纺织纤维的热学特性分析

纺织材料在不同温度下表现的性质称为纺织材料的热学性质。它是纺织材料的基本性能之一,在大多数情况下它表现为物理性质的变化,但也有化学性质的变化,如线性大分子的交联与解交联、氧化反应、热裂解等。纤维材料的热学性质包括常温下和不同温度与介质下表现的热学特性两大类。

(一)常温下储存和传递热量的能力

纺织材料在常温下具有捕捉静止空气和储存水分及热量的能力。这种能力大小的衡量可从两个角度描述,一个角度是储存和传递的数量,另一角度是速度,分别用比热与热量传递系数进行表述。

1.储存热量

(1)常见纤维的储热能力。纺织材料储存热量的能力常用比热表达。比热是使质量为1g的纺织材料,温度变化1℃所吸收或放出的热量,其计算如式:式中:C为比热［J/(g.℃)］;m为材料质量(g);ΔT为材料温度变化值(℃)。

它是单位质量物体改变单位温度时吸收或释放的内能。各种干燥纺织材料的比热见表1-4-5所示。

表1-4-5　各种干燥纺织材料的比热

注 *在50℃下测量的结果。

在不同温度下测得的纺织材料的比热,在数值上是不同的,但温度的影响一般不大,只有在100℃以上时才可能比较明显。静止干空气的比热为1.01J/(g.℃),与干燥纺织材料的比热较接近;水的比热为4.18 J/(g.℃),为一般干纺织材料比热的2～3倍。因此,纺织材料吸湿后,其比热相应地增大。吸湿后的纺织材料,可以看成是干材料与水的混合物。

(2)纤维的比热对纤维加工和使用的影响。比热大小反映了材料温度变化与其所需能量之间的关系,它的变化规律对纺织加工工艺和材料的使用性能有着重要意义。

对于快速热加工的纺织工艺,其热量的供应要考虑材料的比热,否则热量过剩,会导致材料破坏和解体;热量不足,会使温度不够,热定形效果不佳。

比热大的纤维,如锦纶,吸收热量后温度不易变化。因此,用锦纶丝制成的夏季服用面料,与皮肤接触有明显的“冷感”。具有较大比热的纤维还可用于需要抵御温度骤变的场合,可自适应地实现热防护。

2.传递热量

(1)指标。纺织材料具有多孔性,纤维内部和纤维之间有很多孔隙,而这些空隙内充满了空气。因此,纺织材料的导热过程是比较复杂的。

纺织材料的导热性用导热系数λ表示,法定单位是W/(m.℃),即指当厚度为1m的材料两表面的温差为1℃时,1h内通过1m2的材料所传导的热量的焦耳数,其计算式如下:

式中:λ为导热系数［W/(m.℃)］;Q为传递热量(J);ΔT为材料温度变化值(℃);t为材料厚度(m);A为材料面积(m2);H为传热时间(h)。

λ值越小,表示材料的导热性越低,它的热绝缘性或保暖性越好。

绝热率表示纺织材料的绝热性。绝热率的测试是将试样包覆在热体外面,测量保持热体恒温所需供给的热量。设Q0为热体不包覆试样时单位时间的散热量(J),Q1为热体包覆试样后单位时间的散热量(J),则绝热率T为:

式中:Δt0热体不包覆试样时单位时间的温差(℃);Δt1为热体包覆试样时单位时间的温差(℃)。

很明显,纺织材料的绝热率与试样的厚度有关。试样越厚,单位时间内散失的热量越少,绝热率就越大。

(2)纺织材料的热量传递能力。纺织材料常以不同形态用作绝热层或保温层,而这种保温层实际上包括纤维、空气和水分等,热在其中的传导,不但有纤维自身的热传导,也有热的对流与辐射。一般测得的纺织材料的导热系数是纤维、空气和水分混合物的导热系数。

静止空气的导热系数最小,也是最好的热绝缘体,因此,纺织材料的保暖性主要取决于纤维层中夹持的空气的数量和状态。在空气不流动的前提下,纤维层中夹持的空气越多,纤维层的绝热性越好;而一旦空气发生流动,纤维层的保暖性就大大下降。试验资料表明,纤维层的密度在0.03～0.06g/cm3范围时,导热系数是最小的,即纤维层的保暖性最好。从制造化学纤维的角度来看,提高化学纤维保暖性的方法之一就是制造中空纤维,使每根纤维内部夹有较多的静止空气。

