第一章　常用纺织纤维的结构和主要性能

第一节　纤维素纤维的结构和主要性能

纤维素纤维包括天然纤维素纤维，如棉、麻；再生纤维素纤维，如黏胶纤维等。近年来出现了天然彩色棉、竹纤维、Lyocell纤维等多种新型纤维素纤维。本节简要介绍它们的形态结构、化学结构、超分子结构和主要物理化学性能。

一、天然纤维素纤维

（一）棉纤维

1.棉纤维的形态结构

在显微镜下观察，成熟棉纤维的外形为：上端尖而封闭，下端粗而敞口，整根纤维为细长的扁平带子状，有螺旋形天然扭曲，一般扭曲数为60～120个/cm，纤维成熟度越高，天然扭曲数越多。纤维截面呈腰子形，中间有干瘪的空腔。成熟棉纤维的形态如图1-1所示。

将棉纤维经过适当的溶胀处理后，在显微镜下进一步观察，发现棉纤维从外到里又分成三层，最外层称为初生胞壁，中间为次生胞壁，内部为胞腔。图1 2为棉纤维的形态结构模型示意图。

图1-1　成熟棉纤维的形态

1—初生胞壁　2—次生胞壁的外层　3—次生胞壁的中心区域　4—次生胞壁内层　5—带有原生质残渣的胞腔

（1）初生胞壁。棉纤维初生胞壁的厚度为0.1～0.2μm，约为纤维直径的1%左右，占纤维总质量的2.5%～2.7%，纤维素含量比较低，纤维素共生物特别是果胶物质、蜡状物质的含量较高，如表1-1所示。

表1-1　棉纤维的主要成分

初生胞壁决定了棉纤维的表面性质。初生胞壁具有拒水性，这对自然生长中的棉纤维有保护作用，在染整加工中会阻碍化学品向纤维内部扩散，影响化学反应进行，造成织物渗透性差，染色不匀等疵病，再加上纤维素含量较少，聚合度也较低，故强度不高，在染整加工的初期将其破坏并去除。初生胞壁不是结构均一的物质，它可分为三层：外层基本是由果胶物质和蜡状物质组成的皮层，第二、第三层含有相当多的纤维素，这些纤维素大分子排列成很不整齐的小纤维束，呈绕纤维轴旋转的网状结构，沿纤维轴向的取向度很低，对纤维内部的溶胀有束缚作用。

（2）次生胞壁。次生胞壁是纤维素淀积最厚的一层（约4μm），是棉纤维的主体，质量约占整个纤维的90%以上。由表1-1可知，次生胞壁的纤维素含量很高，共生物含量减少。次生胞壁的组成与结构决定了棉纤维的主要性质。

次生胞壁大体上也分为三层，每层中又有很多同心圆结构，称为日轮。同心圆结构都是由纤维素大分子组成的原纤沉积而成，厚约0.1～0.4μm，这三个同心圆层组成次生胞壁的外层、中层和内层，每层原纤的走向与邻层不同，绕纤维轴呈20°～30°的螺旋式排列。若外层原纤走向为S形螺旋，中层则为Z形，而内层又为S形，各层中原纤沿纤维长度方向的走向经常改变。

（3）胞腔。胞腔是棉纤维的中空部分，约占纤维截面的1/10，含有蛋白质及色素，其颜色决定了棉纤维的颜色。胞腔是纤维内最大的空隙，是棉纤维染色和化学处理的重要通道，若将胞腔的敞口部分完全封闭后进行染色，则染色速率会大大降低。

2.纤维素的化学结构

（1）纤维素的化学结构。纤维素大分子是由β-D-葡萄糖剩基彼此以1，4苷键联结而成的，分子式可以写成（C6H10O5）n，结构式如下：

每个相邻葡萄糖剩基扭转180°，每隔两环有周期性重复。因此，两环为一基本链节，大分子的链节数为（n-2）/2，n为葡萄糖剩基数，即纤维素的聚合度。棉和麻的聚合度高达10000～15000，黏胶纤维的聚合度为250～500。β-D-葡萄糖剩基的β表示葡萄糖环中C1苷羟基在投影式中向左方；D表示开环葡萄糖中C5上的羟基与C6上的羟基为同侧的构型。

