棉纖維的結(jié)構(gòu)一般包含大分子結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)和形態(tài)結(jié)構(gòu),前兩者合稱微觀結(jié)構(gòu)。棉纖維的特性基本上由這些結(jié)構(gòu)決策,因此,了解棉纖維結(jié)構(gòu)可為檢驗棉纖維品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。
1.大分子結(jié)構(gòu)
棉纖維中含有纖維素、多縮戊糖、蛋白質(zhì)、脂肪和蠟質(zhì)、水溶性物質(zhì)、灰分等多種化合物。棉纖維在生長過程中,其化學組成是不斷變化的,見表1-2。
成熟的棉纖維大部分由纖維素組成,纖維素是一種碳水化合物,在棉花生長過程中由二氧化碳和水經(jīng)完合作用而形成。纖維素由碳44.4%、氫6.2%、氧49.4%組成。分子式為(C₈ H ₁₀ O₅ ) _n ,大分子結(jié)構(gòu)式為:

纖維素是一種多糖物質(zhì),每個纖維素大分子由n個葡萄糖?；舜艘?,4-苷鍵(氧橋)聯(lián)結(jié)而成。n為大分子的聚合度。棉纖維素的聚合度為10000～15000,即它由10000～15000個葡萄糖?；B成一個大分子。
纖維素大分子的基本鏈節(jié)(基本單元或單基)是葡萄糖?；?結(jié)構(gòu)式為六元環(huán)形結(jié)構(gòu),也稱氧六環(huán)。每兩個氧六環(huán)反向?qū)ΨQ,一反一正通過氧橋(—O—)連成一個重復(fù)單元,即大分子單元結(jié)構(gòu)是纖維素雙糖。但每一氧六環(huán)的21個原子并不在一個平面上,相鄰兩個氧六環(huán)的中心平面也不在一個平面上。氧六環(huán)的空間結(jié)構(gòu)屬于椅式結(jié)構(gòu)。每個氧六環(huán)上有三個羥基,其中一個伯醇羥基(—CH₂ OH),兩個仲醇羥基(CHOH),它們都具有一般羥基的特性,但在化學性質(zhì)上略有差異。
纖維素大分子的官能團是羥基(—OH)和甙鍵(—O—)。羥基是親水性基團,使棉纖維具有肯定的吸濕能力;而苷鍵對酸敏感,所以棉纖維比較耐堿而不耐酸。此外,棉纖維素大分子的氧六環(huán)之間距離較短,大分子間羥基的作用較多,故纖維素大分子的柔曲性較差,屬于較僵硬的大分子,棉纖維比較剛硬,初始模量很高,回彈性有限。
2.超分子結(jié)構(gòu)
超分子結(jié)構(gòu)是指大于分子范圍的結(jié)構(gòu),又稱聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。大分子之間依靠分子結(jié)合力能形成多級的超分子結(jié)構(gòu)。
一般線型大分子直徑約為1nm,幾根直線鏈狀大分子互相平行,按肯定距離、肯定位相、肯定相對形狀比較穩(wěn)定地結(jié)合在一起,成為結(jié)晶態(tài)很細的大分子束,即直徑為1～3nm的基原纖,若干根基原纖平行排列結(jié)合成直徑為4～10nm的微原纖,若干根微原纖基本平行地排列,結(jié)合成更粗些的大分子束,即直徑為10～30nm的原纖,原纖基本平行地堆砌成更粗的大分子束,即直徑為0.1～1.5μm的巨原纖,由巨原纖堆砌成纖維。不同的面料纖維從大分子開始結(jié)合成纖維,所具有的結(jié)構(gòu)層次也不同。棉纖維的微觀結(jié)構(gòu)是由數(shù)十個纖維素大分子聚集形成橫向尺寸約6nm的微原纖,再由微元纖聚集成橫向尺寸為10～25nm的原纖;由原纖排列成日輪層,然后形成棉纖維。
纖維素大分子之間依靠范德華力和氫鍵結(jié)合。其結(jié)構(gòu)比較規(guī)整,大分子排列方向和纖維軸向有肯定關(guān)系。一般把纖維內(nèi)大分子鏈主軸和纖維軸平行的程度叫取向度。通常情況下,細絨棉的傾斜角為30°左右,長絨棉在25°左右,粗絨棉在35°左右。傾斜角度越小,取向度越高,纖維強度越高,斷裂強度越高,斷裂伸長率越低。纖維的力學性質(zhì)、完學性質(zhì)、溶脹性等都因取向不同而不同。
纖維中大分子的排列比較復(fù)雜。纖維內(nèi)某些區(qū)域由于大分子的側(cè)吸引力而排列得比較整齊、密實,縫隙、孔洞較少,這稱為結(jié)晶區(qū)。相反,另一些區(qū)域大分子排列比較紊亂,堆砌比較疏松,其中有較多的縫隙和孔洞,密度較低,這稱為非結(jié)晶區(qū)。因此,棉纖維微觀內(nèi)部是一種多孔性的結(jié)構(gòu),并同時存在著結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)。結(jié)晶部分占整根纖維的百分比稱為結(jié)晶度。棉纖維的結(jié)晶度約為70%,其結(jié)晶結(jié)構(gòu)的小單元,即單元晶格(或稱晶胞)是由五個平行排列的纖維素大分子在兩個氧六環(huán)鏈節(jié)長的一段上組成,中間的一個大分子和棱邊的 四個大分子是倒向的。其晶胞屬單斜晶系,如圖1-2所示。不同種類的纖維素纖維,其晶胞尺寸是不相同的。棉纖維和麻纖維單元晶格的a=0.835nm,b=1103nm,c=0.795nm,β=84°,稱為纖維素Ⅰ晶胞。粘膠纖維及絲完處理后的棉纖維其單元晶格的a=01814nm,b=1.03nm,c=0.914nm,β=62°,稱為纖維素Ⅱ晶胞。

