棉纤维结构与理化性能关系分析

连素梅 叶曦雯 罗忻 史建峰 李朋 牛增元

摘要：棉纤维的内部结构非常复杂，它的大分子结构和超分子结构决定了棉纤维具有不同于其他纤维的各种理化性能;棉纤维的性能又是其内在结构的直观外在表现。通过专业理论的学习和检验工作的实践，系统归纳了解棉纤维结构、性能及特性，旨在棉花研究人员运用新技术干预不良因素，培育出适合纺织等各种需求的优良品种，以拓宽棉花的用途，提高棉花检验质量，研制棉花检测新仪器，科学地制定棉花标准，更好地服务棉花经济发展。

关键词：棉纤维;结构;理化性能

中图分类号：S562.092  TS102.2.11  文献标识码：A  文章编号：2095-3143（2018）01-0048-05

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2018.01.011

0  引言

棉花是我国农业生产的主要经济作物，是纺织工业的主要原料，在国民经济中占有重要地位[1-3]。棉纤维的性能是决定纤维的质量和纺织价值的重要因素，而纤维的性能是由纤维内在结构所决定的[4]。只有充分了解了棉纤维结构、性能及特性，才能提高棉花检验质量，更好地研制棉花检测新仪器，科学地制/修定棉花标准，合理使用并开发棉花新品种，进一步拓宽棉花用途新领域、新渠道。因此，作者分析棉纖维结构与理化性能的关系，旨在提升行业内从业人员对这方面知识的掌握，更好地服务棉花经济的发展。

1  大分子结构特性

1.1  具有较高的强度

成熟棉纤维除含少量的多缩戊糖、蜡质、蛋白质、水溶性物质及灰分等（约占6%），其余都是纤维素，也是棉纤维的主要成分，约占总成分的94%以上[5]。纤维素是一种多糖物质，由许许多多的葡萄糖剩基联结而成。它的化学式为C6H10O5，元素组成为碳44.4%、氢6.2%、氧49.4%。分子式为（C6H10O5）n，其中棉纤维的聚合度n为10000～15000，即它是由10000～15000个葡萄糖剩基连成一个大分子。大分子的结构式如下。

由于纤维素的分子很大，分子排列比较紧密，因此棉纤维具有较高的强度。

1.2  具有较强的还原性

纤维素大分子中葡萄糖剩基（不包括两端）上有三个羟基（-OH），其中2、3位碳原子上是两个仲醇羟基（-CHOH），6位碳原子上是一个伯醇羟基（-CH2OH），它们都具有一般醇羟基的特性。在纤维素大分子一端的1位碳原子上多一个羟基，这一羟基的性质与其它醇羟基不同，能产生醛基的性质，即具有较强的还原性[6]。

1.3  具有异向膨化性

棉纤维虽然具有大量的亲水羟基，但它不溶于水，只能小幅膨化，其原因是纤维素分子间存在较强的氢键和范德华力。当棉纤维被水湿润膨化后，水分只能浸入到纤维内部的无定形区，因此无定形区的多少，对纤维的吸水性又很大关系。棉纤维的无定形区约30%，在标准大气状态时的平衡回潮率为7%，而粘胶纤维的无定形区约60%，其平衡回潮率为12%～14%。棉纤维对水的膨化是各向异性的，即沿纤维长度方向膨化伸长很小，仅有1%～2%，而横向膨化很明显，约为40%～45%。由于水是纤维的优良膨化剂，当棉纤维进行染色时，通常采用染料的水溶液，染料分子才能有效渗透到纤维大分子的空隙并与大分子紧密结合，从而形成牢固的染色[6]。

1.4  具有不耐酸和光照的特性

纤维素大分子中通常是葡萄糖剩基以1-4甙键（氧桥）联结而成直线的长链式大分子（线型大分子），在大分子链中，每个葡萄糖剩基对其相邻的剩基翻转180°，这样的联结称为?-型甙键。由于甙键对酸敏感，因此棉纤维不耐酸。当浓酸溅到含棉衣服上，织物强力严重受损，甚至形成一个洞。强无机酸（如硫酸、盐酸、硝酸等）对棉纤维的作用非常强烈，有机酸（如甲酸、乙酸等）对棉纤维的作用明显弱小，一些酸性盐类（如硫酸铝等）的水溶液呈酸性，也能使棉纤维的强力受损变脆。酸对纤维素的水解效果与浓度、温度和时间密切相关。浓度越大、温度越高、时间越长，纤维水解速度越快、越剧烈;浓度越小、温度越低、时间越短，纤维水解速度越慢、越不明显。酸对纤维素的水解作用，主要原因是甙键对酸的敏感。甙键遇水发生断裂，意味着纤维素大分子的主链断裂，聚合度下降，导致纤维强力下降。另外甙键在光照下极不稳定，大分子极易断裂，致使纤维强度下降[3]。