（2）纤维素大分子的结构特点。纤维素大分子的两个末端葡萄糖剩基，其一端有四个自由羟基，另一端有三个自由羟基和一个半缩醛羟基（称为潜在醛基），半缩醛羟基可显示醛基性质，见下式：

因此，纤维素大分子具有还原性，但大分子链较长，端基还原性不明显。随着纤维素大分子的降解，相对分子质量变小，半缩醛羟基增多，还原性就会增强。因此可利用纤维素中醛基含量的变化来测定其经酸处理后平均聚合度的变化。

纤维素大分子链中间每环上有三个自由羟基，其中两个为仲羟基（C2、C3），一个为伯羟基（C6），它们具有一般醇羟基的性质，能起酯化、醚化等反应，活泼性以后者较强。纤维素大分子链中的很多羟基可在分子间和分子内形成氢键。由于分子间和分子内的氢键作用，使纤维素大分子链挺直而有刚性，分子链间强烈吸引，排列更加紧密，因此纤维素纤维强度高，不易变形。

纤维素大分子链中的苷键对碱的稳定性较高，在酸中易发生水解，使大分子链聚合度降低，分子间力减弱，纤维强度降低。

3.棉纤维的超分子结构

棉纤维的超分子结构主要指棉纤维次生胞壁中纤维素大分子的聚集态结构，或者说纤维素大分子的排列状态、排列方向、聚集紧密程度等，它们与棉纤维的性能有重要关系。要了解棉纤维的超分子结构，需要借助X射线衍射仪及电子显微镜等手段。

（1）棉纤维的结晶度和取向度。棉纤维具有两相结构，既有结晶区又有无定形区，棉纤维的结晶度为结晶部分在整体纤维中的含量，约为70%，麻纤维约为90%，丝光棉纤维约为50%，黏胶纤维约为40%。纤维的结晶度与纤维的物理性质、化学性质、力学性质均有密切关系。纤维中的晶体在自然生长过程中成一定的取向性，晶体的长轴与纤维轴的夹角称为螺旋角，螺旋角愈小，取向度愈高。螺旋角为0时，取向度为1，是理想的取向情况，无取向时，取向度为0。棉纤维次生胞壁外层的螺旋角在30°～35°，麻的螺旋角平均为6°左右。

（2）棉纤维的超分子结构模型——缨状原纤模型。纤维素大分子通过整齐排列组成微原纤，微原纤整齐排列形成原纤。原纤中也有少数大分子分支出去与其他分支合并组成其他的原纤。原纤之间通过非整齐排列的分子联结起来形成无定形区，这就是缨状原纤模型，如图1-3所示。

（3）纤维素纤维强度与纤维超分子结构的关系。影响纤维强度的超分子结构因素很多，这里就结晶度和取向度的影响作一分析。

①结晶度对纤维素纤维强度的影响。纤维素纤维内部有许多羟基，它们在结晶部位以氢键结合，形成立体密集而规整的排列，具有很高的分子间力。晶区还使分子链间交联起来，对容易自由运动的分子链起到约束作用，可防止分子链的滑移。反之，非结晶部位分子的羟基大部分处于游离状态，较少形成氢键，分子链间较松散，结构密度较低，容易屈服于外力，强度较弱。因此，纤维的结晶度愈高，纤维强度必然高。纤维素纤维中麻的结晶度最高，约90%，它的强度也最高；棉纤维的结晶度约70%，强度比较高；黏胶纤维结晶度在40%以下，强度最低。

