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羽绒纤维的吸湿性能


第 ?? 卷 第 ?? 期 ???? 年 ?? 月 文章编号 ? ????2????????????2????2??









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羽绒纤维的吸湿性能
高晶 ? 于伟东
?东华大学 纺织学院 ? 上海 ???????





羽绒单纤维的吸湿性对羽绒纤维和纤维集合体的热性能有很大的影响 ? 主要讨论影响羽绒单纤维吸湿

通过实验测试羽绒在不同情况下的吸湿性 ? 并与其它天然纤维和合成纤维进行对比 ? 分析纤维间 性能的主要因素 ? 利用 ?? 结合实验数据 ? 总结建立了羽绒纤 产生这种吸湿性差异的本质原因 ? 最后 ? ? ??? ?? 和 ?? ? ? ?? ? ? 的吸湿理论 ? 维吸湿性的等温模型 ? 关键词 羽绒 ? 吸湿性 ? 影响因素 ? 理论模型 文献标识码 ?? 中图分类号 ? ×≥???1???1?

Αβσορβεντ θυα λ ιτψ οφ δοων φ ιβερσ
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?Χ ολ λ εγε οφ Τεξτ ιλ ε ? ?ονγηυα Υνι? ερ σ ιτψ ? Σηανγηα ι ?????? ? Χη ινα?

Αβσ τραχτ ×? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ∏ ? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ?? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ? ? ?? ?? ??? ? ? ? ? ? ? ??∏ ? ? ? ? ?? ?? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ×? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ∏ ? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??∏ ? ? ? ? ?∏ ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ???? ×? ? ?∏ ? ?? ??? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ? ? ??? ? ∏ ? ? ?? ? ? ? ? ?? ??? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ??? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? ? ?? ∏ ? ? ??? ? ? ?? ? ? ???? ?? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?∏ ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??∏ ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ??? ? ?? ?? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? √? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ??? ?? 2 ? ? ? ?? ?? ??? ? ?? ? ? ?? ?? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? Κεψ ωορδσ ? ??? ?? ? ? ? ? ? ? ? ??∏ ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ?

羽绒纤维呈发散状生长 ? 长度较短 ? 一般绒枝长 度为? ? ? ? 因此 ? 在纺织领域一般不作纺纱用 ? 而 ?? 多用于冬季保暖材料的填充料 ? 由于羽绒具有轻 ! 软 !暖等特点 ? 是一种较为理想的保暖材料 ? 作为一 种天然产品 ? 具有其它产品所不能替代的优势 ? 特别 是现在提倡/ 绿色消费0 !/ 回归自然0 ? 所以羽绒及其 制品越来越受到各国消费者的青睐 ? 影响羽绒保暖性能的因素较多 ? 其中吸湿性对 羽绒和羽绒集合体的热保暖性能有很大的影响 ? 当 羽绒纤维吸收大量水分呈润湿状态时 ? 其蓬松结构 将被严重破坏 ? 羽绒和集合体的热阻将明显变小 ? 传 热系数迅速增加 ? 热量损失明显 ? 影响了材料正常的 保暖性能 ? 因此 ? 研究羽绒纤维的吸湿性对讨论其保 暖性能以及促进其更好地应用是很有必要的 ?

1
11 1

影响羽绒吸湿性的内在因素
形态结构的影响
羽绒是呈球状的纤细而柔软的绒毛 ?见图 ?? ?

以绒朵的形式存在 ?绒朵中心有一个极小的绒核 ? 绒核上生有一根根微细而柔软的绒枝 ? 每根绒枝上 生有大量毛茸茸的绒小枝?见图 ?? ? 羽绒特殊的形 态结构与其它单根柱状纤维有很大的差别 ? 而羽绒 的吸湿主要指绒枝和绒小枝的吸湿 ? 绒枝呈放射状 排列 ? 绒枝细度沿轴向由粗变细 ? 加上绒枝上绒小枝 的细密排列 ? 使羽绒纤维的比表面积明显增大 ? 表面 能 增 多 ?吸 水 能 力 明 显 变 大 ?使 羽 绒 吸 湿 性 提高≈?? ?

收稿日期 ? ???? ? ?? ? ??

修回日期 ? ???? ? ?? ? ??

作者简介 ? 高晶????? ? ? ? 女? 博士生 ? 主要研究方向为纺织材料的性能和表征等 ?

