Тема 22. ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Свойства, характеризующие способность материалов взаимодействовать с различными веществами в жидком или газообразном состоянии, поглощая, удерживая или отдавая их в зависимости от условий окружающей среды, называются сорбционными. При проявлении этих свойств могут наблюдаться изменения некоторых других характеристик материалов, например прочностных и деформационных, теплозащитных и электростатических, размерных и весовых.

Сорбционные свойства материалов в значительной мере определяются пористой структурой материалов, что связано с их волокнистым составом, особенностями строения нитей и самих полотен. Текстильные материалы, кожа и искусственные кожи, применяемые для изготовления одежды, обуви, кожгалантереи, относятся к капиллярно-пористым телам, для которых характерно наличие пор и капилляров, отличающихся размерами, формой и характером распределения. Для таких материалов свойственно наличие пор между макромолекулами, микрофибриллами, фибриллами, волокнами, пучками волокон и нитями, т. е. в структуре нитей и полотен. В зависимости от размеров поперечника поры делятся на микропоры (поперечник которых меньше 10^{-7 м) и макропоры (поперечник которых превышает 10-7 м). Кроме того, существенным фактором, определяющим интенсивность проявления сорбционных свойств материалов в отношении тех или иных веществ, является химическая природа волокнистого вещества материала.}

Наиболее важными из сорбционных свойств материалов изделий являются гигроскопические свойства, которыми характеризуется интенсивность их взаимодействия с влагой в жидком и газообразном состоянии. Вещества волокон текстильных изделий представляют собой высокомолекулярные соединения, активность которых во взаимодействии с водой определяется молекулярной структурой полимера, наличием в его составе гидроксильных (ОН), карбоксильных (СООН) и амидных (NH₂) групп. По отношению к влаге материалы делятся на гидрофильные (активно взаимодействующие с влагой) и гидрофобные (активность которых во взаимодействии с влагой низка).

При эксплуатации, а также в процессах переработки и изготовления изделий, материалы вследствие нестабильности окружающих условий находятся в состоянии увлажнения, либо в состоянии высыхания. Поглощение влаги в виде паров из окружающего воздуха называется сорбцией. Сорбция представляет собой физико-химический процесс, включающий адсорбцию (притяжение молекул воды поверхностью волокон, которое протекает очень быстро), абсорбцию (проникновение молекул воды в межмолекулярное пространство, что протекает сравнительно медленно) и капиллярную конденсацию (заполнение влагой пространства капилляров).

Предварительно высушенный образец материала, помещенный во влажный воздух, приобретает некоторую влажность. Эта влажность будет тем большей, чем больше относительная влажность и чем ниже температура воздуха. При помещении влажного материала в среду с низкой относительной влажностью наблюдается процесс высыхания материала, т. е. отдачи им влаги в окружающее пространство. Таким образом, процесс сорбции является обратимым. Процесс, обратный сорбции, носит название десорбции.

Процесс сорбции водяных паров очень неравномерен. В начальный период сорбции происходит интенсивное поглощение влаги волокнами. По мере насыщения их водяными парами скорость поглощения заметно падает и наступает сорбционное равновесие, при котором дальнейшее поглощение влаги прекращается. Влажность материала, которая соответствует сорбционному равновесию, называется равновесной влажностью. При изменении относительной влажности и температуры воздуха равновесная влажность материала также меняется. При десорбции наиболее интенсивная отдача влаги происходит в начальный период процесса; по мере приближения к новому равновесному состоянию скорость десорбции снижается.

Кривые сорбции и десорбции текстильных материалов показывают, что волокна различных видов обладают разной способностью поглощать влагу, что обусловлено прежде всего химическим составом и надмолекулярной структурой волокон. Целлюлозные (хлопок, лен, вискозное) и белковые (шерсть, шелк) волокна обладают значительной способностью поглощать водяные пары. Из искусственных целлюлозных волокон невысокой гигроскопичностью обладают ацетатные волокна. Это связано с тем, что в них в элементарном звене целлюлозы гидроксильные группы частично или полностью заменены гидрофобными ацетильными. Большинство синтетических волокон и нитей (особенно полиэфирные, полиолефиновые, поливинилхлоридные) обладают малой способностью к поглощению влаги, так как в их составе отсутствуют гидрофильные группы.

