蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸放湿性能研究

冯爱芬，张永久

(河北科技大学纺织服装学院，河北石家庄 050018)

蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸放湿性能研究

冯爱芬，张永久

(河北科技大学纺织服装学院，河北石家庄 050018)

对蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸湿和放湿性能进行了研究。通过测试该新型纤维和普通聚酯纤维在标准大气条件下的吸湿、放湿回潮率，绘制出吸湿、放湿曲线, 并得到2种纤维达到吸湿、放湿平衡的过程中回潮率对时间的回归方程。结果显示，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的回潮率和初始吸湿和放湿速率远高于普通聚酯纤维的相应性能，具有优良的吸湿排汗性能。

蜂窝状；微孔结构；聚酯；吸湿；放湿

随着人们生活水平的不断提高，服装的功能性与舒适性越来越受到人们的重视。聚酯纤维(涤纶)织物具有弹性好、挺括抗皱、保形性好，以及优良的洗可穿性和耐用性等性能，被广泛用作各类服装面料。但是，由于聚酯纤维本身吸湿性差，所以穿着具有闷热粘体感，易产生静电，吸附灰尘和贴体，舒适性差。因此，赋予疏水性的聚酯纤维一定的吸湿性，就成了近年来化纤纺织业中的研究热点之一。具有吸湿、快干性能的聚酯纤维就是在这种背景下应运而生的[1]。

20世纪80年代初，帝人公司就开始研发具有吸湿、排汗的涤纶，并研制出中空微孔纤维。Coolmax是杜邦公司研发的功能性纤维，截面形状特别，呈扁平“十”字四管状，而且又是中空，纤维的管壁还透气，使其具有吸湿、排汗、透气等特性。由其制织的织物具有优良的毛细效应，能够迅速将人体皮肤上的汗液抽离皮肤，传输到面料表面从而迅速蒸发，使皮肤保持干爽和舒适[2-3]。后来，台湾的很多纤维生产商也先后研制出吸湿、排汗纤维，如Technofine,Topcool,Coolplus等[4]。国际上，许多纤维生产企业和公司也陆续研制出各种吸湿、排汗纤维，如东洋纺公司的“Ekslive”，韩国晓星公司的“艾丽酷”，帝人公司的“Wellkey·MA”等。中国也开发出具有优良的吸湿、排汗性能的纤维，如仪征化纤公司的Coolbst、金纺集团的Cooldry和Coolnice、弘强公司的舒巢棉(SCM)等。

舒巢棉(SCM)是浙江上虞弘强彩色涤纶有限公司为了改善聚酯纤维的手感、吸湿透气性能以及染色性能,采用化学兼物理的改性方法,自主开发出的蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维。该纤维又称吸湿排汗纤维或者“会呼吸”的纤维。纤维表面和内部具有微孔结构，吸湿快干、散热快；在常温常压条件下用阳离子染料就能染色，而且染色时间短，得色率高，节约成本，手感柔软蓬松、棉质感强、悬垂性好、透气性好，改善了普通涤纶纤维的不足，提高了织物的舒适性。可广泛应用于内衣、运动服、休闲服、竞技服、T恤衫、紧身衣裤、衬衣、西服、衬里、袜品等衣着[5]，还将用于其他用途发展，如家居、农业、卫生医疗等领域[5-7]。

本研究对蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸湿和放湿性能进行研究，并与普通聚酯纤维的吸湿和放湿性能进行对比，所得结论为该新型纤维的产品开发、生产和应用提供一定的理论依据。

1 实验材料与方法

1.1试验材料

1.33 dtex蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维和1.33 dtex普通聚酯纤维(浙江上虞弘强彩色涤纶有限公司提供)。

1.2试验原理与方法

1.2.1 试验原理

纤维吸(放)湿的快慢程度，用单位质量的纤维在标准大气条件下，纤维回潮率的变化量来表示[8-9]：

(1)

其中：w为纤维吸(放)湿过程中任意时刻的回潮率；t为吸(放)湿时间。

吸湿速率和放湿速率的原理相同，但是过程相反。对式(1)进行积分可得回潮率对时间的回归方程为

w=a+be-ct，

(2)

其中a，b，c为常数，即纤维在吸(放)湿平衡过程中，回潮率对时间的关系曲线为指数曲线。

由式(1)推导可知，纤维吸湿速率与放湿速率的回归方程为

v=|-bce-ct|。

(3)

1.2.2 试验仪器

MP-200A电子天平(精度0.001 g，巩义市予华仪器有限责任公司提供)，Y802A型八篮恒温烘箱(常州纺织仪器厂提供)，玻璃皿，YG715B型恒温恒湿箱(宁波纺织仪器厂提供)。