1.5  具有耐碱特性

纤维素大分子中葡萄糖甙键对碱的作用是相当稳定的。研究发现，在常温下使用90 g/L的碱液对棉纤维进行浸泡处理时，不发生任何变化;当浓度高于100 g/L 时，同样是常温下棉纤维就开始横向膨化，纵向收缩，直径变大;当浓度高于170～180 g/L，持续处理0.5～1.5分钟时，纤维横向膨化变形较大，纤维表面丝光明亮，即使脱碱后丝光依然保持，对化学反应的敏感性也增强了。如果在露天环境下，用高温碱液处理棉纤维，空气中的氧气能使纤维素氧化，从而使葡萄糖甙键对断裂，引起聚合度下降，因此在蒸煮棉布时，应隔离空气，以防强力受损。

1.6  具有氧化效应

纤维素的氧化主要发生在葡萄糖基环上的三个羟基上，少数氧化剂发生在大分子末端的醛基上。不同的氧化剂对纤维素的氧化性能不同，有的氧化剂只对纤维大分子中一定位置的基因发生氧化作用，即选择性氧化，如亚氯酸钠只氧化大分子末端的醛基，而对葡萄糖环中的羟基没有作用，大分子中的化学键也不会断裂，所以使用亚氯酸钠漂白不会损伤棉纤维的强力;而次氯酸钠、过氧化氢为非选择性氧化，对纤维素的氧化性能较强且复杂，会导致纤维素大分子化学键的断裂。

1.7  具有较差的柔曲性

大分子单元结构是纤维素双糖（由两个葡萄糖剩基组成），为六环形结构，但六环形并不是对称的，因此纤维素大分子也不是对称的，而是具有方向性的。大分子的每一氧六环的21个原子并不在一个平面上，相邻的两个氧六环的中心也不在一个平面上。由于氧六环之间距离较短，大分子间羟基的作用又较多，故纤维素大分子的柔曲性较差。

1.8  微生物对棉纤维的影响

微生物对棉纤维的侵蚀和影响是非常明显且贯穿始终。棉花在生长过程中饱受微生物和虫类侵害，在储存、加工使用中微生物也极易生长繁殖，分泌的纤维素酶和酸危害极大。在潮湿环境中微生物生长繁殖速度急剧增长，使纤维素发霉、变质、变色。因此，棉纖维及其制品应放置在干燥通风环境中。研究发现，在温度为10℃、相对湿度为50%的环境条件下，即使棉花储存三年，其色泽变化不大;若棉花储存在38℃高温、80%以上高湿环境中，一年后其色泽变化很大，白棉基本都变成点污棉，三年后降低为淡黄染棉甚至黄染棉，尤其是SM以上高品级棉花色泽变化更加突出。因此，微生物的生长繁殖是棉纤维颜色变化的主要因素[7]。

1.9   棉蜡的滑顺作用

棉纤维表面含有一层蜡质，又称棉蜡，是棉纤维生长过程中伴生的不溶于水的脂蜡类物质，它的化学组成主要是碳原子数为24～30的脂肪酸、脂肪醇及其酯的混合物。棉蜡对棉纤维具有保护作用，能适当抑制外界水分侵入，但棉蜡含量过高，则会影响染布环节的纱线着色效果。研究发现，在棉纤维生长过程中，表面的棉蜡含量是动态变化的，随着棉纤维的生长，表面蜡质含量会越来越低，从起初的4.4%到棉纤维成熟时只有0.5%[5]，这部分棉蜡虽然在防水上效果降低了，但适于棉纤维的着色，同时能在纺纱过程中起到润滑作用，使棉纤维具有良好的纺纱性能。