②取向度对纤维素纤维强度的影响。纤维的取向度是指纤维内大分子、分子链段或晶体长轴沿纤维轴向有序排列的程度。取向度高的纤维其强度高，这有两方面的原因：一是分子、分子链段、晶区的取向使分子链顺应排列，次价力增高，这是影响纤维强度的重要因素；另一方面，取向度高会改善纤维内的受力状况。受外力作用的纤维主要是经向拉伸，高取向的纤维，大分子能均匀承受外力，减少因局部大分子应力集中所造成的分子链断裂，因此取向度高的纤维具有更高的强度。例如，棉纤维经过丝光，取向度提高了，尽管结晶度有所降低，但纤维的强度还是有所提高。在黏胶纤维制造中，对黏胶丝的拉伸就是为了提高取向度和结晶度，以提高黏胶丝的强度。

（4）纤维素纤维的结晶度对染色的影响。纤维素纤维在染色时，一般是将染料溶于水或分散于水中进行，染液只能渗透到纤维的无定形区和晶区边缘。若纤维结晶度高，无定形区少，则结构紧密，染料不易进入，染料的平衡吸附量也少，得色较浅淡。结晶度低的纤维，相应的无定形区多，纤维结构松散，染料易于进入纤维，平衡吸附量高，纤维得色深浓。棉纤维在丝光前结晶度较高，丝光后部分结晶区被打开成为无定形区，在同样染色条件下，丝光的棉纤维能得到较深的颜色。若要染成同样的颜色深度，未丝光棉纤维就要提高染料浓度、染色温度或延长染色时间。

4.纤维素纤维的化学性质

纤维素纤维的化学性质取决于纤维素的化学结构。纤维素大分子链中存在着苷键，并含有大量的自由羟基。苷键对不同的化学试剂稳定性不同，葡萄糖剩基上的三个羟基活泼性相差很大，其中C6上的伯羟基比C2、C3上的仲羟基活泼得多。纤维素纤维的化学性质还受到纤维超分子结构的影响。

（1）纤维素与碱的作用。纤维素大分子中的苷键对碱的作用比较稳定，在常温下，氢氧化钠溶液对纤维素不起作用，高温沸煮也仅有一部分溶解。但在高温有空气存在时，纤维素苷键对较稀的碱液也十分敏感，引起聚合度的下降。

①浓碱对天然纤维素纤维的作用。常温下，浓的氢氧化钠溶液会使天然纤维素纤维发生不可逆的各向异性溶胀，纤维纵向收缩而直径增大，若施加一定的张力防止其收缩，并及时洗碱，可使纤维获得丝一样的光泽，这就是丝光。在显微镜下观察可发现，溶胀了的纤维的横截面，原有胞腔几乎完全消失，长度方向缩短，并由原来扭曲的扁平带状变为平滑的圆柱状。棉纤维若在无张力下与浓碱作用，结果得不到丝光效果，却得到另一种有实用价值的碱缩效果，尤其是棉针织物经浓碱处理，纱线膨胀，织物的线圈组织密度和弹性增加，织物发生皱缩。

②碱与纤维素的作用机理。纤维素是一种弱酸，可与碱发生类似的中和反应，生成醇钠化合物：

碱也能与纤维素的羟基以分子间力，特别是氢键结合，形成分子化合物：

碱与纤维素作用后的产物称为碱纤维素，是一种不稳定的化合物，经水洗后恢复成原来的纤维素分子结构，但纤维的微结构发生了不可逆的变化，结晶度降低，无定形区增加。天然棉纤维的结晶度达70%，经浓碱处理后的丝光棉纤维，结晶度降至50%～60%，说明浓碱液破坏了部分结晶区。这种作用很有实用意义，是棉纤维染整加工中的重要环节。

