棉纖維結構與理化性能關系分析

連素梅 葉曦雯 羅忻 史建峰 李朋 牛增元

摘要：棉纖維的內部結構非常復雜，它的大分子結構和超分子結構決定了棉纖維具有不同于其他纖維的各種理化性能;棉纖維的性能又是其內在結構的直觀外在表現(xiàn)。通過專業(yè)理論的學習和檢驗工作的實踐，系統(tǒng)歸納了解棉纖維結構、性能及特性，旨在棉花研究人員運用新技術干預不良因素，培育出適合紡織等各種需求的優(yōu)良品種，以拓寬棉花的用途，提高棉花檢驗質量，研制棉花檢測新儀器，科學地制定棉花標準，更好地服務棉花經濟發(fā)展。

關鍵詞：棉纖維;結構;理化性能

中圖分類號：S562.092 ?TS102.2.11 ?文獻標識碼：A ?文章編號：2095-3143（2018）01-0048-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2018.01.011

0 ?引言

棉花是我國農業(yè)生產的主要經濟作物，是紡織工業(yè)的主要原料，在國民經濟中占有重要地位[1-3]。棉纖維的性能是決定纖維的質量和紡織價值的重要因素，而纖維的性能是由纖維內在結構所決定的[4]。只有充分了解了棉纖維結構、性能及特性，才能提高棉花檢驗質量，更好地研制棉花檢測新儀器，科學地制/修定棉花標準，合理使用并開發(fā)棉花新品種，進一步拓寬棉花用途新領域、新渠道。因此，作者分析棉纖維結構與理化性能的關系，旨在提升行業(yè)內從業(yè)人員對這方面知識的掌握，更好地服務棉花經濟的發(fā)展。

1 ?大分子結構特性

1.1 ?具有較高的強度

成熟棉纖維除含少量的多縮戊糖、蠟質、蛋白質、水溶性物質及灰分等（約占6%），其余都是纖維素，也是棉纖維的主要成分，約占總成分的94%以上[5]。纖維素是一種多糖物質，由許許多多的葡萄糖?；?lián)結而成。它的化學式為C6H10O5，元素組成為碳44.4%、氫6.2%、氧49.4%。分子式為（C6H10O5）n，其中棉纖維的聚合度n為10000～15000，即它是由10000～15000個葡萄糖剩基連成一個大分子。大分子的結構式如下。

由于纖維素的分子很大，分子排列比較緊密，因此棉纖維具有較高的強度。

1.2 ?具有較強的還原性

纖維素大分子中葡萄糖?；ú话▋啥耍┥嫌腥齻€羥基（-OH），其中2、3位碳原子上是兩個仲醇羥基（-CHOH），6位碳原子上是一個伯醇羥基（-CH2OH），它們都具有一般醇羥基的特性。在纖維素大分子一端的1位碳原子上多一個羥基，這一羥基的性質與其它醇羥基不同，能產生醛基的性質，即具有較強的還原性[6]。

1.3 ?具有異向膨化性

棉纖維雖然具有大量的親水羥基，但它不溶于水，只能小幅膨化，其原因是纖維素分子間存在較強的氫鍵和范德華力。當棉纖維被水濕潤膨化后，水分只能浸入到纖維內部的無定形區(qū)，因此無定形區(qū)的多少，對纖維的吸水性又很大關系。棉纖維的無定形區(qū)約30%，在標準大氣狀態(tài)時的平衡回潮率為7%，而粘膠纖維的無定形區(qū)約60%，其平衡回潮率為12%～14%。棉纖維對水的膨化是各向異性的，即沿纖維長度方向膨化伸長很小，僅有1%～2%，而橫向膨化很明顯，約為40%～45%。由于水是纖維的優(yōu)良膨化劑，當棉纖維進行染色時，通常采用染料的水溶液，染料分子才能有效滲透到纖維大分子的空隙并與大分子緊密結合，從而形成牢固的染色[6]。

