棉纤维的吸湿性能

(一)棉纤维的吸湿性能

棉纤维是一种多孔性物质，由于纤维素大分子上存在很多的游离亲水性基团（羟基），所以能从潮湿空气中吸收水分和向干燥空气放出水分，这种现象称为棉纤维的吸湿性。棉纤维的吸湿性，对其他各项物理性能都有影响。如棉纤维吸湿后，重量增加，密度先增大后减小，强伸度增加，导电性能增强，纤维膨胀等。因此，在籽棉加工、农商交接、纤维性能测试以及纺织生产等过程中，都要规定并控制棉纤维的吸湿量。

棉纤维的吸湿是比较复杂的物理化学现象。棉纤维含水的原因，主要有纤维本身结构以及大气温度和相对湿度等。

1．影响棉纤维吸湿的内部因素

亲水基因：棉纤维的主要成分是纤维素。纤维素大分子上每个葡萄糖剩基上有3个羟基，它们属于亲水基因，对水分子有相当的亲和力，所以棉纤维分子结构中的自由羟基的数目越多，棉纤维的吸湿能力就越大。

棉纤维内的纤维素大分子上除羟基直接吸附水分以外，已被吸附的水分子，由于它本身也具有极性，帮也可吸附其他水分子，使后来吸附的水分子积聚在上面，称为间接吸附的水分，这些水分子排列不定，结合力也比较弱，存在于纤维内部的微小间隙成为微毛细水；当温度很高时，这种间接吸收的水分可以填充到纤维内部较大的间隙中，成为大毛细水。随着微毛细水和大毛细水的增加，棉纤维发生溶胀可以拆开分子间的一些联结点，使得更多的自由羟基与水分子结合。

分子排列：棉纤维中纤维素分子链相互间排列不匀，存在着结晶区和非结晶区。在结晶区，纤维素分子链排列整齐，分子间距较大，仅在少数点联结，结合力弱，是一种松弛的网状结构，大多数自由羟基都向水分子开放，水分子很容易进入，所以棉纤维的吸湿主要发生在非结晶区。因此棉纤维的结晶度越低，吸湿能力越强。对单根棉纤维来说，初生层的非结晶区比次生层的多，不成熟的棉纤维非结晶区所占的比例比成熟棉纤维的大。因此，不成熟的低级棉常含有较高的水分。

除了结晶度影响纤维的吸湿性外，在同样的结晶度下，微晶体的大小对吸湿性也有影响。一般说来，晶体小的吸湿性较大。另外，大分子的取向度一般对吸湿性的影响较小，但聚合度有时对纤维的吸湿能力有一定的影响。

表面吸附：棉纤维暴露在大气中，就会在纤维表面吸附一定量的水汽和其他气体，这一般称为物理吸附。表面吸附能力的大小与纤维比表面积有一定的关系。单位体积的棉纤维所具有的表面积，叫棉纤维的比表面积。棉纤维愈细，棉纤维中缝隙孔洞愈多，比表面积愈大，吸湿性也要大一些。所以棉纤维的比表面积的大小，也是影响吸湿性的一个因素。例如，在同样条件下，成熟差的棉纤维比成熟好的棉纤维比表面积大，其吸湿性也较大。

纤维素伴生物：棉纤维除主要成分是纤维素外，还有少量的果胶、蛋白质、多缩戊糖、脂肪和蜡质、以及某些无机盐类等伴生物。脂肪和蜡质是疏水物质，能保护棉纤维不易受潮。果胶、蛋白质、多缩戊糖，以及无机盐类中的氧化铁、氧化镁、氧化钙等是亲水物质，能使棉纤维的吸湿性增强。因此，棉纤维中纤维素伴生物的性质和含量，也影响棉纤维的吸湿程度。另外，棉纤维在采集和初加工过程中还保留一定数量的杂质，这些杂质往往具有较高的吸湿能力。因此，棉纤维中含杂的多少，对棉纤维的吸湿性也有一定的影响。

2．影响棉纤维吸湿的外部因素

与棉纤维含水有关的外部因素有大气压力、温度和相对湿度。由于地球表面上大气压力的变化不大，这里主要讨论空气温度和相对湿度对棉纤维吸湿能力的影响。

相对湿度：棉纤维含水大小与空气的相对湿度密切相关。在一定的大气压力和温度下，相对湿度愈高，空气中水蒸气分压愈大，即单位体积内的空气中水分子数目愈多，水分子进入棉纤维中的机会愈多，其吸湿时就愈大。反之，当空气中水蒸气分压和相对湿度降低时，棉纤维吸入的水分子又散发到空气中，其含湿量降低。当空气温、湿度不变，棉纤维含湿量达到相对平衡时，这就是棉纤维在一定温度和湿度下的最大饱和含水值。

