纤维的吸湿性.ppt

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1、第二章 纤维的吸湿性研究吸湿性的意义研究吸湿性的意义o吸湿性影响纤维性能吸湿性影响纤维性能n亲水性纤维亲水性纤维天然纤维、再生纤维天然纤维、再生纤维n疏水性纤维疏水性纤维合成纤维合成纤维o吸湿性影响纤维的纺织加工性能吸湿性影响纤维的纺织加工性能n静电现象静电现象o吸湿性影响纺织品的使用舒适性吸湿性影响纺织品的使用舒适性n吸湿导汗吸湿导汗纤维吸湿性的研究内容纤维吸湿性的研究内容o纤维的吸湿平衡（老知识）纤维的吸湿平衡（老知识）o纤维的吸湿热纤维的吸湿热o纤维材料的吸湿速率纤维材料的吸湿速率o吸湿与纤维性能之间的关系吸湿与纤维性能之间的关系o纤维的吸湿机理与理论纤维的吸湿机理与理论一、纤维的吸湿平

2、衡一、纤维的吸湿平衡1.1.吸湿平衡：吸湿平衡：n单位时间内从纤维制品中单位时间内从纤维制品中放出或蒸发出来的水分等放出或蒸发出来的水分等于它吸收大气中的水分于它吸收大气中的水分n是一种是一种动态动态的吸湿和放湿的吸湿和放湿的的平衡状态平衡状态n吸湿与大气条件有关，标吸湿与大气条件有关，标准大气条件：温度为准大气条件：温度为2020，相对湿度为，相对湿度为65%65%吸湿的平衡吸湿的平衡2.表征吸湿性能的指标表征吸湿性能的指标o回潮率回潮率（moisture regain）Wo含水率含水率（moisture percentage）Mo标准回潮率标准回潮率n标准大气条件下（温度为标准大气条件下（

3、温度为2020，相对湿度为，相对湿度为65%65%）纤维）纤维的回潮率的回潮率n便于比较不同纤维材料的吸湿性便于比较不同纤维材料的吸湿性o公定回潮率公定回潮率n人为规定的回潮率人为规定的回潮率n为了贸易中计量和核价的需要而制定为了贸易中计量和核价的需要而制定n混合原料的公定回潮率混合原料的公定回潮率W-W-各原料公定回潮率；各原料公定回潮率；P-P-各原料的干燥质量分数；各原料的干燥质量分数；3.3.纤维吸湿性的测试方法纤维吸湿性的测试方法o直接法：直接法：先称取湿重，再干燥去水获得干重先称取湿重，再干燥去水获得干重n烘箱法烘箱法o应用最多应用最多o存在难以完全脱水、物质挥发干重称量精度低等问

4、题存在难以完全脱水、物质挥发干重称量精度低等问题n红外线干燥法（远红外）红外线干燥法（远红外）o利用红外线加热，速度快，设备简单利用红外线加热，速度快，设备简单o易局部过热，使材料变质易局部过热，使材料变质n高频加热干燥法高频加热干燥法o利用极性分子和水分子在高频电场下转向摩擦生热烘干，干燥均匀利用极性分子和水分子在高频电场下转向摩擦生热烘干，干燥均匀n真空干燥法真空干燥法o真空降低水的沸点真空降低水的沸点o适用于不耐高温的纤维适用于不耐高温的纤维n吸湿剂干燥法（五氧化二磷粉末、氯化钙颗粒）吸湿剂干燥法（五氧化二磷粉末、氯化钙颗粒）o间接法：间接法：利用纤维中含水率与纤维性能间关系的利用纤维中

5、含水率与纤维性能间关系的原理来测试原理来测试n电阻测湿法电阻测湿法o纤维回潮率不同，纤维的电阻不同纤维回潮率不同，纤维的电阻不同n电容式测湿法电容式测湿法o纤维回潮率不同，纤维的电容不同纤维回潮率不同，纤维的电容不同n微波吸收法微波吸收法o水和纤维材料对微波的吸收和衰减程度不同水和纤维材料对微波的吸收和衰减程度不同n红外光谱法红外光谱法o水对红外线吸收量与纤维材料含水量成比例水对红外线吸收量与纤维材料含水量成比例4.4.纤维吸湿滞后性纤维吸湿滞后性定义：定义：同样的纤维在一同样的纤维在一定的大气温湿度条件下，定的大气温湿度条件下，从放湿达到平衡和从吸从放湿达到平衡和从吸湿达到平衡时，两种平湿达