棉纖維取向度、結(jié)晶度的大小對纖維強度、伸長以及吸濕、上色等性能均有影響。
3.形態(tài)結(jié)構(gòu)
形態(tài)結(jié)構(gòu)一般是指測試手段能觀看辨認的具體結(jié)構(gòu),其尺寸隨測試手段的進展不斷變小。
形態(tài)結(jié)構(gòu)分微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)和宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)。微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)是由電子顯微鏡能觀看到的結(jié)構(gòu),如微纖、微孔和裂縫等;宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)是指完學顯微鏡能觀看到的結(jié)構(gòu),如纖維外觀和截面形態(tài)等。形態(tài)結(jié)構(gòu)對纖維的力學性質(zhì)、完澤、手感、保暖性、吸濕性等均有影響。
棉纖維細而長,每根成熟的棉纖維,大致可分為基部、中部和頂端三部分。一般頂端封閉,中部略粗,兩端略細,纖維長度和寬度之比為1000～3000。正常成熟的棉纖維,外觀上具有天然轉(zhuǎn)曲,即它的縱面呈不規(guī)則的而且沿纖維長度不斷改變轉(zhuǎn)向的螺旋型扭曲。天然轉(zhuǎn)曲是棉纖維所特有的縱向形態(tài)特征,在纖維鑒別中可以從天然轉(zhuǎn)曲這一特征將棉和其他纖維區(qū)別開來。
天然轉(zhuǎn)曲一般以棉纖維單位長度(1cm)中扭轉(zhuǎn)半周的個數(shù)表示。細絨棉的轉(zhuǎn)曲數(shù)為39～65個/cm,比正常成熟的長絨棉少。不成熟的薄壁纖維外觀呈扁帶狀,轉(zhuǎn)曲很少。過成熟纖維的外觀呈棒狀,轉(zhuǎn)曲少。天然轉(zhuǎn)曲使棉纖維具有肯定的抱合力,有利于紡紗工藝過程的正常進行和成紗質(zhì)量的提高。但轉(zhuǎn)曲反向次數(shù)多的棉纖維強度較低。
棉纖維的橫截面由許多同心層組成,主要有初生層、次生層、中腔三個部分,如圖1-3所示。

初生層是在棉纖維伸長期形成的,它的外皮是一層極薄的蠟質(zhì)和果膠,表面有螺旋狀條紋,螺旋角大約30°,條紋的深度和間距約為0.5μm,長度在10μm以上。在表皮層之下才是纖維的初生胞壁,由網(wǎng)狀的原纖組成,其厚度為0.1～0.2μm,初生層和棉纖維表面性質(zhì)緊密相關(guān)。例如棉蠟使棉纖維具有良好的適于紡紗的表面性能,但在棉花紗線、棉布漂染前要經(jīng)過煮練,以除去棉蠟,保證上色均勻。
次生層是棉纖維在加厚期沉積而成的部分,幾乎都是纖維素,是棉纖維的主體層,又可分為三個層次,如圖1-3所示的S₁ 、S₂ 、S₃ 層。纖維素在次生層中沉積并不均勻,以束狀小纖維的形態(tài)和纖維軸傾斜呈螺旋形,螺旋角為20°～30°,沿纖維長度方向時左時右轉(zhuǎn)向。次生層決策了棉纖維的主要物理性質(zhì)。
棉纖維生長停止后遺留下來的內(nèi)部空隙就是中腔。同一品種的棉纖維外周長大致相等,次生層厚時中腔就小,次生層薄時中腔就大。中腔內(nèi)留有少數(shù)原生質(zhì)和細胞核殘余,對棉纖維顏色有影響。

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