纺织物理第二章纤维的吸湿性

入放湿过程，沿虚线cd变化。即某一
大气条件下的平衡状态受吸放湿历史
•放湿 •c
影响，平衡回潮率可能处于吸放湿等 温线间的任意一个位置。
•d
• 因此，检验纤维性能时，为避免
•a
•b
回潮率不同，不仅需要统一的标准大
•吸湿
气条件，还要进行预调湿过程，即预 先在低温下烘燥（50℃，0.5-1h），
•RH% 以保证材料在标准条件下，从吸湿等 温线达到平衡回潮率。
•dW •dr
•0
•回潮率
•r
s
•W0：干燥纤维的吸湿积分热
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二、影响纤维吸湿热的因素
• 吸湿性好的纤维，积分热W高，如从回潮率为0，各类干燥纤维的积分热W数 据：棉46，亚麻55，羊毛113，丝69，粘胶106，锦纶31，涤纶5。
• RH对纤维吸湿热Q影响大，回潮率随RH增加而增加，积分热W随回潮率增加 而减少，回潮率达到饱和rs时积分热W接近0。微分热Q随回潮率增加而减少。
（2）吸湿积分热W:一定回潮率下，1g质量干燥纤维达到完全润湿，所 产生的热量，J/g。
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• Q与W的关系：
• 当回潮率增加dr，每g纤维产生的热量为 •W0 Q1dr/100,那么将其从r积分到饱和回潮率rs
•积分热W
• 当回潮率降低dr，每g纤维减少的热量为 Q1dr/100，或微分热Q1有：
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第一节 纤维的吸湿平衡
• 一、纤维吸湿和时间的关系 • 纤维制品在一定大气条件下，会吸、放空气中水分，随时间推移会达
到动态吸、放湿平衡，即单位时间吸收水分=放出水分。 • 图2-1为某干燥纤维制品在一定相对湿度条件下吸、放湿平衡过程，纤
维从大气中吸收水分，总是大于放出的水分，最终达到吸湿平衡过程。
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第二节 纤维的吸湿热
• 纤维吸水时，纤维分子和水分子间结合，水分子动能降低会产生热。
一、吸湿热指标 （1）吸湿微分热Q:一定回潮率下，1g质量水被质量无限大的纤维材料吸
收产生热量，J/g。假设从水蒸气吸收有： QV=Q1+L
Q1：纤维吸湿微分热；L：一定温度下水蒸气凝聚潜热。
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•平衡回潮率%
• 一定温度条件下，纤维材料由放湿达平衡回潮率和大气相对湿度间关系曲 线，放湿等温线。由于吸湿滞后性，同种纤维吸湿等温线与放湿等温线不 重合，形成吸湿滞后圈。吸湿性大则放湿与吸湿回潮率差值大。
• 纤维从放湿平衡态a，再次吸湿，
沿虚线ab变化；从吸湿平衡态c，进
• 真空干燥法：在密闭容器内抽真空并加热烘干，由于低压下水的沸点降低， 在60-70℃下，即可短时间内使试样水分散失，适合不耐高温的合纤。
• 吸湿剂干燥法：密闭容器中吸湿剂（五氧化二磷粉末）吸收空气中水分使 相对湿度达0%，利于纤维散失水分。常用于精密试验研究。
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• 吸湿滞后性的原因：水分子进入或离开纤维会引起纤维干、湿结构的变化， 在纤维非晶区或晶区界面间，大分子链的亲水基团（-OH）相互形成横向结 合键-氢键。环境相对湿度大，水分子进入纤维需克服氢键作用，纤维从干 结构变成湿结构；环境相对湿度低，水分子克服阻力逸出纤维，纤维重新回 到干结构。
•较多横向结 •合键的干结构
• 微波吸收法：在微波范围（频率300MHz-300GHz的电磁波，波长 1mm-1m之间 )材料吸收微波的强弱由介质损耗因数决定。微波加热就 随材料损耗因数具有选择性，产生的热效果也不同。水分子属极性分 子，介电常数40-80，损耗角正切0.15-1.2，其介质损耗因数大，对微 波具有强吸收能力。纤维材料介电常数2-5，损耗角正切0.001-0.05。 利用水和纤维对微波的吸收和衰减程度不同，可测定其回潮率。
• 红外线干燥法：红外线灯泡（可加涂辐射远红外线的物质）照射去除试样 水分，省时、省电。
• 高频加热干燥法：高频交变电场中，纤维内部极性分子和水分子极化，产 生内摩擦发热（分子间及分子内，由极化现象产生的介电损耗），去除试 样水分子。频率分为，电容加热1-100MHz；微波加热800-3000MHz。由于 水的介电损耗较纤维约大20倍，即水分可吸收的能量很大，产生高热，使 水分蒸发。