6、到平衡时，两种平衡回潮率不相等，前者衡回潮率不相等，前者总是高于后者。总是高于后者。吸湿滞后性的原因吸湿滞后性的原因o 纤维吸湿滞后性的原因可以用水分子进入或纤维吸湿滞后性的原因可以用水分子进入或离开纤维引起纤维干、湿结构的变化来解释。离开纤维引起纤维干、湿结构的变化来解释。水分子外逸后，纤维大分子水分子外逸后，纤维大分子间距离较大，横向结合键重间距离较大，横向结合键重建比水分子重新进入纤维困建比水分子重新进入纤维困难，纤维达到平衡态的回潮难，纤维达到平衡态的回潮率高率高 吸湿滞后吸湿滞后在某一相对湿度条在某一相对湿度条件下，纤维由干态件下，纤维由干态达到吸湿平衡达到吸湿平衡在某一相对湿度条在

7、某一相对湿度条件下，纤维由湿态件下，纤维由湿态达到吸湿平衡达到吸湿平衡纤维的吸湿等温线纤维的吸湿等温线o 在在一定的温度一定的温度条件下，条件下，纤维材料因吸湿达到纤维材料因吸湿达到平衡平衡回潮率回潮率和大气和大气相对湿度相对湿度间间的关系曲线，称为纤维的的关系曲线，称为纤维的吸湿等温线（反吸湿等温线（反S S形）形）o天然及再生纤维的吸湿性天然及再生纤维的吸湿性能比合成纤维要好得多能比合成纤维要好得多 1-1-羊毛羊毛 2-2-粘胶纤维粘胶纤维 3-3-蚕丝蚕丝 4-4-棉棉 5-5-醋酯纤维醋酯纤维 6-6-锦纶锦纶 7-7-腈纶腈纶 8-8-涤纶涤纶吸湿滞后圈吸湿滞后圈(直观反映吸湿滞后

8、性直观反映吸湿滞后性)o在一定温度条件下，纤维材料由在一定温度条件下，纤维材料由放湿达到平衡回潮率和大气相对放湿达到平衡回潮率和大气相对湿度间的关系曲线，称为湿度间的关系曲线，称为放湿等放湿等温线。温线。o由于纤维的吸湿滞后性，同一种由于纤维的吸湿滞后性，同一种纤维的吸湿等温线与放湿等温线纤维的吸湿等温线与放湿等温线并不重合，而形成并不重合，而形成吸湿滞后圈吸湿滞后圈o吸湿滞后的差值与纤维的吸湿能吸湿滞后的差值与纤维的吸湿能力有关。一般规律是吸湿性大的力有关。一般规律是吸湿性大的纤维差值比较大纤维差值比较大 如图，若纤维在放湿过程中达到如图，若纤维在放湿过程中达到a a点，平衡后再进行吸湿，其

9、吸湿曲线是沿着点，平衡后再进行吸湿，其吸湿曲线是沿着虚线虚线abab而变化。同样，若纤维的吸湿过程到达而变化。同样，若纤维的吸湿过程到达c c点平衡后，再进行放湿，则其点平衡后，再进行放湿，则其放湿曲线是沿着虚线放湿曲线是沿着虚线cdcd而变化。而变化。纤维的回潮率与纤维的吸放湿历史有关，纤维的回潮率与纤维的吸放湿历史有关，试样需要预调湿。试样需要预调湿。二、纤维的吸湿热二、纤维的吸湿热o纤维吸湿放热的原因：纤维吸湿放热的原因：当纤维吸收水分时，会产生当纤维吸收水分时，会产生热量，热是由于纤维分子与水分子之间的吸引而结热量，热是由于纤维分子与水分子之间的吸引而结合时水分子的动能降低而转换成热能

10、被释放出来。合时水分子的动能降低而转换成热能被释放出来。1.吸湿热指标吸湿热指标吸湿微分热吸湿微分热Q Q，也称为吸湿热，也称为吸湿热n定义：是指在一定回潮率条件下，定义：是指在一定回潮率条件下，1g1g质量的水被质量的水被质量为无限大的纤维材料吸收时产生的热量质量为无限大的纤维材料吸收时产生的热量n单位为单位为/n从水蒸气中吸收水分时产生的热量为从水蒸气中吸收水分时产生的热量为Q Qv v；从液态；从液态水中吸收时产生的热量为水中吸收时产生的热量为Q Ql l，两者间关系为，两者间关系为Q Qv v=Q=Ql lL Ln式中，式中，L L是在一定温度下，水蒸气凝聚时的潜热；是在一定温度下，水

11、蒸气凝聚时的潜热；Q Ql l为纤维的吸湿微分热为纤维的吸湿微分热，有时称为膨胀热。，有时称为膨胀热。吸湿积分热吸湿积分热W W，也称为润湿热。，也称为润湿热。n是指在一定回潮率条件下，是指在一定回潮率条件下，1g1g质量干燥的纤维质量干燥的纤维材料，达到完全润湿时所产生的热量材料，达到完全润湿时所产生的热量n单位为单位为/g/g微分热与积分热之间的关系微分热与积分热之间的关系o当回潮率增量当回潮率增量d dr r时，产生的热量为时，产生的热量为Q Ql ld dr r/100/100。如将其从。如将其从r r积分到饱和回积分到饱和回潮率潮率r r时，这就是时，这就是当回潮率为当回潮率为r r

