棉纖維結(jié)構(gòu)與理化性能關(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它的大分子結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)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(nèi)在結(jié)構(gòu)的直觀外在表現(xiàn)。通過(guò)專業(yè)理論的學(xué)習(xí)和檢驗(yàn)工作的實(shí)踐，系統(tǒng)歸納了解棉纖維結(jié)構(gòu)、性能及特性，旨在棉花研究人員運(yùn)用新技術(shù)干預(yù)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(yàn)質(zhì)量，研制棉花檢測(cè)新儀器，科學(xué)地制定棉花標(biāo)準(zhǔn)，更好地服務(wù)棉花經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：棉纖維;結(jié)構(gòu);理化性能

中圖分類號(hào)：S562.092 ?TS102.2.11 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：2095-3143（2018）01-0048-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2018.01.011

0 ?引言

棉花是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要經(jīng)濟(jì)作物，是紡織工業(yè)的主要原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[1-3]。棉纖維的性能是決定纖維的質(zhì)量和紡織價(jià)值的重要因素，而纖維的性能是由纖維內(nèi)在結(jié)構(gòu)所決定的[4]。只有充分了解了棉纖維結(jié)構(gòu)、性能及特性，才能提高棉花檢驗(yàn)質(zhì)量，更好地研制棉花檢測(cè)新儀器，科學(xué)地制/修定棉花標(biāo)準(zhǔn)，合理使用并開(kāi)發(fā)棉花新品種，進(jìn)一步拓寬棉花用途新領(lǐng)域、新渠道。因此，作者分析棉纖維結(jié)構(gòu)與理化性能的關(guān)系，旨在提升行業(yè)內(nèi)從業(yè)人員對(duì)這方面知識(shí)的掌握，更好地服務(wù)棉花經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 ?大分子結(jié)構(gòu)特性

1.1 ?具有較高的強(qiáng)度

成熟棉纖維除含少量的多縮戊糖、蠟質(zhì)、蛋白質(zhì)、水溶性物質(zhì)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(zhì)，由許許多多的葡萄糖剩基聯(lián)結(jié)而成。它的化學(xué)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(gè)葡萄糖剩基連成一個(gè)大分子。大分子的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度。

1.2 ?具有較強(qiáng)的還原性

纖維素大分子中葡萄糖剩基（不包括兩端）上有三個(gè)羥基（-OH），其中2、3位碳原子上是兩個(gè)仲醇羥基（-CHOH），6位碳原子上是一個(gè)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(gè)羥基，這一羥基的性質(zhì)與其它醇羥基不同，能產(chǎn)生醛基的性質(zhì)，即具有較強(qiáng)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(qiáng)的氫鍵和范德華力。當(dāng)棉纖維被水濕潤(rùn)膨化后，水分只能浸入到纖維內(nèi)部的無(wú)定形區(qū)，因此無(wú)定形區(qū)的多少，對(duì)纖維的吸水性又很大關(guān)系。棉纖維的無(wú)定形區(qū)約30%，在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)時(shí)的平衡回潮率為7%，而粘膠纖維的無(wú)定形區(qū)約60%，其平衡回潮率為12%～14%。棉纖維對(duì)水的膨化是各向異性的，即沿纖維長(zhǎng)度方向膨化伸長(zhǎng)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(dāng)棉纖維進(jìn)行染色時(shí)，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(jié)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(jié)而成直線的長(zhǎng)鏈?zhǔn)酱蠓肿樱ň€型大分子），在大分子鏈中，每個(gè)葡萄糖剩基對(duì)其相鄰的剩基翻轉(zhuǎn)180°，這樣的聯(lián)結(jié)稱為?-型甙鍵。由于甙鍵對(duì)酸敏感，因此棉纖維不耐酸。當(dāng)濃酸濺到含棉衣服上，織物強(qiáng)力嚴(yán)重受損，甚至形成一個(gè)洞。強(qiáng)無(wú)機(jī)酸（如硫酸、鹽酸、硝酸等）對(duì)棉纖維的作用非常強(qiáng)烈，有機(jī)酸（如甲酸、乙酸等）對(duì)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(qiáng)力受損變脆。酸對(duì)纖維素的水解效果與濃度、溫度和時(shí)間密切相關(guān)。濃度越大、溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，纖維水解速度越快、越劇烈;濃度越小、溫度越低、時(shí)間越短，纖維水解速度越慢、越不明顯。酸對(duì)纖維素的水解作用，主要原因是甙鍵對(duì)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(dǎo)致纖維強(qiáng)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(qiáng)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(duì)堿的作用是相當(dāng)穩(wěn)定的。研究發(fā)現(xiàn)，在常溫下使用90 g/L的堿液對(duì)棉纖維進(jìn)行浸泡處理時(shí)，不發(fā)生任何變化;當(dāng)濃度高于100 g/L 時(shí)，同樣是常溫下棉纖維就開(kāi)始橫向膨化，縱向收縮，直徑變大;當(dāng)濃度高于170～180 g/L，持續(xù)處理0.5～1.5分鐘時(shí)，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(duì)化學(xué)反應(yīng)的敏感性也增強(qiáng)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(duì)斷裂，引起聚合度下降，因此在蒸煮棉布時(shí)，應(yīng)隔離空氣，以防強(qiáng)力受損。