水的导热系数是纺织材料的10倍左右。因此,随着回潮率的提高,纺织材料的导热系数增大,保暖性下降。此外,纺织材料的温度不同时,导热系数也不同,温度高时导热系数略大。

(二)不同温度与介质时的热力学特性

热力学性质是指在温度的变化过程中,纺织材料的力学性质随之变化的特性。绝大多数纤维材料的内部结构呈两相结构,即晶相(结晶区)和非晶相(无定形区)共存。对于晶相的结晶区,在热的作用下其热力学状态有两种:一种是熔融前的结晶态,其力学特征表现为刚性体,且具有强力高、伸长小、模量大的特性;另一种是熔融后的熔融态,其力学特征表现为黏性流动体。两者可以用熔点来区分。对于非晶相的无定形区,在热的作用下其热力学状态有脆折态、玻璃态、高弹态和黏流态,分别按变形能力的大小采用脆折转变温度、玻璃化转变温度、黏流转变温度来划分。

1.纤维材料的热力学三态

纺织纤维中的合成纤维在不同的温度条件下常具有玻璃态、高弹态与黏流态,将这类纤维在一定拉伸应力作用下,以一定的速度升高温度,同时测量试样的伸长变形随温度的变化,可以得到如图1-4-17所示纤维材料的典型热力学曲线。

玻璃态的特征是形变很困难,硬度大,类似玻璃,故称玻璃态。一般纤维在常温下均处于玻璃态。高弹态的特征是形变很容易,而且当外力解除后,链段的运动使大分子发生卷缩,变形又逐渐回复,具有高弹性。黏流态的特征是形变能任意发生,具有流动性。把高聚物加热到熔融时所处的状态就是黏流态。玻璃态、高弹态与黏流态这三种物理状态,随着温度的变化可相互转化。

(1)玻璃化温度Tg。由玻璃态转变为高弹态的温度称为玻璃化温度。从分子运动论的观点来看,玻璃化温度就是纤维内部大分子开始能够以链段为单位自由转动的温度。纤维大分子链越僵硬,极性基纤维的玻璃化温度就越高。纤维的结晶度增高或大分子间交联键的形成,都会提高纤维的玻璃化温度。

图1-4-17　纤维材料的典型力学曲线

天然橡胶的玻璃化温度为-73℃,在室温时已处于高弹态。纺织纤维的玻璃化温度一般都高于室温,所以在室温下织物都能保持一定的尺寸稳定性和硬挺性。在玻璃化温度以上时,对织物稍加负荷,即可使其发生很大的变形。

(2)黏流化温度Tf。由高弹态转变为黏流态的温度称为黏流化温度或黏流转变温度。黏流态时,大分子间能产生整体的滑移运动,即黏性流动。黏流转变温度是纤维材料失去纤维形态逐渐转变为黏性液体的最低温度,也是纤维材料的热破坏温度。流动温度的高低,与分子聚合度有密切关系,聚合度越大,流动温度越高。大多数高聚物在300℃以下变为黏流态,许多高聚物包括一些合成纤维,都是利用其黏流态下的流动行为进行加工成型的。

天然纤维和再生纤维素纤维等不存在上述热力学三态,加热到足够高温时,便发生分解。常见纤维的热转变温度如表1-4-6所示。

表1-4-6　常见纤维的热转变温度(www.xing528.com)

2.热形变特性

(1)热可塑性。热可塑性是指加热时能发生流动变形、冷却后可以保持一定形状的性质。大多数线型聚合物均表现出热塑性,很容易进行挤出、注射或吹塑等成型加工。

涤纶、锦纶、丙纶等合成纤维具有较好的热可塑性。将这类合成纤维或其织物加热到玻璃化温度以上时,纤维内部大分子之间的作用力减小,分子链段开始自由转动,纤维的变形能力增大。在一定张力作用下强迫其变形,会引起纤维内部分子链间部分原有的价键拆开以及在新的位置重建;冷却和解除外力作用后,合成纤维或织物的形状就会在新的分子排列状态下稳定下来。只要以后遇到的温度不超过玻璃化温度,纤维及其织物的形状就不会有大的变化,利用这种热塑性对合成纤维进行的加工处理称为热定形。纺织材料中,变形丝(除了空气喷射变形法)的加工形成、涤纶细纱的蒸纱定捻、合成纤维织物或针织物的高温熨烫等,都是热定形的具体形式。