12、时的积分热时的积分热，即，即o反之，如果回潮率减少反之，如果回潮率减少d dr r，则其所减少的热量也应该等于，则其所减少的热量也应该等于Q Ql l d dr r100100，或微分热或微分热Q Ql l等于等于W是是r的函数（见下图）的函数（见下图）积分热随回潮率变大减小积分热随回潮率变大减小对微分热曲线求积分对微分热曲线求积分2.影响纤维吸湿热的因素o吸湿性能好的纤维，它的积分热高吸湿性能好的纤维，它的积分热高 o纤维的积分热随纤维的回潮率提高而减少，在饱纤维的积分热随纤维的回潮率提高而减少，在饱和时，积分热接近于零。纤维的微分热随回潮率增加和时，积分热接近于零。纤维的微分热随回潮率增加

13、而减少。而减少。o原因：原因：高回潮率条件下，水分子与纤维结合松弛，产高回潮率条件下，水分子与纤维结合松弛，产热少热少 。o纤维吸湿积分热的大小与纤维上亲水基团纤维吸湿积分热的大小与纤维上亲水基团的极性有关，具有相同亲水基团的纤维，其的极性有关，具有相同亲水基团的纤维，其积分热也基本相同。积分热也基本相同。纤维吸湿放热的应用纤维吸湿放热的应用o纤维吸湿放热的特性纤维吸湿放热的特性和衣着的舒适性有关和衣着的舒适性有关，吸湿热，吸湿热大，有大，有帮助人体调节体温帮助人体调节体温的作用，体现为有较好的的作用，体现为有较好的保暖性。保暖性。o但纤维吸湿放热这一特性对纤维材料的储存是不利但纤维吸湿放热这

14、一特性对纤维材料的储存是不利的，如果仓库空气潮湿和通风不良，就会因吸湿放的，如果仓库空气潮湿和通风不良，就会因吸湿放热而使纤维或织物变质发霉，甚至引起火灾。热而使纤维或织物变质发霉，甚至引起火灾。3.纤维吸湿热的测试方法纤维吸湿热的测试方法o吸湿积分热的测量吸湿积分热的测量n将一已知质量的一定回潮率的纤维试样，放入一已知热容量的将一已知质量的一定回潮率的纤维试样，放入一已知热容量的量热器中，并加过量的水，然后测量其上升的温度，根据上升量热器中，并加过量的水，然后测量其上升的温度，根据上升的温度和测试系统的热容量，可以计算出积分热的温度和测试系统的热容量，可以计算出积分热o吸湿微分热的测量吸湿微

15、分热的测量n直接测量纤维的微分热是困难的，但可以测量与纤维微分热有直接测量纤维的微分热是困难的，但可以测量与纤维微分热有关的其他性能，然后经换算得到。关的其他性能，然后经换算得到。n量热器法：按积分热的测量方法，获得纤维的积分热量热器法：按积分热的测量方法，获得纤维的积分热回潮率回潮率曲线，然后算出该纤维在任何给定回潮率时的微分热。曲线，然后算出该纤维在任何给定回潮率时的微分热。n吸湿等温线法：利用在一系列不同温度下的纤维的吸湿等温线吸湿等温线法：利用在一系列不同温度下的纤维的吸湿等温线可以计算得到该纤维在不同回潮率时的微分热的一种方法。可以计算得到该纤维在不同回潮率时的微分热的一种方法。纤维

16、的吸湿微分热可以由在一定回潮率时纤维的吸湿微分热可以由在一定回潮率时lnHlnH1/T1/T曲线的斜率求得曲线的斜率求得 三、纤维材料的吸湿速率三、纤维材料的吸湿速率1.1.纤维吸湿的水分子扩散方程及其近似解纤维吸湿的水分子扩散方程及其近似解n如果在一给定介质如果在一给定介质(如空气或纤维材料如空气或纤维材料)中水分子浓度各处是变中水分子浓度各处是变化着的，则水分子将从高浓度区向低浓度区扩散或渗透，直到化着的，则水分子将从高浓度区向低浓度区扩散或渗透，直到水分子浓度分布均匀为止。水分子浓度分布均匀为止。n通过垂直于浓度梯度的平面，面积为通过垂直于浓度梯度的平面，面积为A A，扩散系数为，扩散系

17、数为D D的质量转的质量转移速率，可由费克移速率，可由费克(Fich)(Fich)方程给出如下方程给出如下 浓度梯度，是水分子扩散的浓度梯度，是水分子扩散的推动力推动力，为负值，为负值;扩散速度，单位时间扩散通过的物质的量扩散速度，单位时间扩散通过的物质的量;D D为单位浓度梯度时，物质通过单位截面的扩散速度，为单位浓度梯度时，物质通过单位截面的扩散速度，是物质的属是物质的属性，表示物质的扩散能力。性，表示物质的扩散能力。当t=0时 无限源，无限源，浓度不变浓度不变接受体接受体 为引入常数为引入常数对上式积分，由初始条件对上式积分，由初始条件t=0,t=0,c c=0=0得到得到对上式微分对上

