细绒棉吸湿性能研究

阳小明，王华

（东华大学 纺织学院，上海 201600）

棉花不仅是纺织品加工的重要原料，也是我国的支柱产业。棉纤维属于天然纤维素纤维，纤维素分子中含有大量羟基，因此，棉纤维具有良好的吸湿性能，在一定程度上给人们带来了穿着舒适感[1]，主要用于衬衫等面料的原材料，而棉花由于生长环境、气候、土壤、日照时间不同，其吸湿性能也存在差异。新疆与海南是我国优质棉花的主要来源，但由于地理位置不同，种植的棉花也有所差异。本文将对新疆细绒棉与海南细绒棉的吸湿性进行对比研究。

1 细绒棉简介

棉纤维依据长度可分为长绒棉、细绒棉、粗绒棉。长绒棉又称海岛棉，细长，富有光泽，是较为高级的纤维品种，中国新疆部分地区也有种植长绒棉。细绒棉也称陆地棉，由于细绒棉对种植条件要求较低，因此细绒棉的种植面积大于长绒棉，也是世界产量最多的棉花品种，占世界棉花总产量的85%以上。粗绒棉又称亚洲棉，纤维粗短，品质较差，与非洲棉相似，较少用于纺织服装生产。因此目前纺织服装较常用的是细绒棉与长绒棉，但长绒棉价格昂贵，产量较少，相比较而言，细绒棉产量较高，种植面积广，价格较低，颇受纺织行业的欢迎。

新疆为我国棉花的主要种植基地，全国约40%的细绒棉产自新疆，是我国的主要产棉区，一方面是因为新疆自身地理条件的优势，其气候特点为昼夜温差较大，日照时间充足，适合棉花等农作物的生长；另一方面由于国家政策的不断调整和完善，在棉花补贴价格实施的背景之下，新疆区域棉花的种植面积在不断调整，有助于棉花种植产业向主棉区集中，某种程度上，可促进新疆棉花向规模化、集约化、专业化方向发展[2]。

海南处于我国南方，有“天然温室”之称，气候湿润，雨水充足，土壤较为肥沃，同样是棉花的理想种植基地，棉花起源于热带和亚热带地区，海南的气候条件和地理环境都接近于棉花的起源地，非常适宜做棉花的育种及研究工作[3]。新疆与海南有着不同的地理环境，两地所培育的棉花品质也略有差异，由于棉纤维最显著的性能是其良好的吸湿性，下文将对新疆细绒棉与海南细绒棉的吸湿性能进行探讨。

2 细绒棉吸湿性能试验

根据国标GB/T6102.1—2006《原棉回潮率试验方法 烘箱法》[4]，采用烘箱干燥法对细绒棉的吸湿和放湿性能进行测试，并绘制吸湿和放湿曲线，推导吸（放）湿回归方程，从而对细绒棉的吸湿性能进行探讨[5]。

2.1 试验试样及仪器

试验试样：新疆细绒棉、海南细绒棉。试样指标见表1。

表1 试样指标

试样仪器：YG747通风式快速八篮烘箱、电子天平等。

2.2 试验内容

2.2.1 吸湿试验

在温度为（20±2）℃，相对湿度为（65±5）℃的恒温恒湿实验室内，称取海南细绒棉与新疆细绒棉试样各10g，再将试样放入105℃烘箱内，预烘时间为30min，尽量使纤维呈现蓬松状态，称取棉纤维的重量为初始重量，之后将纤维放入干燥容器中，每隔10min称取纤维重量并记录，直至纤维达到吸湿平衡，计算回潮率。

2.2.2 放湿试验

在恒温恒湿试验室内，称取棉试样各10g，放入有水的干燥器内，将纤维保持在相对湿度为100%的状态下，时长为12h，使其充分吸收水分，达到吸湿平衡后，测试纤维重量变化，直至纤维放湿平衡，计算回潮率。

式（1）中，W为纤维的回潮率（%），G为纤维的湿重（g），Go为纤维的干重（g）。

3 细绒棉吸湿性试验结果及分析

3.1 细绒棉的吸湿及放湿曲线

根据试验结果，绘制新疆细绒棉及海南细绒棉的吸湿及放湿曲线，并用Origin软件进行拟合，拟合结果如图1和图2所示。

图1 细绒棉放湿回归曲线图

图2 细绒棉吸湿回归曲线图

由图1可以看出，放湿时，前50min内，细绒棉纤维的放湿速率较快，二者曲线接近重合，50min～70min，棉纤维放湿速率有所减慢，70min之后，放湿速率趋于平衡，新疆细绒棉的平衡回潮率为8.8%，略高于海南细绒棉8.6%。从图2可以看出，吸湿时，前50min内，棉纤维吸湿速率较高，且海南细绒棉的吸湿速率略高于新疆细绒棉，50min之后，两种棉纤维的吸湿速率均有所下降，直到吸湿平衡，新疆细绒棉与海南细绒棉吸湿时的平衡回潮率分别为7.6%和7.8%；对于细绒棉而言，其放湿平衡回潮率要高于吸湿平衡回潮率，因此棉纤维具有吸湿滞后性。

