纤维素的大分子结构

第三节 棉纤维的结构

棉纤维的结构一般包括大分子结构、超分子结构和形态结构。棉纤维的性能基本上由这些结构所决定。因此，了解棉纤维结构可为检验棉花品质提供理论基础。

一、棉纤维的大分子结构

成熟的棉纤维绝大部分由纤维素组成。纤维素是天然高分子化合物，其分子式为（C6H10O5），大分子结构式如图1-3所示。

图1-3 纤维素大分子结构式

纤维素是一种多糖物质，每个纤维大分子都是由n个葡萄糖剩基，彼此以1-4苷键联结而形成的。所以，纤维素大分子的基本链节是葡萄糖剩基，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°，依靠苷键连成一个重复单元，即大分子单元结构是纤维素双糖，长度为1.03nm,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1-4所示。

图1-4 纤维素大分子空间结构示意图

纤维素大分子的官能团是羟基和苷链。羟基是亲水性基团，使棉纤维具有一定的吸湿能力；而苷键对酸敏感，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“聚焦态结构”。

（一）大分子间的结合力

棉纤维中大分子之间是依靠分子引力（又称“范德华力”）和氢键结合的。

1．分子引力

分子引力是永远存在分子间的一种作用力，是由偶极分子之间的静电引力、相邻分子之间诱导电动势引起的诱导力以及相邻原子上电子云旋转引起瞬间偶极矩产生的色散力综合组成。它的强度比共价键的强度小得多，而且与分子间的距离有关，作用距离约为0.3-0.5nm，当分子间距离大于0.5nm时，这种作用力可忽略不计。

2．氢键

氢键是大分子侧基上（或部分主链上）极性基团之间的静电引力。它的结合力略大于分子引力，在作用距离约0.23-0.32nm条件下能使相邻分子较稳定地结合。

（二）结晶态和非结晶态

纤维中大分子的排列是比较复杂的，一般存在两种状态，即某些局部区域呈结晶态，另一些局部区域呈非结晶态。纤维中大分子在规律地整齐排列的状态都叫“结晶态”，纤维中呈现结晶态的区域叫“结晶区”。在纤维的结晶区中，由于大分子排列比较整齐密实，缝隙孔洞较少，分子之间互相接近的各个基团的结合力互相饱和，因而纤维的吸湿较困难，强度较高，变形较小。棉纤维结晶区内结晶结构的最小单元，即单元晶格是由五个平行排列的纤维素大分子在两个氧六环链节长的一段上组成，中间的一个大分子与棱边的四个大

分子是倒向的。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为a=0.835nm，b=1.03nm，c=0.795nm，ß＝84°,称为“纤维素Ⅰ晶胞”，如图1-5所示。粘胶纤维及丝光处理后的丝光纤维其单元晶格的尺寸为a=0.814nm，b=1.03nm，c=0.914nm，ß＝62°,称为“纤维素Ⅱ晶胞”，如图1-6所示。

图1-5 棉、麻纤维的晶胞结构示意图

图1-6 丝光棉、粘胶纤维晶胞结构示意图

纤维中大分子不呈结晶态那样规则整齐排列的状态都叫“非晶态”或“无定形态”，纤维中呈现非晶态的区域叫“非晶区”或“无定形区”。在纤维的非晶区中，大分子排列比较紊乱，堆砌比较疏松，其中有较多的缝隙与孔洞，密度较低。一些大分子表面的基团距离较大，联系力较小，没有完全饱和，表现为易于吸湿，易于染色，强度较低，变形较大。

（三）结晶度和取向度

实际上棉纤维是结晶态和非结晶态的混合物。在一根棉纤维中，同时存在着结晶区和非结晶区。结晶部分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%的非晶区。纤维结晶度较高时，吸湿比较困难，强度较高，变形较小。

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。形态结构对纤维的力学性质、光泽、手感、保暖性、吸湿性等均有影响。

（一）外观形状

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。

正常成熟的棉纤维，纵向外观上具有天然转曲，即棉纤维纵面呈不规则的而且沿纤维长度方向不断改变转向的螺旋形扭曲。天然转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转曲这一特征将棉与其他纤维区别开来。天然转曲一般以棉纤维单位长度（cm）中扭转半周（即180°）的个数表示。细绒棉的转曲数约为39-65个/cm，比正常成熟的长绒棉少。

（二）截面形状

棉铃吐絮前，纤维内含有较多水份，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，如图1-8所示。截面中次生胞壁的各个部位在结构上有显著不同，这种现象称为“棉纤维的双边结构”。

图1-8 成熟棉纤维的横截面

图1-9 棉纤维瘪缩前、后横截面变化示意图

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1-9所示，截面中A区的曲率最大，密度最高，溶液渗入最难；B区的结构和瘪缩前相近，溶液渗入比较容易；C区因受挤而成内凹状，溶液容易进入，因此反应最为活泼。在C与A之间，化学反应的

活泼程度自C至A逐渐递减，N区形成中间区，反应能力中等。

（三）截面结构

棉纤维的横截面由许多同心层组成，目前已可区分出6个层次，主要的有初生层、次生层、中腔3个部分。如图1-10所示。

图1-10 棉纤维截面结构示意图

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0.5μm以上。一般薄壁纤维的皱纹较深，厚壁纤维的皱纹较平滑。初生层与棉纤维的表面性质密切相关。例如，棉蜡使棉纤维具有良好的适宜于纺纱的表面性能，但在棉纱、棉布漂染前要经过煮炼以除去棉蜡，保证染色均匀。

次生层：是棉纤维在加厚期淀积纤维素而成的部分，又可分为三个层次。在初生层下面是一厚度不到0.1μm的S1层，由微原纤紧密堆砌而成。在S1层下面是另一厚度约1-4μm的S2层,由基本同心的环状层桑拿构成棉纤维的主体，全部为纤维素组成。接着S2层的是厚度不到0.1μm的S3层，有与S2层相似的特征。次生层决定了棉纤维的主要物理机械性质。

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。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。