幾種纖維材料及床芯的吸放濕性能研究

周孝菊，廖廷茂，劉顯科，向 勇

(大自然科技股份有限公司， 貴州貴陽 550000)

床墊的吸、放濕性能是床墊透濕性的一個(gè)關(guān)鍵性影響因素，直接關(guān)系到人體睡眠時(shí)的熱濕舒適度，一張具有良好吸、放濕性能的床墊，在人們睡眠時(shí)可以使人體表面的熱濕微環(huán)境始終保持在一種干爽舒適的狀態(tài)，從而降低環(huán)境溫濕度變化對(duì)人體睡眠質(zhì)量的影響。 植物纖維床墊是以山棕、劍麻等植物纖維為主體材料，采用膠黏劑使纖維之間相互粘連成網(wǎng)狀，形成膠點(diǎn)膠結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)及具有一定彈性和硬度的床芯，再覆以表面面料而制成[1]。 植物纖維床墊的吸、放濕性能與纖維化學(xué)組成、結(jié)晶度、微細(xì)結(jié)構(gòu)及纖維間膠結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。 山棕纖維與劍麻纖維均屬于纖維素纖維，具有較多的親水性基團(tuán)，研究表明，棕櫚纖維表面呈凹凸不平的多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有管狀結(jié)構(gòu)細(xì)胞緊密排列形成纖維長度方向的空腔[2]，能為水分子進(jìn)入纖維內(nèi)部提供通道及較大的儲(chǔ)存空間。 為了更好地了解植物纖維床墊的吸、放濕性能，本文選取山棕、劍麻這兩種純天然植物纖維材料以及其制備的床芯山棕墊、劍麻墊為試驗(yàn)樣品，對(duì)他們的吸、放濕過程進(jìn)行測試研究。 同時(shí)選取人造纖維材料Sorona、Lm 以及其所制備的床芯彈綸(原材料為人造纖維材料Sorona)、5E 山棕墊(復(fù)合型床芯，原材料為人造纖維材料Lm 與山棕纖維)做對(duì)比試樣，分別建立吸、放濕回歸方程及吸、放濕速率曲線并加以分析比較，探究不同纖維材料在一定條件下的吸、放濕規(guī)律，以期對(duì)植物纖維床墊的性能優(yōu)化提供更多的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

纖維試樣:山棕纖維，云南紅河地區(qū)棕櫚生產(chǎn)基地；劍麻纖維，廣西武鳴縣國有東風(fēng)農(nóng)場；人造纖維材料Sorona，眾享實(shí)業(yè)(東莞)有限公司；人造纖維材料Lm，貴州鑫任家居有限公司。

纖維床芯試樣:山棕墊、劍麻墊，均由大自然科技股份有限公司生產(chǎn)(為排除其他因素影響，所選取兩種床芯的生產(chǎn)工藝均相同)；彈綸，眾享實(shí)業(yè)(東莞)有限公司；5E 山棕墊(復(fù)合型床芯，山棕纖維與Lm 質(zhì)量比例為7 ∶3)，貴州鑫任家居有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

DHG－9203A 型鼓風(fēng)干燥箱、HWS－250BX 型恒溫恒濕箱、AR224CN 型分析天平、干燥器、稱量鋁盒。

1.3 性能測試

1.3.1 試樣前處理

纖維試樣:將山棕纖維、劍麻纖維提前用自來水清洗5－6 次以去除雜質(zhì)，并放入100 ℃烘箱中干燥2 h 后取出。 將上述山棕纖維、劍麻纖維與人造纖維材料Sorona、Lm 分別置于恒溫恒濕箱中，并使各纖維材料成蓬松狀態(tài)在溫度20℃，相對(duì)濕度65% RH 條件下平衡48 h，密封備用。

纖維床芯試樣:將各纖維床芯切成50 mm×80 mm×30 mm 的樣塊，放置于恒溫恒濕箱中，在溫度20 ℃，相對(duì)濕度65% RH 條件下平衡48 h，密封備用。

