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连。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,纤维细胞非极性地向四周扩展,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,但是它们不是截然分开的,在纤维伸长的同时,纤维素就沿着整个纤维开始均匀地淀积。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个葡萄糖剩基链接形成。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,一些区域呈非结晶态的非晶区。结晶区中纤维大分子有规律地整齐排列,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,主要由四个方面的因素决定。

(1)亲水基团

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基团,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。而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。因此合理地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。

3棉纤维微观结构与力学性能的关系

棉纤维受外力作用时,产生内应力与变形,并随着外力的增加而增大,达到一定程度时,纤维将被破坏。棉纤维在外力作用下呈现的内应力与变形的关系,称为棉纤维的力学性能,总体上包括强度、伸长度、强度和刚性、弯曲和扭转以及摩擦、抱合等方面的作用。

(1)棉纤维的强度和伸长度

棉纤维抵抗拉伸破坏的强弱程度,称为棉纤维的强度,它是棉纤维强力和细度的综合值。棉纤维的伸长度是指,棉纤维在外力作用下承受拉伸变形的能力。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,我们把纤维素大分子的主轴和纤维轴平行的程度叫取向度。通常细绒棉的倾角为30°左右,长绒棉25°左右,倾角越小取向度越高,纤维强度越高,断裂伸长率越低。

(2)棉纤维的弹性和刚性

纤维素沉积内外螺旋角的差异决定了纤维的弹性和刚性。纤维素沿细胞壁由外向内按螺旋反方向沉积时,其螺旋角的大小是变化的,一般的正常成熟的棉纤维,其纤维素在沉积时,外层螺旋角较大约为45°~50°,内层螺旋角较小约为30°。由于内外螺旋角的差异,使得纤维由外向内大分子的结晶度和取向度不同。一般大分子、原纤等的取向度为内层高,外层低;结晶度同样为内层高,外层低。就整根纤维而言,表现为外层大分子排列结构较为疏松,使纤维具有良好的柔韧性和弹性;内层大分子排列结构较为密实,使纤维具有良好的刚性。正是由于这种内外结构上的径向差异,使得棉纤维具有良好的弹性、柔韧性和刚性。棉纤维是细长柔软的物体,但具有一定的刚性,它的大小表达了纤维在小负荷作用下的变形难易程度。棉纤维的刚性在纺织纤维中还是比较高的。棉纤维在外力作用下会产生变形,当外力去除后,一部分变形可以恢复,另一部分变形则不能恢复。棉纤维的弹性就是指纤维变性的恢复能力。影响纤维弹性的主要因素是纤维的结构,一般高等级棉纤维的弹性较大,低等级棉纤维的弹性较小,这是因为高等级棉纤维成熟度好、聚合度高、取向度好、结晶度高、大分子之间的结合力强。棉纤维的弹性大小对皮棉的打包、开松、保暖以及制造工艺等有较大的影响,手感目测检验棉花品级时也要考虑弹性。

(3)棉纤维的弯曲和扭转

棉纤维在纺织过程中,特别是在针织和缝纫过程中,要受到很大的弯曲变形。弯曲变形达到一定程度,棉纤维也要发生断裂,纤维抵抗弯曲变形能力,称为抗弯刚度,它与纤维内部结构、成熟度、弹性、温湿度以及纤维的尺寸和形态均有密切关系,棉纤维越细,拉伸断裂伸长越大时,越不易折断,棉纤维的弯曲性能是比较好的。棉纤维与任何物体一样,在受到扭矩作用下会产生扭转变形。随着扭转变形的增大,纤维中剪切应力增大,它造成纤维结晶区破坏和非晶区大分子被拉断,当扭曲变形达到一定限度时,纤维沿纵向剪切而劈裂开来,逐渐发展,最后断裂,棉纤维比亚麻耐扭曲,但却低于蚕丝和羊毛的断裂扭曲。

(4)棉纤维的摩擦性和饱和性

棉纤维的力学性能直接决定棉纱线及棉织物的力学性能。棉纤维在纺织加工和使用过程中都会受到互相间或与其他材料间的摩擦,并产生阻力。它是由于纤维之间密切接触表面的分子互相作用和纤维互相接触表面的部分的机械把持作用所引起的。同时纤维素的沉积是沿螺旋方向由外向内逐渐进行的,且螺旋方向不断变化。这就决定了纤维大分子、基原纤、微原纤等在构成纤维主体时,也是按一定的方向集结,从而导致棉纤维内部径向的不均匀性。当纤维发育停止时其含有的水分减少,体积收缩。由于纤维内部结构的不均匀性,导致其内部应力分布的不均匀,在这种不均匀交变的应力作用下,形成了天然扭曲。因此纤维素的螺旋沉积是天然扭曲形成的内在原因,而失去水分则是天然扭曲形成的外部条件。由于天然扭曲,使棉纤维具有特殊的摩擦性和抱合性等良好的力学特性,为棉纤维具有良好的可纺性奠定了形态力学特征。

4棉纤维微观结构与热学性能和光学性能的关系

棉纤维及其集合体是多孔性物质,纤维内部和纤维之间有很多孔隙,并充满着空气,在内部空气不流动的状态下,棉纤维是热的不良导体,可以达到保暖的目的。高等级棉花因为成熟度好,弹性较大,松散后不易压实,孔隙多,所以保暖性较好。棉纤维强度在常温下一般不起变化,在100℃条件下放置5至10小时,纤维强度不发生明显变化,所以棉织物经得起开水浸泡和熨烫。但在100℃条件下放置20天,纤维强度为在20℃条件下的92%。棉纤维的耐热性能在天然纤维中是比较好的,但热稳定性较差。棉纤维还具有吸湿防热性能,即棉纤维的吸湿热效应。这主要是空气中的水分子被纤维大分子的亲水基团所吸引而与之结合,使水分子的动能降低,必然伴随着能量的转换,以热的形式释放出来。棉纤维的吸湿热小于其他的天然纤维。吸湿放热对织物的保暖性有利,但易使含湿量较高的棉纤维在储存过程中发热,霉烂变质,甚至引起自燃。

棉纤维在光照射下表现出来的性能称为棉纤维的光学性能。

棉纤维的色泽是可见光的辐射能量引起人眼的视觉感受,由于棉纤维的色调主要是黄色,并且基本上不变,所以棉纤维的色度可以简化为黄色饱和度和明度两个指标,通常习惯上将黄色饱和度称为颜色,把明度称为光泽,综合起来称为色泽。它与棉纤维反射光线的能力有关,依赖于棉纤维的表面性质、表面形态和内部结构,并在一定程度上反映了棉纤维的成熟程度及内在质量。成熟度好的棉纤维反射光线的性能强,光泽好,成熟程度低的棉纤维伴生物含量高,光泽显得灰暗。

纤维素沉积的不彻底性形成具有中腔的特殊结构。当纤维素沉积到一定程度,即纤维细胞壁的厚度达到一定值后,由于受棉株生理条件的影响,纤维素在没有完全充满内腔的情况下,沉积逐渐停止,最后形成了中腔。正是由于这种中腔的存在,使棉纤维受力时,其中部受力的影响很小,变形也很小,也就是说纤维的中部受力的影响很小,这个部分称之为“中性层”。也就是说,当纤维受到外力作用时,纤维可以在保证力学性质的情况下,大大减小整根纤维的密度。同时棉纤维中腔还可以提高纤维的吸湿性、染整性,增强棉纺织物的保暖性和光学效应。

(作者单位:新疆博州纤检所)