第 ?? 期

高晶等 ? 羽绒纤维的吸湿性能

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能? 称取样品质量分别为?? ?? 不同温湿度条件下纤 维的取样 ? 在 ? ??≥????? 型高低温湿热试验箱中进 平衡?? ?? 在???? ? ?? ε 的烘箱中烘至恒重 ? 不 行? 同状态下纤维的吸湿率 ? 按下式计算 ?
? ? ? Γ ? Γ? ?ΠΓ? ? ??? ?

式中 ? ? 为纤维的吸湿率 ? Γ 为纤维的湿重 ? Γ? 为 纤维的干重 ? 测试仪器为 ×? 2?? 型链条天平 ?≠???? 型八篮 恒温烘箱 ?

图1

呈球状的朵绒纤维

2 .2
2 .2 .1

结果与讨论
不同温湿度条件下纤维的吸湿性对比 分别选取标准状态 !高温高湿状态 !高温低湿状

态! 低温高湿状态 !低温低湿状态作为典型大气状 态? 对纤维的吸湿性进行测试 ? 其吸湿性对比如表 ? 所示 ?
表1
纤维 涤纶 标准 状态 ≠
?? ??? ?? ??? ?? ??? ?? ? ???

不同温湿度条件下纤维的回潮率
高温 高湿 ?
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?
低温 低湿 ?
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高温 低湿 ≈
?? ??? ?? ??? ?? ??? ?? ???

低温 高湿 …
?? ??? ?? ??? ?? ? ??? ?? ? ???

图2

绒枝与绒小枝

羽绒 棉 羊毛

1 .2

表面成分的影响
羽绒纤维的表面是一层致密的分子层膜 ? 用乙

注 ?≠ τ ? ?? ε ?Υ ? ?? ? ? ? τ ? ?? ε ?Υ ? ?? ? ? ≈ τ ? ?? ε ?Υ ?
?? ? ?…τ ? ? ε ?Υ ? ?? ? ?? τ ? ?? ε ?Υ ? ?? ? ?

醇和乙醚在索氏萃取器上对羽绒进行反复清洗和提 取? 洗涤时间不少于 ? ?? 将羽绒表面的提取物在拉 曼红外光谱仪上进行观察 ?所得的红外光谱图如 图 ?所示 ? 经光谱分析 ? 羽绒表面物质为复杂的醇 类和酯类的混合物 ? 二者均为强疏水性物质 ? 由于 不溶于水的分子层膜的存在 ? 很大程度上阻止了羽 绒比表面积较大造成的吸水现象 ? 使羽绒的吸湿性 显著降低 ?

从表 ? 可看出 ? 不同结构纤维的吸湿能力不同 ? 在相同的温湿度条件下 ? 涤纶的吸湿性最差 ? 主要由 于涤纶大分子中缺少亲水性基团 ? 在天然纤维中 ? 羊毛纤维由于分子主链上含有亲水性的酰胺基 ? 侧 链中含有羟基 !氨基 !羧基等亲水基团 ? 因此吸湿性 较高 ? 棉纤维大分子中的每一个葡萄糖剩基含有 ? 个羟基 ? 羟基为亲水性基团 ? 所以棉纤维的吸湿性也 较大 ? 羽绒纤维也属于蛋白质类纤维 ? 含有与羊毛 相类似的分子基团 ? 其绒枝呈放射状排列 ? 细度沿轴 向由粗变细 ? 加上绒枝上绒小枝的细密排列 ? 增大了 羽绒纤维的比表面积 ? 使羽绒吸湿性增强 ? 但同时 由于羽绒纤维的表面是由 ? 层致密的 ? 拒水性的细 羽 胞膜有效地控制了纤维吸湿水分的程度 ? 加上 ? 绒纤维内部结构较为整齐 ? 结晶区部分较大 ? 因此与

图3

羽绒表面物质的红外光谱图

羊毛和棉纤维相比 ? 羽绒的吸湿性最低 ? 在不同的温湿度条件下 ? 各种纤维吸湿性随温 湿度变化的规律是一致的 ? 温度稳定时 ? 相对湿度 越高 ? 空气中水气分子压力越大 ? 各种纤维的吸湿越 强? 相对湿度稳定时 ? 温度越高 ? 水分子活动能量越

2
2 11

温湿度对纤维吸湿性的影响
实验测试
采用烘箱干燥测试方法
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测试纤维的吸湿性

大? 纤维大分子的热振动能随之增大 ? 水分子与纤维

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纺织学报 加了回潮率上升的速度 ?