2  超分子结构特性

2.1  取向与结晶特性

由于纤维素大分子的结构比较规整，且每个葡萄糖剩基上有三个羟基，大分子之间形成强烈的氢键，大分子链极易取向和结晶，并结合成基原纤、微原纤、原纤和巨原纤。棉纤维中微原纤之间约有1纳米的缝隙和孔洞，原纤之间约有5～10纳米的缝隙和孔洞，次生胞壁中日轮层间约有100纳米的缝隙和孔洞，因此棉纤维微观内部是一种多孔性的结构。研究证明，陆地棉的取向因子约为0.62，海岛棉的取向因子约为0.72[5]。取向度越高，纤维强度越高，断裂伸长越低。而结晶度是表示纤维中大分子序态的重要参数，与纤维的物理性质密切相关，棉纤维的结晶度约70%，比普通粘胶纤维（40%）高[5]。结晶度越高，纤维强度越高，延伸度越小而脆，吸湿比较困难，染料分子不易进入;结晶度越低，纤维强度越低，延伸度越大，染色性能较好。

由巨原纤排成的“日轮”螺旋方向并不相同，螺旋角度也不相同，通常外层螺旋角大，内层螺旋角小，成熟棉纤维的内层螺旋角在30°以下，平均螺旋角为45°～50°。棉纤维中平均螺旋角越小，纤维中大分子、微原纤、原纤的排列愈平行整齐，取向度和结晶度也愈高，因而纤维强度愈高[8]。

2.2  天然转曲特性

由于棉纤维是以螺旋状巨原纤形态层层沉积，螺旋方向有左旋也有右旋，在一根纤维的长度方向反复改变，因此当棉铃裂开，纤维干涸后，胞壁不均匀收缩产生跷曲和扭转，形成天然转曲，天然转曲一般以单位长度1 cm中扭转180°的个数表示。在纤维鉴别中可依据天然转曲这一特征将棉纤维与其他纤维区别开来。一般成熟正常的棉纤维转曲最多，不成熟的薄壁纤维转曲很少，过成熟纤维转曲也少且外观呈棒状。不同品种的棉花纤维转曲数也有差异，一般长绒棉转曲较多，陆地棉转曲相对较少。在同一根棉纤维上，中段转曲最多，顶端次之，根部最少。棉纤维的转曲较多时，纤维间的抱合力大，有利于纤维的纺纱工艺和成品质量。但沿纤维的长度方向，棉纤维的转曲方向频繁改变，时而左旋时而右旋，这种转曲反向又能导致棉纤维的强度下降。

3  棉纤维的力学性能

3.1  断裂强度和伸长

在外力作用时，棉纤维会产生内应力与变形，且随着外力的增强而增加，增加到一定程度时，纤维将被拉断。断裂强度和断裂伸长是棉纤维力学特性的主要性能指标，与棉花类别、品种、成熟程度及干湿状态密切相关。棉纤维呈干态时，断裂强度一般为3.0～4.9克力/旦，断裂伸长为3%～7%;湿态时断裂强度一般为3.3～6.4克力/旦，断裂伸长为3.3%～7.7%。棉纤维湿干强度比为1︰1.18，湿干断裂伸长比为1︰1.10。随着棉纤维含水量的增多，纤维的断裂强度和断裂伸长率也会增强，因为棉纤维的聚合度非常高，大分子链极长，含水高时，大分子键之间的氢键有所削弱，增强了微原纤之间或大分子之间的滑动能力，反而调整了微原纤和大分子的张力均匀性，从而使受力大分子根数增多，使纤维强度有所提高。然而粘胶纤维却不同，因为粘胶纤维水分含量越高，内部大分子之间结合力越弱，结晶区越松散，则纤维的断裂强度降低，伸长率反而增大。

3.2  初始模量

初始模量是反映纤维在小负荷外力作用下抵抗伸长变形的能力，是纤维刚性的重要指标。初始模量大，则纤维不易变形，刚性较好，其织物比较挺括;初始模量小，则纤维容易延伸，柔性较好，其织物易变形起皱褶。常见纤维的初始模量见表1。

3.3  回弹性能

3.3.1  拉伸弹性

在纺织加工和使用中，纤维在拉力作用下会有一定的伸长，当拉力消除后，纤维的变形有一部分就会恢复，而无法恢复的就是塑性或永久变形部分，通常用拉伸弹性恢复率来表示纤维的弹性。拉伸弹性恢复率高的材料具有较好的弹性，能保持固有的形状，织物不易折皱，使用价值较高。研究证明，棉纤维的伸长率较小，拉伸弹性恢复率较低;羊毛的伸长率较大，拉伸弹性恢复率较高。