18、式微分受体中水汽受体中水汽浓度随时间浓度随时间变化情况变化情况纤维材料以此纤维材料以此速率吸湿，达速率吸湿，达到平衡需时间到平衡需时间为为 t=时，时，c=0.63c0c=0.63c0，可表示纤维吸湿快慢可表示纤维吸湿快慢o如图所示的水分通过空气长度为如图所示的水分通过空气长度为l l到达吸湿材料的扩到达吸湿材料的扩散系统。如果水分以初始速率扩散，整个平衡过程散系统。如果水分以初始速率扩散，整个平衡过程所需的时间所需的时间为为 表明吸湿速率与浓度梯度、吸湿量、扩表明吸湿速率与浓度梯度、吸湿量、扩散系数、吸湿表面积、空气间隔的关系散系数、吸湿表面积、空气间隔的关系2.影响纤维材料吸湿平衡速率的主

19、要因素与吸湿平衡速率有关的因素：与吸湿平衡速率有关的因素：扩散系数（水）扩散系数（水）&吸湿放热的驱散（纤维）吸湿放热的驱散（纤维）纤维材料吸湿平衡过程中回潮率、纤维材料吸湿平衡过程中回潮率、温度、蒸汽压力变化温度、蒸汽压力变化初始：大气水蒸气压高初始：大气水蒸气压高水分子进水分子进入试样入试样回潮率回潮率 吸湿放热吸湿放热温度温度水蒸气压水蒸气压当纤维的蒸汽压等于大气蒸汽压时为当纤维的蒸汽压等于大气蒸汽压时为“瞬瞬态平衡态平衡”，热量必须驱散吸湿才能进行。，热量必须驱散吸湿才能进行。热量驱散热量驱散温度温度 水分子动能水分子动能 水水蒸气压蒸气压 吸湿进行，补充水分子吸湿进行，补充水分子 保

20、保持压力不变，直到纤维温度与大气温度相持压力不变，直到纤维温度与大气温度相同同 。上述过程中上述过程中吸湿产生的热量必须驱散吸湿产生的热量必须驱散o包装的尺寸和形状包装的尺寸和形状:包装尺寸包装尺寸(或体积或体积)大，热传递的距离大，热传递的距离越大，调湿越慢。表面积增加，热传递加快越大，调湿越慢。表面积增加，热传递加快 o包装密度包装密度:调湿平衡时间调湿平衡时间密度密度o纤维材料种类纤维材料种类:不同纤维材料的吸湿性不同，达到平衡时不同纤维材料的吸湿性不同，达到平衡时吸收水分的质量和放出的热量不同。对平衡速率有较大吸收水分的质量和放出的热量不同。对平衡速率有较大影响。影响。o回潮率回潮率:

21、纤维试样在较低和较高回潮率时，其水分子扩纤维试样在较低和较高回潮率时，其水分子扩散系数低，吸湿平衡较慢。散系数低，吸湿平衡较慢。o温度温度:高温时，热量的转移或驱散较迅速，平衡较快，高温时，热量的转移或驱散较迅速，平衡较快，低温时，吸湿平衡较慢。低温时，吸湿平衡较慢。o空气流动空气流动:围绕纤维试样周围通风越好，热量散失越快，围绕纤维试样周围通风越好，热量散失越快，调湿平衡时间也越短。调湿平衡时间也越短。外外界界条条件件可可控控因因素素四、吸湿与纤维性能间的关系四、吸湿与纤维性能间的关系 1.1.对质量的影响对质量的影响n纤维吸湿后质量增加。纤维吸湿后质量增加。纤维或纺织制品的质量，纤维或纺织

22、制品的质量，实际上都是一定回潮率下的质量，因此正确表实际上都是一定回潮率下的质量，因此正确表示纺织材料的质量或与质量有关的一些指标，示纺织材料的质量或与质量有关的一些指标，如纤维或纱线的线密度，织物的平方米质量即如纤维或纱线的线密度，织物的平方米质量即面密度等，应取公定回潮率时的质量即标准质面密度等，应取公定回潮率时的质量即标准质量。量。2.2.吸湿膨胀吸湿膨胀n纤维吸湿后，其纵向和横向均要发生膨胀，体积增大，其纤维吸湿后，其纵向和横向均要发生膨胀，体积增大，其中中横向膨胀大而纵向膨胀小横向膨胀大而纵向膨胀小。因此，织物吸水后，由于纱。因此，织物吸水后，由于纱线直径变粗会使线直径变粗会使织物产

