纤维与水相互作用的探讨

当纤维与水接触后，纤维表面将获得负电荷，其热力学电位即表面电位为负值。从表2-3中数据可以看出，所有纤维在中性（pH=7）水中，其表面电位均为负值，即所有纤维在中性水中表面均带有负电荷。

表2-3　各种纤维的表面电位

为什么所有的纺织纤维在中性水中均带有负电性呢？原因是：

（1）纤维分子链上的基团电离；

（2）纤维上的某些基团在极性水中极化，负极面向水，这是非常重要的原因；

（3）溶液中的某些杂质在纤维表面发生定向吸附。由于带正电的杂质离子水化能力强，水化层较厚，不易在纤维界面吸附，而带负电的杂质离子水化能力弱，较易在纤维界面吸附，所以导致纤维表面带负电荷。

在染色体系中，带不同电荷的染料上染纤维时，纤维界面表现出不同的电位变化，格奥艾（Goy）提出了吸附—扩散双电层的概念。图2-13（a）表明纤维界面对相反电荷离子有很强的静电引力，随着离纤维界面距离的增加，静电引力会迅速降低，其电位绝对值也陡然减小，这部分对离子吸附较强的液层称为吸附层。当纤维和液相发生相对运动时，吸附层不随液相运动，因此又称为固定层。而外层电位绝对值较平坦地减小，直到与本体溶液相等，这一液层在纤维与液相发生相对运动时，会随着液相运动，这部分称为扩散层。图中E和F之间的电位差是动力学电位，表示纤维界面与本体染液间的电位差，G和F之间的电位差是ζ电位（Zata potential），也称为动态电位，表示吸附层与扩散层间的电位差。

在外力作用下，吸附层与扩散层发生相对运动的现象称为“界面动电现象”。由于染料对纤维有库仑力和范德瓦耳斯力作用，使吸附层结合较强，所以纤维与染液发生相对运动的滑移面不是纤维与液体的界面，而是吸附层与扩散层的界面，所以吸附层与扩散层之间形成的双电层又称为动电层。

如图2-13（b）所示，当上染纤维的染料所带电荷与纤维界面相同时，会产生静电斥力，但由于染料对纤维的亲和力，在吸附层可以克服静电斥力而结合到纤维，但动电层的电位增加，动电层电位的符号与热力学电位（纤维表面对溶液内部的电位差）的符号相反，ζ电位为负值。而上染纤维的染料所带电荷与纤维界面相反时，ζ电位为正值，见图2-13（a）。但ζ电位的绝对值均低于纤维界面的热力学电位。

图2-13　纤维界面双电层结构

几种常见纤维在1×103KCl中的ζ电位见表2-4。(www.xing528.com)

表2-4　纤维在1×103KCl中的ζ电位

由表2-4可知，疏水性纤维具有比较高的负电位，因此，对阴离子染料的吸附具有比较大的静电斥力。而羊毛在酸性水溶液中，由于—NH2吸酸成为—，其ζ电位将减小，可以用阴离子的酸性染料染色。同理，尼龙也可用阴离子的酸性染料染色。

亲水性纤维中的—OH，—NH2等与水分子形成氢键，纤维在水中还会发生溶胀，如表2-5所示。由于亲水性纤维在水中吸湿溶胀，在纤维无定形区中产生曲折而相互连通的、充满水的孔道，染料分子就是通过这些溶胀的孔道扩散进入纤维内部。

表2-5　纤维结构与水吸附力之间的关系

注测定水吸附力的条件是25℃，65%RH。

对于疏水性纤维，由于分子链中含有较少的亲水性基团，而且结合较紧密，在水中不会发生吸湿和溶胀。但是，随着温度升高，大分子链发生运动，产生空穴，水分子会进入空穴，减弱分子链间的作用力，起到增塑作用，进而降低其玻璃化温度Tg（表2-6）。如涤纶在干态采用热溶法染色的温度为150～220℃，而在水中就可以在130℃染色。当然，水的增塑作用是有限的。

表2-6　疏水性纤维的玻璃化温度

纺织品中含有的水分子有三种状态：流动水、化学结合水和束缚水。流动水分布在纤维表面或纱线间的空隙内，它与外部水一样，和纤维分子不发生相互作用，也称作自由水；化学结合水是靠分子间范德瓦耳斯力和氢键力与纤维结合的水，与纤维形成特殊的超分子实体，对亲水性纤维起溶胀作用，对疏水性纤维起增塑作用；束缚水是指亲水性纤维溶胀后孔道中的水，其基本性能与流动水和化学结合水有明显不同，不仅不能流动，也不受纤维表面液体流动速度的影响，因为它们受纤维无定形区分子链和孔道壁的束缚作用很大。

纺织品中不同状态的水分子对染料上染、水解和未固着染料洗脱有着不同的作用，后面章节中有论述。