几种纤维材料及床芯的吸放湿性能研究

周孝菊，廖廷茂，刘显科，向 勇

(大自然科技股份有限公司， 贵州贵阳 550000)

床垫的吸、放湿性能是床垫透湿性的一个关键性影响因素，直接关系到人体睡眠时的热湿舒适度，一张具有良好吸、放湿性能的床垫，在人们睡眠时可以使人体表面的热湿微环境始终保持在一种干爽舒适的状态，从而降低环境温湿度变化对人体睡眠质量的影响。 植物纤维床垫是以山棕、剑麻等植物纤维为主体材料，采用胶黏剂使纤维之间相互粘连成网状，形成胶点胶结的多孔结构及具有一定弹性和硬度的床芯，再覆以表面面料而制成[1]。 植物纤维床垫的吸、放湿性能与纤维化学组成、结晶度、微细结构及纤维间胶结的多孔结构等因素有关。 山棕纤维与剑麻纤维均属于纤维素纤维，具有较多的亲水性基团，研究表明，棕榈纤维表面呈凹凸不平的多孔结构，内部具有管状结构细胞紧密排列形成纤维长度方向的空腔[2]，能为水分子进入纤维内部提供通道及较大的储存空间。 为了更好地了解植物纤维床垫的吸、放湿性能，本文选取山棕、剑麻这两种纯天然植物纤维材料以及其制备的床芯山棕垫、剑麻垫为试验样品，对他们的吸、放湿过程进行测试研究。 同时选取人造纤维材料Sorona、Lm 以及其所制备的床芯弹纶(原材料为人造纤维材料Sorona)、5E 山棕垫(复合型床芯，原材料为人造纤维材料Lm 与山棕纤维)做对比试样，分别建立吸、放湿回归方程及吸、放湿速率曲线并加以分析比较，探究不同纤维材料在一定条件下的吸、放湿规律，以期对植物纤维床垫的性能优化提供更多的理论依据。

1 试验部分

1.1 试验材料

纤维试样:山棕纤维，云南红河地区棕榈生产基地；剑麻纤维，广西武鸣县国有东风农场；人造纤维材料Sorona，众享实业(东莞)有限公司；人造纤维材料Lm，贵州鑫任家居有限公司。

纤维床芯试样:山棕垫、剑麻垫，均由大自然科技股份有限公司生产(为排除其他因素影响，所选取两种床芯的生产工艺均相同)；弹纶，众享实业(东莞)有限公司；5E 山棕垫(复合型床芯，山棕纤维与Lm 质量比例为7 ∶3)，贵州鑫任家居有限公司。

1.2 试验仪器与设备

DHG－9203A 型鼓风干燥箱、HWS－250BX 型恒温恒湿箱、AR224CN 型分析天平、干燥器、称量铝盒。

1.3 性能测试

1.3.1 试样前处理

纤维试样:将山棕纤维、剑麻纤维提前用自来水清洗5－6 次以去除杂质，并放入100 ℃烘箱中干燥2 h 后取出。 将上述山棕纤维、剑麻纤维与人造纤维材料Sorona、Lm 分别置于恒温恒湿箱中，并使各纤维材料成蓬松状态在温度20℃，相对湿度65% RH 条件下平衡48 h，密封备用。

纤维床芯试样:将各纤维床芯切成50 mm×80 mm×30 mm 的样块，放置于恒温恒湿箱中，在温度20 ℃，相对湿度65% RH 条件下平衡48 h，密封备用。

1.3.2 测试方法

将一定质量m(g)的待测样放置于铝盒内，打开盒盖置于100 ℃烘箱中，每加热20 min 迅速盖上盒盖移入干燥器，冷却5 min 后瞬时打开盒盖再盖上，称取样品重量，记为m1(g)，精确至0.001 g。当前后两次称量之差与后一次重量之比小于0.05%，视已达到放湿平衡，此时重量为干燥重量m0(g)，计算试样放湿回潮率W(%)，如公式1 所示。 每种材料测试5 个试样，取平均值。

将上述放湿平衡的试样(重量m0，g)放置于25±2 ℃，85±5% RH 的恒温恒湿箱中吸湿，每隔30 min 称取样品重量，记为m2(g)，精确至0.001 g。当前后两次称量之差与后一次重量之比小于0.05%，视已达到吸湿平衡，计算试样吸湿回潮率W'(%)，如公式2 所示。 每种材料测试5 个试样，取平均值。