1.4 ?具有不耐酸和光照的特性

纖維素大分子中通常是葡萄糖剩基以1-4甙鍵（氧橋）聯(lián)結而成直線的長鏈式大分子（線型大分子），在大分子鏈中，每個葡萄糖?；鶎ζ湎噜彽氖；D180°，這樣的聯(lián)結稱為?-型甙鍵。由于甙鍵對酸敏感，因此棉纖維不耐酸。當濃酸濺到含棉衣服上，織物強力嚴重受損，甚至形成一個洞。強無機酸（如硫酸、鹽酸、硝酸等）對棉纖維的作用非常強烈，有機酸（如甲酸、乙酸等）對棉纖維的作用明顯弱小，一些酸性鹽類（如硫酸鋁等）的水溶液呈酸性，也能使棉纖維的強力受損變脆。酸對纖維素的水解效果與濃度、溫度和時間密切相關。濃度越大、溫度越高、時間越長，纖維水解速度越快、越劇烈;濃度越小、溫度越低、時間越短，纖維水解速度越慢、越不明顯。酸對纖維素的水解作用，主要原因是甙鍵對酸的敏感。甙鍵遇水發(fā)生斷裂，意味著纖維素大分子的主鏈斷裂，聚合度下降，導致纖維強力下降。另外甙鍵在光照下極不穩(wěn)定，大分子極易斷裂，致使纖維強度下降[3]。

1.5 ?具有耐堿特性

纖維素大分子中葡萄糖甙鍵對堿的作用是相當穩(wěn)定的。研究發(fā)現(xiàn)，在常溫下使用90 g/L的堿液對棉纖維進行浸泡處理時，不發(fā)生任何變化;當濃度高于100 g/L 時，同樣是常溫下棉纖維就開始橫向膨化，縱向收縮，直徑變大;當濃度高于170～180 g/L，持續(xù)處理0.5～1.5分鐘時，纖維橫向膨化變形較大，纖維表面絲光明亮，即使脫堿后絲光依然保持，對化學反應的敏感性也增強了。如果在露天環(huán)境下，用高溫堿液處理棉纖維，空氣中的氧氣能使纖維素氧化，從而使葡萄糖甙鍵對斷裂，引起聚合度下降，因此在蒸煮棉布時，應隔離空氣，以防強力受損。

1.6 ?具有氧化效應

纖維素的氧化主要發(fā)生在葡萄糖基環(huán)上的三個羥基上，少數(shù)氧化劑發(fā)生在大分子末端的醛基上。不同的氧化劑對纖維素的氧化性能不同，有的氧化劑只對纖維大分子中一定位置的基因發(fā)生氧化作用，即選擇性氧化，如亞氯酸鈉只氧化大分子末端的醛基，而對葡萄糖環(huán)中的羥基沒有作用，大分子中的化學鍵也不會斷裂，所以使用亞氯酸鈉漂白不會損傷棉纖維的強力;而次氯酸鈉、過氧化氫為非選擇性氧化，對纖維素的氧化性能較強且復雜，會導致纖維素大分子化學鍵的斷裂。

1.7 ?具有較差的柔曲性

大分子單元結構是纖維素雙糖（由兩個葡萄糖?；M成），為六環(huán)形結構，但六環(huán)形并不是對稱的，因此纖維素大分子也不是對稱的，而是具有方向性的。大分子的每一氧六環(huán)的21個原子并不在一個平面上，相鄰的兩個氧六環(huán)的中心也不在一個平面上。由于氧六環(huán)之間距離較短，大分子間羥基的作用又較多，故纖維素大分子的柔曲性較差。

1.8 ?微生物對棉纖維的影響

微生物對棉纖維的侵蝕和影響是非常明顯且貫穿始終。棉花在生長過程中飽受微生物和蟲類侵害，在儲存、加工使用中微生物也極易生長繁殖，分泌的纖維素酶和酸危害極大。在潮濕環(huán)境中微生物生長繁殖速度急劇增長，使纖維素發(fā)霉、變質、變色。因此，棉纖維及其制品應放置在干燥通風環(huán)境中。研究發(fā)現(xiàn)，在溫度為10℃、相對濕度為50%的環(huán)境條件下，即使棉花儲存三年，其色澤變化不大;若棉花儲存在38℃高溫、80%以上高濕環(huán)境中，一年后其色澤變化很大，白棉基本都變成點污棉，三年后降低為淡黃染棉甚至黃染棉，尤其是SM以上高品級棉花色澤變化更加突出。因此，微生物的生長繁殖是棉纖維顏色變化的主要因素[7]。