23、生收缩织物产生收缩；也会使柔软的；也会使柔软的织物变得粗织物变得粗硬硬，如粘胶纤维织物；如果密度很高的织物，吸湿后由于，如粘胶纤维织物；如果密度很高的织物，吸湿后由于膨胀，可能成为膨胀，可能成为不透水织物不透水织物，如文泰尔防水织物。，如文泰尔防水织物。n纤维的膨胀值可用直径、长度、截面积和体积的膨胀率来纤维的膨胀值可用直径、长度、截面积和体积的膨胀率来表示。表示。n吸湿膨胀的测量：体积膨胀率可表示为吸湿膨胀的测量：体积膨胀率可表示为V-V-纤维膨胀后体积增量纤维膨胀后体积增量 V-V-纤维原来的体积纤维原来的体积 W-W-回潮率回潮率 -纤维干燥时密度纤维干燥时密度 -纤维吸湿膨胀后密度纤维

24、吸湿膨胀后密度纤维直径和长度膨胀率可由显微镜和长度仪测量。纤维直径和长度膨胀率可由显微镜和长度仪测量。纤维的吸湿膨胀具有显著的各向异性纤维的吸湿膨胀具有显著的各向异性（由纤维结构各向异性造成）。（由纤维结构各向异性造成）。截面方向：截面方向：水分进入无定形区，分子间力打开，长链分子距离增加，直径增加。水分进入无定形区，分子间力打开，长链分子距离增加，直径增加。径向：径向：水分子进入，非完全取向大分子构象变化，纤维长度略有增加。水分子进入，非完全取向大分子构象变化，纤维长度略有增加。羊毛在亚硫酸盐还原剂中的溶胀羊毛在亚硫酸盐还原剂中的溶胀 3.3.对纤维密度的影响对纤维密度的影响n纤维在吸着少量

25、水时，其体积纤维在吸着少量水时，其体积变化不大，水分子吸附在纤维变化不大，水分子吸附在纤维大分子间的孔隙，单位纤维体大分子间的孔隙，单位纤维体积质量随吸湿量的增加而增加，积质量随吸湿量的增加而增加，使纤维密度增加。大多数纤维使纤维密度增加。大多数纤维在回潮率为在回潮率为4%4%6%6%时密度最大。时密度最大。n待水分子充满孔隙后再吸湿，待水分子充满孔隙后再吸湿，纤维体积显著膨胀，使纤维密纤维体积显著膨胀，使纤维密度反而降低。度反而降低。1-1-棉棉 2-2-粘胶纤维粘胶纤维 3-3-蚕丝蚕丝 4-4-羊毛羊毛 5-5-锦纶锦纶4 4、对力学性能的影响、对力学性能的影响 大多数纤维大多数纤维强力

26、随回潮率升高下降强力随回潮率升高下降，但，但棉、麻纤维相反棉、麻纤维相反；所有纤维断裂；所有纤维断裂伸长率随回伸长率随回潮率升高增加潮率升高增加。纤维塑性变形增大。纤维塑性变形增大。5 5、对热、光、电学性能的影响、对热、光、电学性能的影响 回潮率回潮率导热系数导热系数电阻电阻介电常数介电常数双折射双折射形状双折射形状双折射 五、纤维吸湿的影响因素（材料、环境）五、纤维吸湿的影响因素（材料、环境）o1.1.纤维材料本身对纤维吸湿的影响因素纤维材料本身对纤维吸湿的影响因素亲水性基团：亲水性基团：羟基（羟基（OHOH）、羧基（）、羧基（COOH COOH）、氨基）、氨基（NH2NH2）、酰胺基（）

27、、酰胺基（CNOHCNOH）结晶度：结晶度：水分不能进入纤维的结晶区，结晶度低吸湿水分不能进入纤维的结晶区，结晶度低吸湿能力好（棉能力好（棉70%70%、粘胶、粘胶30%30%），晶粒小吸湿好（粘胶），晶粒小吸湿好（粘胶皮层回潮率皮层回潮率13-14%13-14%，粘胶芯层回潮率，粘胶芯层回潮率11-12%11-12%）。）。纤维比表面积和空隙：纤维比表面积和空隙：比表面积大，表面能高，吸附比表面积大，表面能高，吸附能力强，吸湿好（直接吸收水，间接吸收水）空隙能力强，吸湿好（直接吸收水，间接吸收水）空隙在高相对湿度时形成在高相对湿度时形成毛细水毛细水伴生物和杂质伴生物和杂质2.2.环境对纤维吸

28、湿性的影响环境对纤维吸湿性的影响 o相对湿度的影响相对湿度的影响n在一定温度条件下，在一定温度条件下，相对湿度越高相对湿度越高，空气中水汽分压力越大，单，空气中水汽分压力越大，单位体积空气中的水分子数目越多，纤维的位体积空气中的水分子数目越多，纤维的吸湿机会也较多吸湿机会也较多。o温度的影响温度的影响n温度对纤维平衡回潮率的影响比相对湿度要小，其一般规律是温度对纤维平衡回潮率的影响比相对湿度要小，其一般规律是温温度越高，平衡回潮率越低。度越高，平衡回潮率越低。温度对棉纤维吸湿的影响温度对棉纤维吸湿的影响 羊毛和棉的吸湿等湿线羊毛和棉的吸湿等湿线 o空气流速的影响空气流速的影响n当周围当周围空气