Рис. 20 Кривые сорбции и десорбции водяных паров

тканями: 1 – вискозными; 2 – из натурального шелка; 3 – хлопчатобумажными; 4 – полиамидными; 5 – полиэфирными;

I – относительная влажность воздуха 80 %; II – то же, 0 %

Структура волокон, характер расположения макромолекул, степень их упорядоченности, ориентации, а также степень аморфности и кристалличности структуры, ее пористость определяют размеры активной поверхности и возможность легкого или затрудненного проникновения молекул воды вглубь волокон. Рыхлая и малоупорядоченная структура вискозных волокон по сравнению с хлопковыми обусловливает их более высокую способность (в 1,8 раза) к поглощению влаги, несмотря на их одинаковый химический состав. В волокнах шерсти макромолекулы имеют более разветвленную структуру, чем в натуральном шелке, поэтому плотность их упаковки меньше. В результате этого при одинаковых условиях влажность шерстяных волокон и материалов из них выше, чем шелковых.

При сорбции водяных паров в микрокапиллярах, имеющих радиус менее 10^{-7 м, и в замкнутых капиллярах текстильных материалов происходит капиллярная конденсация паров влаги, в результате чего капилляры заполняются жидкостью. Поэтому материалы из волокон с низкой гигроскопичностью, но имеющие большое количество мелких и замкнутых капилляров, могут хорошо сорбировать влагу, приближаясь по показателям влажности к хлопчатобумажным и шерстяным материалам (в частности, это относится к материалам из полых и профилированных волокон).}

Основными показателями гигроскопических свойств текстильных материалов при их взаимодействии с влагой в газообразном состоянии является влажность, гигроскопичность и влагоотдача.

Влажность материала показывает, какую часть массы материала составляет масса содержащейся в нем влаги. Различаются:

а) фактическая влажность , %, (т. е. влажность материала равновесная фактическим условиям окружающей среды):

100, (52)

где – масса пробы материала при фактических условиях окружающей среды, г; – масса абсолютно сухой пробы, г;

б) нормальная влажность – влажность равновесная нормальным климатическим условиям, при которых температура воздуха составляет (20 ± 2) ^оС, а его относительная влажность равна (65 ± 2) %;

в) кондиционная влажность – влажность, установленная стандартами для каждого вида волокна, которая близка к нормальной влажности.

г ) гигроскопичность , %, – влажность материалов при 98 %-й относительной влажности воздуха и температуре (20 ± 2) ^оС:

100, (53)

где m_с – масса пробы материала, выдержанного в эксикаторе при 98 %-й относительной влажности воздуха и температуре (20 ± 2) ^оС.

д) влагоотдача , %, – показатель способности материалов отдавать влагу в окружающую среду с относительной влажностью воздуха = (2 ± 1) %:

100, (54)

где – масса пробы материала после его выдерживания в сухом эксикаторе с относительной влажностью воздуха, близкой к 0.

Таблица 5 Кондиционная влажность основных видов

текстильных волокон

Вид волокна	Кондиционная влажность, %
Хлопок
Лен
Шерсть
Шелк натуральный
Вискозное
Ацетатное
Полиамидное
Полиэфирное
Полиакрилонитрильное

Показателями влажности и гигроскопичности характеризуется способность материалов своевременно обеспечивать удаление влаги из пододежного пространства. Поэтому для материалов изделий, соприкасающихся непосредственно с телом человека, установлены стандартные требования к их гигроскопичности (табл. 6). Для детских, бельевых и спортивных трикотажных изделий оптимальными значениями гигроскопичности являются 13–18 %, допустимыми – 7–10 %. Для детских купальных костюмов оптимальными значениями гигроскопичности считаются 2–7 %, допустимыми – 7–10 % (ГОСТ Р 50720–94).