3.3.2  受压弹性

在外在压力作用下，纤维块体也会变形，且与拉伸变形相似，压力解除后，纤维块体会逐渐膨胀，但一般不能恢复到原来的体积。通常棉纤维的受压体积恢复率约为38%，因此当打开棉包时，弹性变形瞬间明显表现出来，棉包体积立刻增大。棉花在打包过程中，纤维受到的外力是很复杂的，纤维虽主要受到横向压缩，但同时也会受到纵向拉伸与弯曲的作用。研究证明，棉花打包时，棉包的密度当达到1400 kg/m3时，压力再增加而棉包密度变化很小，此时棉纤维的强力开始下降，当棉包密度等于棉纤维的比重时，棉纤维受到损坏，其强力下降10%，当横向压力等于纵向拉伸强度极限的1/3～2/5时，棉纤维组织就遭受破坏，恢复后的棉纤维在显微镜下可见纵向劈裂的条纹，而且纤维强力下降，长度也略有缩短。因此，在棉花打包过程中应控制原棉打包密度。

3.4  钩接和打结强度

在棉纤维纺纱或使用中，不可能一根根单独存在，而是批量地堆积在一起，纤维之间相互杂乱交叉，造成纖维或纱线之间互相钩接或打结，凡是钩接或打结的地方，就极易产生弯断。通常钩接强度高的纤维比较坚韧耐磨，钩接强度低的纤维脆性大易折断。棉纤维的相对钩接强度为70%、相对打结强度为90%～100%，而粘胶纤维的相对钩接强度只有25%～40%、相对打结强度仅为35%～50%，棉纤维的钩接强度和打结强度明显好于粘胶纤维。

3.5  耐磨性

在纺纱加工过程中，纤维需要经过梳理、牵伸、加捻等环节，这些都会对纤维产生摩擦，包括纤维与纤维、纤维与金属等。研究发现，原棉品级越高，成熟越好，对应织物的耐磨性能就越好，否则原棉品级越低，成熟越差，对应织物的耐磨性能就越差。不同纤维的耐磨性能不同，棉纤维的耐磨性能比羊毛、蚕丝、粘胶纤维、腈纶的耐磨性能好，但比尼龙、涤纶、维纶的耐磨性能低得多。

4  棉纤维的服用性能

4.1  吸湿性好

在标准条件下，棉纤维的吸湿（回潮率）为7%，而合成纤维的回潮率为0.4%～5.0%，因此棉织品（如内衣、运动服）能够随时吸收人体排出的汗液和油脂，也就意味着穿着舒服。

4.2  保暖性好

棉纤维的大分子结构决定了其吸湿积分热（有时称为润湿热）较高，导热系数较低，加之纤维内部还有很多缝隙和孔洞，可以储存大量空气，而空气又是热的不良导体，因此棉纤维具有良好的保暖特性。

4.3  抗熔性好

纺织物在遇到火花等类似热源时，会形成孔洞，纺织材料抵抗熔孔的性能即为抗熔性。通常棉纤维织物受到火星等热的作用时不软化、不熔融，即抗熔性好，而涤纶、尼龙等化纤织物的抗熔性很差，遇火时织物立刻熔融粘结，且严重伤害皮肤。

参考文献

[1] 李树荣，杨旭明，李青，等. 广东口岸 2016 年进口棉花检验情况分析[J]. 棉花科学，2017，39（1）：49-52.

[2] 臧扬，戈磊，彭磊，等. 南通纤检所 2016 年度棉花纤维品质状况与分析[J]. 棉花科学，2017，39（4）：48-51.

[3] 刘永川. 棉花品质仪器化公检数据在纺织配棉中的应用[J]. 棉花科学，2017，39（6）：42-44.

[4] 连素梅，俸冰，李树荣，等. 棉花检验实验室配套设备的研究与应用[J]. 棉花科学，2016，38（6）：69-73.

[5] 国家标准局纤维检验局. 棉花纤维检验学[M]. 北京：中国标准出版社，1984.

[6] 赵瑞海，韩春丽，勾玲，等. 棉纤维超分子结构及与纤维品质的关系[J]. 棉花学报，2005（2）：112-116.

[7] 秦益民，莫岚，朱长俊，等. 棉纤维的功能化及其改性技术研究进展[J]. 纺织学报，2005（4）：153-154.

[8] 张瑞萍. 纤维素酶对棉纤维结构和织物性能的影响[J]. 纺织学报，2005（4）：36-38.