2 试验结果

2.1 吸、放湿回潮率回归曲线

纤维吸、放湿的理论曲线为指数曲线，其回潮率对时间的回归方程可用公式3 表达[3]。

式中:t 为吸、放湿时间，min；W为纤维的吸、放湿回潮率，%；a、b、c 为常数。

应用Origin Pro 9 软件对测试结果以公式3 进行自定义函数拟合，得到吸、放湿回潮率对时间的回归曲线，结果如图1 及图2 所示。 拟合后各相关系数(R2)都大于0.98，说明拟合结果能较好地反应实验数据的变化规律。

图1 各试样放湿回潮率回归曲线图

图2 各试样吸湿回潮率回归曲线图

从图1 可以看出，山棕纤维、剑麻纤维的初始回潮率均达到12%以上，山棕垫、剑麻垫、5E 山棕垫初始回潮率介于5%~9%之间，在100 ℃试验条件下这几种试样均快速放湿，随着放湿时间的延长，几种试样的回潮率逐渐降低，且降低的幅度逐渐减小，放湿时间约80 min 以后，各试样基本达到干燥状态。 这是由于实验起始阶段各纤维中含水量较高，在高温条件下纤维中所含水分快速释放出来，纤维的回潮率快速下降，随着加热时间的延长，纤维中的水分子量越来越少，纤维的回潮率则逐渐降低。 整个放湿过程中人造纤维Sorona、Lm 与床芯弹纶的回潮率均较低，放湿曲线较平缓，说明人造纤维Sorona、Lm 与床芯弹纶的放湿性能较差。

从图2 可以看出，山棕纤维、剑麻纤维、山棕垫、剑麻垫、5E 山棕垫在25±5 ℃，85±5% RH 的试验条件下均快速吸湿。 随着吸湿时间的延长，各试样回潮率逐渐升高，且上升的幅度逐渐减小，这是因为起始阶段试样处于干燥状态，纤维间含水量较低，而环境中蒸汽压力较高，水分子快速填充纤维间空隙，进入纤维内部，因此各试样回潮率快速增加。 随着吸湿时间的延长，纤维内部水分逐渐增多，内外蒸汽压差逐渐降低，回潮率上升幅度减小。人造纤维Sorona、Lm 与床芯弹纶整个吸湿过程回潮率变化不大，吸湿曲线也较平缓，说明人造纤维Sorona、Lm 与床芯弹纶的吸湿性能也较差。 制备弹纶的原材料为人造纤维Sorona，在吸湿过程中纤维原材料处于较蓬松状态，成品弹纶中纤维结构更紧密，内部纤维与水分接触的比表面积降低，因此床芯弹纶的回潮率低于人造纤维Sorona。

2.2 吸、放湿速率回归曲线

纤维的吸湿或放湿速率分别为单位质量的纤维在某一时刻单位时间内吸收或放出的水分。 将公式3 回潮率对时间的回归方程进行微分，则得出纤维的吸、放湿速率回归方程，其表达式如公式4所示:

式中:t 为吸、放湿时间，min；V为吸、放湿速率，g/min；b、c 为常数。

根据各试样的吸、放湿回归曲线方程可计算出试样在不同吸、放湿时间下的吸、放湿速率，应用Origin Pro 9 软件以方程4 绘制出吸、放湿速率回归曲线图，如图3 和图4 所示。

图3 各试样放湿速率回归曲线图

图4 各试样吸湿速率回归曲线图

从图3 和图4 可以看出，各试样在整个吸、放湿过程中，随着试验时间的延长，吸、放湿速率均逐渐降低，且下降幅度均逐渐减小直至平衡状态。 试验起始阶段，纤维中水分子浓度较环境中水分子浓度的差距较大，高浓度区水分子会向低浓度区扩散或渗透，直至均匀分布[3]，因此试验起始阶段吸、放湿速率较大，而后纤维中水分子浓度与环境中水分子浓度的差距逐渐减小，吸、放湿速率逐渐降低，直至吸、放湿速率为0，试样达吸、放湿平衡状态。 整个吸、放湿过程中山棕、剑麻纤维的吸、放湿速率均远远高于人造纤维Sorona 与Lm；试验起始阶段，山棕纤维吸、放湿速率均最高；较植物纤维相比，对应植物纤维床芯的吸、放湿速率均有降低；5E 山棕垫为复合山棕垫，其中山棕纤维与人造纤维Lm 质量比例为7 ∶3，因此吸、放湿速率均介于山棕纤维及人造纤维Lm 之间；弹纶的吸、放湿速率最低。 各试样达放湿平衡所需时间比达吸湿平衡短，这是由放湿试验时温度较高，样品中的水分释放速率较快导致的。