1.2.3 试验条件与方法

试验参考标准GB/T 6503—2008化学纤维回潮率试验方法。

吸湿试验：在标准大气条件下，称取1 g的纤维，放到烘箱内进行烘干和称重。烘箱温度为105 ℃，烘1 h后，在箱内进行称重，然后每隔10 min称量一次，前后2次称量差异不超过后一次称量的0.05%时，后一次称量的质量为干重(恒重)，停止烘干。将达到恒重的试样从烘箱取出，迅速放置在恒温恒湿室内(温度(20±2)℃，相对湿度(65±5)%)进行称重，该质量为初始质量(G0)。然后将纤维蓬松地放置在玻璃皿中，每隔5 min称重一次，并记录质量(Gt)，直到前后2次称量差异小于后一次称量的0.05%为止。计算得到各试样吸湿过程中的回潮率，并绘制吸湿曲线。回潮率Wt计算公式如下：

Wt=(Gt-G0)/G0×100%。

(4)

其中：G0为试样的干重；Gt为时间t时纤维质量。

放湿试验：在标准大气条件下称取1 g纤维试样，放置在温度为20 ℃，相对湿度为100%的恒温恒湿箱内96 h，使纤维达到吸湿饱和。取出试样，迅速放到恒温恒湿室(温度(20±2)℃，相对湿度(65±5)%)，测量方法同上。最后将达到放湿平衡后的试样烘干，称取干重。计算得到各试样放湿过程中的回潮率, 并绘制放湿曲线。

2 试验结果及分析

2.1纤维的吸湿、放湿曲线及分析

2.1.1 纤维的吸湿、放湿曲线

分别根据蜂窝纤维与聚酯纤维吸湿、放湿试验过程中的记录和纤维干重，计算其在不同时间的回潮率，并分别绘制出其吸湿和放湿曲线，如图1和图2所示。

图1 纤维的吸湿曲线Fig.1 Moisture absorption curves of two fibers

从图1中可以看出，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸湿平衡回潮率远大于普通聚酯纤维的回潮率，分别为1.19%和0.21%，前者是后者的5.67倍。然而，它们的吸湿速率具有相同的变化趋势，均表现出先快后慢的特点。在吸湿的初始阶段，它们的吸湿速率都比较快，随着吸湿时间的增加，吸湿速度明显减慢。蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维在吸湿25～40 min时吸湿速度有所减缓，而普通聚酯纤维在吸湿10～25 min时吸湿速度有所减缓，其后2种纤维的吸湿性均逐渐趋于平衡。

从图2可以看出，在恒温恒湿箱内对纤维进行处理后，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的回潮率远大于普通聚酯纤维的回潮率。在放湿的初始阶段, 这2种纤维都具有较快的放湿速率，然后随着时间的延长，放湿速度有所减缓，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维在放湿25 min左右，放湿速度开始减慢，在45 min左右，达到放湿平衡。而普通聚酯纤维，在15 min左右，放湿速度就开始减慢，在30 min左右就达到放湿平衡状态。放湿平衡后，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的放湿平衡回潮率为1.33%，普通聚酯纤维的放湿平衡回潮率为0.51%。两者的放湿平衡回潮率均高于其吸湿平衡回潮率，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的放湿平衡回潮率比吸湿平衡回潮率高出11.77%，而普通聚酯纤维的放湿平衡回潮率比吸湿平衡回潮率高出142.88%。这是由纤维的吸湿滞后性导致的[10]。可以看出，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸湿、放湿平衡回潮率均比普通涤纶要高，分别高出466.67%和160.78%。

2.1.2 纤维吸湿、放湿现象分析

1)吸湿、放湿能力

纤维吸湿、放湿能力取决于其化学结构和物理结构形态。皮肤表面蒸发的气态水分首先由本纤维吸收(吸湿)，然后经由纤维表面放湿。液态水分则由纤维表面和内部的孔洞以及纤维间的空隙所产生的毛细效应使水分产生吸附、扩散和蒸发(放湿)。这2种作用使得水分发生迁移。这些性质不仅与纤维表面电荷量和电性有关[11]，也与纤维的比表面积和内部空隙有关。表面积越大，表面上的分子数越多，表面能也越大，表面的吸附能力越强，纤维表面吸附水分子的能力也就越强，表现为吸湿性越好[10]。

蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维具有内外贯穿的蜂窝状微孔结构状态，纤维的比表面积极大，是棉纤维的170倍，纤维中的微孔与微孔间相互贯通，并与大气相通。所以，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸湿、放湿性能远好于普通聚酯纤维的，具有毛细管芯吸效应，吸湿好,吸湿、放湿平衡回潮率高。