影响热定形效果的主要因素是温度和时间。热定形的温度要高于合成纤维的玻璃化温度,并低于软化点及熔点。温度太低,达不到热定形的目的;温度太高,会使合成纤维及其织物的颜色变黄,手感发硬,甚至熔融黏结,使织物的服用性能遭到损坏。在一定范围内,温度较高时,热定形时间可以缩短;温度较低时,热定形时间需要较长。在温度和时间这两个因素中,温度是决定热定形效果的主要因素,足够的时间是为了使热量扩散均匀。此外,适当降低定形温度,可以减少染料升华,使织物手感柔软。

合成纤维织物经热定形处理后,尺寸稳定性、弹性、抗褶皱性都有很大改善。

天然纤维与再生纤维素纤维、再生蛋白质纤维等非热熔性纤维,不具有热塑性。但天然纤维中的羊毛纤维也称其有热塑性,它的本质与合成纤维的热塑性不同。羊毛纤维的热塑性是在热湿条件下,其大分子构型由α螺旋链结构向β折叠链结构的转变。

(2)热收缩性。一般的固体材料受热作用而温度上升时,都会发生轻微的膨胀,即长度或体积有所增加。合成纤维则相反,受热后发生收缩。原因是合成纤维在纺丝成型过程中,为了获得良好的力学性能,曾受到拉伸作用,使纤维伸长几倍,因此纤维中残留内应力,因玻璃态的约束而未能回缩;当纤维的受热温度超过一定限度时,纤维中的约束减弱,从而产生收缩。这种因受热而产生的收缩,称为热收缩。

在生产过程中,如果将热收缩率差异较大的合成纤维进行混纺或交织,则印染加工过程中可能在织物表面形成疵点。因此,纺织厂应检验各批合成纤维的热收缩率,作为选配原料的参考。此外,合成纤维纯纺或混纺织物或针织物,在纺织染整加工过程中不断地受到拉伸作用,特别是湿热条件下的拉伸作用,会导致织物内部积累一定数量的缓弹性伸长和塑性伸长,而且在湿热条件下产生的缓弹性伸长在一般大气条件下的收缩是很缓慢的,从而使织物在穿用过程中经洗涤或熨烫时发生热收缩。因此,为了生产质优且尺寸稳定的合成纤维织物和针织物,需要进行热定形加工。

织物接触到热体在局部熔融收缩形成孔洞的性能,称为熔孔性。织物抵抗熔孔现象的性能,称为抗熔孔性。它也是织物服用性能的一项重要内容。

对于常用纤维中的涤纶、锦纶等热塑性合成纤维,在其织物接触到温度超过其熔点的火花或其他热体时,接触部位就会吸收热量而开始熔融,熔体随之向四周收缩,在织物上形成孔洞。当火花熄灭或热体脱离时,孔洞周围已熔断的纤维端就相互黏结,使孔洞不再继续扩大。但是天然纤维和再生纤维素纤维在受到热的作用时不软化、不熔融,在温度过高时会分解或燃烧。表1-4-7所示为常见织物的抗熔孔性。

表1-4-7　常见织物的抗熔孔性

实践证明,织物的抗熔孔性大约在450℃以上即为良好。由表1-4-7可以看出,棉、毛等天然纤维织物的抗熔孔性都很好;腈纶织物与毛织物接近;涤纶和锦纶的抗熔孔性较差,其织物需要进行抗熔整理,但是,当它们与棉、毛等天然纤维或黏胶纤维混纺时,混纺织物的抗熔孔性可以得到明显改善。