1.3.2 測試方法

將一定質(zhì)量m(g)的待測樣放置于鋁盒內(nèi)，打開盒蓋置于100 ℃烘箱中，每加熱20 min 迅速蓋上盒蓋移入干燥器，冷卻5 min 后瞬時(shí)打開盒蓋再蓋上，稱取樣品重量，記為m1(g)，精確至0.001 g。當(dāng)前后兩次稱量之差與后一次重量之比小于0.05%，視已達(dá)到放濕平衡，此時(shí)重量為干燥重量m0(g)，計(jì)算試樣放濕回潮率W(%)，如公式1 所示。 每種材料測試5 個(gè)試樣，取平均值。

將上述放濕平衡的試樣(重量m0，g)放置于25±2 ℃，85±5% RH 的恒溫恒濕箱中吸濕，每隔30 min 稱取樣品重量，記為m2(g)，精確至0.001 g。當(dāng)前后兩次稱量之差與后一次重量之比小于0.05%，視已達(dá)到吸濕平衡，計(jì)算試樣吸濕回潮率W'(%)，如公式2 所示。 每種材料測試5 個(gè)試樣，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 吸、放濕回潮率回歸曲線

纖維吸、放濕的理論曲線為指數(shù)曲線，其回潮率對(duì)時(shí)間的回歸方程可用公式3 表達(dá)[3]。

式中:t 為吸、放濕時(shí)間，min；W為纖維的吸、放濕回潮率，%；a、b、c 為常數(shù)。

應(yīng)用Origin Pro 9 軟件對(duì)測試結(jié)果以公式3 進(jìn)行自定義函數(shù)擬合，得到吸、放濕回潮率對(duì)時(shí)間的回歸曲線，結(jié)果如圖1 及圖2 所示。 擬合后各相關(guān)系數(shù)(R2)都大于0.98，說明擬合結(jié)果能較好地反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

圖1 各試樣放濕回潮率回歸曲線圖

圖2 各試樣吸濕回潮率回歸曲線圖

從圖1 可以看出，山棕纖維、劍麻纖維的初始回潮率均達(dá)到12%以上，山棕墊、劍麻墊、5E 山棕墊初始回潮率介于5%~9%之間，在100 ℃試驗(yàn)條件下這幾種試樣均快速放濕，隨著放濕時(shí)間的延長，幾種試樣的回潮率逐漸降低，且降低的幅度逐漸減小，放濕時(shí)間約80 min 以后，各試樣基本達(dá)到干燥狀態(tài)。 這是由于實(shí)驗(yàn)起始階段各纖維中含水量較高，在高溫條件下纖維中所含水分快速釋放出來，纖維的回潮率快速下降，隨著加熱時(shí)間的延長，纖維中的水分子量越來越少，纖維的回潮率則逐漸降低。 整個(gè)放濕過程中人造纖維Sorona、Lm 與床芯彈綸的回潮率均較低，放濕曲線較平緩，說明人造纖維Sorona、Lm 與床芯彈綸的放濕性能較差。

從圖2 可以看出，山棕纖維、劍麻纖維、山棕墊、劍麻墊、5E 山棕墊在25±5 ℃，85±5% RH 的試驗(yàn)條件下均快速吸濕。 隨著吸濕時(shí)間的延長，各試樣回潮率逐漸升高，且上升的幅度逐漸減小，這是因?yàn)槠鹗茧A段試樣處于干燥狀態(tài)，纖維間含水量較低，而環(huán)境中蒸汽壓力較高，水分子快速填充纖維間空隙，進(jìn)入纖維內(nèi)部，因此各試樣回潮率快速增加。 隨著吸濕時(shí)間的延長，纖維內(nèi)部水分逐漸增多，內(nèi)外蒸汽壓差逐漸降低，回潮率上升幅度減小。人造纖維Sorona、Lm 與床芯彈綸整個(gè)吸濕過程回潮率變化不大，吸濕曲線也較平緩，說明人造纖維Sorona、Lm 與床芯彈綸的吸濕性能也較差。 制備彈綸的原材料為人造纖維Sorona，在吸濕過程中纖維原材料處于較蓬松狀態(tài)，成品彈綸中纖維結(jié)構(gòu)更緊密，內(nèi)部纖維與水分接觸的比表面積降低，因此床芯彈綸的回潮率低于人造纖維Sorona。