温度：空气温度对棉纤维的吸湿能力较小。在一定的大气压力和相对湿度下，当空气和棉纤维的温度升高时，棉纤维中的水分子的热运动能和棉纤维分子的热振动能都随温度的升高而增大，使棉纤维内水蒸气的蒸发压升高，它比空气中已成为气体的蒸汽部分压力的上升快得多，因此水分子离开棉纤维表面的机会就会大于吸附于棉纤维表面的机会。此外，存在于棉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。由于这些原因，在一般情况下，随着空气和棉纤维温度的升高，棉纤维水分含量略有下降。但在高温高湿的条件下，由于棉纤维的热膨胀等原因，棉纤维水分含量反而略有增大。

3．平衡回潮率与吸湿滞后性

棉纤维置于一个新的大气条件下，它将立刻吸湿或放湿，经过一定时间后，它的回潮率逐渐趋于一个稳定的值，这种现象称为吸湿平衡，所达到的回潮率称为平衡回潮率。达到吸湿平衡时，棉纤维对空气中的水汽交换并不牌静止状态，实际上是同一时间内棉纤维吸收的水分和放出的水分在数量上接近相等，水汽交换是处于动态平衡中。如果大气中水汽的部分压力增大，使进入棉纤维中的水分子多于放出的水分子，则表现为吸湿；反之，则表现为放湿。另外，棉纤维吸湿平衡所需要的时间比放湿平衡所需要的时间短。

同样的纤维在一定的大气温湿度条件下，从放湿到平衡和从吸湿达到平衡，两种平衡回潮率不相等，前者大于后者，这种现象叫做纤维的吸湿滞后性，也叫做吸湿保守现象。由于纤维的各种物理性能都与纤维的回潮率有关，并考虑到吸湿平衡速率快而较稳定，故在进行棉纤维物理性能测试时，不仅需要统一在标准吸湿平衡状态下进行，还要预先进行预调湿，即将纤维材料在较低的温度下烘燥（一般为40-50℃去湿0.5-1h），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吸湿平衡回潮率，以尽量减小纤维吸湿滞后性所造成的误差。

第二章棉花检验取样

第一节取样原理

棉花检验取样就是从一批棉花中取出一部分具有代表性的棉样供检验使用。它是棉花检验工作的第一道工序，是检验工作的基础。

一批棉花的数量是庞大的，要全部进行检验，不仅浪费人力、物力，浪费时间，而且有些检验项目对棉花具有破坏性，有损棉花的使用。因此，只能从待检验的棉花中抽取一部分具有代表性的棉样进行检验，以棉样的检验结果来决定整批棉花的质量。

棉花检验取样一般是以一批棉花为单位进行的。这一批棉花，在统计学称为总体，也就是检验对象的全体，组成这批棉花的每个棉包即为个体。对一个棉样来讲，这个棉样为总体，棉样中的每根纤维为个体。取样的目的就是从总体中取出若干个个体组成样本。样本中所包含的个体数称为样本容量，通常用符号n表示，总体中的个体数用符号N表示，根据样本容量的多少，可以划分为大样本和小样本。样本容量（n）与总体个体数（N）之比n/N，称为取样比例。

要使得所取出的样本能代表总体性质，取样必须遵守随机原则，即完全排除主观意志的作用，保证总体中的每个个体（或群体），被抽取作为样本的个体（或群体）的概率相同，这种取样称为随机取样。只有这样，才能根据样本的检验结果对总体作出某种判断。

棉花检验取样必须按随机原则进行，主要依据了概率论的大数定律和中心极限定理。

大数定律阐明，如果被检验的总体是由大量的相互独立的随机变量所构成，那么这些随机变量的平均结果与个别随机变量的特征无关。在一定条件下，当试验次数很大时，也就是样本容量很大时，样本的平均值趋近于总体的平均值。

中心极限定理认为，如果被检验的总体是由大量相互独立的随机变量所构成，无论这些独立的随机变量是否服从正态分布，当个体数无限增加时，随机变量之和的分布趋于正态分布。

在取样过程中，遵守随机原则所得到的样本具有下述特性：

随机性：表现在总体中每个个体都有相同的概率被扦取作为样本的个体。

独立性：样本的观察值是相互独立的随机变量。

代表性：样本中个体的分布特性与总体中个体的分布特性相同。

综上所述，采用随机取样获得的样本，其检验结果的平均值可代表总体。

但是，在实际检验过程中，样本平均值与总体真实值之间还存在着固定的不可避免的误差，我们把这种误差称为取样误差，即随机误差。取样误差的大小主要受以下因素的制约和影响。

样本容量：在其他条件不变时，取样误差与样本容量成反比。样本容量愈大，取样误差就愈小；反之，取样误差就愈大。

总体中个体间的差异：取样误差与总体中个体间的差异大小（即总体指标的变异程度）成正比。总体中个体间差异愈大，取样误差也愈大；反之，取样误差则愈小。

取样方法：采用不同的取样方法取样误差也不同。从总体中取样有重复取样和不重复取样，不重复取样误差小于重复取样误差，棉花检验取样属于不重复取样。在棉花检验取样中常用的取样方式、方法有多种，取样误差各不相同，但目的只有一个，尽可能减小取样误差，以保证样本的代表性。