此外,织物的质量与组织等对织物的抗熔孔性也有影响,在其他条件相同时,轻薄织物更容易熔成孔洞。

(三)热质变特性

1.纤维材料的耐热性

纺织纤维在高温下保持其力学性能的能力称为耐热性。纺织纤维的耐热性根据纤维材料受热时机械性能的变化进行评定。纺织纤维的热稳定性是指材料对热裂解的稳定性。纺织纤维的热稳定性根据材料受热前后在正常大气条件下性能的变化来评定。当受热温度超过500℃时,材料的热稳定性称为耐高温性。纺织纤维受热的作用后,一般强度下降,下降的程度随温度、时间及纤维种类而异。几种主要纺织材料的耐热性能见表1-4-8。

表1-4-8　纺织材料的耐热性能

棉纤维与黏胶纤维的耐热性优于亚麻、苎麻;特别是黏胶纤维,加热到180℃时强度损失很少,可制作轮胎帘子线。羊毛的耐热性较差,加热到100～110℃时即变黄,强度下降,通常要求干热不超过70℃,洗毛不超过45℃。蚕丝的耐热性比羊毛好,短时间内加热到110℃,纤维强度没有显著变化。

合成纤维中,涤纶和腈纶的耐热性较好,不仅熔点或分解点较高,而且长时间受到较高温度的作用时,强度损失不超过30%;在相同温度下处理1000h,仅稍有变色,强度损失不超过50%。锦纶的耐热性较差。维纶的耐热水性能较差,在水中煮沸,维纶织物会发生变形或部分溶解。

2.纤维材料的阻燃性

纤维材料抵抗燃烧的性能称为阻燃性。纤维的燃烧是一种纤维分子快速热降解的过程,该过程伴随有化学反应和大量热量的产生,燃烧所产生的热量又会加剧和维持纤维的燃烧。

各种纺织材料的燃烧性能不同。纤维素纤维与腈纶易燃烧,燃烧迅速;羊毛、蚕丝、锦纶、涤纶、维纶等是可燃烧的,容易燃烧,但燃烧速度较慢;氯纶、聚乙烯醇-氯乙烯共聚纤维等是难燃的,与火焰接触时燃烧,离开火焰后自行熄灭;石棉、玻璃纤维等是不燃的,与火焰接触也不燃烧。

纤维燃烧所造成的危害是显而易见的,纤维的阻燃性是构成纺织品安全防护的一项重要内容。各种纤维可能造成的危害程度,与纤维的点燃温度、火焰传播的速度和范围以及燃烧时产生的热量有关。几种主要纺织纤维的点燃温度和火焰最高温度见表1-4-9。

表1-4-9　纺织纤维的点燃温度和火焰最高温度

纺织材料的可燃性大都采用极限氧指数LOI表示。极限氧指数是指材料点燃后在氧-氮大气里维持燃烧所需要的最低含氧量体积百分数。

极限氧指数大,说明材料难燃;极限氧指数小,说明材料易燃。在普通空气中,氧气的体积比例接近20%。从理论上讲,纺织材料的极限氧指数只要超过21%,在空气中就有自灭作用。但实际上,发生火灾时,由于空气中对流等作用的存在,要达到自灭作用,纺织材料的极限氧指数需要在27%以上。一些纯纺织物的极限氧指数如表1-4-10所示。

表1-4-10　纯纺织物的极限氧指数

根据LOI值,可将纺织材料分为易燃、可燃、难燃、不燃四类,如表1-4-11所示。

表1-4-11　根据LOI的纤维分类

提高纺织材料的阻燃性有两个途径,即对纺织材料进行阻燃整理和制造阻燃纤维。

阻燃整理是利用各种阻燃整理剂在制品上形成阻燃层,以降低制品可燃性物质的释放,或阻隔热量对纤维的作用,或阻断氧化反应的进行,从而达到阻燃的目的。这种方法实施简单,但它存在阻燃剂引起人体致癌和耐洗牢度不高等问题。

阻燃纤维的生产有两种方法:一种是在纺丝液中加入阻燃剂,纺丝制成阻燃纤维,如阻燃黏胶纤维、阻燃腈纶、阻燃涤纶等改性纤维;另一种是由合成的耐高温高聚物纺制成阻燃纤维,如间位芳纶、对位芳纶、聚苯并咪唑(PBI)、聚对苯撑苯并二唑(PBO)、聚酰亚胺、聚苯硫醚(PPS)、聚芳砜酰胺(PSA)、酚醛纤维、聚四氟乙烯纤维等。