第 ?? 卷

大分子中亲水基团的结合力越弱 ?纤维的吸湿性 越差 ?
2 .2 .2

羽绒纤维的吸 !放湿等温线

羽绒纤维的吸湿和放湿等温线见图 ? ? 由于羽 绒大分子主链上含有酰胺基等亲水性基团 ? 它们相 互形成横向结合键 ? 当环境大气的相对湿度增加 时? 大气中的水分子进入纤维时需要克服这些分子 才能被纤维吸收 ? 使纤维由干结构 间的横向结合键 ? 吸湿为湿结构 ? 当环境大气的相对湿度降低时 ? 水 分子运动需要克服阻力才能逸出纤维 ? 纤维由湿结 构放湿变为干结构 ? 由于任何结构都具有保持不变 的倾向 ? 纤维中的横向结合键的拆开和重建都需要 一定的时间来完成 ? 因此 ? 表现为纤维从放湿得到的 回潮率总是高于从吸湿得到的回潮率 ? 即产生了吸 ! 放湿的滞后性 ?
图5 不同纤维的吸湿等温线(20 ε )

图 ? 列出了不同温度下羽绒纤维的吸湿等温 水分子的活动能量小 ? 一旦水分子 线 ? 温度较低时 ? 与纤维亲水基团结合后就不易再分离 ? 因此纤维的 回潮率较高 ? 随相对湿度的不断升高 ? 不同温度下 羽绒纤维的回潮率逐渐趋于一致 ?

图4

羽绒纤维的吸湿 !放湿等温线(20 ε )

与羊毛和棉相比 ? 羽绒吸 !放湿滞后较小 ? 这与 其吸湿性小于羊毛和棉的性质是一致的 ? 在标准大 气条 件 下 ?羊 毛 的 吸 湿 滞 后 差 值 为 ?1? ? ?棉 为 羽绒为 ?1?? ? ?而涤纶由于其吸湿性极差 ? ?1? ? ? 吸 !放湿过程基本无滞后 ? 因此吸湿等温线与放湿等 温线基本重合 ? 由于纤维吸湿机理的本质是一致的 ? 因此 ? 不同 纤维的吸湿曲线的形状是相似的 ? 见图 ? ? 当相对 湿度较小时 ? 纤维中极性基团直接吸收水分 ? 回潮率 表现为吸湿等温曲线的斜率较大 ? 当相 上升较快 ? 对湿度在 ?? ? ? ?? ? 范围内时 ? 曲线斜率较小 ? 这 主要是由于纤维中的内表面已被水分子所覆盖 ? 而 在动态平衡下 ? 吸着比 再进入纤维的分子活动性大 ? 较困难 ? 水分子进入纤维速度减慢 ? 当相对湿度在 水分子能够进入纤维内部较 ?? ? ? ??? ? 范围内时 ? 大的空隙 ? 从而形成毛细水 ? 特别是纤维本身因吸湿 使内部空隙增加 ? 毛细水大量增多 ? 进一步增 膨胀 ?
图7 羽绒的吸湿等湿线 图6 温度对羽绒纤维吸湿的影响

2 .2 .3

羽绒纤维的吸湿等湿线

羽绒纤维的吸湿等湿线见图 ? ?

当相对湿度较低时 ? 随温度的增加 ? 回潮率呈降 低趋势 ? 随着相对湿度升高 ? 等湿线趋于平缓 ? 当相

第 ?? 期

高晶等 ? 羽绒纤维的吸湿性能
ρ? ? ν Ξ ? ν? ? # ?? ? ??? ? ? ν? ? ν? ? # Μ

=??> ???

对湿度较高时 ? 回潮率呈逐步增加趋势 ? 这主要是 由于相对湿度较低时 ? 单位体积空气中的水分子数 随温度升高 ? 纤维大分子的热振动能也随之 目较少 ? 增大 ? 削弱了水分子与纤维大分子中亲水基团的结 合力 ? 使水分子易于从纤维内部逸出进入空气 ? 因此 回潮率降低 ? 相对湿度较高时 ? 随温度升高 ? 纤维本 身膨胀显著 ? 纤维间空隙增加 ?加之水分子数目较 活动能力随升温增强 ? 能够进入纤维内部较大的 多? 空隙 ? 使等湿线呈趋于平缓到逐渐上扬的趋势 ?
2 .2 .4

式中 ? Μ 为纤维单元 ?每一亲水基团 ? 的相对分子 质量 ? 将式??? !???代入式 ??? ? 得到纤维吸湿性与相 对湿度的模型为
ΚΚ? Η Μ ρ ΚΗ ? ? ? ??? ? ? ΚΗ ? ? ΚΚ? Η ???