（2）纤维素与酸的作用。纤维素纤维遇酸后，手感变硬，强度严重降低，这是由于酸对纤维素大分子中苷键的水解起了催化作用，使大分子的聚合度降低，纤维受到损伤：

影响纤维素纤维水解的主要因素是酸的性质、水解反应的温度和作用时间。实际生产中，如果用酸工艺适当，就不会使织物损伤严重。

酸与纤维素作用的一般规律是酸性越强，水解速率越快。强无机酸如盐酸、硫酸、硝酸等对纤维素纤维的催化作用特别强烈，弱酸如磷酸、硼酸的催化作用较弱，有机酸则更缓和。酸的浓度愈大，水解速率愈快。温度对纤维素的水解影响很大，温度越高水解速率越快，当酸的浓度恒定时，温度每升高10℃，纤维素水解速率增加2～3倍。在其他条件相同的情况下，纤维素水解的程度与时间成正比，作用时间越长，水解越严重。此外，纤维素水解的速率还与纤维素的种类有关，麻、棉、丝光棉、黏胶纤维等的水解速率依次递增，这主要是它们的纤维结构中无定形部分依次增加。实际生产中一般只用很稀的酸处理棉织物，而且温度不能超过50℃，处理后还必须彻底洗净，尤其要避免带酸情况下干燥。

酸对纤维素纤维虽有危害性，但只要控制得当，也有可利用的一面。如含氯漂白剂漂白后用稀酸处理，可进一步加强漂白作用，用酸中和织物上过剩的碱，棉织物用酸处理生产蝉翼纱、涤/棉织物的烂花等均有应用。

（3）纤维素与氧化剂的作用。纤维素一般不受还原剂的影响，而易受氧化剂的作用生成氧化纤维素，使纤维变性、受损。纤维素对空气中的氧是很稳定的，但在碱存在下易氧化脆损，所以高温碱煮时应尽量避免与空气接触。在用次氯酸钠、亚氯酸钠、过氧化氢等氧化剂漂白时，必须严格控制工艺条件，以保证织物或纱线应有的强度。

纤维素的氧化作用主要发生在葡萄糖剩基的三个醇羟基和大分子末端的潜在醛基上，其中伯羟基被氧化成醛基，进一步氧化成羧基；仲羟基被氧化成酮基，进一步氧化成开环的醛基和羧基；大分子末端的潜在醛基被氧化成羧基。

纤维素在不同条件下氧化，可得到含有大量醛基或羰基的还原型氧化纤维素或含有大量羧基的酸型氧化纤维素。还原型氧化纤维素虽然未发生纤维素大分子链的断裂，但存在潜在损伤，在碱性条件下，会使纤维素大分子链断裂，聚合度下降，纤维强度降低。

5.纤维素共生物

棉纤维在生长过程中，纤维素的含量随着棉成熟度的增加而增加，此外还有一定量的在棉纤维生长中起保护性作用的物质，以及生物代谢过程中生成的杂质，与纤维素共生共长，这些物质称为纤维素共生物。纤维素共生物主要有果胶物质、含氮物质、蜡状物质、天然色素等，此外还有在剥取棉纤维时夹带的棉籽壳。共生物所占的比例随棉纤维成熟度的提高而减少。

共生物在棉织物染整加工中影响纤维的吸水、染色、白度等性能，因此，在染整加工的前处理中需要除去，以满足染整加工与服用的需要。

（1）果胶物质。棉和麻纤维中都含有果胶，以苎麻中含量较高。棉纤维中的果胶物质主要存在于初生胞壁中，也有少量存在于次生胞壁中。果胶的主要成分是果胶酸钙、果胶酸镁、果胶酸甲酯和多糖类。果胶酸钙、果胶酸镁和果胶酸甲酯的亲水性比纤维素低，用热水也难以洗除，若采用适当浓度的烧碱在一定温度下处理，可使酯水解成羧基，并转变成钠盐，这样果胶在水中的溶解度可大大提高而易于除尽。

（2）含氮物质。棉纤维中的含氮物质主要以蛋白质和简单的含氮无机盐（如硝酸盐、亚硝酸盐）存在于纤维的胞腔中，也有一部分存在于初生胞壁和次生胞壁中。含氮无机盐可溶于60℃温水或常温弱酸、弱碱溶液中，蛋白质即使在氢氧化钠溶液中长时间沸煮也不能完全除净。次氯酸钠可使蛋白质大分子中的酰胺键断裂，生成一系列可溶于水的氯氨基酸钠盐而除去。

