蠶絲、羊毛、棉纖維吸濕和放濕動力學(xué)研究

孟春麗 曹機良

摘要： 為了解不同環(huán)境溫度和濕度條件下常見天然纖維的吸濕、放濕速率和平衡規(guī)律，文章研究了環(huán)境溫度和相對濕度對棉、羊毛、蠶絲的吸濕速率與回潮率的影響，同時研究了環(huán)境相對濕度對上述三種纖維放濕速率和放濕平衡后纖維最終含水率的影響。借鑒染色動力學(xué)公式計算出纖維的吸濕/放濕速率常數(shù)、半吸濕/放濕時間和平衡吸濕/含濕量。研究結(jié)果表明：三種天然纖維的吸濕性能高低為羊毛>蠶絲>棉，纖維的吸濕速率隨相對濕度的增加而降低，隨吸濕溫度的升高而增加，但吸濕量隨相對濕度的增加而升高，隨吸濕溫度的升高而降低;纖維的放濕速率和放濕量均隨濕度的增加而降低。

關(guān)鍵詞： 天然纖維;吸濕;放濕;動力學(xué);回潮率

Abstract： In order to understand the moisture absorption/releasing rate and equilibrium law of common natural fibers under different temperature and humidity conditions， the effects of temperature and humidity on moisture absorption rate and moisture regain of cotton， wool and silk were studied. Besides， the influence of relative humidity on moisture releasing rate and the moisture content of the above fibers after moisture releasing and balance was researched. The moisture absorption and releasing rate constant， half moisture absorption/releasing time， equilibrium moisture absorption and moisture content were calculated by dyeing kinetics formula. The results showed that the moisture absorption properties of the three natural fibers were sorted as below： wool>silk>cotton. The absorption rate increased with the rise of temperature and decreased with the rise of relative humidity. However， the moisture absorption capacity of the three fibers decreased with the increase of temperature and increased with the increase of relative humidity. Both the moisture releasing rate and capacity decreased with the increase of relative humidity.

Key words： natural fiber; moisture absorption; moisture releasing; kinetics; moisture regain

當今人們對穿著的要求已經(jīng)不單是保暖，除了注重服裝的款式造型，也越來越重視服裝的舒適性[1-2]。而服裝的舒適性除了與織物組織結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與織物本身的纖維組成有直接關(guān)系，因為纖維本身的吸濕性強弱將決定服裝的整體舒適性[3-4]，而纖維本身的放濕速率將決定服裝的吸濕快干性和洗滌干燥速率[5-6]。隨著合成纖維織物性能不足的日益凸顯，天然纖維織物的優(yōu)良性能更受大眾喜愛[7-8]。對常用天然纖維棉、羊毛纖維和蠶絲吸濕及放濕動力學(xué)的研究，有助于人們更好地了解不同溫度和濕度條件下纖維的吸濕速率、汗?jié)窨椢锏目旄尚阅芗跋礈炜椢锏母稍锼俾蔥9-10]。

本研究采用直接稱重法測定不同環(huán)境濕度和溫度條件下纖維的含水率、測試一定溫濕度條件下纖維的含水率與吸濕及放濕時間的關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合出動力學(xué)方程和曲線來探究外界溫度和濕度對纖維吸濕速率和放濕速率的影響，以期為天然纖維織物實際服用過程中的吸濕性和干燥性提供理論基礎(chǔ)和實際指導(dǎo)。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

織物：100%純棉標準貼襯;100%純羊毛標準貼襯;100%純蠶絲標準貼襯（上海市紡織工業(yè)技術(shù)監(jiān)督所）。

儀器：FA2204N電子天平（上海菁海儀器有限公司），DZF-6030A真空干燥箱（上海申光儀器儀表公司），YG751B電腦式恒溫恒濕箱（寧波紡織儀器廠）。

1.2 性能測試方法

1.2.1 棉、羊毛和蠶絲吸濕性能

在濕度一定溫度不同的條件下，分別將一定質(zhì)量的棉、羊毛纖維和蠶絲纖維放在烘箱中烘至絕對干重后快速移至恒溫恒濕箱中的分析天平上并開始計時，每隔一段時間記錄天平上纖維的質(zhì)量變化，直至纖維吸附水蒸氣達到飽和，質(zhì)量不再變化;同樣，在溫度一定條件下測試不同濕度時纖維的吸濕性，可得到時間與纖維吸濕量的關(guān)系，如下式所示。

式中：Ct為一定時間內(nèi)每千克纖維吸附水的質(zhì)量，g/kg;研究放濕動力學(xué)時Ct可用Cf代替，Cf為一定時間內(nèi)每千克纖維釋放水的質(zhì)量，g/kg;W為織物在特定條件下吸濕平衡后質(zhì)量，g;W0為織物絕對干重，g。