29、流速快时空气流速快时，有助于纤维表面被吸附，有助于纤维表面被吸附水分子的蒸发，纤维的水分子的蒸发，纤维的平衡回潮率有所降低平衡回潮率有所降低。o应力的影响应力的影响n纤维的吸湿膨胀意味着应力作用于纤维将会改纤维的吸湿膨胀意味着应力作用于纤维将会改变其平衡回潮率。当变其平衡回潮率。当拉应力拉应力作用于长丝纤维时，作用于长丝纤维时，纤维平衡回潮率增加纤维平衡回潮率增加;当横向当横向压应力压应力作用于纤作用于纤维，其回潮率降低。维，其回潮率降低。3.吸湿理论吸湿理论 o皮尔斯皮尔斯(Peirce)理论理论 o海尔伍德海尔伍德(Hailwood)和霍洛宾和霍洛宾(Horrobin)理论理论 o其他的纤

30、维吸湿理论其他的纤维吸湿理论 皮尔斯皮尔斯(Peirce)(Peirce)理论理论(1929)(1929)o理论提出的实验依据：纤维吸湿后模量呈指理论提出的实验依据：纤维吸湿后模量呈指数下降。数下降。o纤维吸收的水分子分成两类纤维吸收的水分子分成两类n一类是一类是直接吸收水直接吸收水，即水分子通过氢键直接与，即水分子通过氢键直接与纤维大分子上的亲水基团结合在一起。纤维大分子上的亲水基团结合在一起。n另一类是吸附在直接水分子上的另一类是吸附在直接水分子上的间接吸收水间接吸收水。间接吸收水对纤维的物理机械性质影响不大，间接吸收水对纤维的物理机械性质影响不大，结合力较小，容易蒸发，它对纤维中水分的蒸

31、结合力较小，容易蒸发，它对纤维中水分的蒸发起主要作用。发起主要作用。oC C为总吸着位置上具有的水分子的比数。其为总吸着位置上具有的水分子的比数。其中，中，CaCa为总吸着位置上直接吸着水分子的比为总吸着位置上直接吸着水分子的比数，数，CbCb为总吸着位置上间接吸着水分子的比为总吸着位置上间接吸着水分子的比数，则有：数，则有：C=Ca+Cb C=Ca+Cbo当当C C增加增加dCdC时，其中直接吸着水分子的增量应与未被直时，其中直接吸着水分子的增量应与未被直接吸着水分子占据的位置数成正比，即接吸着水分子占据的位置数成正比，即q q为比例常数，将上式积分得到为比例常数，将上式积分得到假设假设q=

32、1q=1，有，有即即由回潮率定义：由回潮率定义：r=r=吸收水的质量吸收水的质量/纤维干重纤维干重=其中，其中，MwMw为水分子相对质量为水分子相对质量=18=18；MoMo为为每一吸着位置每一吸着位置相应相应的纤维质量的纤维质量=1/3=1/3葡萄糖剩基质量葡萄糖剩基质量=54=54；k=k=纤维质量纤维质量/纤维纤维中无定形区质量，中无定形区质量，k1 k1，其引入表示纤维中的无定形区，其引入表示纤维中的无定形区才能吸收水分。才能吸收水分。由上式得出由上式得出皮尔斯两相理论的棉纤维回潮率分配C为为每个吸着位置每个吸着位置上的平均水分子数上的平均水分子数o水分的蒸发，与间接吸着水有关水分的蒸

33、发，与间接吸着水有关 P P为蒸汽压；为蒸汽压；PoPo为饱和蒸汽压；为饱和蒸汽压；P/Po P/Po为相对湿度。为相对湿度。oP/PoP/Po增加增加dP/PodP/Po，CbCb增加增加dCbdCb，且其只吸附于尚未有，且其只吸附于尚未有间接水分子的部位间接水分子的部位o对上式积分得对上式积分得上式为相对湿度和吸湿之间的关系方程式。上式为相对湿度和吸湿之间的关系方程式。为修正位置为修正位置（1-P/Po 1-P/Po）的常数）的常数o考虑到有直接吸着水，但没有间接吸着水的位置上，考虑到有直接吸着水，但没有间接吸着水的位置上，也有一部分水分子会蒸发，为相对湿度的增加做贡也有一部分水分子会蒸发

