[b]棉纤维的结构[/b]一 棉纤维的大分子结构 成熟的棉纤维绝大部份由纤维素组成。纤维素是天然高分子化合物，其分子式为(C6H10O5)n，大分子结构式如图1所示。
[center]图 1[/center] 纤维素是一种多糖物质，每个纤维大分子是由n个葡萄糖剩基(葡萄糖酐)，彼此以1-4键(氧桥)联结而形成的。所以，纤维素大分子的基本链节(基本单元或单基)是葡萄糖剩基，在大分子结构式中为不对称的六环形结构，也称氧六环.相邻两个氧六环彼此的位置扭转180°，依靠键(-0-)成一个重复单元，即大分子单元结构是纤维素双糖(即葡萄糖酐,是由两个葡萄糖酐构成)，长度 1.03 纳米(即10.3埃)，是纤维素大分子结构的恒等周期。纤维素大分子的空间结构，如图2所示。
[center]图 2[/center] 纤维素大分子中，氧六环的空间结构属于椅式结构。每一氧六环的21个原子并不在一个平面上，相邻两个氧六环的中心平面也不在一个平面上。另外每个氧六环(不包括两端)上含有三个游离醇基，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，但在化学性质上略有差异.在纤维大分子的末端1位碳原子上有一个性质与其它醇羟基不同的羟基(-OH)，由于它的存在而产生醛基性质，具有还原性。 纤维素大分子的官能团是羟基和链羟基是亲水性基团，使棉纤维具有一定的吸湿能力，而键对酸敏感，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，大分子间羟基的作用又较多，所以纤维素大分子的柔曲性较差，是属于较僵硬的线型大分子，棉纤维表现为比较刚硬，初始模量较高，回弹性质有限。二 棉纤维的超分子结构 超分子结构是指大于分子范围的结构，又称聚集态结构。大分子之间依靠分子结合力能形成多级的超分子结构。 各种单基组成的各种聚合度的直线链状大分子，在纤维内一般具有相对稳定的三维的空间几何形态；几根直线链状大分子互相平行，按一定距离、一定位相、一定相对形状，比较稳定地结合在一起，成为结晶态的很细的大分子束，即直径约为1~3纳米的基原纤；若干根基原纤平行排列结合在一起成为较粗一点的，基本上属于结晶态的大分子束，即直径为4~10纳米的微原纤；若干根微原纤基本平行地排列结合成更粗些的大分子束即直径约为10~30纳米的原纤；由原纤基本平行地堆砌得更粗的大分子束即直径约为0.1~1.5微米的巨原纤；再由原纤维堆砌成整根纤维.由此可见,纺织纤维从大分子排列到堆砌组合成为纤维,期间有许多级的微观结构.而且不同类型的纤维.各级微观结构并不完全相同,情况是极其复杂的,棉纤维的微观结构认为是由数十个纤维素大分子聚集形成横向尺寸约6纳米的微原纤;由微原纤聚集成横向尺寸约10~25纳米的原纤;再由原纤排列成日轮层;然后形成棉纤维.棉纤维中,微原纤内有1纳米左右的缝隙和孔洞,因而棉纤维微观内部也是一种多孔性的结构. 纤维素大分子之间是依靠范德华力和氢键而结合的.纤维素大分子的结构比较规整,大分子排列方向和纤维轴向有一定关系,一般把纤维内大分子链主轴与纤维轴平行的程度叫取向度,用各个大分子与纤维轴向平角的平均数来量度,在正常情况下,细绒棉的倾斜角为30°左右;长绒棉25°左右;粗绒棉35°.通常倾斜度越小,取向度越高,纤维强度越高,断裂伸长率越低.纤维的力学性,光学性,溶解性等都因取向而呈各向异性. 纤维中大分子的排列是比较复杂的.纤维内某些区域由于大分子的横向吸引使大分子排列比较整齐密实,缝隙孔洞较少,这称为结晶区.相反,另一些区域大分子排列比较紊乱,堆砌比较疏松,其中有较多的缝隙孔洞,密度较低,这称为非结晶区或无定形区,因此,在一根棉纤维中,同时存在着结晶区和无定形区,结晶部份占整根纤维的百分比称为结晶度.用重量百分比表示的称为重量结晶度;用体积百分比表示的称为体积结晶度.棉纤维的结晶度约为70%,即棉纤维内大约有30%的无定形区.棉纤维内结晶结构的最小单元即单元晶格(晶胞)是由五个平行排列的纤维素大分子在两个氧六环间的一段上组成,中间的一个大分子与棱边的四个大分子是倒向的.其晶胞属单斜晶系.不同种类的纤维素纤维其晶胞尺寸是不相同的.棉纤维和麻纤维单元晶格的尺寸a=0.835以纳米(8.35A),b=1.03 纳米(10.3A),c=0.795纳米(7.94A),β=84°,称为纤维素[晶胞], 如图1-5所示. 粘胶纤维及丝光处理段的丝光棉纤维，其单元晶格的尺寸a=0.814 纳米(8.14A),b=1.03 纳米(10.3A),c=0.91纳米(9.14A),β=62°,称为纤维素II晶胞,如图1-6所示.