1.9 ? 棉蠟的滑順作用

棉纖維表面含有一層蠟質，又稱棉蠟，是棉纖維生長過程中伴生的不溶于水的脂蠟類物質，它的化學組成主要是碳原子數(shù)為24～30的脂肪酸、脂肪醇及其酯的混合物。棉蠟對棉纖維具有保護作用，能適當抑制外界水分侵入，但棉蠟含量過高，則會影響染布環(huán)節(jié)的紗線著色效果。研究發(fā)現(xiàn)，在棉纖維生長過程中，表面的棉蠟含量是動態(tài)變化的，隨著棉纖維的生長，表面蠟質含量會越來越低，從起初的4.4%到棉纖維成熟時只有0.5%[5]，這部分棉蠟雖然在防水上效果降低了，但適于棉纖維的著色，同時能在紡紗過程中起到潤滑作用，使棉纖維具有良好的紡紗性能。

2 ?超分子結構特性

2.1 ?取向與結晶特性

由于纖維素大分子的結構比較規(guī)整，且每個葡萄糖剩基上有三個羥基，大分子之間形成強烈的氫鍵，大分子鏈極易取向和結晶，并結合成基原纖、微原纖、原纖和巨原纖。棉纖維中微原纖之間約有1納米的縫隙和孔洞，原纖之間約有5～10納米的縫隙和孔洞，次生胞壁中日輪層間約有100納米的縫隙和孔洞，因此棉纖維微觀內部是一種多孔性的結構。研究證明，陸地棉的取向因子約為0.62，海島棉的取向因子約為0.72[5]。取向度越高，纖維強度越高，斷裂伸長越低。而結晶度是表示纖維中大分子序態(tài)的重要參數(shù)，與纖維的物理性質密切相關，棉纖維的結晶度約70%，比普通粘膠纖維（40%）高[5]。結晶度越高，纖維強度越高，延伸度越小而脆，吸濕比較困難，染料分子不易進入;結晶度越低，纖維強度越低，延伸度越大，染色性能較好。

由巨原纖排成的“日輪”螺旋方向并不相同，螺旋角度也不相同，通常外層螺旋角大，內層螺旋角小，成熟棉纖維的內層螺旋角在30°以下，平均螺旋角為45°～50°。棉纖維中平均螺旋角越小，纖維中大分子、微原纖、原纖的排列愈平行整齊，取向度和結晶度也愈高，因而纖維強度愈高[8]。

2.2 ?天然轉曲特性

由于棉纖維是以螺旋狀巨原纖形態(tài)層層沉積，螺旋方向有左旋也有右旋，在一根纖維的長度方向反復改變，因此當棉鈴裂開，纖維干涸后，胞壁不均勻收縮產生蹺曲和扭轉，形成天然轉曲，天然轉曲一般以單位長度1 cm中扭轉180°的個數(shù)表示。在纖維鑒別中可依據天然轉曲這一特征將棉纖維與其他纖維區(qū)別開來。一般成熟正常的棉纖維轉曲最多，不成熟的薄壁纖維轉曲很少，過成熟纖維轉曲也少且外觀呈棒狀。不同品種的棉花纖維轉曲數(shù)也有差異，一般長絨棉轉曲較多，陸地棉轉曲相對較少。在同一根棉纖維上，中段轉曲最多，頂端次之，根部最少。棉纖維的轉曲較多時，纖維間的抱合力大，有利于纖維的紡紗工藝和成品質量。但沿纖維的長度方向，棉纖維的轉曲方向頻繁改變，時而左旋時而右旋，這種轉曲反向又能導致棉纖維的強度下降。

3 ?棉纖維的力學性能

3.1 ?斷裂強度和伸長

在外力作用時，棉纖維會產生內應力與變形，且隨著外力的增強而增加，增加到一定程度時，纖維將被拉斷。斷裂強度和斷裂伸長是棉纖維力學特性的主要性能指標，與棉花類別、品種、成熟程度及干濕狀態(tài)密切相關。棉纖維呈干態(tài)時，斷裂強度一般為3.0～4.9克力/旦，斷裂伸長為3%～7%;濕態(tài)時斷裂強度一般為3.3～6.4克力/旦，斷裂伸長為3.3%～7.7%。棉纖維濕干強度比為1︰1.18，濕干斷裂伸長比為1︰1.10。隨著棉纖維含水量的增多，纖維的斷裂強度和斷裂伸長率也會增強，因為棉纖維的聚合度非常高，大分子鏈極長，含水高時，大分子鍵之間的氫鍵有所削弱，增強了微原纖之間或大分子之間的滑動能力，反而調整了微原纖和大分子的張力均勻性，從而使受力大分子根數(shù)增多，使纖維強度有所提高。然而粘膠纖維卻不同，因為粘膠纖維水分含量越高，內部大分子之間結合力越弱，結晶區(qū)越松散，則纖維的斷裂強度降低，伸長率反而增大。