产生吸湿滞后性的原因为：棉纤维在吸湿时，一方面，水汽浓度外部高、内部低，且浓度呈梯度下降，这时水分子的运动速度较高，动能较大，吸湿通道多且通畅，因此水分子更容易进入纤维内部并被吸附，释放能量，这一过程有利于分子的运动，促进纤维继续吸湿；另一方面，水分子的进入使纤维体积膨胀，这种膨胀是不可逆的，相应地也会导致纤维内部分子结构的变形，将使得吸湿条件有所改善，促使纤维保留更多的水分子。

棉纤维放湿时，水汽浓度内高外低，且放湿通道很多被占据或堵塞，水分子的退出需要吸附能量，将会导致纤维内部温度降低，不利于水分子的运动，加之放湿通道不通畅，使得水分子较难退出，导致放湿较为缓慢，这也是纤维产生吸湿滞后性的原因。

3.2 细绒棉吸湿及放湿回归方程

根据相关文献记载，可得出棉纤维在吸湿与放湿过程中，回潮率与时间存在一定的回归关系，其理论通式为：

式（2）中，W吸为吸湿平衡回潮率（%），W放为放湿平衡回潮率（%），t为时间（min），a、b、c均为常变量。

Origin拟合回归方程如下。

新疆细绒棉回潮率和时间的关系：

海南细绒棉回潮率和时间的关系：

3.3 细绒棉吸湿及放湿速率回归曲线

纤维的吸湿速率表示纤维吸收水分子的快慢，通常用吸湿时间常数表示，即纤维在完全干燥的状态下开始吸湿，吸湿速率不变，达到平衡时所需的时间，可表示为：

由（2）、（7）式可得：

V吸表示纤维吸湿速率，V放表示纤维放湿速率[6]。

事实上，棉纤维在吸湿和放湿过程中，吸湿速率与放湿速率也在不断变化。吸湿速率与放湿速率意义相同，但过程相反，为探讨细绒棉吸湿与放湿规律，有必要建立回归曲线探讨规律[7]。

利用Origin软件对细绒棉的吸湿和放湿速率进行曲线拟合，并得到回归方程，结论如下。

新疆细绒棉吸（放）湿速率和时间的关系：

海南细绒棉吸（放）湿速率和时间的关系：

由图3可以看出，在放湿试验开始时，新疆细绒棉与海南细绒棉的吸湿速率分别为0.60g/min和0.63g/min，在前50min内，棉纤维放湿速率下降趋势较快，50min之后，放湿速率有所减慢，直到速率减为0，整体上海南细绒棉的放湿速率略高于新疆细绒棉的。图4中，吸湿试验开始时，新疆细绒棉的吸湿速率为0.28g/min，海南细绒棉的吸湿速率为0.25g/min，在吸湿前20min，海南细绒棉的吸湿速率均高于新疆细绒棉的吸湿速率，在20min～40min，两条吸湿速率回归曲线接近重合，两者吸湿速率接近相等，40min之后，新疆细绒棉的吸湿速率略高于海南细绒棉的，直至吸湿平衡。

图3 细绒棉放湿速率回归曲线图

图4 细绒棉吸湿速率回归曲线图

3.4 影响棉纤维吸湿性能的因素

影响纤维吸湿的因素有很多，如亲水基团的数量，纤维的结晶度，纤维的比表面积和孔隙，以及纤维中所含伴生物质的种类和含量等，以上因素均会对棉纤维的吸湿性产生影响，但影响的重要程度不同。其中，亲水基团的数量直接影响纤维吸湿性能的强弱，纤维分子中，亲水基团含量越多，吸湿性越强；反之，吸湿性越弱。棉纤维为天然纤维素纤维，含有大量的纤维素高分子化合物，纤维素大分子中含有羟基，属于亲水基团，对水分子的吸附能力极强，属于直接吸收水，因此对外部环境中的水分子有直接的吸附作用，而被羟基吸附的水分子又可以间接地吸附其他水分子，属于间接吸附水，由于棉纤维分子中含有大量的羟基，因此具备良好的吸湿性。除此之外，棉纤维中含有果胶及含氮物质等，这些物质比纤维素更能吸附水，整体上，有利于增强棉纤维的吸湿性。

4 结语

4.1 新疆细绒棉的放湿平衡回潮率为8.8%，吸湿平衡回潮率为7.6%，海南细绒棉的放湿平衡回潮率为8.6%，吸湿平衡回潮率为7.8%，新疆细绒棉的放湿回潮率略高于海南细绒棉的，海南细绒棉的吸湿回潮率略高于新疆细绒棉的。

4.2 新疆细绒棉与海南细绒棉的放湿回潮率高于吸湿回潮率，细绒棉存在一定的吸湿滞后现象，因此细绒棉纤维具有一定的吸湿滞后性。

4.3 对于吸湿速率和放湿速率而言，海南细绒棉的放湿速率略高于新疆细绒棉的，两者的吸湿速率差异并不明显。

4.4 海南细绒棉与新疆细绒棉的吸湿性能较为优良，为理想的棉织物材料，可用作衬衣等贴身面料穿着。