什么是棉纤维?

什么是棉纤维?

[拼音]：mianxianwei

[外文]：cotton fibre

锦葵目锦葵科棉属植物种籽上被覆的纤维，又称棉花,简称棉。连同棉籽的棉纤维称籽棉;除去棉籽的棉纤维称皮棉或原棉，是纺织工业的重要原料。人类利用原棉已有悠久的历史，早在公元前5000年甚至公元前7000年前,中美洲可能已开始利用;在南亚次大陆也有5000年历史。中国至少在2000年以前，在现今广西、云南、新疆等地区已采用棉纤维作纺织原料。公元13世纪以后，棉在长江流域普遍种植，成为中国最重要的大宗纺织原料。18世纪产业革命以来，棉已成为全世界最主要的纺织原料。棉纤维制品适宜缝制各类衣着，有吸湿和透气性好、柔软和保暖等优点。（见彩图）

纺织工业采用的原棉,主要根据纤维的粗细、长短和强度大小分为三类：

（1）长绒棉,主要是埃及棉（海岛棉栽培种G.barbadense L.生长的纤维）,可织成特别轻薄细匀或坚牢的棉织物；

（2）细绒棉(陆地棉栽培种G.hirsutum L.生长的纤维），可织成一般的棉织物；

（3）粗绒棉（亚洲棉栽培种G.arboreum L.生长的纤维）,可织成较粗厚或某些专用的棉织物，如绒布等。此外，某些国家还产有少量由非洲棉栽培种G.herbaceum L.生长的纤维，细度中等，长度较短，只可织造粗厚的棉织物。

棉纤维适宜生长在湿热的砂土地带，并需要充分的日照。世界原棉产区分布在南纬30°和北纬42°之间的热带、亚热带和较暖的温带地区，亚洲部分国家有的棉区在北纬46°或更北地区。原棉产量以亚洲最多，约占40％，欧洲和北美洲各约占20％。主要产于苏联、中国、美国、印度等国（图1 ）。世界原棉产量中细绒棉占90％以上，产区广布于各地。长绒棉主要产区在东北非、北美南部等地。

中国原棉品种在古代除少量木本长绒棉外主要是粗绒棉，19世纪末开始引进细绒棉品种，1914年张謇提倡推广细绒棉品种，各地先后设立棉业试验场。40年代起，先后引进和选育出多种适合中国栽培的优良棉种。50年代以来,经过1950～1955年、1956～1960年、1964～1968年大规模棉种更换,中国原棉几乎全部改为细绒棉。1981年中国原棉产量为296.8万吨,细绒棉产量约占其中99％。30年来，中国原棉种植地域扩展，形成长江流域、黄河流域、辽河流域、西北内陆、华南等五个主要棉区。中国长绒棉年产量有数万吨，主要分布在西北内陆区和新疆、长江流域棉区的上海附近和云南等地。

棉纤维的结构

棉纤维为一端开口的管状体，成熟干燥后瘪缩成空心带状，具有转曲，其方向有左旋和右旋随机分布。生长不久即停止发育的棉纤维，细胞壁很薄，呈扁平带状，转曲很少，称未成熟棉纤维。正常成熟的棉纤维空腔较小，呈丰满扁带，转曲较多；还有少数棉纤维，细胞壁极厚，空腔极小，呈棍棒状，转曲少，称为过成熟棉纤维(见棉纤维成熟度)。籽棉中棉纤维重量所占比例称为衣分，一般细绒棉衣分为30～40％。皮棉产量与衣分有密切关系。

许多原棉品种的棉籽上,还有一些长度很短的（6毫米以下）纤维，称为棉短绒。棉短绒没有纺纱价值，是制造粘胶纤维、醋酯纤维、赛璐珞、玻璃纸、羧甲基纤维素浆料、炸药等的重要工业原料。

棉纤维壁的主要组成物质是很高聚合度的纤维素，表层含蜡类物质(称为棉蜡)和少量糖类物质；内壁面有原生质干燥后的固态残余物，含有蛋白质、糖类、半纤维素、灰分、少量有机酸等。干燥的成熟棉纤维中，纤维素含量在95％以上，是自然界中纯度极高的纤维素资源。成熟棉纤维中纤维素分子的平均聚合度有数千甚至高达1万以上。

