低。纖維的密度與它的含濕量關系很大,在密度測定時,必須加以注意。

          圖2為幾種纖維密度隨回潮率變化的情況。

           

          4、對力學性質的影響

          紡織纖維材料吸濕的多少,對它的力學性質的影響很大,絕大多數纖維隨著回潮率的增加而強力下降,其中粘膠纖維表現尤為突出,但棉麻等天然纖維素纖維的強力則隨著回潮率的上升而上升。所有纖維的斷裂伸長率都是隨著回潮率的升高而增大的。常見幾種纖維在潤濕狀態下的強伸度變化見表1。隨著回潮率的增加,纖維的塑性變形增加,并且變得柔軟容易變形,纖維的表面摩擦系數隨著回潮率的增加而變大。

           

          5、對熱學性質的影響

          空氣中的水分子被纖維大分子的極性基團所吸引而與之結合,使分子的動能降低,必然伴隨著能量的轉換,用熱的形式釋放出來。纖維在給定回潮率時吸著1g水放出的熱量,稱為吸濕微分熱,單位為J/g水。各種干燥纖維的吸濕微分熱大致接近,約為837~1256J/g水。

          在一定溫度下,1g重的絕對干燥纖維從開始吸濕到完全潤濕時所放出的總熱量,稱為吸濕積分熱,單位為J/g干纖維。吸濕能力強的纖維,其吸濕積分熱也大。常見纖維的吸濕積分熱見表2。

          紡織纖維吸濕和放濕的速率以及吸濕放濕量對衣著的舒適性有影響。當干燥的纖維暴露在一定相對濕度的大氣中,會吸收水蒸氣并放出熱量,這使纖維中水蒸氣的壓力和纖維本身的溫度升高,而使吸濕速度減慢。回潮率高的纖維放濕時需要吸收熱量,這使纖維中水蒸氣壓力和纖維本身的溫度降低,而使放濕速度降低。這就好比氣候突變時添加了保護性阻尼機構,這對人體生理上的體溫調節有利,吸濕放熱對服裝的保暖性有利。但這一特性對纖維材料的儲存不利,庫存時如果空氣潮濕,通風不良,就會導致纖維吸濕放熱而引起霉變,甚至會引起火災。

           

          6、對電學性質的影響

          高聚物的特殊分子結構,賦予纖維高的電絕緣性能,其體積比電阻在109~1014數量級。天然纖維的伴生物,往往使它的絕緣性變差,其中極其微量的雜質和水具有導電性,所以纖維吸收水分以后,絕緣性能下降,介電系數上升,介電損耗因素增大,紡織纖維由于具有絕緣性,故可作為絕緣材料。

          但這種高的絕緣性在紡織品加工中,因纖維與纖維或與其他機件的摩擦,產生靜電現象,破壞了纖維的正常運動,影響紡織纖維加工的正常進行。洗凈后的羊毛和化纖在紡織纖維加工中都有這類問題。纖維的回潮率增大,可使纖維的電阻大大下降,例如羊毛在相對濕度為10%時的體積比電阻約為1013Ω·cm,在相對濕度為90%時體積比電阻下降到107Ω·cm以下。

          生產實踐表明,體積比電阻在109Ω·cm以下,紡織加工就比較順利。因此在生產過程中,溫濕度的掌握十分重要。但對于抗靜電來說,還需要采取其他有效的辦法。纖維回潮率的變化引起電阻和介電系數的變化,根據這個原理可間接測得纖維回潮率,電阻式和電容式測濕儀就是采用這種原理設計的。

           

          7、對光學性質的影響

          纖維的光學性質中,與回潮率密切有關的是折射率。當纖維的回潮率升高時,纖維的光折射率下降。這也是由于水分子進入纖維后,引起分子結構作某些改變造成的。

           

          綜上所述,纖維的吸濕性與纖維的外表形態以及各種物理性質都有關系,如水分含量不同,不僅重量發生差異,纖維所表現的各項性能也發生很大變化,可見吸濕是紡織纖維材料最重要的性質之一。因此,在檢驗纖維及其產品的各項性質時,都必須考慮這一因素,并在統一規定的標準狀態下進行檢驗。如果在實際工作中,由于條件限制或為了迅速取得試驗結果,不能在標準態下進行,必須注明當時的溫濕度條件,如有可能時,要進行必要的修正。

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          責任編輯:任萍

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