1.2.2 棉、羊毛和蠶絲的放濕性能

為模擬纖維在濕態(tài)條件下的干燥速率，分別在溫度40 ℃、相對濕度65%和40%的條件下，將含水率一定的棉、羊毛纖維和蠶絲纖維移至恒溫恒濕箱內(nèi)的分析天平上，每隔一段時間記錄一次纖維質(zhì)量變化，直至恒重，得到時間與纖維含濕量的關(guān)系曲線。

織物的吸濕和放濕速率常數(shù)依據(jù)文獻[11]的方法進行擬合計算，如下式所示。

式中：C∞為一定條件下織物的吸濕飽和值或放濕飽和值，g/kg;k為一定條件下織物的吸濕或放濕速率常數(shù)，g/kg/s·10-5;t1/2為半吸濕時間或半放濕時間，s。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉、羊毛纖維和蠶絲纖維吸濕性能研究

2.1.1 濕度對棉、羊毛纖維和蠶絲纖維吸濕性的影響

圖1為相對溫度20 ℃、吸濕時間24 h，不同濕度時纖維吸濕性能的測試結(jié)果。由圖1可以看出，當溫度一定時，棉、羊毛纖維和蠶絲纖維都表現(xiàn)出了一個共性，達到吸附平衡時每千克織物所吸附水的質(zhì)量（Cf）隨相對濕度的增加而增加;說明當外界相對濕度增加時蒸汽所占壓力增加，水在纖維內(nèi)部的可及度增加，可進入纖維內(nèi)部的空隙中，毛細水的含量增加，Cf也就增加。棉、羊毛纖維和蠶絲纖維呈現(xiàn)出大致相同的增加趨勢，說明它們的吸濕機理存在相似之處。但吸濕能力存在明顯差別，棉纖維的吸濕兩相理論把被棉纖維吸收的水分分為直接和間接吸收水[5]。直接吸收水是被纖維素大分子中游離羥基吸附的水分子并形成氫鍵，它們排列規(guī)整，密度高，使纖維溶脹并有熱效應(yīng)。間接吸收水為吸附在直接吸收水上的水分子，無熱效應(yīng)，也不能使纖維溶脹。羊毛的主要成分為角蛋白，它由多種α-氨基酸殘基構(gòu)成，后者可聯(lián)結(jié)成呈螺旋形的長鏈分子，其上含有羧基、胺基和羥基等。羊毛纖維較強的吸濕能力與側(cè)鏈上的一些基團有關(guān)，羊毛纖維主鏈和側(cè)鏈上含有大量的極性基團，吸濕能力強;另外羊毛纖維為多孔性纖維，有毛細管效應(yīng)，水分子易被吸入羊毛纖維的孔隙和纖維表面，所以羊毛纖維吸濕能力強[7]。蠶絲纖維也屬于蛋白質(zhì)纖維，由氨基酸組成，以甘氨酸、丙氨酸最多，其結(jié)晶度為50%～60%，但其親水性基團含量低于羊毛。由圖1還可以看出，三種纖維的吸濕能力：羊毛>蠶絲>棉。棉纖維素大分子是由1，4-苷鍵連接起來的多個β-D-葡萄糖剩基組合而成，在每個葡萄糖剩基上都連接三個自由羥基，是棉纖維吸濕性能的決定性基團[9]。除了極性基團的影響外，羊毛、蠶絲纖維的多孔性使它們的吸濕能力略高于棉纖維，而極性基團的含量則決定了羊毛纖維的吸濕性高于蠶絲纖維。

2.1.2 棉、羊毛和蠶絲纖維的吸濕動力學(xué)

圖2是相對溫度20 ℃，棉、羊毛纖維和蠶絲纖維在不同濕度下測試不同吸濕時間時每千克纖維吸附水分子的速率結(jié)果;表1是根據(jù)棉、羊毛纖維和蠶絲纖維吸濕速率結(jié)果，結(jié)合動力學(xué)方程擬合的吸濕動力學(xué)參數(shù)。

對比圖2和表1可以看出，在一定溫度下，三種纖維在開始階段的吸濕速率都很快，隨著吸濕的進行吸濕速率逐減，最終達到吸放濕的平衡;不同濕度條件下，濕度增加，吸濕速率降低，達到吸濕平衡的時間變長，平衡時C∞增加。說明在吸濕的開始階段，纖維中的極性基團處于游離狀態(tài)，為直接吸附水，隨吸附的進行游離基團逐漸減少纖維開始依靠吸附在游離基團上的水分子吸附空氣中的水分，此時為間接吸附，吸附速率進一步降低。此外空氣中含有一定的水分子，與纖維間存在一個蒸汽壓，當濕度增加時，蒸汽壓差增大，吸濕速率便增大。當空氣中蒸汽壓變大時，水分子在纖維中的可及度增加，可進入纖維內(nèi)部的空隙中，毛細水含量增大，所以C∞增大。由表1可知，在65%和90%的相對濕度條件下，蠶絲纖維的吸濕速率常數(shù)k明顯高于羊毛和棉，對應(yīng)的半吸濕時間t1/2明顯低于羊毛和棉纖維，這說明在濕度相對較高的條件下蠶絲纖維的吸濕速率較快，達到吸濕平衡的時間較短。羊毛纖維在65%和90%的相對濕度條件下，吸濕速率低于蠶絲的原因與其表面的鱗片層有直接的關(guān)系。