棉纤维表层约0.2～0.3微米厚的1层（图2）为初生胞壁，是由纤维素大分子平行整齐排列形成的原纤交编作为骨架，蜡类和糖类物质等填充其间。其内为次生胞壁，由纤维素逐日由外向内淀积，因而形成层状结构，称为日轮，它由纤维素大分子排列结合的原纤铺叠而成,每层厚度0.04～0.2微米。每层中原纤互相平行，但绕纤维轴呈螺旋状，螺旋方向一段左斜、一段右斜，交替接续；螺旋角外层大，内层较小，平均约25°～35°。各日轮层之间有缝隙和孔洞，日轮层中也有大小不同的缝隙和孔洞。纤维内分子整齐排列区域为结晶结构，整体上呈现多孔性结构。

棉纤维的化学性质

棉纤维可与多种化学药剂起作用。酸类物质,特别是高温的强酸，作用于棉纤维时,纤维素易加水分解，大分子长链断裂，连续作用最终将使其分解成为葡萄糖。氧化性强酸如硫酸，甚至使纤维素分子链中的部分氢、氧原子成为水分子，使纤维素脱水炭化。因此，棉纤维易受酸类物质侵蚀破坏而强度下降、伸长性能减弱、d性变差，最终丧失使用价值。但某些适当浓度的酸也可能并不切断纤维素分子长链，而将酸根基团接在侧链羟基上形成纤维素酯，如纤维素硝酸酯、醋酸酯、磺酸酯等。

碱，包括高温的浓碱，作用于棉纤维时，棉蜡易被皂化除去，糖类、蛋白质等物质和灰分等较易水解或通过其他作用构成水溶物质而被除去。纤维素在氢氧化钠作用下会生成碱纤维素。碱结合在葡萄糖链节的伯羟基上，使棉纤维横向剧烈膨胀、纵向收缩，但大分子长链很少被破坏；在后续的水洗中，仍能脱碱而还原成纤维素，因此棉纤维抗碱能力很强。在这种情况下，棉纤维截面变成近似圆形。在碱作用时对纤维施加张力，阻止其缩短,所得纤维产品光泽明显增强，抗拉强度提高,染料吸着能力加强，这就是棉纤维的“丝光”效应，产品称丝光棉纤维。经过充分丝光的棉纤维，微原纤中分子排列成水化纤维素晶格，参数不同于天然棉纤维，而与粘胶纤维相同。

有机溶剂作用于棉纤维时，可溶去棉纤维中的蜡类等物质。纤维素不溶于一般有机溶剂，但能溶于氧化亚铜的浓氨溶液（称为铜氨溶液）中；纤维素的磺酸酯能溶于碱溶液中。

棉纤维的化学变性是用适当的化合物在合宜的催化剂作用下使某些化学基团接枝到纤维素大分子的侧链上，以改变棉纤维的某些性能，例如纤维素的醋酸酯可降低吸湿能力、提高耐磨性能、增强刚度等。棉织物经某些树脂整理也产生类似的作用，能提高织物的抗折皱性等。

棉纤维的物理性质

这是与棉纤维加工、应用等关系密切的性能，主要包括长度、 成熟度、 细度、密度、转曲度、吸湿性、强度等。棉纤维长度是影响棉可纺性能的主要因素。

棉纤维细度

一般成熟棉纤维宽度随品种而异，长绒棉中段宽约15～16微米,细绒棉约18～20微米,粗绒棉约23～26微米。中国习惯以单位重量的长度即公制支数表示棉纤维的细度。一般成熟的长绒棉纤维支数为7000～9000米/克;细绒棉为5000～6500米/克;粗绒棉为2900～3600米/克。

棉纤维密度

依体积计量方法而异。纤维素晶胞密度为1.59克/厘米3；干燥棉纤维壁的密度为1.53～1.54克/厘米3；扣除中腔,但不扣除纤维壁内缝隙孔洞体积时，干燥棉纤维密度为1.48～1.53克/厘米3。

棉纤维转曲度

以棉纤维单位长度中扭转半拈（半周,即180°）的个数表示。棉纤维的转曲度与次生胞壁中原纤的螺旋排列有关。一般成熟纤维转曲较多，不成熟纤维和过成熟纤维转曲较少。不同品种的成熟棉纤维，转曲度也有差异，长绒棉较多，80～120个/厘米；细绒棉次之，39～65个/厘米；粗绒棉较少，18～40个/厘米。棉纤维转曲度较多时，纤维间抱合力较大，加工分离时阻力较大，不易膨松散乱，有利于形成棉网和棉条。