棉纤维取向度,结晶度的大小对纤维强度,伸长以及吸湿,染色等性能均有影响.三 棉纤维的形态结构 形态结构一般是指测试手段能观察辨认的具体结构,其尺寸随着测试手段的发展不断变小.形态结构又分微型态结构和宏形态结构.微型态结构是指电子显微镜能观察到的结构,如微纤,微孔和裂缝等.宏形态结构是指光学显微镜能观察到的结构.如纤维外观和截面形态等.形态结构对纤维的力学性质,光泽,手感,保暖性,吸湿性等均有影响,棉纤维是一种细而长的物体.一根成熟棉纤维的梢部,中部和基部的形态如图1-7所示.据研究棉纤维梢部圆形度最高,中部次之,基部最低;横截面面积中部最大,基部次之,梢部最小;周长梢部最小;中部和基部无明显差异.一般纤维顶端封闭 ,中部略粗,两端略细,纤维长度与寛度之比 1000~3000倍.正常成熟的棉纤维 ,纵向外覌上具有天然转曲,即棉纤维纵面呈不毠规则的而且沿长度方向不断改变方向的螺旋形扭曲.天然扭曲是棉纤维所特有的纵向形态特征,在纤维鉴别中可以从天然扭曲这一特征将棉纤维与其它纤维区别出来.天然扭曲一般以棉纤维单元长度(厘米)中扭转半周(即180°)的个数表示. 细绒棉的扭曲数约39~65个/厘米,比正常成熟的细绒棉少.正常成熟棉纤维的扭曲在纤维中部较多,梢部最少,成熟度低的棉纤维, 纵向呈薄壁管状,没有或很少有扭曲.过成熟的棉纤维外覌呈捧状,扭曲也少，天然转曲使棉纤维具有一定的抱合力,有利于纺纱工序过程的正常运行和成纱质量的提高.但扭曲反向次数多的棉纤维强度较低.
棉铃吐絮前,纤维内含有较多水分,经过伸长并加厚以后,棉纤维成为不同厚薄的管状细胞,截面呈圆形.当棉铃裂开吐絮后,棉纤维干涸瘜缩,胞壁产生扭转,截面呈腰圆形,如图5所示.截面中次生胞壁的各个部位在结构上有显着不同,这种现象称 棉纤维的双边结构.
在棉纤维的横截面上,次生胞壁的各个位置上密度发生变化,纤维素微原纤的集积方式也随之改变,因此试剂的可及性和原纤的膨化能力都不相同.如图6所示,截面中A区的曲率最大,密度最高,溶液渗入最少;B区的结构和收缩前相近,溶液渗入比较容易;C区因受压而成内凹状,溶液容易渗入,因此反而最活跃.在C与A之间,化学反应的活跃程度自C至A逐渐递减,N区形成中间区,反应能力中等。棉纤维的横截面由许多同心层组成,目前已可区分出六个层次,主要的有初生层,次生层,中腔三个部分.图7 棉纤维截面结构的示意.
初生层:是棉纤维的外层,即棉纤维在伸长期形成的纤维细胞的初生部分.初生层的外皮是一层极薄的蜡质与果胶,表面有细丝状皱纹.皱纹的深度和间距约为0.5微米,长度在10微米以上.一般薄壁纤维的皱纹较深，厚壁纤维的皱纹则较平滑.在外皮之下才是纤维的初生胞壁,由网状的原纤组成,其厚度很薄,约为0.1~0.2微米,重量只占纤维量的2.5~2.7%.棉纤维初生胞壁中的纤维素呈原纤螺旋状结构,与纤维轴倾斜约70°,有时发现与纤维轴几乎垂直.棉纤维中段初生胞壁外直径随棉花品种不同而异,陆地棉一般在18微米左右,海岛棉在15微米左右,初生胞壁与棉纤维的表面性能密切相关.例如棉蜡使棉纤维具有良好的适宜于 润滑的表面性能,但在棉纱,棉布漂染前要经过煮练以除去棉蜡,保持染色均匀. 次生层:是棉纤维在加厚期淀积纤维素而成的部分,又可分成三个层次.在初生层下面是一厚度不到0. 1微米的S1次生胞壁,由微原纤密堆砌而成,微原纤与纤维轴呈螺旋状排列,倾斜角度为25°~30°.这一中几乎没有空隙和孔洞.在S1下面是另一厚度约 1~4微米的S2次生层,由基本同心的环状层迭合构成棉纤维的主体,全部为纤维素组成.微原纤与纤维轴的平均螺旋角约25°,螺旋方向沿长度方向周期性地左右改变 ,一根棉纤维上这种反向在50次以上,不同品种棉纤维的反向次数也可不同.这一层中微原纤构成为网状结构,相互镶嵌,在微原纤与原纤维之间形成空隙,使棉纤维具有多孔性,接着S2的是厚度不到0.1微米的S3第三层,有与S2相似特征.次生层决定了棉纤维的主要物理机械性. 中腔:是棉纤维生长停止后遗留下来的内部空隙.同一品种的棉纤维,中段初生胞壁周长大致相等.当次生胞壁厚时,中腔就小,次生胞壁薄时,中腔就大.当棉铃成熟而尚未裂开时,棉纤维截面呈圆形,中腔亦呈圆形,中腔截面相当于棉纤维面积的一半或三分之一.当棉铃自然裂开后,由于棉纤维内水分蒸发,纤维胞壁干涸,棉纤维截面呈腰圆形,中腔截面也随之压扁,压扁后的中腔截面仅为棉纤维截面总面积的十分之一左右.中腔内留有少数原生质和细胞核残余物,对棉纤维颜色有影响.