（3）蜡状物质。棉纤维中不溶于水但能被有机溶剂萃取的物质称为蜡状物质，主要存在于初生胞壁中。棉纤维中的蜡状物质是一混合物，含有既不溶于水又不溶于碱的脂肪族高级一元醇、游离脂肪酸、脂肪酸的钠盐、高级一元醇的酯和固体、液体的碳氢化合物。在棉织物的染整加工中，蜡状物质的去除是借助于皂化和乳化作用实现的。脂肪酸（酯）类物质在煮练中与碱发生皂化作用而除去，高级醇和碳氢化合物可利用皂化产物或加入的乳化剂，通过乳化作用而去除。

（4）灰分。棉纤维中的灰分由硅酸、碳酸、盐酸、硫酸和磷酸的钾、钠、钙、镁、锰盐以及氧化铁和氧化铝组成，其中钾盐和钠盐占灰分总量的95%。棉纤维中的灰分能溶解于酸中，可通过练漂中的酸洗来降低其含量。

（5）天然色素。棉纤维中的有色物质称为天然色素，有乳酪色、褐色、灰绿色等多种。目前，对天然色素的结构研究得还不充分。部分色素能溶于沸水。在漂白时用漂白剂可使色素破坏而被去除。

（6）棉籽壳。棉籽壳本不是棉纤维的共生物，而是棉纤维所附着的种籽皮，是剥制纤维时带入的杂质。棉籽壳的颜色很深，质地坚硬，对织物表面的光洁度和染整加工十分不利。它的组成也很复杂，主要由木质素、纤维素、单宁、多糖类以及少量蛋白质、油脂和矿物质等组成。在棉织物煮练中，在烧碱、高温、长时间处理下，木质素中的多种醚键断裂，木质素大分子降解，使棉籽壳变得松软，基本解体，再经充分挤轧、水洗而去除。在氯漂中，木质素还会发生氯化作用而溶解在碱中。

（二）天然彩色棉

天然彩色棉是天然生长的非白色棉花，是一种古老的棉花品种。由于这种棉花存在产量低、成熟度差、纤维强度低、可纺性差、色泽不鲜艳等多种缺点，一直未受到重视。随着人们对纯天然物品需求的日益增长，彩色棉花的种植又重新受到重视。我国的彩色棉品种目前主要有棕色、绿色、褐色三种。但目前彩色棉还存在着可纺性差、色素不稳定、产量低等缺点，特别是绿棉的色素稳定性非常差，已成为商品化的重要障碍。

1.天然彩色棉的化学组成

天然彩色棉的纤维素含量较低，只有85%～90%，共生物含量较高。共生物的主要成分是棉蜡、灰分、果胶和蛋白质。果胶含量比白棉低，其他杂质含量均高于白棉，如棉蜡的含量约为白棉的5～8倍，灰分的含量为白棉的1.4～1.6倍，蛋白质的含量为白棉的1.75～2.1倍。天然彩色棉中主要共生物的含量如表1-2所示。

表1-2　天然彩色棉中主要共生物的含量

天然彩色棉的化学结构与白棉相同，都属于纤维素纤维，结晶结构也与白棉一样，为纤维素Ⅰ。

2.天然彩色棉的形态结构

天然彩色棉的形态结构与白棉相似。绿棉的横截面积小于白棉，次生胞壁比白棉薄很多，胞腔远远大于白棉，呈U形。棕棉的横截面与白棉相似，呈腰圆形，次生胞壁和横截面积比绿棉丰满，但胞腔大于白棉。一般来说，成熟度好的彩色棉截面比较圆润，胞腔较小。成熟度差的天然彩色棉，截面扁平，胞腔较大。