棉纤维吸湿性

棉纤维由空气中吸收水汽或吸着液态水的能力。棉纤维组成物质中的纤维素、糖类物质、蛋白质、有机酸等分子上都有亲水性的极性基团（如羟基、羧基、氨基、酰胺基等），所以，棉纤维具有较强的吸湿能力。在标准大气条件下,棉纤维回潮率在7.6％左右；从饱和湿空气中吸湿，最高回潮率可达25％。棉纤维的回潮率因温度而异，温度越高回潮率越低，但在空气相对湿度较高条件下，有时规律相反。脱脂棉纤维吸着液态水最高可达干纤维本身重量的8倍以上,药棉就是利用这一性能。

棉纤维强度

棉纤维拉伸强度常以拉断单根纤维的力表示，一般为2～5克力，简称棉纤维强力。由于棉纤维细度直接影响强力大小，纺织工业中以单位细度的强力作为比较的基础。这项指标称比强度（克力/特）,简称强度，其数值等于断裂长度（千米）值(见纱线强度)。成熟长绒棉断裂长度较大，一般可达33～40千米；细绒棉次之，20～25千米；粗绒棉较低，15～22千米。拉伸正常成熟棉纤维达到断裂时的伸长率为6～11％,长绒棉较大，细绒棉和粗绒棉稍小。棉纤维在不同回潮率条件下，强度和断裂伸长率不同。一般情况下，回潮率较大时，强度较高，断裂伸长较大。此外，较成熟的棉纤维的拉伸恢复d性、压缩恢复d性、耐疲劳性能等也较好。

棉纤维成熟度

棉纤维的许多性能都与结构有关，棉纤维的结构较大程度上受成熟度的制约，因而棉纤维成熟度对许多性能都有较明显的影响。一般条件下，纤维生长成熟,胞壁厚，截面大，纤维支数低，强度高,纤维素含量多，转曲多，颜色乳白，光泽亮，染色性能好，可纺性能也好。但过成熟棉纤维转曲少、抱合力差，成纱品质受到影响。因此，棉纤维的成熟度是原棉的重要性质，是评定原棉品级的依据之一。棉纤维成熟度一般根据纤维细胞壁与原纤维中腔直径的比例确定。

棉纤维的热学、光学和电学性质

棉纤维在空气中用160℃以上温度烘烤，会明显氧化、分解,导致颜色变黄、强度下降、d性损失。棉纤维遇火焰会剧烈燃烧，离开火焰仍能继续燃烧，防燃性能较差。干燥棉纤维的比热为0.29～0.32卡/克·度，20℃时导热系数0.061～0.063千卡/米·时·度。棉纤维的折射率1.51～1.58，双折射率0.041～0.051，随棉纤维成熟度而异。棉纤维随胞壁厚度不同呈现不同的偏振光干涉色，可用来估测棉纤维成熟度。干燥棉纤维的相对介电系数为3.0～3.2，随回潮率增加而显著增大；干燥棉纤维的体积比电阻约1013欧·厘米，标准大气条件下，回潮率约7.6％时，体积比电阻约106～107欧·厘米,随回潮率的增大而急剧下降；因此，干燥棉纤维常用作介电材料和绝缘材料，如纸介电容器、纱包铜导线等，用电容法或电阻法可间接测定棉纤维材料的回潮率。

原棉夹杂物

棉纤维除伴随纤维素同时生成的果胶、蜡质等外，在收获、运输、贮存中还可能带入多种杂物。一般有干枯的碎棉叶、铃片、小棉枝和轧棉加工不善轧破的棉籽壳、夹入的棉籽和籽棉、未受精的不孕籽和生长不成熟的软籽表皮，以及泥沙尘土、捆扎用的铁丝段、麻绳头等。此外，棉株生长中病害与虫害也常带入特殊的夹杂物，例如棉蚜虫分泌的糖浆常粘在棉纤维上。这些夹杂物不仅影响棉纤维的有效重量，而且许多夹杂物对棉纺加工带来困难并造成经济损失。

