一、前言
吸濕是水分被纖維分子吸著,並且進入纖維內部被吸收溶入現象,因此吸濕性是由纖維的化學組成即已大致決定.
吸水則是水分被纖維內部吸著,佔有纖維之空隙以水來置換的現象,因此吸水性是受纖維的集合體(指紗或織物)形態所影響.
以合成纖維與天然纖維之親水性相比較,合成纖維缺乏親水性(屬疏水性),所以賦予合成纖維親水性的研究與開發一直不斷被頻繁的進行.
合成纖維在吸濕性之改良中,以親水性化合物與聚酯(polyester)或尼龍(nylon)
共聚合(co-polymerization)方法為原料,經加工製造成具有親水性機能之聚酯或尼龍纖維和織物的研究與開發,使成為真正具體可實用化者,
將是舒適性紡織品-吸濕排汗織物市場上,成為被重視關切的議題.
二、合成纖維之親水化
(一)合成纖維賦予吸水性的方法:
(1)在合成纖維之中導入親水性化合物改質共聚合(co-polymerization).
(2)在合成纖維表面形成親水性層膜.
(3)在合成纖維予以微多孔構造使在其中含水的方法.
(4)在合成纖維予以易產生毛細管現象而將纖維斷面纖細化與異形化.
(二)合成纖維原料的改質[化學的方法]:
(1)聚合體自身之親水化:
A.聚合體分子構造之親水化.[效果:吸濕,吸水]
B.聚合體分子構造導入親水基.[效果:吸濕(調溫,調濕)]
(2)合成纖維中導入親水性化合物之相:
A.親水性化合物摻混和.[效果:吸水(吸濕)]
(3)合成纖維表面之親水化:
A.親水性化合物摻混和.[效果:吸水(吸濕)]
B.親水性化合物共聚合.[效果:吸濕,吸水]
C.纖維表面親水性之相形成.[效果:吸水(抗靜電,防污)]
(三)合成纖維後加工的改質[物理的方法]:
(1)合成纖維形狀變化:
A.纖維表面構造異形斷面.[效果:吸水]
B.纖維細度纖細化.[效果:吸水]
C.纖維微多孔表面構造.[效果:吸水]
D.纖維中空微多孔斷面構造.[效果:吸水]
三、纖維吸濕原理
纖維的吸濕過程有滯後現象,熱效應,吸濕率與環境溫溼度有關,纖維吸濕後所引起纖維物理性能的變化.因此,纖維吸濕是一個複雜的物理化學現象.
(一)纖維吸濕的影響因素
纖維的吸濕性是纖維吸收氣相水分的性質,主要是決定在纖維主分子化學結構與結晶形態,即是主要受纖維微觀構造的影響.另一方面,纖維的吸濕率亦受環境溫溼度所影響.
1.纖維中親水基團的作用
纖維主分子化學結構中有親水基團存在,這些親水基團匯與水分子形成
水化合物,使纖維具有吸濕性,所以纖維主分子化學結構中具有親水基團是吸濕能力的主要原因.
纖維中親水基團有,氫氧基(-OH),氮基(-NH2),醯胺基(-CONH2),羧基(-COOH)等,這些基團對水分子有較強的親合力,會與水蒸氣分子締結纖維中游離的基團愈多,基團的極性愈強,纖維的吸濕能力愈高.形成氫鍵,使水蒸氣分子失去熱傳遞運動能力,而在纖維內依附下來,
合成纖維吸濕率都很低,這是由合成纖維主分子化學結構所決定的.大多數合成纖維主分子化學結構中組成僅含極少數的親水基團,對水分子都不具有強的吸引力,只是以合成纖維所固有的吉布斯表面自由能(Gibb's
surface free energy 表面張力)使纖維表面或內部微孔,孔隙的表面對水汽吸附.因此,合成纖維吸濕率與回潮率都很低.
研製吸濕性合成纖維,基於吸濕原理,及提高主分子化學結構中的親水基團的比例,或者導入親水基團.而親水基團在纖維中控制分佈位置狀態與比率,是決定能否研製出高效能吸濕合成纖維成功的最關鍵工程技術核心.
纖維中除了親水基團直接吸著地一批水分子外,已經被吸著第一批水分子,由於也是極性的,因此就有機會再與其他水分子相互作用.如此,後來被吸著的水分子,聚積在第一批水分子上面,形成多層的分子吸著,稱為間接吸著的水分子.
