幾種纖維材料及床芯的吸放濕性能研究

周孝菊，廖廷茂，劉顯科，向 勇

(大自然科技股份有限公司， 貴州貴陽 550000)

床墊的吸、放濕性能是床墊透濕性的一個關鍵性影響因素，直接關系到人體睡眠時的熱濕舒適度，一張具有良好吸、放濕性能的床墊，在人們睡眠時可以使人體表面的熱濕微環(huán)境始終保持在一種干爽舒適的狀態(tài)，從而降低環(huán)境溫濕度變化對人體睡眠質量的影響。 植物纖維床墊是以山棕、劍麻等植物纖維為主體材料，采用膠黏劑使纖維之間相互粘連成網狀，形成膠點膠結的多孔結構及具有一定彈性和硬度的床芯，再覆以表面面料而制成[1]。 植物纖維床墊的吸、放濕性能與纖維化學組成、結晶度、微細結構及纖維間膠結的多孔結構等因素有關。 山棕纖維與劍麻纖維均屬于纖維素纖維，具有較多的親水性基團，研究表明，棕櫚纖維表面呈凹凸不平的多孔結構，內部具有管狀結構細胞緊密排列形成纖維長度方向的空腔[2]，能為水分子進入纖維內部提供通道及較大的儲存空間。 為了更好地了解植物纖維床墊的吸、放濕性能，本文選取山棕、劍麻這兩種純天然植物纖維材料以及其制備的床芯山棕墊、劍麻墊為試驗樣品，對他們的吸、放濕過程進行測試研究。 同時選取人造纖維材料Sorona、Lm 以及其所制備的床芯彈綸(原材料為人造纖維材料Sorona)、5E 山棕墊(復合型床芯，原材料為人造纖維材料Lm 與山棕纖維)做對比試樣，分別建立吸、放濕回歸方程及吸、放濕速率曲線并加以分析比較，探究不同纖維材料在一定條件下的吸、放濕規(guī)律，以期對植物纖維床墊的性能優(yōu)化提供更多的理論依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

纖維試樣:山棕纖維，云南紅河地區(qū)棕櫚生產基地；劍麻纖維，廣西武鳴縣國有東風農場；人造纖維材料Sorona，眾享實業(yè)(東莞)有限公司；人造纖維材料Lm，貴州鑫任家居有限公司。

纖維床芯試樣:山棕墊、劍麻墊，均由大自然科技股份有限公司生產(為排除其他因素影響，所選取兩種床芯的生產工藝均相同)；彈綸，眾享實業(yè)(東莞)有限公司；5E 山棕墊(復合型床芯，山棕纖維與Lm 質量比例為7 ∶3)，貴州鑫任家居有限公司。

1.2 試驗儀器與設備

DHG－9203A 型鼓風干燥箱、HWS－250BX 型恒溫恒濕箱、AR224CN 型分析天平、干燥器、稱量鋁盒。

1.3 性能測試

1.3.1 試樣前處理

纖維試樣:將山棕纖維、劍麻纖維提前用自來水清洗5－6 次以去除雜質，并放入100 ℃烘箱中干燥2 h 后取出。 將上述山棕纖維、劍麻纖維與人造纖維材料Sorona、Lm 分別置于恒溫恒濕箱中，并使各纖維材料成蓬松狀態(tài)在溫度20℃，相對濕度65% RH 條件下平衡48 h，密封備用。

纖維床芯試樣:將各纖維床芯切成50 mm×80 mm×30 mm 的樣塊，放置于恒溫恒濕箱中，在溫度20 ℃，相對濕度65% RH 條件下平衡48 h，密封備用。

1.3.2 測試方法

將一定質量m(g)的待測樣放置于鋁盒內，打開盒蓋置于100 ℃烘箱中，每加熱20 min 迅速蓋上盒蓋移入干燥器，冷卻5 min 后瞬時打開盒蓋再蓋上，稱取樣品重量，記為m1(g)，精確至0.001 g。當前后兩次稱量之差與后一次重量之比小于0.05%，視已達到放濕平衡，此時重量為干燥重量m0(g)，計算試樣放濕回潮率W(%)，如公式1 所示。 每種材料測試5 個試樣，取平均值。

將上述放濕平衡的試樣(重量m0，g)放置于25±2 ℃，85±5% RH 的恒溫恒濕箱中吸濕，每隔30 min 稱取樣品重量，記為m2(g)，精確至0.001 g。當前后兩次稱量之差與后一次重量之比小于0.05%，視已達到吸濕平衡，計算試樣吸濕回潮率W'(%)，如公式2 所示。 每種材料測試5 個試樣，取平均值。

