蚕丝、羊毛、棉纤维吸湿和放湿动力学研究

孟春丽 曹机良

摘要： 为了解不同环境温度和湿度条件下常见天然纤维的吸湿、放湿速率和平衡规律，文章研究了环境温度和相对湿度对棉、羊毛、蚕丝的吸湿速率与回潮率的影响，同时研究了环境相对湿度对上述三种纤维放湿速率和放湿平衡后纤维最终含水率的影响。借鉴染色动力学公式计算出纤维的吸湿/放湿速率常数、半吸湿/放湿时间和平衡吸湿/含湿量。研究结果表明：三种天然纤维的吸湿性能高低为羊毛>蚕丝>棉，纤维的吸湿速率随相对湿度的增加而降低，随吸湿温度的升高而增加，但吸湿量随相对湿度的增加而升高，随吸湿温度的升高而降低;纤维的放湿速率和放湿量均随湿度的增加而降低。

关键词： 天然纤维;吸湿;放湿;动力学;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

当今人们对穿着的要求已经不单是保暖，除了注重服装的款式造型，也越来越重视服装的舒适性[1-2]。而服装的舒适性除了与织物组织结构有关外，还与织物本身的纤维组成有直接关系，因为纤维本身的吸湿性强弱将决定服装的整体舒适性[3-4]，而纤维本身的放湿速率将决定服装的吸湿快干性和洗涤干燥速率[5-6]。随着合成纤维织物性能不足的日益凸显，天然纤维织物的优良性能更受大众喜爱[7-8]。对常用天然纤维棉、羊毛纤维和蚕丝吸湿及放湿动力学的研究，有助于人们更好地了解不同温度和湿度条件下纤维的吸湿速率、汗湿织物的快干性能及洗涤织物的干燥速率[9-10]。

本研究采用直接称重法测定不同环境湿度和温度条件下纤维的含水率、测试一定温湿度条件下纤维的含水率与吸湿及放湿时间的关系，根据数据拟合出动力学方程和曲线来探究外界温度和湿度对纤维吸湿速率和放湿速率的影响，以期为天然纤维织物实际服用过程中的吸湿性和干燥性提供理论基础和实际指导。

1 实 验

1.1 材料及仪器

織物：100%纯棉标准贴衬;100%纯羊毛标准贴衬;100%纯蚕丝标准贴衬（上海市纺织工业技术监督所）。

仪器：FA2204N电子天平（上海菁海仪器有限公司），DZF-6030A真空干燥箱（上海申光仪器仪表公司），YG751B电脑式恒温恒湿箱（宁波纺织仪器厂）。

1.2 性能测试方法

1.2.1 棉、羊毛和蚕丝吸湿性能

在湿度一定温度不同的条件下，分别将一定质量的棉、羊毛纤维和蚕丝纤维放在烘箱中烘至绝对干重后快速移至恒温恒湿箱中的分析天平上并开始计时，每隔一段时间记录天平上纤维的质量变化，直至纤维吸附水蒸气达到饱和，质量不再变化;同样，在温度一定条件下测试不同湿度时纤维的吸湿性，可得到时间与纤维吸湿量的关系，如下式所示。

式中：Ct为一定时间内每千克纤维吸附水的质量，g/kg;研究放湿动力学时Ct可用Cf代替，Cf为一定时间内每千克纤维释放水的质量，g/kg;W为织物在特定条件下吸湿平衡后质量，g;W0为织物绝对干重，g。

1.2.2 棉、羊毛和蚕丝的放湿性能

为模拟纤维在湿态条件下的干燥速率，分别在温度40 ℃、相对湿度65%和40%的条件下，将含水率一定的棉、羊毛纤维和蚕丝纤维移至恒温恒湿箱内的分析天平上，每隔一段时间记录一次纤维质量变化，直至恒重，得到时间与纤维含湿量的关系曲线。

织物的吸湿和放湿速率常数依据文献[11]的方法进行拟合计算，如下式所示。

式中：C∞为一定条件下织物的吸湿饱和值或放湿饱和值，g/kg;k为一定条件下织物的吸湿或放湿速率常数，g/kg/s·10-5;t1/2为半吸湿时间或半放湿时间，s。