2.2 吸、放濕速率回歸曲線

纖維的吸濕或放濕速率分別為單位質(zhì)量的纖維在某一時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)吸收或放出的水分。 將公式3 回潮率對(duì)時(shí)間的回歸方程進(jìn)行微分，則得出纖維的吸、放濕速率回歸方程，其表達(dá)式如公式4所示:

式中:t 為吸、放濕時(shí)間，min；V為吸、放濕速率，g/min；b、c 為常數(shù)。

根據(jù)各試樣的吸、放濕回歸曲線方程可計(jì)算出試樣在不同吸、放濕時(shí)間下的吸、放濕速率，應(yīng)用Origin Pro 9 軟件以方程4 繪制出吸、放濕速率回歸曲線圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 各試樣放濕速率回歸曲線圖

圖4 各試樣吸濕速率回歸曲線圖

從圖3 和圖4 可以看出，各試樣在整個(gè)吸、放濕過程中，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，吸、放濕速率均逐漸降低，且下降幅度均逐漸減小直至平衡狀態(tài)。 試驗(yàn)起始階段，纖維中水分子濃度較環(huán)境中水分子濃度的差距較大，高濃度區(qū)水分子會(huì)向低濃度區(qū)擴(kuò)散或滲透，直至均勻分布[3]，因此試驗(yàn)起始階段吸、放濕速率較大，而后纖維中水分子濃度與環(huán)境中水分子濃度的差距逐漸減小，吸、放濕速率逐漸降低，直至吸、放濕速率為0，試樣達(dá)吸、放濕平衡狀態(tài)。 整個(gè)吸、放濕過程中山棕、劍麻纖維的吸、放濕速率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人造纖維Sorona 與Lm；試驗(yàn)起始階段，山棕纖維吸、放濕速率均最高；較植物纖維相比，對(duì)應(yīng)植物纖維床芯的吸、放濕速率均有降低；5E 山棕墊為復(fù)合山棕墊，其中山棕纖維與人造纖維Lm 質(zhì)量比例為7 ∶3，因此吸、放濕速率均介于山棕纖維及人造纖維Lm 之間；彈綸的吸、放濕速率最低。 各試樣達(dá)放濕平衡所需時(shí)間比達(dá)吸濕平衡短，這是由放濕試驗(yàn)時(shí)溫度較高，樣品中的水分釋放速率較快導(dǎo)致的。

2.3 吸、放濕性能分析

各試樣放濕初始回潮率、吸濕平衡回潮率及相同試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)平均吸、放濕速率(單位質(zhì)量的某試樣在某一時(shí)段內(nèi)的吸、放濕量與吸、放濕時(shí)間之比)見下頁表1。 結(jié)果表明:試樣的初始回潮率越高，吸濕平衡時(shí)回潮率就越高，相同時(shí)段內(nèi)的平均吸、放濕速率也越快，試樣的吸、放濕性能則越好。因此，各纖維材料的吸、放濕性能從優(yōu)到差的排序?yàn)?山棕纖維>劍麻纖維>人造纖維Sorona>人造纖維Lm；各纖維床芯的吸、放濕性能從優(yōu)到差的排序?yàn)?山棕墊>5E 山棕墊>劍麻墊>彈綸。

表1 各試樣的回潮率及吸放濕速率

纖維的吸放濕性能與其物理結(jié)構(gòu)有關(guān)，纖維內(nèi)部存在無定形區(qū)域和結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶區(qū)纖維大分子中的親水性基團(tuán)在分子間形成交鍵，分子排列規(guī)整緊密，分子間距離小，結(jié)合力強(qiáng)，因此水分子難以進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，水分子主要進(jìn)入纖維內(nèi)部的無定形區(qū)域及結(jié)晶區(qū)表面[4]。 纖維的結(jié)晶度越高，結(jié)晶區(qū)所占整根纖維的百分比就越大，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，吸、放濕性能也就越差。 植物纖維的結(jié)晶度較低，據(jù)研究，劍麻纖維結(jié)晶度為58%~61%[5]，山棕纖維的結(jié)晶度為36.43%~38.21%[6]，因此，山棕纖維的回潮率高于劍麻纖維，對(duì)應(yīng)的成品床芯也表現(xiàn)出相同規(guī)律，即山棕墊的回潮率高于劍麻墊，說明山棕墊的吸、放濕性能優(yōu)于劍麻墊。 人造纖維Lm、Sorona 的吸、放濕性能均較差，可能是由于他們的結(jié)晶度較高所導(dǎo)致。