2 試驗結果

2.1 吸、放濕回潮率回歸曲線

纖維吸、放濕的理論曲線為指數曲線，其回潮率對時間的回歸方程可用公式3 表達[3]。

式中:t 為吸、放濕時間，min；W為纖維的吸、放濕回潮率，%；a、b、c 為常數。

應用Origin Pro 9 軟件對測試結果以公式3 進行自定義函數擬合，得到吸、放濕回潮率對時間的回歸曲線，結果如圖1 及圖2 所示。 擬合后各相關系數(R2)都大于0.98，說明擬合結果能較好地反應實驗數據的變化規(guī)律。

圖1 各試樣放濕回潮率回歸曲線圖

圖2 各試樣吸濕回潮率回歸曲線圖

從圖1 可以看出，山棕纖維、劍麻纖維的初始回潮率均達到12%以上，山棕墊、劍麻墊、5E 山棕墊初始回潮率介于5%~9%之間，在100 ℃試驗條件下這幾種試樣均快速放濕，隨著放濕時間的延長，幾種試樣的回潮率逐漸降低，且降低的幅度逐漸減小，放濕時間約80 min 以后，各試樣基本達到干燥狀態(tài)。 這是由于實驗起始階段各纖維中含水量較高，在高溫條件下纖維中所含水分快速釋放出來，纖維的回潮率快速下降，隨著加熱時間的延長，纖維中的水分子量越來越少，纖維的回潮率則逐漸降低。 整個放濕過程中人造纖維Sorona、Lm 與床芯彈綸的回潮率均較低，放濕曲線較平緩，說明人造纖維Sorona、Lm 與床芯彈綸的放濕性能較差。

從圖2 可以看出，山棕纖維、劍麻纖維、山棕墊、劍麻墊、5E 山棕墊在25±5 ℃，85±5% RH 的試驗條件下均快速吸濕。 隨著吸濕時間的延長，各試樣回潮率逐漸升高，且上升的幅度逐漸減小，這是因為起始階段試樣處于干燥狀態(tài)，纖維間含水量較低，而環(huán)境中蒸汽壓力較高，水分子快速填充纖維間空隙，進入纖維內部，因此各試樣回潮率快速增加。 隨著吸濕時間的延長，纖維內部水分逐漸增多，內外蒸汽壓差逐漸降低，回潮率上升幅度減小。人造纖維Sorona、Lm 與床芯彈綸整個吸濕過程回潮率變化不大，吸濕曲線也較平緩，說明人造纖維Sorona、Lm 與床芯彈綸的吸濕性能也較差。 制備彈綸的原材料為人造纖維Sorona，在吸濕過程中纖維原材料處于較蓬松狀態(tài)，成品彈綸中纖維結構更緊密，內部纖維與水分接觸的比表面積降低，因此床芯彈綸的回潮率低于人造纖維Sorona。

2.2 吸、放濕速率回歸曲線

纖維的吸濕或放濕速率分別為單位質量的纖維在某一時刻單位時間內吸收或放出的水分。 將公式3 回潮率對時間的回歸方程進行微分，則得出纖維的吸、放濕速率回歸方程，其表達式如公式4所示:

式中:t 為吸、放濕時間，min；V為吸、放濕速率，g/min；b、c 為常數。

根據各試樣的吸、放濕回歸曲線方程可計算出試樣在不同吸、放濕時間下的吸、放濕速率，應用Origin Pro 9 軟件以方程4 繪制出吸、放濕速率回歸曲線圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 各試樣放濕速率回歸曲線圖

圖4 各試樣吸濕速率回歸曲線圖

從圖3 和圖4 可以看出，各試樣在整個吸、放濕過程中，隨著試驗時間的延長，吸、放濕速率均逐漸降低，且下降幅度均逐漸減小直至平衡狀態(tài)。 試驗起始階段，纖維中水分子濃度較環(huán)境中水分子濃度的差距較大，高濃度區(qū)水分子會向低濃度區(qū)擴散或滲透，直至均勻分布[3]，因此試驗起始階段吸、放濕速率較大，而后纖維中水分子濃度與環(huán)境中水分子濃度的差距逐漸減小，吸、放濕速率逐漸降低，直至吸、放濕速率為0，試樣達吸、放濕平衡狀態(tài)。 整個吸、放濕過程中山棕、劍麻纖維的吸、放濕速率均遠遠高于人造纖維Sorona 與Lm；試驗起始階段，山棕纖維吸、放濕速率均最高；較植物纖維相比，對應植物纖維床芯的吸、放濕速率均有降低；5E 山棕墊為復合山棕墊，其中山棕纖維與人造纖維Lm 質量比例為7 ∶3，因此吸、放濕速率均介于山棕纖維及人造纖維Lm 之間；彈綸的吸、放濕速率最低。 各試樣達放濕平衡所需時間比達吸濕平衡短，這是由放濕試驗時溫度較高，樣品中的水分釋放速率較快導致的。