1.6 ?具有氧化效應(yīng)

纖維素的氧化主要發(fā)生在葡萄糖基環(huán)上的三個(gè)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(duì)纖維素的氧化性能不同，有的氧化劑只對(duì)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(duì)葡萄糖環(huán)中的羥基沒(méi)有作用，大分子中的化學(xué)鍵也不會(huì)斷裂，所以使用亞氯酸鈉漂白不會(huì)損傷棉纖維的強(qiáng)力;而次氯酸鈉、過(guò)氧化氫為非選擇性氧化，對(duì)纖維素的氧化性能較強(qiáng)且復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致纖維素大分子化學(xué)鍵的斷裂。

1.7 ?具有較差的柔曲性

大分子單元結(jié)構(gòu)是纖維素雙糖（由兩個(gè)葡萄糖剩基組成），為六環(huán)形結(jié)構(gòu)，但六環(huán)形并不是對(duì)稱的，因此纖維素大分子也不是對(duì)稱的，而是具有方向性的。大分子的每一氧六環(huán)的21個(gè)原子并不在一個(gè)平面上，相鄰的兩個(gè)氧六環(huán)的中心也不在一個(gè)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(duì)棉纖維的影響

微生物對(duì)棉纖維的侵蝕和影響是非常明顯且貫穿始終。棉花在生長(zhǎng)過(guò)程中飽受微生物和蟲(chóng)類侵害，在儲(chǔ)存、加工使用中微生物也極易生長(zhǎng)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(zhǎng)繁殖速度急劇增長(zhǎng)，使纖維素發(fā)霉、變質(zhì)、變色。因此，棉纖維及其制品應(yīng)放置在干燥通風(fēng)環(huán)境中。研究發(fā)現(xiàn)，在溫度為10℃、相對(duì)濕度為50%的環(huán)境條件下，即使棉花儲(chǔ)存三年，其色澤變化不大;若棉花儲(chǔ)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(diǎn)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(jí)棉花色澤變化更加突出。因此，微生物的生長(zhǎng)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(zhì)，又稱棉蠟，是棉纖維生長(zhǎng)過(guò)程中伴生的不溶于水的脂蠟類物質(zhì)，它的化學(xué)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(duì)棉纖維具有保護(hù)作用，能適當(dāng)抑制外界水分侵入，但棉蠟含量過(guò)高，則會(huì)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(zhǎng)過(guò)程中，表面的棉蠟含量是動(dòng)態(tài)變化的，隨著棉纖維的生長(zhǎng)，表面蠟質(zhì)含量會(huì)越來(lái)越低，從起初的4.4%到棉纖維成熟時(shí)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(shí)能在紡紗過(guò)程中起到潤(rùn)滑作用，使棉纖維具有良好的紡紗性能。

2 ?超分子結(jié)構(gòu)特性

2.1 ?取向與結(jié)晶特性

由于纖維素大分子的結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，且每個(gè)葡萄糖剩基上有三個(gè)羥基，大分子之間形成強(qiáng)烈的氫鍵，大分子鏈極易取向和結(jié)晶，并結(jié)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(nèi)部是一種多孔性的結(jié)構(gòu)。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(qiáng)度越高，斷裂伸長(zhǎng)越低。而結(jié)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(zhì)密切相關(guān)，棉纖維的結(jié)晶度約70%，比普通粘膠纖維（40%）高[5]。結(jié)晶度越高，纖維強(qiáng)度越高，延伸度越小而脆，吸濕比較困難，染料分子不易進(jìn)入;結(jié)晶度越低，纖維強(qiáng)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(nèi)層螺旋角小，成熟棉纖維的內(nèi)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(jié)晶度也愈高，因而纖維強(qiáng)度愈高[8]。