2.1.3 溫度對棉、羊毛纖維和蠶絲纖維吸濕性能的影響

圖3是棉、羊毛纖維和蠶絲纖維在相對濕度為65%，不同溫度下測試不同吸濕時間時每千克纖維吸附水分子的速率結(jié)果;表2是根據(jù)棉、羊毛纖維和蠶絲纖維在不同濕度下的吸濕速率結(jié)果，結(jié)合動力學(xué)方程擬合的吸濕動力學(xué)參數(shù)。

對比圖3和表2可以看出，在相對濕度一定時，升高溫度，棉、羊毛纖維和蠶絲纖維的吸濕速率均明顯增加，半吸附時間變短，但達到吸附平衡時C∞卻減小;在吸濕過程中，開始階段的吸濕速率很大，隨后逐減，最終達到吸放濕平衡。說明溫度升高時，大氣中的水分子的熱運動增加，纖維大分子的熱震動能也增加，吸濕熱的轉(zhuǎn)移較快，所以吸濕速率提高，吸附時間變短。但是織物中水蒸氣的蒸發(fā)壓隨溫度的升高而升高，使水分子留在纖維上的能力變?nèi)?，而且隨吸濕的進行纖維中極性基團的吸濕能力進一步下降[6]，因此達到吸附平衡時C∞變小。

2.2 棉、羊毛纖維和蠶絲纖維的放濕性能

圖4是棉、羊毛纖維和蠶絲纖維在溫度為20 ℃，不同濕度下測試一定含濕量的纖維釋放水分子的速率結(jié)果;表3是根據(jù)纖維在不同濕度下釋放水分子的速率結(jié)果，結(jié)合動力學(xué)方程擬合出的放濕動力學(xué)參數(shù)。

對比圖4和表3可以看出，放濕過程的開始階段，放濕速率較大，隨著放濕過程的進行逐漸減小，最后達到平衡;溫度一定時，纖維放濕速率隨濕度的增加而下降，放濕平衡時間變長，織物最終含濕量較高。說明纖維含濕率較大時，纖維蒸汽壓與空氣的蒸汽壓相差較大，而且此時放出的水分子為毛細水，受織物束縛力量較小，放濕速率很快，當纖維含濕率降低時，纖維中蒸汽壓與空氣蒸汽壓的壓差降低，纖維間接吸附的水釋放完全時開始釋放直接吸附的水分子，放濕速率下降。當纖維中蒸汽壓大于空氣蒸汽壓時，纖維發(fā)生放濕現(xiàn)象，當纖維中蒸汽壓與空氣蒸汽壓相等時，放濕平衡;當外界相對濕度下降時，空氣的蒸汽壓降低，所以平衡時纖維含濕率降低。濕度降低時纖維與空氣蒸汽壓差增大，所以放濕速率增大，解吸時間縮短[12]。由表3可知，在相同的相對濕度條件下，蠶絲纖維的放濕速率常數(shù)k明顯高于羊毛纖維和棉纖維，對應(yīng)的半放濕時間t1/2明顯低于羊毛纖維和棉纖維。這說明蠶絲纖維的放濕速率較快，達到放濕平衡的時間較短，與蠶絲纖維本身比較輕薄，同等質(zhì)量條件下面積較大有關(guān)。

3 結(jié) 論

本研究采用直接稱重法研究了棉、羊毛纖維和蠶絲纖維的吸濕和放濕動力學(xué)，通過對數(shù)據(jù)進行擬合分析得出以下結(jié)論：

1）一定的相對濕度和溫度條件下，棉、羊毛纖維和蠶絲纖維的吸濕能力為羊毛>蠶絲>棉。

2）在相對濕度一定時，棉、羊毛纖維和蠶絲纖維的吸濕速率均隨吸濕溫度的提高而明顯增加，半吸濕時間變短，但平衡吸濕量下降;而溫度一定的條件下，棉、羊毛纖維和蠶絲纖維的吸濕速率均隨相對濕度的提高而明顯降低，半吸附時間延長，但平衡吸濕量增加。

3）在棉、羊毛纖維和蠶絲纖維放濕過程中，溫度一定時纖維放濕速率隨濕度的增加而下降，半放濕時間延長，織物放濕量降低，最終含濕量增加。

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