2.3 吸、放濕性能分析

各試樣放濕初始回潮率、吸濕平衡回潮率及相同試驗時段內平均吸、放濕速率(單位質量的某試樣在某一時段內的吸、放濕量與吸、放濕時間之比)見下頁表1。 結果表明:試樣的初始回潮率越高，吸濕平衡時回潮率就越高，相同時段內的平均吸、放濕速率也越快，試樣的吸、放濕性能則越好。因此，各纖維材料的吸、放濕性能從優(yōu)到差的排序為:山棕纖維>劍麻纖維>人造纖維Sorona>人造纖維Lm；各纖維床芯的吸、放濕性能從優(yōu)到差的排序為:山棕墊>5E 山棕墊>劍麻墊>彈綸。

表1 各試樣的回潮率及吸放濕速率

纖維的吸放濕性能與其物理結構有關，纖維內部存在無定形區(qū)域和結晶區(qū)，結晶區(qū)纖維大分子中的親水性基團在分子間形成交鍵，分子排列規(guī)整緊密，分子間距離小，結合力強，因此水分子難以進入結晶區(qū)，水分子主要進入纖維內部的無定形區(qū)域及結晶區(qū)表面[4]。 纖維的結晶度越高，結晶區(qū)所占整根纖維的百分比就越大，纖維內部結構更加致密，吸、放濕性能也就越差。 植物纖維的結晶度較低，據研究，劍麻纖維結晶度為58%~61%[5]，山棕纖維的結晶度為36.43%~38.21%[6]，因此，山棕纖維的回潮率高于劍麻纖維，對應的成品床芯也表現出相同規(guī)律，即山棕墊的回潮率高于劍麻墊，說明山棕墊的吸、放濕性能優(yōu)于劍麻墊。 人造纖維Lm、Sorona 的吸、放濕性能均較差，可能是由于他們的結晶度較高所導致。

從表1 中還可以看出，試驗條件下各試樣初始回潮率均高于吸濕平衡的回潮率。 這是由于放濕試驗初始階段，纖維材料處于濕結構狀態(tài)，當纖維受熱，內部水分子向外散逸后，分子間間距較大，重建分子間結合建較困難，且纖維大分子存在較多極性基團，大氣中水分子很容易重新進入纖維內部；而纖維經放濕干燥后，再從吸濕達到平衡時，起始階段纖維處于干結構狀態(tài)，纖維中非結晶區(qū)或晶區(qū)界面間的纖維大分子鏈上的親水基團相互形成了橫向聯結氫鍵，大氣中水分子進入時需要克服纖維分子間的氫鍵力才能被纖維吸收，當外界相對濕度降低，水分子運動克服阻力逸出纖維，由于原來的纖維分子間距離較近，橫向結合鍵易重建，致使大氣中的水分子較難進入干結構纖維[4]，因此實驗中各試樣初始回潮率均高于吸濕平衡時的回潮率。

另外，在吸、放濕過程中，山棕纖維、劍麻纖維的回潮率均高于對應的成品床芯山棕墊、劍麻墊。其原因一方面為植物纖維床芯是以膠黏劑粘連植物纖維而制得，具有多孔網狀結構，雖增大了水分子與植物纖維接觸的比表面積，但植物纖維表面也因此附著了大量吸、放濕性能較差的膠黏劑，阻礙了水分子進入植物纖維內部；另一方面，植物纖維床墊生產過程中包含長時間的高溫熱壓、硫化等工序，將床芯中的植物纖維反復干燥，由于植物纖維具有保持其結構穩(wěn)定的趨勢，大氣中的水分子較難進入干結構的植物纖維中，因此植物纖維床芯的吸放濕速率低于濕結構狀態(tài)的植物纖維原材料，平衡狀態(tài)下植物纖維床芯的回潮率也相對降低。 這個特點使得植物纖維床墊既具備良好的吸放濕性能，又避免了因植物纖維的含水率[7]太高而導致植物纖維床墊霉變生蟲的問題。

3 結論

通過測試山棕纖維、劍麻纖維、人造纖維Sorona 與Lm 以及這四種纖維材料所制備床芯山棕墊、劍麻墊、5E 山棕墊、彈綸的吸、放濕性能，得到各種纖維材料及床芯的吸、放濕回歸曲線和吸、放濕速率回歸曲線。 試驗中山棕纖維、劍麻纖維具有較高的回潮率及吸、放濕速率，吸、放濕性能較好；人造纖維Sorona 與Lm 的回潮率及吸、放濕速率均較低，吸、放濕性能較差。 制作成為床芯后，山棕墊、劍麻墊這兩種植物纖維床芯的回潮率及吸、放濕速率雖呈現出不同程度的下降，但仍能保持良好的吸放濕性能。 其中，山棕墊吸、放濕性能優(yōu)于5E 山棕墊和劍麻墊。 棕纖維等植物纖維材料為可再生的天然資源，作為優(yōu)質的床芯材料，不僅能滿足人們舒適與健康的需求，且對于我國環(huán)境友好型社會經濟發(fā)展也意義深遠。