2 结果与分析

2.1 棉、羊毛纤维和蚕丝纤维吸湿性能研究

2.1.1 湿度对棉、羊毛纤维和蚕丝纤维吸湿性的影响

图1为相对温度20 ℃、吸湿时间24 h，不同湿度时纤维吸湿性能的测试结果。由图1可以看出，当温度一定时，棉、羊毛纤维和蚕丝纤维都表现出了一个共性，达到吸附平衡时每千克织物所吸附水的质量（Cf）随相对湿度的增加而增加;说明当外界相对湿度增加时蒸汽所占压力增加，水在纤维内部的可及度增加，可进入纤维内部的空隙中，毛细水的含量增加，Cf也就增加。棉、羊毛纤维和蚕丝纤维呈现出大致相同的增加趋势，说明它们的吸湿机理存在相似之处。但吸湿能力存在明显差别，棉纤维的吸湿两相理论把被棉纤维吸收的水分分为直接和间接吸收水[5]。直接吸收水是被纤维素大分子中游离羟基吸附的水分子并形成氢键，它们排列规整，密度高，使纤维溶胀并有热效应。间接吸收水为吸附在直接吸收水上的水分子，无热效应，也不能使纤维溶胀。羊毛的主要成分为角蛋白，它由多种α-氨基酸残基构成，后者可联结成呈螺旋形的长链分子，其上含有羧基、胺基和羟基等。羊毛纤维较强的吸湿能力与侧链上的一些基团有关，羊毛纤维主链和侧链上含有大量的极性基团，吸湿能力强;另外羊毛纤维为多孔性纤维，有毛细管效应，水分子易被吸入羊毛纤维的孔隙和纤维表面，所以羊毛纤维吸湿能力强[7]。蚕丝纤维也属于蛋白质纤维，由氨基酸组成，以甘氨酸、丙氨酸最多，其结晶度为50%～60%，但其亲水性基团含量低于羊毛。由图1还可以看出，三种纤维的吸湿能力：羊毛>蚕丝>棉。棉纤维素大分子是由1，4-苷键连接起来的多个β-D-葡萄糖剩基组合而成，在每个葡萄糖剩基上都连接三个自由羟基，是棉纤维吸湿性能的决定性基团[9]。除了极性基团的影响外，羊毛、蚕丝纤维的多孔性使它们的吸湿能力略高于棉纤维，而极性基团的含量则决定了羊毛纤维的吸湿性高于蚕丝纤维。

2.1.2 棉、羊毛和蚕丝纤维的吸湿动力学

图2是相对温度20 ℃，棉、羊毛纤维和蚕丝纤维在不同湿度下测试不同吸湿时间时每千克纤维吸附水分子的速率结果;表1是根据棉、羊毛纤维和蚕丝纤维吸湿速率结果，结合动力学方程拟合的吸湿动力学参数。

对比图2和表1可以看出，在一定温度下，三种纤维在开始阶段的吸湿速率都很快，随着吸湿的进行吸湿速率逐减，最终达到吸放湿的平衡;不同湿度条件下，湿度增加，吸湿速率降低，达到吸湿平衡的时间变长，平衡时C∞增加。说明在吸湿的开始阶段，纤维中的极性基团处于游离状态，为直接吸附水，随吸附的进行游离基团逐渐减少纤维开始依靠吸附在游离基团上的水分子吸附空气中的水分，此时为间接吸附，吸附速率进一步降低。此外空气中含有一定的水分子，与纤维间存在一个蒸汽压，当湿度增加时，蒸汽压差增大，吸湿速率便增大。当空气中蒸汽压变大时，水分子在纤维中的可及度增加，可进入纤维内部的空隙中，毛细水含量增大，所以C∞增大。由表1可知，在65%和90%的相对湿度条件下，蚕丝纤维的吸湿速率常数k明显高于羊毛和棉，对应的半吸湿时间t1/2明显低于羊毛和棉纤维，这说明在湿度相对较高的条件下蚕丝纤维的吸湿速率较快，达到吸湿平衡的时间较短。羊毛纤维在65%和90%的相对湿度条件下，吸湿速率低于蚕丝的原因与其表面的鳞片层有直接的关系。

