棉纤维微观结构及其性能概述

棉纤维微观结构及其性能概述

连素梅 1，罗忻 2，李朋 1，叶曦雯 2，史建峰 1，牛增元 2*

【摘 要】摘要：棉纤维的微观结构决定其具有较高的强度、还原性、耐碱不耐酸性、吸湿膨化及天然转曲等特性。综述了棉纤维微观结构、性能、特点及改良途径，以利于棉花品种的改良、栽培、种植、检验及科学合理使用。 【期刊名称】中国棉花 【年(卷),期】2018(045)004 【总页数】5

【关键词】棉纤维；微观结构；超分子结构；纤维性能；改良技术

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。棉纤维的内部微观结构决定了棉纤维具有不同于其他纺织纤维的性能和特点，棉纤维的性能是微观结构的外在表现，是决定纤维质量和纺织价值的重要因素[1]。只有充分了解棉纤维复杂的内部微观结构和特有的性能特点，才能科学研发棉花新品种、栽培种植技术，进一步提高棉花检验质量，更好地研制棉花检测新仪器，深入挖掘棉花的使用价值。

1 棉纤维的化学组成

棉纤维的化学成分主要包括纤维素、多缩戊糖、蛋白质、脂肪与蜡质、水溶性物质及矿物质等，在棉纤维生长过程中，这些成分含量不是固定不变的，而是随生长发育不断变化的[1]（表1）。 1.1 纤维素

纤维素质量约占成熟棉纤维的94%以上。随着棉花纤维的生长成熟，纤维素含量不断增加，其他成分逐渐减少。由于纤维素分子很大，分子排列比较紧密，

因此成熟棉纤维具有较高的强度。 1.2 果胶物质

果胶物质存在于棉纤维的初生胞壁中，在成熟棉纤维中的含量一般为0.9%～1.2%，未成熟棉纤维则高达6%[1]。虽然果胶酸含有大量亲水性的羟基羧基，但在棉纤维中部分以钙盐、镁盐和甲酯的形式存在，所以亲水性比纤维素要低。果胶物质对纤维的色泽和润湿性有一定的影响。 1.3 含氮物质

含氮物质主要分为无机盐和蛋白质。蛋白质形式的含氮物质主要存在于棉纤维的胞腔中，小部分存在于初生胞壁和次生胞壁中；其在加工或使用过程中，与有效氯接触很容易形成氯胺，会引起织物泛黄[1]。 1.4 蜡质

蜡质主要存在于棉纤维表层，对纤维具有保护作用，能防止外界水分快速侵入；从另一角度来说对纤维的润湿性能影响很大，可借助皂化和乳化作用去除。另外，其在纺纱过程中能起到润滑作用，使棉纤维具有良好的纺纱性能[1]。

2 棉纤维的大分子结构

纤维素大分子是由n个葡萄糖残基以1，4糖苷键（氧桥）联结而成直线型的长链式大分子（线型大分子），葡萄糖残基的空间结构为六元环形结构，也称为氧六环。在大分子长链中，每个葡萄糖残基对其相邻的残基翻转180°，并依靠糖苷键连成1个重复单元，即大分子单元结构是纤维素双糖，长度为1.03 nm[2]。每个氧六环的21个原子不在同一平面上，相邻的2个氧六环的中心也不在同一平面上。因此，纤维素大分子是不对称的，有方向性的。

纤维素大分子的官能团是羟基和糖苷键。羟基是亲水性基团，使棉纤维具有一

定的吸湿能力；而糖苷键对酸敏感，所以棉纤维比较耐碱而不耐酸。此外，纤维素大分子中氧六环之间距离较短，大分子之间羟基的作用又较大，造成纤维素大分子的柔曲性较差，所以棉纤维有一定的刚性，回弹性能有限。

3 棉纤维的超分子结构

超分子结构主要指棉纤维中次生胞壁纤维素大分子的聚集态结构、排列状态、排列方向、聚集紧密程度等。由于纤维素大分子的结构比较规整，且每个葡萄糖残基上有3个羟基，大分子之间形成强烈的氢键，所以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[3]。 3.1 结晶区和非结晶区

棉纤维中大分子呈规律整齐排列的区域为“结晶区”。由于结晶区大分子排列比较整齐密实，分子之间互相接近的各个基团的结合力基本饱和，因而棉纤维吸水较困难，变形较小。相反，棉纤维中大分子呈不规则排列的区域为无定形区（非结晶区）。非结晶区中大分子排列紊乱，存在较多的缝隙与孔洞，密度较低，一些大分子表面的基团距离较大，没有达到完全饱和，强度较低，易于吸湿、染色和变形。 3.2 取向度和结晶度

大分子排列方向和纤维轴向的符合程度称为取向度。通常，取向度越高，纤维强度越高，断裂伸长率越低。纤维的其他力学、光学性能及膨胀性都会因取向而各向异性。陆地棉的取向度约为0.62，海岛棉的取向度约为0.72[1]。 结晶度是表示纤维中大分子序态的重要参数，与纤维的物理性能密切相关。通常，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，染色性能较好。研究表明，棉纤维的