•积分热W
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•dW
•0 •dr •回潮率
•rs
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• 吸湿等温线法：利用一系列不同温度下，纤维吸湿等温线，可得到不 同回潮率下微分热。
• 克劳修斯-克拉珀龙（Clausius-Clapeyron）方程：
•回潮率r的纺 •织纤维系统
• ps为水的饱和蒸汽压；T为绝对温度；Vs为饱和蒸汽压时水蒸气的比 容(单位质量占有的体积)；L为水蒸气的凝聚潜热。
• 通常纤维的吸湿性可细分为：纤维吸收气相水的能力（吸湿性）和吸 收液相水的能力（吸水性）。
• 对纤维吸湿性的研究，对研究纤维性能、纺织工艺加工及穿着舒适性 等提供理论依据；同时对纤维吸湿机理的研究，也为开发功能性合成 纤维（特别是亲水性合纤）提供理论依据；此外，吸湿性也与纤维重 量有密切关系，这与纤维贸易中重量的计算标准有直接的联系。
M=100W/(100+W)
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• 标准回潮率：纤维在统一的标准大气条件下，一段时间后回潮率达到一 个稳定值。
• 公定回潮率：贸易和成本计算时，对回潮率做的统一规定。 • 天然纤维公定回潮率：原棉8.5%；苎麻16.28%；桑蚕丝11%；羊毛16%。 • 化学纤维（亲水性）：粘胶13%；维纶5%；锦纶4.5%；腈纶2%； • 化学纤维（疏水性）：涤纶0.4%；丙纶0；氯纶0. • 混合原料的公定回潮率为各原料混比的加权平均：
•平衡
•吸湿量
Байду номын сангаас
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•时间
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绝对湿度和相对湿度
• 两者均反映大气中的水分含量。 • 绝对湿度(Absolute Humidity)：单位体积大气中含水质量。 • 相对湿度(Relative Humidity %)：RH=(h/hs)x100%； • 其中h表示绝对湿度； • hs表示相同条件下水蒸气饱和具有的绝对湿度。 • 标准大气条件：T=20℃，RH=65%
• 吸湿放热不利于纤维制品的储存，若仓库通风不良，空气潮湿，会导 致纤维制品霉变，甚至引发火灾。
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三、纤维吸湿热的测试方法
1、吸湿积分热W的测量 • 将已知回潮率和质量的纤维放入热容已知的量热器，并加过量的水，
测量器上升温度，计算积分热，需高灵敏测温装置，可测量不同回潮 率下积分热，绘制纤维积分热和回潮率关系曲线。 2、吸湿微分热Q的测量 • 直接测量微分热困难，但可以通过测量与微分热有关的其他性能，换 算。如量热器法，吸湿等温线法。 • 量热器法：按照积分热-回潮率曲线，由公式计算某回潮率下的微分 热，即根据曲线上某点斜率获得微分热。 •W0
• N种混合原料公定回潮率=
,
其中Pi，Wi分别表示第i种原料所占的干重百分比和公定回潮率。
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2、吸湿指标的测试
（1）直接测试法:
• 先称取一定湿重的纺织材料，驱除水分后得到干重，计算得到回潮率。
• 烘箱法：电阻丝恒温加热，温度设定以水分可蒸发而材料不分解为原则。 棉（105±3）℃，毛及大部分化纤（105-110）℃。吸湿性的主要测试手段。
•水分子进入 •水分子逸出
•较少横向结 •合键的湿结构
• 由于结构具有保持不变的倾向，结合键打开和重建存在滞后，故纤维吸、放 湿存在滞后。
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•H2O
•干结构
•湿结构
• 对于干结构，分子间为横向结合键，湿结构中含有水分子，假设在相同
的大气环境，水分子进入干结构需克服横向结合键，而水分子一旦离开纤 维，由于原来的分子间距离很近，很容易重建结合键，因此，水分子进入 干结构较困难。 • 对于湿结构，水分子逃逸后，纤维分子间距离较大，重建分子间结合键 比水分子重新进入逃逸位置要困难，因此，湿结构纤维较干结构纤维具有 更高的回潮率，从而产生吸湿滞后性。