2.1.3 温度对棉、羊毛纤维和蚕丝纤维吸湿性能的影响

图3是棉、羊毛纤维和蚕丝纤维在相对湿度为65%，不同温度下测试不同吸湿时间时每千克纤维吸附水分子的速率结果;表2是根据棉、羊毛纤维和蚕丝纤维在不同湿度下的吸湿速率结果，结合动力学方程拟合的吸湿动力学参数。

对比图3和表2可以看出，在相对湿度一定时，升高温度，棉、羊毛纤维和蚕丝纤维的吸湿速率均明显增加，半吸附时间变短，但达到吸附平衡时C∞却减小;在吸湿过程中，开始阶段的吸湿速率很大，随后逐减，最终达到吸放湿平衡。说明温度升高时，大气中的水分子的热运动增加，纤维大分子的热震动能也增加，吸湿热的转移较快，所以吸湿速率提高，吸附时间变短。但是织物中水蒸气的蒸发压随温度的升高而升高，使水分子留在纤维上的能力变弱，而且随吸湿的进行纤维中极性基团的吸湿能力进一步下降[6]，因此达到吸附平衡时C∞变小。

2.2 棉、羊毛纤维和蚕丝纤维的放湿性能

图4是棉、羊毛纤维和蚕丝纤维在温度为20 ℃，不同湿度下测试一定含濕量的纤维释放水分子的速率结果;表3是根据纤维在不同湿度下释放水分子的速率结果，结合动力学方程拟合出的放湿动力学参数。

对比图4和表3可以看出，放湿过程的开始阶段，放湿速率较大，随着放湿过程的进行逐渐减小，最后达到平衡;温度一定时，纤维放湿速率随湿度的增加而下降，放湿平衡时间变长，织物最终含湿量较高。说明纤维含湿率较大时，纤维蒸汽压与空气的蒸汽压相差较大，而且此时放出的水分子为毛细水，受织物束缚力量较小，放湿速率很快，当纤维含湿率降低时，纤维中蒸汽压与空气蒸汽压的压差降低，纤维间接吸附的水释放完全时开始释放直接吸附的水分子，放湿速率下降。当纤维中蒸汽压大于空气蒸汽压时，纤维发生放湿现象，当纤维中蒸汽压与空气蒸汽压相等时，放湿平衡;当外界相对湿度下降时，空气的蒸汽压降低，所以平衡时纤维含湿率降低。湿度降低时纤维与空气蒸汽压差增大，所以放湿速率增大，解吸时间缩短[12]。由表3可知，在相同的相对湿度条件下，蚕丝纤维的放湿速率常数k明显高于羊毛纤维和棉纤维，对应的半放湿时间t1/2明显低于羊毛纤维和棉纤维。这说明蚕丝纤维的放湿速率较快，达到放湿平衡的时间较短，与蚕丝纤维本身比较轻薄，同等质量条件下面积较大有关。

3 結 论

本研究采用直接称重法研究了棉、羊毛纤维和蚕丝纤维的吸湿和放湿动力学，通过对数据进行拟合分析得出以下结论：

1）一定的相对湿度和温度条件下，棉、羊毛纤维和蚕丝纤维的吸湿能力为羊毛>蚕丝>棉。

2）在相对湿度一定时，棉、羊毛纤维和蚕丝纤维的吸湿速率均随吸湿温度的提高而明显增加，半吸湿时间变短，但平衡吸湿量下降;而温度一定的条件下，棉、羊毛纤维和蚕丝纤维的吸湿速率均随相对湿度的提高而明显降低，半吸附时间延长，但平衡吸湿量增加。

3）在棉、羊毛纤维和蚕丝纤维放湿过程中，温度一定时纤维放湿速率随湿度的增加而下降，半放湿时间延长，织物放湿量降低，最终含湿量增加。

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