2.2 ?天然轉(zhuǎn)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(zhǎng)度方向反復(fù)改變，因此當(dāng)棉鈴裂開(kāi)，纖維干涸后，胞壁不均勻收縮產(chǎn)生蹺曲和扭轉(zhuǎn)，形成天然轉(zhuǎn)曲，天然轉(zhuǎn)曲一般以單位長(zhǎng)度1 cm中扭轉(zhuǎn)180°的個(gè)數(shù)表示。在纖維鑒別中可依據(jù)天然轉(zhuǎn)曲這一特征將棉纖維與其他纖維區(qū)別開(kāi)來(lái)。一般成熟正常的棉纖維轉(zhuǎn)曲最多，不成熟的薄壁纖維轉(zhuǎn)曲很少，過(guò)成熟纖維轉(zhuǎn)曲也少且外觀呈棒狀。不同品種的棉花纖維轉(zhuǎn)曲數(shù)也有差異，一般長(zhǎng)絨棉轉(zhuǎn)曲較多，陸地棉轉(zhuǎn)曲相對(duì)較少。在同一根棉纖維上，中段轉(zhuǎn)曲最多，頂端次之，根部最少。棉纖維的轉(zhuǎn)曲較多時(shí)，纖維間的抱合力大，有利于纖維的紡紗工藝和成品質(zhì)量。但沿纖維的長(zhǎng)度方向，棉纖維的轉(zhuǎn)曲方向頻繁改變，時(shí)而左旋時(shí)而右旋，這種轉(zhuǎn)曲反向又能導(dǎo)致棉纖維的強(qiáng)度下降。

3 ?棉纖維的力學(xué)性能

3.1 ?斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)

在外力作用時(shí)，棉纖維會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力與變形，且隨著外力的增強(qiáng)而增加，增加到一定程度時(shí)，纖維將被拉斷。斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)是棉纖維力學(xué)特性的主要性能指標(biāo)，與棉花類別、品種、成熟程度及干濕狀態(tài)密切相關(guān)。棉纖維呈干態(tài)時(shí)，斷裂強(qiáng)度一般為3.0～4.9克力/旦，斷裂伸長(zhǎng)為3%～7%;濕態(tài)時(shí)斷裂強(qiáng)度一般為3.3～6.4克力/旦，斷裂伸長(zhǎng)為3.3%～7.7%。棉纖維濕干強(qiáng)度比為1︰1.18，濕干斷裂伸長(zhǎng)比為1︰1.10。隨著棉纖維含水量的增多，纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率也會(huì)增強(qiáng)，因?yàn)槊蘩w維的聚合度非常高，大分子鏈極長(zhǎng)，含水高時(shí)，大分子鍵之間的氫鍵有所削弱，增強(qiáng)了微原纖之間或大分子之間的滑動(dòng)能力，反而調(diào)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(qiáng)度有所提高。然而粘膠纖維卻不同，因?yàn)檎衬z纖維水分含量越高，內(nèi)部大分子之間結(jié)合力越弱，結(jié)晶區(qū)越松散，則纖維的斷裂強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率反而增大。

3.2 ?初始模量

初始模量是反映纖維在小負(fù)荷外力作用下抵抗伸長(zhǎng)變形的能力，是纖維剛性的重要指標(biāo)。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(jiàn)纖維的初始模量見(jiàn)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(huì)有一定的伸長(zhǎng)，當(dāng)拉力消除后，纖維的變形有一部分就會(huì)恢復(fù)，而無(wú)法恢復(fù)的就是塑性或永久變形部分，通常用拉伸彈性恢復(fù)率來(lái)表示纖維的彈性。拉伸彈性恢復(fù)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(jià)值較高。研究證明，棉纖維的伸長(zhǎng)率較小，拉伸彈性恢復(fù)率較低;羊毛的伸長(zhǎng)率較大，拉伸彈性恢復(fù)率較高。

3.3.2 ?受壓彈性

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

3.4 ?鉤接和打結(jié)強(qiáng)度

在棉纖維紡紗或使用中，不可能一根根單獨(dú)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(jié)，凡是鉤接或打結(jié)的地方，就極易產(chǎn)生彎斷。通常鉤接強(qiáng)度高的纖維比較堅(jiān)韌耐磨，鉤接強(qiáng)度低的纖維脆性大易折斷。棉纖維的相對(duì)鉤接強(qiáng)度為70%、相對(duì)打結(jié)強(qiáng)度為90%～100%，而粘膠纖維的相對(duì)鉤接強(qiáng)度只有25%～40%、相對(duì)打結(jié)強(qiáng)度僅為35%～50%，棉纖維的鉤接強(qiáng)度和打結(jié)強(qiáng)度明顯好于粘膠纖維。

3.5 ?耐磨性

在紡紗加工過(guò)程中，纖維需要經(jīng)過(guò)梳理、牽伸、加捻等環(huán)節(jié)，這些都會(huì)對(duì)纖維產(chǎn)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(jí)越高，成熟越好，對(duì)應(yīng)織物的耐磨性能就越好，否則原棉品級(jí)越低，成熟越差，對(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)衣、運(yùn)動(dòng)服）能夠隨時(shí)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(jié)構(gòu)決定了其吸濕積分熱（有時(shí)稱為潤(rùn)濕熱）較高，導(dǎo)熱系數(shù)較低，加之纖維內(nèi)部還有很多縫隙和孔洞，可以儲(chǔ)存大量空氣，而空氣又是熱的不良導(dǎo)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(shí)，會(huì)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(shí)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(shí)織物立刻熔融粘結(jié)，且嚴(yán)重傷害皮膚。

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