34、，为相对湿度的增加做贡献，这部分位置等于（献，这部分位置等于（1-P/Po1-P/Po），其上吸着的），其上吸着的直直接吸着水分子接吸着水分子为为o因此因此K为常数为常数间接水间接水直接水直接水o将前面分析结果带入，得到将前面分析结果带入，得到回潮率与相对湿回潮率与相对湿度度的理论关系的理论关系K K可通过实验求得。可通过实验求得。o丝光棉的回潮率与相对湿度丝光棉的回潮率与相对湿度的理论关系为的理论关系为丝光棉的回潮率与相对湿度的关系这里对于棉来说，这里对于棉来说，K=0.4,K=0.4,=5.4=5.4海尔伍德海尔伍德(Hailwood)(Hailwood)和霍洛宾和霍洛宾(Horrobin

35、)(Horrobin)理论理论 o假设一部分水分子与纤维结合在一起，其他的水分假设一部分水分子与纤维结合在一起，其他的水分子则溶解于纤维，与纤维混合在一起，他们认为吸子则溶解于纤维，与纤维混合在一起，他们认为吸湿后的纤维是溶解水湿后的纤维是溶解水(H(H2 2O O溶解溶解)、与水结合的纤维、与水结合的纤维(F-H(F-H2 2O)O)、未与水结合的纤维、未与水结合的纤维(F)(F)，三者混合在一起，三者混合在一起，形成一个简单的固体相物质。各物质浓度关系为：形成一个简单的固体相物质。各物质浓度关系为：溶解水与水蒸气存在平衡态溶解水与水蒸气存在平衡态水蒸气浓度可代表相对湿度水蒸气浓度可代表相对

36、湿度H H为相对湿度为相对湿度得到得到K=K2/100三种成分浓度比等三种成分浓度比等于其摩尔比于其摩尔比（1 1）（2 2）（3 3）由（由（1 1）得到）得到由（由（2 2）、（）、（3 3）得到）得到纤维吸收总水分（包括溶解水与结合水）等于纤维吸收总水分（包括溶解水与结合水）等于 ，纤维总分子数（与，纤维总分子数（与水结合及未与水结合的）等于水结合及未与水结合的）等于 ，因此，纤维回潮率为，因此，纤维回潮率为1818为水分子相对分子量；为水分子相对分子量；M M为纤维每一亲水基团的相对分子量为纤维每一亲水基团的相对分子量（4 4）（5 5）上式可改写成上式可改写成由（由（4 4）、（）、

37、（5 5）两式得）两式得海氏理论与棉、毛纤维的实验值的比较 其他的纤维吸湿理论其他的纤维吸湿理论 o 斯毕克曼（斯毕克曼（SpeakmanSpeakman）理论）理论(1944)(1944)n三相理论：与角蛋白质侧链中亲水基团结合的水分子，称为第一三相理论：与角蛋白质侧链中亲水基团结合的水分子，称为第一相；吸着于主链上亲水基团的结合水分子为第二相；而在高湿条相；吸着于主链上亲水基团的结合水分子为第二相；而在高湿条件下，附着于纤维的结合力较低的间接水分子或毛细水，称为第件下，附着于纤维的结合力较低的间接水分子或毛细水，称为第三相。三相。羊毛纤维的吸湿等温线的三相水羊毛纤维的吸湿等温线的三相水a

38、a、b b、c c的分配的分配 o多层吸附理论多层吸附理论 n基于布鲁耐尔基于布鲁耐尔(Brunauer)(Brunauer)、埃米特、埃米特(Emmett)(Emmett)和泰勒和泰勒(Teller)(1944)(Teller)(1944)在蓝缪尔在蓝缪尔(Langmuir)(Langmuir)的单分子层吸的单分子层吸附理论的基础上提出了多层吸附理论，得到附理论的基础上提出了多层吸附理论，得到B.E.T.B.E.T.方程能够描述反方程能够描述反S S形的纤维吸湿等温线。形的纤维吸湿等温线。单分子层吸附理论o假设假设 a)a)单分子层吸附；单分子层吸附；b)b)相邻被吸附分子间没有作用力；相邻

39、被吸附分子间没有作用力；c)c)表面各处吸附能力相同；表面各处吸附能力相同；d)d)吸附是动态平衡。吸附是动态平衡。o解吸速度解吸速度=K=K1 1 其中，其中，为任一瞬间已吸附气体的固体表面对固体为任一瞬间已吸附气体的固体表面对固体总表面的分数；总表面的分数；1-1-为未吸附气体的表面积占总面积的为未吸附气体的表面积占总面积的分数。分数。K K1 1为一定温度时的比例常数。为一定温度时的比例常数。o吸附速度吸附速度=K K2 2P P（1-1-）K K2 2为一定温度下的比例常数；为一定温度下的比例常数；P P为气体压力（吸附速度与单位时间内碰撞单位面积为气体压力（吸附速度与单位时间内碰撞单