Таблица 6 Нормы гигроскопичности материалов

Ткани	Гигроскопичность , %, не менее	ГОСТ
Льняные с содержанием синтетических волокон, % 33–50 более 50		15968–87 15968–87
Сорочечные из химических нитей и смешанной пряжи: из полиэфирно-хлопковой пряжи остальные		11518–88 11518–88
Платьевые из смеси синтетических волокон с волокнами: вискозными хлопковыми		29223–91 29223–91
Кожа одежная верха обуви
Искусственная кожа одежная верха обуви

При непосредственном соприкосновении текстильного материала с жидкой влагой последняя поглощается как путем диффузии ее молекул в полимер, так и путем механического захвата ее частиц структурой материала. В последнем случае существенную роль играют процессы смачивания и капиллярного впитывания. Смачивание может происходить при полном погружении материала в воду (иммерсионное смачивание) или при частичном соприкосновении воды и материала (контактное смачивание). Контактное смачивание – это полное или частичное растекание жидкости по поверхности материала. Способность материала к смачиванию определяется прежде всего химической природой волокон, их способностью к адсорбции влаги и характером (шероховатостью) их поверхности. Если вода хорошо смачивает данную поверхность, то увеличение шероховатости приводит к усилению смачивания и, наоборот, если вода плохо смачивает поверхность, то шероховатость снижает эффект смачивания.

Капиллярное впитывание проявляется в подъеме жидкости по капиллярам материала при соприкосновении пробы материала с ее поверхностью. Капиллярный подъем жидкости связан со смачиванием стенок капилляра, образованием вогнутого мениска и возникновением капиллярного давления, стремящегося поднять жидкость в капилляре до уровня, при котором масса столба жидкости не уравновешивается с этим выталкивающим давлением. Сложная капиллярная структура пористых материалов представляет собой смесь групп капилляров разных размеров. В пределах каждой группы площадь поперечного сечения капилляров мало отличается. При соприкосновении материала с водой ее подъем вначале в капиллярах всех групп начинается одновременно, однако подъем в капиллярах с максимальной площадью сечения начинает замедляться и постепенно прекращается раньше, чем в капиллярах с меньшим поперечником. Затем это будет происходить последовательно во второй, третьей, четвертой и других группах капилляров, пока не наступит равновесное состояние (рис. 21).

Капиллярность , мм, – характеристика поглощения влаги продольными капиллярами материала. Она оценивается высотой подъема жидкости в пробе материала, погруженной одним концом в воду, в течение 1 ч.

Капиллярные процессы в текстильных материалах возможны прежде всего благодаря их пористой структуре, которая представляет собой систему смежных и сообщающихся капилляров различных размеров, формы сечения и ориентации. Капиллярная система материалов складывается из капилляров микроструктуры волокна и капилляров макроструктуры материала. Радиусы капилляров обеих структур существенно отличаются. Капиллярный процесс в текстильных материалах представляет собой капиллярное проникновение жидкости в пространства между волокнами и нитями, т. е. в макрокапилляры, размеры которых находятся в пределах от максимального 10^{-5 м до минимального 10-7 м. Поэтому на капиллярность тканей, трикотажа, нитепрошивных нетканых полотен оказывают существенное влияние характеристики структур нитей и полотен.}

Рис. 21 Кривые впитывания влаги материалами при

капиллярном поднятии: 1 – хлопчатобумажным вязально-

прошивным нетканых полотном; 2 – хлопчатобумажной

тканью с начесом; 3 – ситцем; 4 – полушерстяной костюмной

тканью; 5 – платированным трикотажем из хлопковискозной

пряжи; 6 – хлопчатобумажным трикотажем переплетения гладь;

7 – полушерстяной пальтовой тканью; 8 – шерстяным трикотажем

переплетения пике

Влияние крутки нитей на их капиллярность имеет сложный характер. При малых величинах крутки нитей ее увеличение приводит к сближению волокон и образованию капилляров оптимального радиуса, что сопровождается повышением показателя капиллярности нити до максимального значения. При дальнейшем увеличении скрученности нитей наблюдается уменьшение количества капилляров, появление капилляров, имеющих щелевидную форму, что приводит к снижению показателя капиллярности. На капиллярность материалов оказывает влияние структура нитей. Так, высота капиллярного подъема воды в трикотаже, выработанном из полиамидных комплексных нитей, в 3 раза ниже, чем в трикотаже из текстурированных полиамидных нитей эластик.