如圖所示:
被親水基團直接吸著的水分子,會緊貼在纖維主分子結構上,以氫鍵為引力使水分子較為牢固地吸著,所以水分子的移動受到限制.被間接吸著的水分子將較為鬆弛地保持著,被間接吸著的水分子的排列是不一定的,由纖維介電性能上說明,間接吸著的水分子不能像液態水中的分子一般自由,可能會與水裡水分子所受到的束縛程度相當.
由此看來,纖維直接吸著的水分子的數量與纖維主分子結構上的親水基團的數量,性質和極性強弱有密切關係.而纖維間吸著的水分子,顯然是在親水基團直接吸著的水分子的基礎上建立形成的,但是對纖維的物理機械性能的影響是很大.
2.纖維中結晶區與非結晶區的吸濕作用
纖維的分子結構中在結晶區是緊密地斂集而形成有規則的排列.在纖維結晶區中,活性基團之間形成交聯,所以水分子不容易滲入結晶區.假設要使結晶分子區吸濕,必須要破壞這種交聯架橋結構,使活性基團處在游離狀態,才能具有吸濕作用.因此纖維的吸濕主要發生在非結晶區,所以纖維的結晶度越低,吸濕能力越強.
在任何相對濕度環境下,纖維的吸濕量與其非結晶區含量成比例.纖維會隨著結晶度的增加,使纖維的吸濕量明顯下降.
除了結晶度會影響纖維的吸濕性外,在相同結晶度情況之下,精區的型態大小對吸濕性亦有影響.一般而言,晶區小,結晶形態表面積大,結晶形態表面未鍵合的親水基團較多,所以吸濕量較高.
纖維中結晶區的親水基團之間會形成架橋,而在非結晶區中.分子相互接近的地方也會有一些交聯形成現象.這種交聯造成一種力學上的束縛,並減少游離的親水基團數量,從而降低了吸濕量.但是當吸濕量增加時,這種交聯就會斷裂,
這時候從交聯中斷裂開來的親水基團開始又具有吸濕作用.
吸濕滯後現象理論,是根據分子間相互作用解釋.由於結構有保持不變的傾向,使得交聯的斷裂和重新形成產生滯後現象.吸濕與交聯有關,因此吸濕過程也會有滯後現象.
在非結晶區結構中,一個親水基團不會一直保持游離狀態,其可以吸著一個水分子,或者形成交聯,吸著水的機會取決於大氣中水分子的數量與速度,這對於
乾/濕態纖維情況皆是一樣的.形成交聯的機率取決於令一親水基團靠近的程度,乾態結構比濕態結構容易形成,因為乾態結構中其他交聯使各分子相互靠攏,而在濕態結構中,各分子相距很遠.因此在同一環境中,一個原本乾態纖維要比濕潤態纖維具有較多的交聯數和較少的吸濕量.所以,如果能破壞各分子交聯就可以使纖維得到高的吸濕率.
由於纖維吸濕存在滯後現象,測定準確纖維吸濕率要在一定溫濕度條件平衡狀態下進行,以減少纖維吸濕存在滯後現象造成的誤差.
3.環境溫濕度與纖維吸濕的關係
當環境溫度升高時纖維的溫度亦升高,纖維中水分子的熱振動能會增強,使纖維內水蒸氣壓力升高,造成水分子在纖維中滯留的能力下降,但是在高溫高濕情況下又會有所增加.
環境的相對濕度對纖維吸濕性能影響較鉅.在低相對濕度時(0%~15%),由於游離的親水基團較多,纖維吸濕性能明顯上升;當中等相對濕度情況下(15%~70%),水分進入縫隙與微孔形成表面吸附現象;到達高相對濕度時(70%~100%),水分子進入纖維內部較大縫隙,毛細孔大量增加,由於纖維吸水膨脹,交聯破壞,游離親水基增加,纖維吸濕性能又會有明顯上升現象.
四、聚酯纖維織物表面親水被膜形成之原理
利用吸水柔軟劑吸附或被覆方式對聚酯織物進行加工.其中親水劑之吸附大多以Pad-Dry-Cure方式進行,因聚酯結構緊密,吸水柔軟劑多在表面上吸附,如何將親水劑更深入纖維內部使親水效果增加,在經穿著洗滌過程後,可以保持聚酯織物親水效果不減與良好手感,是聚酯纖維織物表面親水被膜加工上最重要努力的方向. 圖為纖維表面親水性被膜與水分子之作用圖.
