棉纤维微观结构及与纤维性能的关系

　　棉纤维的物理性能是由纤维内在结构所决定，同时物理性能又决定了它的可纺性和使用价值，棉纤维的物理性能是自然形成的，它与纤维的生长发育过程和主要构成物质的形成过程紧密相联。可以说，棉纤维的生长发育过程既是纤维物质的形成过程，也是纤维物理特性的形成过程，纤维所具有的物理性能是生长发育、形成特点、结构特性的外在表现。要把握棉纤维的吸湿性能、力学性能、热学性能、光学性能以及棉纺织品的使用性等特点，必须了解和把握棉纤维的生长发育过程、形成特点、物质组成、形态特征和结构特性等。以下从棉纤维生长发育过程，主要是纤维微观结构的形成过程，分析纤维的部分物理性能。

　　1棉纤维微观结构的形成过程

　　棉纤维是由棉花胚珠表皮层的单细胞分化发育而成，按其形成和发育过程，棉纤维的分化和发育可分为四个时期：即纤维原始细胞分化和突起期、纤维的伸长期、纤维次生层的增厚期和纤维脱水成熟期。纤维原始细胞的分化，是指胚珠表皮细胞分化形成纤维原始细胞的过程，纤维细胞开始分化的时间通常在形态学上难以确定，因为在细胞形态发生变化之前，细胞内部已经发生一系列变化，一般在开花前三天到开花之日，纤维原始细胞已经分化形成，在授粉的刺激下，纤维细胞继续发育形成。分化后形成长纤维的原始细胞扩展为球状或半球状突起，纤维细胞分化的早晚，直接影响胚珠上成熟纤维的长度，早期分化的纤维形成长纤维，而三天后分化的纤维则成为棉短绒，纤维细胞在开花当天开始伸长，一般需要24天至32天，在这其中开花后10天纤维伸长最快。纤维的伸长可分为非极性膨胀和极性伸长两个阶段，在非极性膨胀期间，纤维细胞非极性的向四周扩展，直到纤维的最终直径形成。这一发育阶段决定了纤维的细度，纤维细胞次生层的沉积持续到开花后40天至50天，纤维素在细胞壁内淀积纤维伸长和增厚过程分别由初生层的增厚两个不同系统控制，但是他们不是截然分开的，在纤维伸长的同时，纤维素就沿着整个纤维开始均匀的淀积。纤维素在细胞壁内淀积正常情况下每天一层，使纤维横断面呈层叠的环状，称为日环。

　　棉纤维的主要组成物质是纤维素，其余为纤维素伴生物。棉纤维中纤维素及其伴生物的含量取决于棉纤维的成熟程度。正常成熟的棉纤维其纤维素的含量约占棉纤维总重的94%左右，伴生物含量较少。棉纤维的初生层由30%的纤维素和中性，酸性多糖等构成，与棉纤维的表面性质密切相关。棉纤维细胞的次生层主要成分是纤维素，含量约为90%至95%，决定了棉纤维的主要物理机械性质。纤维素是天然高分子化合物，是一种多糖物质，每一个纤维素大分子是由n个葡萄糖剩基链结形成。纤维素大分子的排列一般存在两种状态，即某些局部区域呈结晶态的结晶区，一些区域呈非晶态的非晶区结晶区。结晶区中纤维大分子有规律的整齐排列，比较整齐密实，缝隙孔洞少，分子之间互相接近的各个基团的结合力互相饱和。同理，纤维中大分子不呈结晶态那样规则整齐排列的区域都叫非晶区，其中大分子排列比较紊乱，堆砌比较疏松，其中有比较多的缝隙与孔洞，密度较低，联系力量小，没有完全饱和。在一根纤维中，同时存在着结晶区和非晶区，结晶部分占整根纤维的百分比称为结晶度，棉纤维的结晶度约为70%。结晶度较高时纤维的吸湿较困难，强度较高，形变较小，结晶度较低时易于吸湿，易于染色，并表现出强度较低，形变较大。

　　棉纤维生长发育过程后期，棉铃裂开，吐絮后，纤维失去水分，使纤维发生天然扭曲，天然扭曲是棉纤维所特有的纵向形态特征。每根棉纤维扭曲的多少，因螺旋角大小和次生层的厚度而不同，成熟度越好的纤维，其细胞壁越厚，扭曲越多。由于棉纤维的主要成分是纤维素，纤维素在管状细胞壁内的沉积随着生长期的延长而逐渐停止，最后形成中腔。同时棉纤维细胞壁沉积时，纤维素以螺旋状原纤形态层层分布，并且螺旋方向时左时右，所以在纤维吐絮干涸收缩时，细胞壁发生时左时右的螺旋状扭曲，形成不规则的天然扭曲。因此棉纤维天然具有的特殊结构，决定了其具有独特的物理特征。

　　2棉纤维微观结构与吸湿性能的关系

　　棉纤维从微观结构上看是一种多孔性物质，同时纤维素大分子上存在很多的游离亲水基团，可以从潮湿的空气中吸收水分和向干燥的空气中放出水分，这种现象成为棉纤维的吸湿性。棉纤维的吸湿性是比较复杂的物理特征，主要有四个方面的因素决定。

　　(1)亲水集团

　　棉纤维的主要成分是纤维素。纤维素大分子上有大量的亲水集团，对水分子有相当的亲和力，所以棉纤维生长发育过程中，分子结构中的亲水基团越多，棉纤维的吸湿能力就越大。

　　(2)分子排列

　　棉纤维中纤维素分子链相互排列不匀，存在着结晶区和非晶区，在结晶区中，纤维素分子链排列整齐，水分子不易进入。在非结晶区中，纤维素分子链排列紊乱，是一种松弛的网状结构，大多数亲水基团都向水分子开放，水分子很容易进入，所以棉纤维的吸湿主要发生在非晶区。因此棉纤维的结晶度越低，吸湿能力越强。

　　(3)表面吸附

　　棉纤维暴露在大气中，就会在纤维表面吸附一定量的水汽和其他气体，这种现象称为表面吸附。表面吸附能力的大小与棉纤维比表体积有一定的关系。单位体积的棉纤维所具有的表面体积，叫做棉纤维的比表体积。棉纤维越细，棉纤维中缝隙孔洞越多，比表体积越大，吸湿性也越大。

　　(4)纤维素伴生物

　　棉纤维主要成分除了纤维素以外，还有少量的果胶，蛋白质，多缩戊糖,脂肪和蜡质，以及某些无机盐类等伴生物。脂肪和蜡质是疏水物质，能保护棉纤维不易受潮。果胶，蛋白质，多缩戊糖，以及无机盐类都是亲水物质，能使棉纤维的吸湿性增强。

　　棉纤维在吸湿后，会出现重量增加，密度先增大后减小，强伸度增加，导电性能增强，纤维体积膨胀现象。不成熟的棉纤维与成熟好的棉纤维相比，非晶区所占的比例较大，自由亲水基团较多，纤维较细，比表体积大这些都有利于纤维的吸湿，通常在同样条件下，不成熟的低等级棉花具有更强的吸湿性。因此合理的利用和调整棉纤维的吸湿性，在籽棉加工，纤维性能测试以及纺织生产等过程中具有十分重要的作用。