Расстояния между нитями в структуре материалов зависят прежде всего от числа нитей (петель) на 100 мм. Если расстояния между нитями соразмерны с радиусами макрокапилляров, то при увеличении количества нитей на 100 мм в ткани (или петель на 100 мм в трикотаже) наблюдается последовательное увеличение капиллярности. Если расстояние между нитями больше размеров макрокапилляров, то капиллярный подъем происходит преимущественно в нитях.

На высоту капиллярного поднятия влаги оказывает влияние также характер расположения нитей в структуре полотна, степень их изогнутости и ориентации.

Водопоглощаемость , %, характеризуется количеством влаги, поглощенной материалом в результате его полного погружения в воду:

100, (55)

где – масса пробы после замачивания в воде, г; – первоначальная масса пробы, г.

Водопоглощаемость и капиллярность являются важными показателями для материалов, предназначенных для бельевых, купальных изделий, полотенец, халатов и т. п. В частности, для нетканых махровых полотен водопоглощаемость должна быть не менее 260 %, а капиллярность – не менее 80 мм/ч (ГОСТ 28748–90).

При поглощении влаги волокнами наблюдается их набухание, т. е. увеличение их размеров, особенно поперечника (табл. 7).

Таблица 7Изменение размеров текстильных волокон

при набухании,%

Волокно	Увеличение площади поперечного сечения	Увеличение длины
Хлопковое суровое	20–34
Хлопковое мерсеризованное	26–40	0,2
Льняное	40–47	0,1–0,2
Шерстяное	22–26	1,1–1,2
Шелковое	18–20	1,3–1,7
Вискозное	40–65	4–7
Ацетатное	6–8	0,1–0,3
Полиамидное	3–5	2–3
Полиакрилонитрильное	5–6	1,5–2

Значительное увеличение поперечных размеров волокон по сравнению с увеличением их длины связано с продольной ориентацией макромолекул фибрилл в структуре волокон. Молекулы воды, проникая во внутреннее пространство волокна, ослабляют связи между макромолекулами, увеличивают расстояние между ними. Гидрофильные волокна (вискозное, шерстяное, льняное, хлопковое) обладают большей способностью к набуханию, чем волокна малой гигроскопичности. Значительное набухание вискозных волокон по сравнению с другими целлюлозными волокнами обусловлено их рыхлой структурой, малой плотностью расположения макромолекул, что облегчает проникновение молекул воды.

Поглощение материалом жидкой влаги происходит не только при его погружении в воду, но и при дождевании.

Намокаемость рекомендуется определять для плащевых материалов с водоотталкивающей пропиткой или с пленочным покрытием при испытании дождеванием одновременно с определением их водоупорности и водопроницаемости (ГОСТ 30292–96).

Намокаемость , г/м², характеризуется количеством воды, поглощенной материалом за 10 мин его дождевания:

, (56)

где – масса квадратной пробы после дождевания, г; – масса квадратной пробы после сушки и выдержки в нормальных атмосферных условиях, г; – площадь пробы, м².

Изменения, происходящие в структуре волокон и материалов при поглощении ими влаги, являются причиной существенных различий в показателях механических свойств одного и того же материала при разной степени его влажности. Поэтому для объективной оценки свойств текстильных материалов их исследование рекомендуется проводить при определенных, так называемых нормальных климатических условиях, при которых относительная влажность воздуха равна (65 ± 2) %, а температура составляет (20 ± 2) ^оС.

Гигроскопические свойства текстильных материалов имеют существенное значение для технологических процессов их обработки, изготовления швейных изделий и эксплуатации изделий. Для высококачественного выполнения операций крашения и отделки текстильных материалов необходима хорошая смачиваемость материала, его высокие сорбционные свойства. Для повышения смачиваемости текстильных волокон часто используют поверхностно-активные вещества (смачиватели), которые понижают поверхностное натяжение жидкости и способствуют образованию гидрофильных слоев на поверхности гидрофобных волокон.

Гигроскопические свойства текстильных материалов определяют их назначение в изделии. Так, для белья, платьев, блузок, сорочек и т. п. требуются материалы, обладающие высокими сорбционными свойствами, способностью к смачиванию и капиллярному впитыванию влаги. Для верхних изделий (пальто, плащи и т. п.), которые при носке могут подвергаться воздействию атмосферных осадков, необходимы материалы с пониженной способностью к смачиванию.