1.纖維織物表面親水性被膜形成在吸濕排汗紡織品上運用的情形
一般利用吸水柔軟劑吸附或被覆方式對織物進行加工,來達到織物吸濕排汗的效果,所以經常發生織物吸濕排汗測驗出不穩定的現象,造成客戶對織物吸濕排汗性能是否能保證與其耐久性能感到質疑.這般原因,可能是加工上所使用吸水柔軟劑的成分不適合,或者是織物染整前處理受到其他助劑污染所影響,因此在利用吸水柔軟劑吸附或被覆方式對織物進行吸濕排汗加工時,除了織物組織設計適合外,在織造,染色,吸濕排汗加工,定型,整理過程,均要控管確實,才能保證織物吸濕排汗性能的穩定.
織物吸濕排汗機能穩定是基本要求,由於市場對織物吸濕排汗機能要求標準趨勢走向要能經久耐用的吸濕排汗機能織物.所以,對於一般僅利用吸水柔軟劑吸附或被覆方式對織物進行加工,來達到吸濕排汗效果的吸濕排汗織物在經耐久穿著洗滌過程後,能否保持織物吸濕排汗效果不減與良好手感,是一大考驗,加上為了能通過吸濕排汗織物與能耐久穿著洗滌的要求,所以在後加工上利用特殊吸水柔軟劑吸附或被覆方式對織物進行吸濕排汗加工,或者提高吸附或被覆比率.如此,將除了成本增加外,更造成染整加工過程處理上環保的重大問題產生,這才是表面親水性被膜形成在吸濕排汗紡織品所要探討注意的問題所在.
由於,市場上清潔環保紡織品認證要求趨勢形成,在世界貿易組織WTO規範下,全球自由行銷市場大開,清潔環保紡織品變成另一方面的貿易瓶頸.因此,發展具清潔環保紡織品,以避免貿易瓶頸,是一個很重要的工作.所以機能性紡織品的發展,勢必將會走入清潔環保紡織品的要求規範中.紡織業以研發出自身就具有吸濕排汗機能性纖維,以用來製造出具有清潔環保訴求之紡織品,將是目前吸濕排汗機能性紡織品的必然要走之道路.
五、纖維織物吸水性之構成原理織物之排汗原理
液體在纖維(固態)表面擴展時,表面張力自由能可以近似以下式表示.
S
= R1 - R2 - R3
S:擴展係數
R1:纖維與氣體間的界面張力
R2:纖維與液體間的界面張力
R3:液體與氣體間的界面張力
在 S > 0 時,則液體會在纖維表面產生擴展.當液體侵透纖維之間時,會產生毛細管現象,可達到濕潤效應.而液體因毛細管現象使其滲透性上升.
在合成纖維上,因水與其接觸角過大,所以水很難滲透,但在具有親水化合成纖維織物上,其接觸角Cosθ增加則水經毛細管而滲透上升.
六、織物之排汗原理
由人體皮膚到衣服外部之汗水移動特性以液態及氣態分別傳導之模式.
如圖所示.
七、織物之吸水擴散速率
根據有關水在織物的傳導方式研究,可歸納有下列四種現象.
(1)藉由擴散作用滲進纖維間.
(2)藉由纖維的吸收使水份在纖維間傳遞然後釋出.
(3)經由紗組織間的毛細傳遞.
(4)水分子在纖維表面遷移.
(1),(2)現象,與水蒸發擴散有關;(3),(4)現象,為液態水的傳輸現象.
另外當織物含水較少時,其水分傳遞主要是蒸發與擴散的作用,而蕊吸之現象必須在織物含有超過30%以上的水分才開始作用,因此可知吸水高度因一開始即將織物浸在水中不斷提供織物吸水使織物飽和,所以水分子是以毛細作用方式傳遞,而擴散面積未給予一定量水,當滴入瞬間時,織物之含水為飽和狀態,毛細和擴散遷移同時作用,因此觀察到水迅速散開,但擴散到外圍時,又會因為在織物外圍時其含水率少於30%以下,而只有擴散作用.
八、織物之乾燥速率
織物之乾燥速率定義:每分鐘織物減少的含水率,單位 ( % / min ).
由織物之乾燥速率可以了解織物排汗性.
當人體經歷運動流汗後,由溼熱感覺恢復到乾爽舒適的時間長短,是織物舒適性的重要指標.織物既要快速吸收汗水,又要能儘速地排汗乾燥,織物之乾燥速率可以提供吸濕排汗織物功能性程度之重要參考值.
九、新吸濕排汗聚酯纖維-Hydrosoft®
Revolutionary water transport fiber
Hydrosoft®為運用聚酯改質技術,賦予纖維永久性吸濕排汗功能的新合纖.無需使用吸濕排汗劑,就有極佳的吸濕排汗效果.