原棉检验

常称棉花检验，它是确定原棉重量和对原棉品质进行综合评定的工作。国际上从1875年布雷德福会议协商原棉商业收售交付的若干规定以后，原棉检验项目不断增加，陆续选定回潮率、长度、细度、品级、含杂等作为必验项目,检验方法也不断完善,并逐步纳入常规检验中。部分国家还制定了原棉实物标准样品。20世纪60年代,国际标准化组织(ISO)拟订出一批棉纤维试验方法的国际标准，供各国参考采用。1980年又成立了国际棉花检验委员会。中国自1902年在上海设立棉花检验局以来，逐步开展棉花检验业务。1930～1935年期间中央试验所建立原棉分级标准并研究测试方法，中国棉花检验工作开始纳入科学测试范围。1950～1951年颁布棉花检验规程，作为全国统一标准，制定了原棉含水率、含杂率、品级、长度的标准，规定出相应的试验方法和测试仪器，公布了各类原棉的计价方法，同时颁布了棉花品级的实物标准。1966年中华人民共和国国务院设立棉花标准改革工作机构，1972年制订出现行中国细绒棉国家标准。

原棉检验方法

国际上主要有两类方法：一类是以人的感觉器官检验为主的感官检验，辅以部分仪器工具的测试;另一类以仪器检验棉纤维物理指标为主,以感官检验为辅。中国棉花检验以感官检验为主，含水率、含杂率检验采用仪器测定。棉纺织厂对原棉工艺检验中采用感官检验、仪器测定物理指标与机器试纺相结合的方法。

原棉的品级检验

常称棉花品级检验。世界各国棉花品级检验方法差异不大,美国以原棉颜色光泽为主,结合夹杂物、纤维细度、强度等评定原棉品级；苏联以棉纤维成熟度为主，结合色泽、含杂等评定原棉品级。中国现行标准规定以棉纤维成熟度、色泽特征和轧工质量三个条件为原棉定级依据。由于棉纤维成熟度从内在品质方面基本上决定了原棉的主要物理化学性质,因此,棉纤维成熟度在原棉检验中极为重要。原棉的色泽特征一方面反映出棉纤维的成熟程度，另一方面也反映原棉在加工、运输、贮存等过程中受保护的程度和纤维变质的程度，并影响棉纺织品的外观色泽。原棉轧工质量反映籽棉加工中纤维受损伤和清除僵棉、排去杂质、减少短绒的程度，并反映原棉在纺织加工中的有效利用程度。原棉品级就是根据这三个条件并比照棉花品级实物标准样品综合评定的。中国标准规定细绒棉分1～7级,3级为标准级；7级以下为级外棉；纺纱用棉为1～5级。

原棉长度检验

中国标准规定以手扯整理纤维伸直平行排齐的棉束，按尺量定长度，以 2毫米为分档单位。细绒棉分23、25、27、29、31、33毫米，以27毫米为标准长度。世界大部分国家都利用手扯方法评定原棉长度，有的国家已开始采用仪器自动测定长度(见棉纤维长度)。

原棉水分检验

中国标准规定，含水率标准为10％，实际原棉含水率不足或超过标准时，实行棉花重量的补扣。棉花含水率最高允许限度为12％，超过最高限度应摊晒整理，以防霉变。

原棉含杂检验

原棉中含有非棉纤维物质（砂土、绳头、金属等）、籽棉和带有棉纤维的棉籽、破籽、籽屑、不孕籽等。中国标准规定：含杂率,皮辊棉为3.0％，锯齿棉（见轧棉）为2.5％,实际原棉含杂率不足或超过标准时，实行原棉重量的补扣。

原棉收售的单位价格

中国规定品级 3级长度27毫米的原棉每市斤的价格为标准价,以此为基准,制订各种原棉的价格差率。高于或低于标准的加价或减价，并按含水、含杂折算后的重量计算收售总价。（见彩图）

参考书目

严中平:《中国棉纺织史稿》,科学出版社,上海,1955。纺织材料编写组：《纺织材料学》，纺织工业出版社，北京，1980。中国农业科学研究院棉花研究所：《中国棉花品种志》，农业出版社，北京，1981。J.M.Matthews，Mɑtthew's Textile Fibers, Their Physicɑl， Microscopicɑl ɑnd Chemicɑl Properties,6th ed.，Preared by a staff of Specialists underthe editorship of H. R.Mauersberger，Wiley，N.Y.,1954.The Textile Institute，Cotton in ɑ Competitive World，The Textile Institute,Manchester,1979.

参考文章

棉纤维有何性能特点？生活知识

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