棉纖維微觀結構及與纖維性能的關系

　　棉纖維的物理性能是由纖維內在結構所決定，同時物理性能又決定了它的可紡性和使用價值，棉纖維的物理性能是自然形成的，它與纖維的生長發育過程和主要構成物質的形成過程緊密相聯。可以說，棉纖維的生長發育過程既是纖維物質的形成過程，也是纖維物理特性的形成過程，纖維所具有的物理性能是生長發育、形成特點、結構特性的外在表現。要把握棉纖維的吸濕性能、力學性能、熱學性能、光學性能以及棉紡織品的使用性等特點，必須了解和把握棉纖維的生長發育過程、形成特點、物質組成、形態特征和結構特性等。以下從棉纖維生長發育過程，主要是纖維微觀結構的形成過程，分析纖維的部分物理性能。

　　1棉纖維微觀結構的形成過程

　　棉纖維是由棉花胚珠表皮層的單細胞分化發育而成，按其形成和發育過程，棉纖維的分化和發育可分為四個時期：即纖維原始細胞分化和突起期、纖維的伸長期、纖維次生層的增厚期和纖維脫水成熟期。纖維原始細胞的分化，是指胚珠表皮細胞分化形成纖維原始細胞的過程，纖維細胞開始分化的時間通常在形態學上難以確定，因為在細胞形態發生變化之前，細胞內部已經發生一系列變化，一般在開花前三天到開花之日，纖維原始細胞已經分化形成，在授粉的刺激下，纖維細胞繼續發育形成。分化后形成長纖維的原始細胞擴展為球狀或半球狀突起，纖維細胞分化的早晚，直接影響胚珠上成熟纖維的長度，早期分化的纖維形成長纖維，而三天后分化的纖維則成為棉短絨，纖維細胞在開花當天開始伸長，一般需要24天至32天，在這其中開花后10天纖維伸長最快。纖維的伸長可分為非極性膨脹和極性伸長兩個階段，在非極性膨脹期間，纖維細胞非極性的向四周擴展，直到纖維的最終直徑形成。這一發育階段決定了纖維的細度，纖維細胞次生層的沉積持續到開花后40天至50天，纖維素在細胞壁內淀積纖維伸長和增厚過程分別由初生層的增厚兩個不同系統控制，但是他們不是截然分開的，在纖維伸長的同時，纖維素就沿著整個纖維開始均勻的淀積。纖維素在細胞壁內淀積正常情況下每天一層，使纖維橫斷面呈層疊的環狀，稱為日環。

　　棉纖維的主要組成物質是纖維素，其余為纖維素伴生物。棉纖維中纖維素及其伴生物的含量取決于棉纖維的成熟程度。正常成熟的棉纖維其纖維素的含量約占棉纖維總重的94%左右，伴生物含量較少。棉纖維的初生層由30%的纖維素和中性，酸性多糖等構成，與棉纖維的表面性質密切相關。棉纖維細胞的次生層主要成分是纖維素，含量約為90%至95%，決定了棉纖維的主要物理機械性質。纖維素是天然高分子化合物，是一種多糖物質，每一個纖維素大分子是由n個葡萄糖剩基鏈結形成。纖維素大分子的排列一般存在兩種狀態，即某些局部區域呈結晶態的結晶區，一些區域呈非晶態的非晶區結晶區。結晶區中纖維大分子有規律的整齊排列，比較整齊密實，縫隙孔洞少，分子之間互相接近的各個基團的結合力互相飽和。同理，纖維中大分子不呈結晶態那樣規則整齊排列的區域都叫非晶區，其中大分子排列比較紊亂，堆砌比較疏松，其中有比較多的縫隙與孔洞，密度較低，聯系力量小，沒有完全飽和。在一根纖維中，同時存在著結晶區和非晶區，結晶部分占整根纖維的百分比稱為結晶度，棉纖維的結晶度約為70%。結晶度較高時纖維的吸濕較困難，強度較高，形變較小，結晶度較低時易于吸濕，易于染色，并表現出強度較低，形變較大。

　　棉纖維生長發育過程后期，棉鈴裂開，吐絮后，纖維失去水分，使纖維發生天然扭曲，天然扭曲是棉纖維所特有的縱向形態特征。每根棉纖維扭曲的多少，因螺旋角大小和次生層的厚度而不同，成熟度越好的纖維，其細胞壁越厚，扭曲越多。由于棉纖維的主要成分是纖維素，纖維素在管狀細胞壁內的沉積隨著生長期的延長而逐漸停止，最后形成中腔。同時棉纖維細胞壁沉積時，纖維素以螺旋狀原纖形態層層分布，并且螺旋方向時左時右，所以在纖維吐絮干涸收縮時，細胞壁發生時左時右的螺旋狀扭曲，形成不規則的天然扭曲。因此棉纖維天然具有的特殊結構，決定了其具有獨特的物理特征。

　　2棉纖維微觀結構與吸濕性能的關系

　　棉纖維從微觀結構上看是一種多孔性物質，同時纖維素大分子上存在很多的游離親水基團，可以從潮濕的空氣中吸收水分和向干燥的空氣中放出水分，這種現象成為棉纖維的吸濕性。棉纖維的吸濕性是比較復雜的物理特征，主要有四個方面的因素決定。

　　(1)親水集團

　　棉纖維的主要成分是纖維素。纖維素大分子上有大量的親水集團，對水分子有相當的親和力，所以棉纖維生長發育過程中，分子結構中的親水基團越多，棉纖維的吸濕能力就越大。

　　(2)分子排列

　　棉纖維中纖維素分子鏈相互排列不勻，存在著結晶區和非晶區，在結晶區中，纖維素分子鏈排列整齊，水分子不易進入。在非結晶區中，纖維素分子鏈排列紊亂，是一種松弛的網狀結構，大多數親水基團都向水分子開放，水分子很容易進入，所以棉纖維的吸濕主要發生在非晶區。因此棉纖維的結晶度越低，吸濕能力越強。

　　(3)表面吸附

　　棉纖維暴露在大氣中，就會在纖維表面吸附一定量的水汽和其他氣體，這種現象稱為表面吸附。表面吸附能力的大小與棉纖維比表體積有一定的關系。單位體積的棉纖維所具有的表面體積，叫做棉纖維的比表體積。棉纖維越細，棉纖維中縫隙孔洞越多，比表體積越大，吸濕性也越大。

　　(4)纖維素伴生物

　　棉纖維主要成分除了纖維素以外，還有少量的果膠，蛋白質，多縮戊糖,脂肪和蠟質，以及某些無機鹽類等伴生物。脂肪和蠟質是疏水物質，能保護棉纖維不易受潮。果膠，蛋白質，多縮戊糖，以及無機鹽類都是親水物質，能使棉纖維的吸濕性增強。

　　棉纖維在吸濕后，會出現重量增加，密度先增大后減小，強伸度增加，導電性能增強，纖維體積膨脹現象。不成熟的棉纖維與成熟好的棉纖維相比，非晶區所占的比例較大，自由親水基團較多，纖維較細，比表體積大這些都有利于纖維的吸濕，通常在同樣條件下，不成熟的低等級棉花具有更強的吸濕性。因此合理的利用和調整棉纖維的吸濕性，在籽棉加工，纖維性能測試以及紡織生產等過程中具有十分重要的作用。