從表1 中還可以看出，試驗(yàn)條件下各試樣初始回潮率均高于吸濕平衡的回潮率。 這是由于放濕試驗(yàn)初始階段，纖維材料處于濕結(jié)構(gòu)狀態(tài)，當(dāng)纖維受熱，內(nèi)部水分子向外散逸后，分子間間距較大，重建分子間結(jié)合建較困難，且纖維大分子存在較多極性基團(tuán)，大氣中水分子很容易重新進(jìn)入纖維內(nèi)部；而纖維經(jīng)放濕干燥后，再從吸濕達(dá)到平衡時(shí)，起始階段纖維處于干結(jié)構(gòu)狀態(tài)，纖維中非結(jié)晶區(qū)或晶區(qū)界面間的纖維大分子鏈上的親水基團(tuán)相互形成了橫向聯(lián)結(jié)氫鍵，大氣中水分子進(jìn)入時(shí)需要克服纖維分子間的氫鍵力才能被纖維吸收，當(dāng)外界相對(duì)濕度降低，水分子運(yùn)動(dòng)克服阻力逸出纖維，由于原來的纖維分子間距離較近，橫向結(jié)合鍵易重建，致使大氣中的水分子較難進(jìn)入干結(jié)構(gòu)纖維[4]，因此實(shí)驗(yàn)中各試樣初始回潮率均高于吸濕平衡時(shí)的回潮率。

另外，在吸、放濕過程中，山棕纖維、劍麻纖維的回潮率均高于對(duì)應(yīng)的成品床芯山棕墊、劍麻墊。其原因一方面為植物纖維床芯是以膠黏劑粘連植物纖維而制得，具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，雖增大了水分子與植物纖維接觸的比表面積，但植物纖維表面也因此附著了大量吸、放濕性能較差的膠黏劑，阻礙了水分子進(jìn)入植物纖維內(nèi)部；另一方面，植物纖維床墊生產(chǎn)過程中包含長時(shí)間的高溫?zé)釅?、硫化等工序，將床芯中的植物纖維反復(fù)干燥，由于植物纖維具有保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的趨勢，大氣中的水分子較難進(jìn)入干結(jié)構(gòu)的植物纖維中，因此植物纖維床芯的吸放濕速率低于濕結(jié)構(gòu)狀態(tài)的植物纖維原材料，平衡狀態(tài)下植物纖維床芯的回潮率也相對(duì)降低。 這個(gè)特點(diǎn)使得植物纖維床墊既具備良好的吸放濕性能，又避免了因植物纖維的含水率[7]太高而導(dǎo)致植物纖維床墊霉變生蟲的問題。

3 結(jié)論

通過測試山棕纖維、劍麻纖維、人造纖維Sorona 與Lm 以及這四種纖維材料所制備床芯山棕墊、劍麻墊、5E 山棕墊、彈綸的吸、放濕性能，得到各種纖維材料及床芯的吸、放濕回歸曲線和吸、放濕速率回歸曲線。 試驗(yàn)中山棕纖維、劍麻纖維具有較高的回潮率及吸、放濕速率，吸、放濕性能較好；人造纖維Sorona 與Lm 的回潮率及吸、放濕速率均較低，吸、放濕性能較差。 制作成為床芯后，山棕墊、劍麻墊這兩種植物纖維床芯的回潮率及吸、放濕速率雖呈現(xiàn)出不同程度的下降，但仍能保持良好的吸放濕性能。 其中，山棕墊吸、放濕性能優(yōu)于5E 山棕墊和劍麻墊。 棕纖維等植物纖維材料為可再生的天然資源，作為優(yōu)質(zhì)的床芯材料，不僅能滿足人們舒適與健康的需求，且對(duì)于我國環(huán)境友好型社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也意義深遠(yuǎn)。