根据羽绒的具体情况 ? 由上面实验所得结果 ? 归 纳为羽绒吸湿模型为
ρ? ??? Η ? ?? Η ? ?? ??? ? Η ? ? ? ??? ???
?

羽绒纤维的吸湿模型

羽绒纤维的吸湿性随温湿度不同而不断变化 ?
≈?? 根据 ?? 将吸湿后的 ? ??? ?? 和 ?? ? ? ?? ? ? 吸湿理论 ? 纤维看作是溶解水 !与水结合的纤维和未与水结合

的纤维三者混和在一起而形成的固体相物质 ? 当固 体相物质达到吸湿平衡时 ? 则有 ?
ΑΦΗ ? Κ? ΑΗ ΑΦ ΑΗ ? Κ? ΑΗχ ? ΚΗ ??? ???

3





羽绒的形态结构 !表面成分对其纤维的吸湿性 能影响较大 ? 羽绒复杂的分枝状结构 ? 使其比表面 积明显增加 ? 一定程度上提高了纤维的吸湿性 ? 但其 表面致密的拒水性分子层膜 ? 加上纤维内部较为紧 凑的排列结构 ? 有效地控制了水分子的进入 ? 使羽绒 和其它天然纤维?羊毛 !棉?相比 ? 吸湿性较低 ? 这一 特点对羽绒的保暖性能是非常有利的 ? 在同等条件 下? 使集合体易于保持柔软蓬松状态 ? 从而增加了静 止空气的蓄含量 ? 保持较高的保暖性 ? 温湿度对羽绒的吸湿性也有很大的影响 ? 温度 一定时 ? 湿度越高 ? 吸湿性越大 ? 湿度一定时 ? 温度越 高? 吸湿性越差 ? 当相对湿度保持在较低值时 ? 随温 度升高 ? 吸湿性呈降低趋势 ? 当相对湿度较高时 ? 随 吸湿性呈上扬趋势 ? 温度升高 ? 根据 ?? 提出了羽绒 ? ??? ?? 2 ?? ? ? ?? ? ? 吸湿理论 ? 的吸湿模型 ? 对实际研究具有一定的指导作用 ?
??÷ ?

式中 ? ΑΦΗ 为与水结合纤维的浓度 ?ΑΦ 为未与水结 合的纤维的浓度 ?ΑΗ 为溶解水的浓度 ? ΑΗχ 为水蒸 气的浓度 ?Η 为相对湿度 ?Κ ! Κ? ! Κ? 为平衡常数 ? 在理想的固态中 ? 由于 ? 种成分的浓度之比等 于它们物质的量比 ? 因此
νΞ ΑΗ ? ν Ξ ? ν? ? ν? ν? ΑΦ ? ν Ξ ? ν? ? ν? ΑΦΗ ? ν? ν Ξ ? ν? ? ν? ??? ??? ???

式中 ?ν Ξ 为纤维中溶解水的分子数 ?ν? 和 ν? 分别 为未与水结合和与水结合的纤维分子数 ? 由式???可得 ?
νΞ ν? ? ν? ν? ? ν? Α ? ΚΗ ? ? ? ΑΗ Η ? ? ΚΗ ν? ? ν? ΑΦΗ ? ν? ΚΚ? Η ΑΦ ??? ???

参考文献 ?
≈?? ≈?? ≈??

由于纤维吸收的总水分包括溶解水与结合水 ? 等于 ν Ξ ? ν? ? 而纤维总的分子数 ? 包括与水结合和 未与水结合的 ?等于 ν? ? ν? ?因此 ?纤维的回潮率

姚穆 ? 周锦芳 ? 黄淑珍 ? 等 ? 纺织材料学 ≈ ? ? ? 第 ? 版 ? 北京 ? 中国纺织出版社 ????? ???? ? 赵书经 ? 纺织材料实验教程 ≈ ? ? ? 北京 ? 中国纺织出 版社 ? ???? ??? ? 于伟东 ? 储才元 ? 纺织物理 ≈ ? ? ? 上海 ? 东华大学出版 社 ????? ??? ?


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