40、位面积上气体的分子数有关）上气体的分子数有关）o吸附平衡有：吸附速度吸附平衡有：吸附速度=解析速度解析速度 即即K K1 1=K=K2 2P P（1-1-）=K K2 2P/(KP/(K1 1+K+K2 2P)P)兰缪尔等温方程兰缪尔等温方程o用于化学吸附或溶液中吸附较大分子（如染料），效果用于化学吸附或溶液中吸附较大分子（如染料），效果满意，但其它情况与实验结果不符。满意，但其它情况与实验结果不符。o多分子层吸附理论是对兰缪尔理论的扩充和提高，认为被吸多分子层吸附理论是对兰缪尔理论的扩充和提高，认为被吸附物分子也有引力，允许形成多分子层。如图：附物分子也有引力，允许形成多分子层。如图：o推导

41、出二常数公式推导出二常数公式（B.E.T.方程）方程）o式中：式中：P为被吸附气体的平衡压力；为被吸附气体的平衡压力；P0为同温度下该气体的液相饱和蒸汽压；为同温度下该气体的液相饱和蒸汽压；C为与吸附热和液化热有关的常数；为与吸附热和液化热有关的常数；Vm为为1Kg固体表面形成单分子层所需气体体积。固体表面形成单分子层所需气体体积。a-a-溶解理论溶解理论 b-B.E.T.b-B.E.T.等温线等温线 c-c-蓝米尔等温线蓝米尔等温线吸湿等温线的比较吸湿等温线的比较溶解理论溶解理论是巴是巴勒提出认为水勒提出认为水分子和纤维大分子和纤维大分子混合在一分子混合在一起形成一种理起形成一种理想的固溶体

42、，想的固溶体，得出的一个吸得出的一个吸湿的溶解理论。湿的溶解理论。六、亲水性合成纤维六、亲水性合成纤维o合成纤维亲水化的原理合成纤维亲水化的原理n要赋予合成纤维类似天然纤维的亲水性能，就必须使合要赋予合成纤维类似天然纤维的亲水性能，就必须使合成纤维具有类似天然纤维的亲水结构。成纤维具有类似天然纤维的亲水结构。n受天然纤维结构研究的启发，受天然纤维结构研究的启发，疏水性合成纤维亲水化有疏水性合成纤维亲水化有两个途径：两个途径：要在纤维中引入各种亲水基团，通过他们建立氢键与要在纤维中引入各种亲水基团，通过他们建立氢键与水分子结合，使水分子失去热运动的能力，暂时留存在水分子结合，使水分子失去热运动的

43、能力，暂时留存在纤维中。纤维中。要使纤维中出现孔隙、微孔、裂缝，以增加纤维的比要使纤维中出现孔隙、微孔、裂缝，以增加纤维的比表面积，通过表面能效应吸附水分子，同时又可以通过表面积，通过表面能效应吸附水分子，同时又可以通过毛细管效应吸附和传递水分。毛细管效应吸附和传递水分。o合成纤维亲水化的方法合成纤维亲水化的方法o化学改性方法化学改性方法n纤维大分子结构的亲水化（共聚）纤维大分子结构的亲水化（共聚）n与亲水性物质的接枝共聚（蛋白纤维）与亲水性物质的接枝共聚（蛋白纤维）n纤维表面亲水处理纤维表面亲水处理o物理改性方法物理改性方法n与亲水性物质共混或复合与亲水性物质共混或复合n纤维结构微孔化纤维结

44、构微孔化n纤维截面异形化和表面粗糙化纤维截面异形化和表面粗糙化习题o名词解释：直接水，间接水，吸湿积分热，吸湿微名词解释：直接水，间接水，吸湿积分热，吸湿微分热，吸湿平衡分热，吸湿平衡o说明什么是吸湿滞后性，并从吸湿机理上加以解释说明什么是吸湿滞后性，并从吸湿机理上加以解释o写出水扩散模型中受体浓度随时间变化的规律表达写出水扩散模型中受体浓度随时间变化的规律表达式式c(t)c(t)，分析各量含义，重点说明为什么，分析各量含义，重点说明为什么可以表可以表达纤维吸湿的快慢达纤维吸湿的快慢o何为瞬变平衡？它他生在纤维吸湿过程的什么阶段何为瞬变平衡？它他生在纤维吸湿过程的什么阶段？为什么纤维在自身内部蒸汽压与大气蒸汽压相等？为什么纤维在自身内部蒸汽压与大气蒸汽压相等条件下仍能吸湿？条件下仍能吸湿？o影响纤维材料吸湿速率的主要因素有哪些？影响纤维材料吸湿速率的主要因素有哪些？o吸湿会使纤维的那些性能产生变化？吸湿会使纤维的那些性能产生变化？o简述简述PeircePeirce吸湿理论的思路？吸湿理论的思路？o根据吸湿的基本机制，讨论改善纤维亲水性根据吸湿的基本机制，讨论改善纤维亲水性和吸湿性的方法？和吸湿性的方法？