3.2 ?初始模量

初始模量是反映纖維在小負荷外力作用下抵抗伸長變形的能力，是纖維剛性的重要指標。初始模量大，則纖維不易變形，剛性較好，其織物比較挺括;初始模量小，則纖維容易延伸，柔性較好，其織物易變形起皺褶。常見纖維的初始模量見表1。

3.3 ?回彈性能

3.3.1 ?拉伸彈性

在紡織加工和使用中，纖維在拉力作用下會有一定的伸長，當拉力消除后，纖維的變形有一部分就會恢復，而無法恢復的就是塑性或永久變形部分，通常用拉伸彈性恢復率來表示纖維的彈性。拉伸彈性恢復率高的材料具有較好的彈性，能保持固有的形狀，織物不易折皺，使用價值較高。研究證明，棉纖維的伸長率較小，拉伸彈性恢復率較低;羊毛的伸長率較大，拉伸彈性恢復率較高。

3.3.2 ?受壓彈性

在外在壓力作用下，纖維塊體也會變形，且與拉伸變形相似，壓力解除后，纖維塊體會逐漸膨脹，但一般不能恢復到原來的體積。通常棉纖維的受壓體積恢復率約為38%，因此當打開棉包時，彈性變形瞬間明顯表現(xiàn)出來，棉包體積立刻增大。棉花在打包過程中，纖維受到的外力是很復雜的，纖維雖主要受到橫向壓縮，但同時也會受到縱向拉伸與彎曲的作用。研究證明，棉花打包時，棉包的密度當達到1400 kg/m3時，壓力再增加而棉包密度變化很小，此時棉纖維的強力開始下降，當棉包密度等于棉纖維的比重時，棉纖維受到損壞，其強力下降10%，當橫向壓力等于縱向拉伸強度極限的1/3～2/5時，棉纖維組織就遭受破壞，恢復后的棉纖維在顯微鏡下可見縱向劈裂的條紋，而且纖維強力下降，長度也略有縮短。因此，在棉花打包過程中應控制原棉打包密度。

3.4 ?鉤接和打結強度

在棉纖維紡紗或使用中，不可能一根根單獨存在，而是批量地堆積在一起，纖維之間相互雜亂交叉，造成纖維或紗線之間互相鉤接或打結，凡是鉤接或打結的地方，就極易產生彎斷。通常鉤接強度高的纖維比較堅韌耐磨，鉤接強度低的纖維脆性大易折斷。棉纖維的相對鉤接強度為70%、相對打結強度為90%～100%，而粘膠纖維的相對鉤接強度只有25%～40%、相對打結強度僅為35%～50%，棉纖維的鉤接強度和打結強度明顯好于粘膠纖維。

3.5 ?耐磨性

在紡紗加工過程中，纖維需要經過梳理、牽伸、加捻等環(huán)節(jié)，這些都會對纖維產生摩擦，包括纖維與纖維、纖維與金屬等。研究發(fā)現(xiàn)，原棉品級越高，成熟越好，對應織物的耐磨性能就越好，否則原棉品級越低，成熟越差，對應織物的耐磨性能就越差。不同纖維的耐磨性能不同，棉纖維的耐磨性能比羊毛、蠶絲、粘膠纖維、腈綸的耐磨性能好，但比尼龍、滌綸、維綸的耐磨性能低得多。

4 ?棉纖維的服用性能

4.1 ?吸濕性好

在標準條件下，棉纖維的吸濕（回潮率）為7%，而合成纖維的回潮率為0.4%～5.0%，因此棉織品（如內衣、運動服）能夠隨時吸收人體排出的汗液和油脂，也就意味著穿著舒服。

4.2 ?保暖性好

棉纖維的大分子結構決定了其吸濕積分熱（有時稱為潤濕熱）較高，導熱系數(shù)較低，加之纖維內部還有很多縫隙和孔洞，可以儲存大量空氣，而空氣又是熱的不良導體，因此棉纖維具有良好的保暖特性。

4.3 ?抗熔性好

紡織物在遇到火花等類似熱源時，會形成孔洞，紡織材料抵抗熔孔的性能即為抗熔性。通常棉纖維織物受到火星等熱的作用時不軟化、不熔融，即抗熔性好，而滌綸、尼龍等化纖織物的抗熔性很差，遇火時織物立刻熔融粘結，且嚴重傷害皮膚。

參考文獻

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