第三節(jié) 纖維與水的相互作用
當(dāng)纖維與水接觸后，纖維表面將獲得負(fù)電荷，其熱力學(xué)電位即表面電位為負(fù)值。從表2-3中數(shù)據(jù)可以看出，所有纖維在中性（pH=7）水中，其表面電位均為負(fù)值，即所有纖維在中性水中表面均帶有負(fù)電荷。
表2-3 各種纖維的表面電位
為什么所有的紡織纖維在中性水中均帶有負(fù)電性呢？原因是：
（1）纖維分子鏈上的基團(tuán)電離；
（2）纖維上的某些基團(tuán)在極性水中極化，負(fù)極面向水，這是非常重要的原因；
（3）溶液中的某些雜質(zhì)在纖維表面發(fā)生定向吸附。由于帶正電的雜質(zhì)離子水化能力強(qiáng)，水化層較厚，不易在纖維界面吸附，而帶負(fù)電的雜質(zhì)離子水化能力弱，較易在纖維界面吸附，所以導(dǎo)致纖維表面帶負(fù)電荷。
在染色體系中，帶不同電荷的染料上染纖維時，纖維界面表現(xiàn)出不同的電位變化，格奧艾（Goy）提出了吸附—擴(kuò)散雙電層的概念。圖2-13（a）表明纖維界面對相反電荷離子有很強(qiáng)的靜電引力，隨著離纖維界面距離的增加，靜電引力會迅速降低，其電位絕對值也陡然減小，這部分對離子吸附較強(qiáng)的液層稱為吸附層。當(dāng)纖維和液相發(fā)生相對運(yùn)動時，吸附層不隨液相運(yùn)動，因此又稱為固定層。而外層電位絕對值較平坦地減小，直到與本體溶液相等，這一液層在纖維與液相發(fā)生相對運(yùn)動時，會隨著液相運(yùn)動，這部分稱為擴(kuò)散層。圖中E和F之間的電位差是動力學(xué)電位，表示纖維界面與本體染液間的電位差，G和F之間的電位差是ζ電位（Zata potential），也稱為動態(tài)電位，表示吸附層與擴(kuò)散層間的電位差。
在外力作用下，吸附層與擴(kuò)散層發(fā)生相對運(yùn)動的現(xiàn)象稱為“界面動電現(xiàn)象”。由于染料對纖維有庫侖力和范德瓦耳斯力作用，使吸附層結(jié)合較強(qiáng)，所以纖維與染液發(fā)生相對運(yùn)動的滑移面不是纖維與液體的界面，而是吸附層與擴(kuò)散層的界面，所以吸附層與擴(kuò)散層之間形成的雙電層又稱為動電層。
如圖2-13（b）所示，當(dāng)上染纖維的染料所帶電荷與纖維界面相同時，會產(chǎn)生靜電斥力，但由于染料對纖維的親和力，在吸附層可以克服靜電斥力而結(jié)合到纖維，但動電層的電位增加，動電層電位的符號與熱力學(xué)電位（纖維表面對溶液內(nèi)部的電位差）的符號相反，ζ電位為負(fù)值。而上染纖維的染料所帶電荷與纖維界面相反時，ζ電位為正值，見圖2-13（a）。但ζ電位的絕對值均低于纖維界面的熱力學(xué)電位。
圖2-13 纖維界面雙電層結(jié)構(gòu)
幾種常見纖維在1×103KCl中的ζ電位見表2-4。
表2-4 纖維在1×103KCl中的ζ電位
由表2-4可知，疏水性纖維具有比較高的負(fù)電位，因此，對陰離子染料的吸附具有比較大的靜電斥力。而羊毛在酸性水溶液中，由于—NH2吸酸成為—
，其ζ電位將減小，可以用陰離子的酸性染料染色。同理，尼龍也可用陰離子的酸性染料染色。
親水性纖維中的—OH，—NH2等與水分子形成氫鍵，纖維在水中還會發(fā)生溶脹，如表2-5所示。由于親水性纖維在水中吸濕溶脹，在纖維無定形區(qū)中產(chǎn)生曲折而相互連通的、充滿水的孔道，染料分子就是通過這些溶脹的孔道擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部。
表2-5 纖維結(jié)構(gòu)與水吸附力之間的關(guān)系
對于疏水性纖維，由于分子鏈中含有較少的親水性基團(tuán)，而且結(jié)合較緊密，在水中不會發(fā)生吸濕和溶脹。但是，隨著溫度升高，大分子鏈發(fā)生運(yùn)動，產(chǎn)生空穴，水分子會進(jìn)入空穴，減弱分子鏈間的作用力，起到增塑作用，進(jìn)而降低其玻璃化溫度Tg（表2-6）。如滌綸在干態(tài)采用熱溶法染色的溫度為150～220℃，而在水中就可以在130℃染色。當(dāng)然，水的增塑作用是有限的。
表2-6 疏水性纖維的玻璃化溫度
紡織品中含有的水分子有三種狀態(tài)：流動水、化學(xué)結(jié)合水和束縛水。流動水分布在纖維表面或紗線間的空隙內(nèi)，它與外部水一樣，和纖維分子不發(fā)生相互作用，也稱作自由水；化學(xué)結(jié)合水是靠分子間范德瓦耳斯力和氫鍵力與纖維結(jié)合的水，與纖維形成特殊的超分子實(shí)體，對親水性纖維起溶脹作用，對疏水性纖維起增塑作用；束縛水是指親水性纖維溶脹后孔道中的水，其基本性能與流動水和化學(xué)結(jié)合水有明顯不同，不僅不能流動，也不受纖維表面液體流動速度的影響，因?yàn)樗鼈兪芾w維無定形區(qū)分子鏈和孔道壁的束縛作用很大。
紡織品中不同狀態(tài)的水分子對染料上染、水解和未固著染料洗脫有著不同的作用，后面章節(jié)中有論述。