2.3 吸、放湿性能分析

各试样放湿初始回潮率、吸湿平衡回潮率及相同试验时段内平均吸、放湿速率(单位质量的某试样在某一时段内的吸、放湿量与吸、放湿时间之比)见下页表1。 结果表明:试样的初始回潮率越高，吸湿平衡时回潮率就越高，相同时段内的平均吸、放湿速率也越快，试样的吸、放湿性能则越好。因此，各纤维材料的吸、放湿性能从优到差的排序为:山棕纤维>剑麻纤维>人造纤维Sorona>人造纤维Lm；各纤维床芯的吸、放湿性能从优到差的排序为:山棕垫>5E 山棕垫>剑麻垫>弹纶。

表1 各试样的回潮率及吸放湿速率

纤维的吸放湿性能与其物理结构有关，纤维内部存在无定形区域和结晶区，结晶区纤维大分子中的亲水性基团在分子间形成交键，分子排列规整紧密，分子间距离小，结合力强，因此水分子难以进入结晶区，水分子主要进入纤维内部的无定形区域及结晶区表面[4]。 纤维的结晶度越高，结晶区所占整根纤维的百分比就越大，纤维内部结构更加致密，吸、放湿性能也就越差。 植物纤维的结晶度较低，据研究，剑麻纤维结晶度为58%~61%[5]，山棕纤维的结晶度为36.43%~38.21%[6]，因此，山棕纤维的回潮率高于剑麻纤维，对应的成品床芯也表现出相同规律，即山棕垫的回潮率高于剑麻垫，说明山棕垫的吸、放湿性能优于剑麻垫。 人造纤维Lm、Sorona 的吸、放湿性能均较差，可能是由于他们的结晶度较高所导致。

从表1 中还可以看出，试验条件下各试样初始回潮率均高于吸湿平衡的回潮率。 这是由于放湿试验初始阶段，纤维材料处于湿结构状态，当纤维受热，内部水分子向外散逸后，分子间间距较大，重建分子间结合建较困难，且纤维大分子存在较多极性基团，大气中水分子很容易重新进入纤维内部；而纤维经放湿干燥后，再从吸湿达到平衡时，起始阶段纤维处于干结构状态，纤维中非结晶区或晶区界面间的纤维大分子链上的亲水基团相互形成了横向联结氢键，大气中水分子进入时需要克服纤维分子间的氢键力才能被纤维吸收，当外界相对湿度降低，水分子运动克服阻力逸出纤维，由于原来的纤维分子间距离较近，横向结合键易重建，致使大气中的水分子较难进入干结构纤维[4]，因此实验中各试样初始回潮率均高于吸湿平衡时的回潮率。

另外，在吸、放湿过程中，山棕纤维、剑麻纤维的回潮率均高于对应的成品床芯山棕垫、剑麻垫。其原因一方面为植物纤维床芯是以胶黏剂粘连植物纤维而制得，具有多孔网状结构，虽增大了水分子与植物纤维接触的比表面积，但植物纤维表面也因此附着了大量吸、放湿性能较差的胶黏剂，阻碍了水分子进入植物纤维内部；另一方面，植物纤维床垫生产过程中包含长时间的高温热压、硫化等工序，将床芯中的植物纤维反复干燥，由于植物纤维具有保持其结构稳定的趋势，大气中的水分子较难进入干结构的植物纤维中，因此植物纤维床芯的吸放湿速率低于湿结构状态的植物纤维原材料，平衡状态下植物纤维床芯的回潮率也相对降低。 这个特点使得植物纤维床垫既具备良好的吸放湿性能，又避免了因植物纤维的含水率[7]太高而导致植物纤维床垫霉变生虫的问题。

3 结论

通过测试山棕纤维、剑麻纤维、人造纤维Sorona 与Lm 以及这四种纤维材料所制备床芯山棕垫、剑麻垫、5E 山棕垫、弹纶的吸、放湿性能，得到各种纤维材料及床芯的吸、放湿回归曲线和吸、放湿速率回归曲线。 试验中山棕纤维、剑麻纤维具有较高的回潮率及吸、放湿速率，吸、放湿性能较好；人造纤维Sorona 与Lm 的回潮率及吸、放湿速率均较低，吸、放湿性能较差。 制作成为床芯后，山棕垫、剑麻垫这两种植物纤维床芯的回潮率及吸、放湿速率虽呈现出不同程度的下降，但仍能保持良好的吸放湿性能。 其中，山棕垫吸、放湿性能优于5E 山棕垫和剑麻垫。 棕纤维等植物纤维材料为可再生的天然资源，作为优质的床芯材料，不仅能满足人们舒适与健康的需求，且对于我国环境友好型社会经济发展也意义深远。