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人在静止时通过皮肤向外蒸发的水分约为15g·m-2·h-1。而在运动时,则有大量的汗水排出,既有液态,也有气态,数量约为100g·m-2·h-1。无论是汗水还是汗气,都希望能够透过衣着迅速排散到大气中去。少部分汗气直接从织物也隙排出,称之为透湿扩散;而大部分汗气被织物纤维吸附,再扩散到织物表层,通过蒸发排入大气,即所谓有吸湿扩散。至于汗水,则主要通过毛细血管现象吸入织物内层,进而扩散到表层,称之为吸水扩散。这些要求穿着舒适的衣服具有良好的吸水吸湿性能。 一般地,合成纤维由于其成纤聚合物分子上缺少亲水基团,吸湿性差。例如在20℃、相对湿度为65%的条件下,聚已内酰胺纤维的平衡吸湿率为4.5%,而聚酯纤维仅为0.4%。因此合成纤维制作的衣服穿起来常使人感到闷热。 天然纤维有很好的吸湿性,在20℃,相对湿度65%条件下,棉和蚕丝的平均的吸湿率分别为8%和11%。但是,当人体大量出汗时,吸水后的天然纤维杨氏模量大幅降低,产生较大的膨润,例如棉纤维膨胀度达20%,而羊毛可达25%,这样便堵塞了汗水的排出孔道,不仅使服装失去美感,而且给人以"粘乎乎"的感觉。 为了克服纤维的以上缺点,通过聚合物的合成改性、纺丝加工方法改造和织造手段的改进,可使衣料具有透气、干燥和固形等性能,改善纤维的透气性、透水和排水性能。 一、改善吸水吸湿性的方法 衣服对于汗水的排出功能中,透湿扩散主要与织物的结构有关,吸湿扩散则受纤维材料的亲水性所左右,而吸水扩散除与织物结构有关外,还和纤维形状有关。改善合成纤维的吸水吸湿改性,主要就是从以下几个方面入手。 1、在合成纤维的聚合物合成过程中,通过共聚或接枝共聚的方法,在聚合物分子中引进亲水基团,经共混或织物后处理,把其引入纤维内部或纤维表面。 2、利用纤维内部的微细孔和纤维之间的缝隙所形成的毛细管现象,通过纤维的嚓化及微细孔化,或者改变纤维的形状改善合成纤维的吸水性。与圆形截面相比,异形截面如扁平形、工字形、三叶形截面的纤维更有利于纤维之间形成缝隙和沟槽,所以纺丝时,改变丝的形状可以达到这一目的。 3、在后加工、织造和织物整理时,使亲水化合物附着或接枝到织物表面,或采用溶出法使纤维中的可溶性物质溶出从而使纤维中空化。 二、几种典型的吸水吸湿纤维 1、聚丙烯腈纤维 聚丙烯腈纤维的纺丝方法是用原液经湿法或干法纺丝来制造,通过控制纺丝过程中溶剂脱除的条件,就可以实现纤维的微细孔化。或者在纺丝原液中添加可溶性物质,在后加工中再将之溶液解掉,也是一种形成微细孔的有效方法。聚丙烯腈的吸水改性,一般都是通过上述手段来实现的。 例如:日本的钟纺公司就研究出一种微细孔型吸水聚丙烯腈纤维,其性能远超过普通聚丙烯腈纤维,水分的传递速率大大优于天然纤维,而且吸水后仍保持蓬松、柔软,用这种材料做的"尿不湿",就有很好的舒适性,还有Bayer公司,也研制出一种吸水性聚丙烯腈纤维,具有皮芯结构,芯部有许多轴向微孔,表皮部也形成许多细微通道与芯部相通。由于有强的毛细管现象,这种纤维具有与棉花相同的吸水性能,而且在吸水后,水分汇集在芯部孔内,表面却能保持干燥。因此,这种纤维制成的衣料具有既吸汗水又保持干燥的功能。 还可以采用酸或碱为催化剂,将聚丙烯腈分子上的氰基(-CN)水解成亲水性的羧基(-COOH)。但由于水解一般集中在纤维表面,导致表层吸水后膨润,而且由于亲染料的-CN基减少,使得纤维染色发生困难。因此,日本三菱人造丝公司采用纺制双层中空聚丙烯腈纤维,然后仅使内层聚丙烯腈发生水解的方法得到了这种纤维。其得到的中空纤维内层羧基含量为2~4mol·kg-1时,平衡吸湿率(20℃、65%的相对湿度时)为17%,纤维仍能保持原有的染色性能。而日本的东洋纺织公司研究的高吸水吸湿聚丙烯腈纤维"N38",是使聚丙烯腈水解后再进行交联,其饱和吸水率高达41%,为硅胶的2倍。 2、聚酯纤维 聚酯纤维在衣料方面的耗用量在各种合成纤维中所占比例是最大的,但其吸湿性能又最差,所以聚酯纤维的吸水吸湿改性研究非常迫切。 最早的研究主要是对聚酯纤维织物进行的亲水化处理,如表面吸附亲水性化合物、接枝共聚等,但均匀性、耐久性不够理想,对聚酯纤维本身的性能也有不利影响。近年来采用中空微孔化成为聚酯纤维改善吸水吸湿性的重要手段。 日本帝人公司以间苯二甲酸-5-磺酸钠作为第三单体合成共聚酯,再与普通聚酯共混纺出中空纤维,然后对其织物碱减量处理。由于共聚酯更容易为碱液所水解,在纤维内部形成许多与中空部连通的微孔,从而使之具有良好的吸水透湿性。后来帝人公司又将真丝织物煮练中所抽提出的丝胶朊用化学方法附着于纤维分子上。线胶朊有良好的吸湿性,而且与人体皮肤构成的氨基酸组成接近,因此使纤维更具有吸湿功能,并对皮肤无任何不良作用。 三菱人造丝公司也进行了这方面的工作,他们把两种不同性质的亲水改性共聚酯的复合丝,经碱减量处理后制成中空纤维。该纤维表面有许多与轴向相垂直的微细龟纹,纹深直达中空部,而且沿纤维轴向还有与中空部连通的沟槽,因此也具有良好的吸水性。 为了改善聚丙烯腈纤维的吸湿性,还可以采用聚合物亲水性的方法制造吸水吸湿聚酯纤维。即在聚酯分子链上引入聚乙二醇链段和间苯二甲磺酸纳,用于改善纤维的吸湿性。但在织物洗涤中,如果Na+被其他重金属离子置换会导致其亲水性下降,所以可以采用经纺丝制成织物后,再用水和指数(金属离子价/金属离子半径)>1.5×10-10m的金属盐水落石出溶液处理,将Na+置换,改善纤维的吸湿率和耐洗涤性。 3、聚酰胺纤维 聚酰胺纤维吸水吸湿性的改善,采用聚乙二醇嵌段与聚已内酰胺纤维聚合的方法,美国的联合公司已用这种方法得到了名为Hydrofil的吸水吸湿聚酰胺纤维。含15%的聚乙二醇(M=2000)的Hydrofil在标准状态下吸湿率为5%~6%,略低于棉花,在22℃、相当于湿度95%的条件下,平衡吸湿率可达15%,与棉纤维相当。 另外的方法是改变纤维截面形状,日本旭化成公司研制出具有L形民形截面的聚酰胺纤维,利用较强的毛细血管作用,
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