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| •永久性吸濕排汗-Permanent water transport effect | |
| •耐水洗-Multiple washable | |
| •免後處理-No hydrophilic agent needed | |
| Hydrosoft®纖維為具有自身吸濕排汗機能性之 纖物素材,如圖所示. 其乃融合獨自開創的 「WISE Tech polymerization」和 「Coolplus melt spinning control technology」 所開發而成的. |
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「WISE Tech polymerization」,是根據獨自設計之聚酯聚合體,讓紡出來的纖維,沿著纖維軸方向,可顯現出為細的吸濕排汗分子表面結構,進而使纖維呈現出自身具有吸濕排汗織機能.此外,
「Coolplus melt spinning control technology」乃是運用特殊開發的「十字形斷面形狀化紡絲控制技術」,藉由製作出最佳化的吸濕排汗纖維基質,以獲得吸濕排汗分子表面結構,且在高次加工過程中,使織物的纖維間與纖維表面能夠具有最大極限吸濕排汗織量能,以實現衣料在穿著上具有良好手感與永久吸濕排汗機能.
Hydrosoft®纖維織物在染整加工過程中,已無需再使用任何吸濕排汗助劑,
除了降低加工成本外,更加提昇染整製造的環保訴求.
« Hydrosoft-WISE Tech polymerization
»
織物要達到良好的吸濕排汗效果,首先要有良好的親水性與水份傳輸能力,將水分在瞬間擴散到大面積同時蒸發,使織物快乾,但是高親水性纖維不一定具有良好的快乾效果.在過去有許多的科學家改善聚酯纖維的吸水性,但是並沒有成功的將吸濕排汗纖維商業化.其原因說明如下:
例如,聚酯纖維的回潮率為0.4%,尼龍的回潮率為4%,天然棉回潮率為8%,雖然天然棉有很好的吸濕能力,但放濕速率不佳不能成為良好的吸濕排汗織物,聚酯與尼龍也沒有吸濕排汗的功能,所以吸濕(以回潮率表示)的高低並不是唯一的問題.相反的,如果纖維內部吸收很多水分像天然棉一樣,反而要極長的時間才會乾.
最理想的狀況為纖維表面有良好的親水性與水份傳輸能力,纖維內部仍維持原來的物性,這樣的纖維在加工與染整時,可以使用與一般聚酯相同的條件,而不會損失效率.這種將親水分子嵌入聚酯纖維表面的技術命名為
WISE Technology(Waterphilic
molecular Insert on Surface
of polyEster)
主要的過程為先聚合一種親水性聚合物,同時與聚酯有適當的相容性,相容性過高會造成親水性聚合物均勻分散,失去快乾性.相容性太低則造成親水性聚合物與纖維間鏈結太少,在洗滌過程中脫落而失去永久親水效果.紡絲過程中必須控制這一種親水性聚合物與聚酯的界面比率與加工條件,使親水性聚合物自動分佈於纖維表面來達到表面親水的效果,在不損失聚酯纖維原有特性的條件下得到具有良好自身吸濕排汗機能之聚酯纖維.
親水性聚合物表面的親水基數量與種類需配合添加量而決定,目的為降低纖維的表面張力(表面自由能),使水份的傳輸性增加,迅速造成極大的蒸發面積.如果親水基與水分子間結合能量太高,反而不利水分蒸發,並非良好的設計.
WISE Tech技術原理亦可利用在其他產品上,例如將水溶性聚合物植入
纖維表面,經減量加工可得到表面微多孔纖維,產品為CoolplusⅡ®
Hydrosoft®吸濕排汗纖維是應用Hydrosoft
WISE Tech科技,使人體皮膚表面蒸發之水蒸氣與運動時產生的大量汗水,經由Hydrosoft®吸濕排汗織物其纖維
自身最佳化的吸濕排汗分子結構機能瞬間排出體外,保持人體與織物之間微氣候
的低濕乾爽狀態,並透過Coolplus十字形斷面纖維形狀擴大表面積將織物上水分
快速蒸發至外界而乾燥,達成Hydrosoft®織物吸濕排汗之機能.
天然棉織物因其纖維分子結構中,親水基團數目過多.在人體皮膚表面蒸發之水蒸氣與運動時產生的大量汗水,會被棉纖維分子結構中親水基團所吸收而產生
遲滯現象,所以不能瞬間將水蒸氣與運動時產生的大量汗水排出體外,造成人體與織物之間微氣候在高濕與不舒適狀態.如此,天然棉纖維雖然有很好的吸濕性,
但分子內部會吸收大量水分無法達成快乾的要求.
如圖所示.
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技術與交流 徐家騏 研究員 中興紡織股份有限公司