2)吸湿、放湿平衡回潮率

纤维吸收水分时，由于纤维分子与水分子之间的吸引而结合，水分子的动能降低而转换成热能被释放出来，从而会产生热量[11]。在吸湿初始阶段，大气中的蒸汽压力较高，水分子进入纤维，使得纤维的回潮率变大，同时会释放热量，而热导致纤维的温度升高。水分子较多和温度较高使纤维的蒸汽压力逐渐变大，当纤维的蒸汽压力与空气蒸汽压力接近时，纤维达到瞬间的吸湿平衡，吸湿停止。但是，当纤维的蒸汽压力大于空气蒸汽压力时，纤维则开始放湿。由于纤维的吸湿热很快转移到空气中，纤维又开始吸湿，直到纤维中的蒸汽压力和温度与大气条件相同，吸湿停止，达到吸湿平衡。由于纤维内的水分和温度变化会引起纤维的蒸汽压力变化，所以导致了纤维回潮率的上下波动。当纤维在干燥状态下，由于其内部水分少，蒸汽压力低，所有在吸湿初始阶段，少量水分快速进入纤维内引起温度升高，但不足以使纤维的蒸汽压力达到空气中的蒸汽压力值，所以纤维的回潮率不会发生上下波动的现象[12]。纤维的放湿过程与吸湿过程的原理相同，只是过程相反。从图1和图2可以看出，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸湿和放湿平衡回潮率具有较小的波动，而普通聚酯纤维基本上没有波动。这是因为前者的回潮率较大，纤维的蒸汽压力有一定的变化造成的，而后者的回潮率很小，所以蒸汽压力基本上没有变化。

2.2纤维吸湿、放湿回潮率及速率回归方程的建立

在整个吸湿、放湿过程中，纤维的吸湿速度与放湿速度始终在变化中。将试验结果进行了曲线拟合，得到的吸湿回潮率和放湿回潮率对时间的回归方程见表1，同时可得到吸放湿回归方程曲线，见图3和图4。

表1 纤维吸湿、放湿回潮率对时间的回归方程Tab.1 Regression equations of fibers′ moisture absorption and liberation to time

图3 纤维的吸湿回归曲线Fig.3 Moisture absorption regression curves of two fibers

图4 纤维的放湿回归曲线Fig.4 Moisture liberation regression curves of two fibers

图5 纤维的吸放湿速率曲线Fig.5 Rate curves of moisture absorption and liberation of two fibers

运用Origin75软件，对试验数据进行分析，得到纤维的吸放湿速率方程和曲线，如表2和图5所示。从图5可以看出，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维和聚酯纤维的吸湿、放湿速率都呈指数形式减弱。

在吸湿的初始阶段，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维吸湿速率较快，并且吸湿速率随时间快速下降；从吸湿10 min开始，吸湿速率明显放慢，逐渐与聚酯纤维的吸湿速率相近；吸湿20 min后，与聚酯纤维的吸湿速率曲线开始重合，并逐渐趋于0，达到吸湿平衡。在放湿过程中，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的放湿速率比聚酯纤维的大，但是他们的放湿速率有相近的走势；从10 min后开始，2种纤维的放湿速率都明显减缓，但蜂窝状聚酯纤维的放湿速率明显高于聚酯纤维；从30 min开始，2种纤维的放湿速率逐渐重合，随时间的延长而逐渐趋于0，达到放湿平衡。所以，蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维有优良的吸湿和放湿性能。

表2 纤维吸湿、放湿速率回归方程Tab.2 Regression equations of rates of fibers′ moisture absorption and liberation to time

3 结 论

1)蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维具有优良的吸湿性能和吸放湿性能，初始吸湿、放湿速率远高于普通聚酯纤维，可以迅速吸收人体排出的汗液，具有良好的吸湿排汗性能。

2)蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的表面和内部具有相互贯通的微孔，提高了纤维的比表面积，具有远大于聚酯纤维的回潮率，提高了纺织的可加工性能，不易产生静电，穿着舒适。

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Moisture absorption and liberation properties of honeycomb micropore modified polyester fiber

FENG Aifen，ZHANG Yongjiu

(School of Textile and Garment，Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

The moisture absorption and liberation properties of honeycomb micropore modified polyester fiber were studied. Through testing moisture absorption， liberation regains of honeycomb micropore modified polyester fiber， and normal polyester fiber in standard atmospheric conditions, their moisture absorption and liberation curves were depicted. The regression equations of moisture regains to time during their reaching, the balance of moisture absorption and moisture liberation were obtained according to the curves. Their moisture absorption and liberation rate curves were analyzed, and the regression equations of the rates to time were obtained. The results show that the moisture regain, initial moisture absorption rate, and moisture liberation rate of honeycomb micropore modified polyester fiber is much higher than those of normal polyester fiber with excellent performance of the moisture absorbance and sweat transportation properties of honeycomb micropore modified polyester fiber.

honeycomb; micropore; polyester; moisture absorption; moisture liberation

1008-1542(2014)01-0046-05

10.7535/hbkd.2014yx01009

2013-05-07；

2013-11-20；责任编辑：张 军

冯爱芬(1961-)，女，陕西华阴人，教授，硕士生导师，主要从事服装材料性能及服装心理与行为方面的研究。

E-mail:fengaf774@sohu.com

TS 101.9233

A

冯爱芬，张永久.蜂窝状微孔结构改性聚酯纤维的吸放湿性能研究[J].河北科技大学学报，2014，35(1)：46-50.

FENG Aifen，ZHANG Yongjiu.Moisture absorption and liberation properties of honeycomb micropore modified polyester fiber[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(1):46-50.