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2、纤维的吸湿等温线 • 一定温度条件下，纤维材料平衡回潮率和大气相对湿度的关系曲线。 • 不同纤维吸湿性不同，同样的相对湿度，吸湿性：天然及再生>合纤。
•回潮率%
•1---羊毛
•2---粘胶
•3---蚕丝
•4---棉
•1
•5---醋酯纤维
•2
•3 •4 •5
• 微分热Q与纤维亲水基团的极性有关，具有相同亲水基团的纤维，其微分热Q 基本相同，如含羟基(-OH)的天然纤维素和再生纤维素；羊毛和锦纶分子主链 含酰胺键（-C=O-NH2-）且分子链端含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）。
•吸湿积分热J/g •吸湿微分热kJ/g
•100
•80 •羊毛
•60 •粘胶
• p为纺织纤维平衡蒸汽压；V是该蒸汽压下的蒸汽比容。
由相对湿度：
RH=(p/ps×100)%
两边同取自然对数： lnRH=lnp-lnps+ln100
回潮率一定时，对温度求导，并根据理想气体定律pv=psvs=RT，有：
Q1=RT2(əlnRH/əT)r=-R[əlnRH/ə(1/T)]r
那么，可根据lnRH-1/T曲线的斜率得出吸湿微分热。
纺织物理第二章纤维的 吸湿性
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2020/11/30
纺织物理第二章纤维的吸湿性
概述
• 纤维结构是纤维的固有特性，决定纤维性能。纤维结构不同，吸收水 分的能力有所差异。
• 天然纤维（棉、麻、丝、毛等）以及再生纤维（再生纤维素、再生蛋 白质等），具有较高的吸湿能力，称为亲水性纤维；大多数合纤（聚 酯、聚丙烯、聚氯乙烯等），吸湿能力低，称为疏水性纤维。
（2）间接测试法
利用含水量和纤维某些性能的关系来检测回潮率。
• 电阻测湿法：当纤维材料数量、松紧度、温度和电压等一定时，通过 的电流与回潮率存在一定的相关关系，即纤维回潮率不同电阻值不同。
• 电容测湿法：将一定质量纤维放在一定容量的电容器中，利用水分与 干燥纤维介电常数（反映材料在电场中被极化的程度，介电常数大材 料贮电能力强，极化程度高）不同，电容量变化，来测定回潮率。
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二、纤维吸湿指标和测试方法
1、吸湿指标
（1）回潮率与含水率
• 回潮率W：含水量占纤维干重(G0)的百分比； W=(G-G0)/G0×100%
• 含水率M：含水量占纤维湿重(G)的百分比。
• W与M的换算
M= (G-G0)/G×100%
W=100M/(100-M)；
•40 •棉
•1g干燥纤维完 •全润湿产生热
•20 •醋酯纤维 •0 5 10
15•回潮率%
•1.2 •羊毛
•0.8 •粘胶
•0.4 •棉
•1g水被质量无限 •大纤维吸收放热
•醋酯纤维 •0 5 10
15•回潮率%
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• 吸湿放热和穿着舒适性及储存的关系：
• 纤维的吸湿放热和舒适性有关，吸湿热大有利于人体调节体温，具有 较好的保暖。例如，1.5kg的羊毛服装，从T=18℃，RH=45%的室内， 到T=5℃，RH=95%的室外，其回潮率从10%增加至27%，吸湿放热量 约6000kJ。
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• 红外光谱法：水对不同波长的红外线有不同的吸收率，吸收量和材料 中水分的比例有关，根据红外线吸收图谱，可推测纤维回潮率。
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三、纤维回潮率与相对湿度的关系
1、吸湿滞后性
• 纤维在相同的大气温湿度条件下，从放湿达到平衡和从吸湿达到平衡，两种 平衡回潮率不等，且前者大于后者，称吸湿滞后性。
•6---锦纶 •7---腈纶
•6 •7
•8---涤纶
•8
•RH%
• 不同纤维吸湿等温线均反“S”形，表明其吸湿机理本质一致。RH小时，曲 线斜率大，纤维中极性基团直接吸水。当RH在15%-70%，曲线斜率较小， 纤维内表面被水分子覆盖，再进入的那部分水分子活动性大，动态平衡时， 吸着较困难，水分子进入纤维速度减慢。RH继续增大，水分子进入纤维内 部较大的空隙，形成毛细水，特别是纤维本身膨胀，空隙增大，故毛细水 大量增加，曲线斜率较大，回潮率增速加大。