天然彩色棉的色素主要分布在纤维的次生胞壁内，靠近胞腔部位。由于要透过次生胞壁，所以，色彩的透明度差些，色泽不十分鲜艳。

天然彩色棉的纵向与白棉一样，为细长、有不规则转曲的扁平带状，中部较粗，根部稍细于中部，梢部更细。成熟度好的纤维转曲数较多，成熟度较差的纤维转曲数很少。

3.天然彩色棉的物理性能

天然彩色棉与白棉的主要物理性能比较见表1-3。

表1-3　彩色棉和白棉的主要物理性能

由表1-3可见，天然彩色棉的长度偏短，强度偏低，马克隆值高低差异大，整齐度较差，短绒含量高，成熟度差，这些都给纺纱带来一定困难。同时天然彩棉的产量也远低于白棉。

4.天然彩色棉的颜色稳定性

天然彩色棉含有多种色素，如棕棉含有黄色和棕色色素，绿棉除含有黄绿色色素外，还含有红棕色和黄色色素。天然彩色棉的色素中含有芳环、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基和共轭双键等，化学性质不稳定，经不同温度的水、不同pH的缓冲溶液、生物酶、氧化剂、还原剂、金属盐、表面活性剂、荧光物质、光等处理，其色泽深度和色光都会发生变化，变化的程度与所用试剂的种类、用量和处理条件有关，有的颜色变浅，有的颜色变深，而且，多数情况下颜色是加深的，这可能与天然彩棉表面蜡质的去除和色素分子结构的变化有关。如用金属盐处理，可使色光改变，颜色加深，耐光牢度提高，其变化程度与金属盐的种类、用量和处理条件有关。

（三）麻纤维

麻纤维是从各种麻类植物中取得的纤维，包括韧皮纤维和叶纤维。本节简要介绍韧皮纤维中的苎麻和亚麻纤维。

1.苎麻和亚麻纤维的化学组成

麻纤维的主要成分为纤维素，并含有较多量的半纤维素、果胶和木质素。

苎麻是多年生草本植物。麻皮自茎上剥下后，先进行刮青，刮去表皮。刮青后的麻皮晒干或烘干后，成丝状或片状的原麻（也称生苎麻）。原麻在纺纱前需要脱胶，脱胶后的苎麻称为精干麻。原麻的总含胶量（除纤维素外的其他所有杂质）达25%～35%，纤维素含量较低，化学组成如表1-4所示，精干麻的残胶率控制在2%以下。原麻的脱胶方法有生物脱胶法和化学脱胶法，目前主要采用化学脱胶法。

亚麻纤维在麻茎韧皮的生长中，由30～50根单纤维集结在一起，由胶质粘连成纤维束状态存在。亚麻纤维的长度整齐度极差，不能将它脱胶成单纤维进行纺纱。为了使亚麻纤维适应和满足纺纱工艺的要求，要先用浸渍的方法，将它进行半脱胶，使纤维束适度劈细并保持一定的长度，经碎茎、打麻后制成“打成麻”。

亚麻打成麻的化学组成如表1-4所示。

表1-4　苎麻和亚麻纤维的化学组成

2.苎麻和亚麻纤维的形态结构

各种韧皮纤维都是植物单细胞，纤维细长，两端封闭，内有狭窄胞腔，胞壁厚薄随品种和成熟度不同而异。截面呈椭圆形或多角形，取向度和结晶度高于棉纤维，具有高强度和低伸长。

苎麻纤维是植物纤维中最长的，单纤维长20～250mm，最长可达600mm。横截面呈腰圆形或扁平形，有中腔，胞壁厚实均匀，两端封闭呈锤头形或有分支，整根纤维呈扁管形，没有明显转曲，纤维表面有时平滑，有时有明显条纹，常有结节，平均宽度30～40μm。

亚麻纤维表面光滑，略有裂节，为玻璃管状，两端稍细，呈纺锭形。横截面为五角形或多角形，中腔甚小，胞壁较厚。苎麻和亚麻纤维的截面形状如图1-4所示。

苎麻纤维的结晶度和取向度很高，前者约90%，后者约80%。亚麻纤维的结晶度和取向度比苎麻纤维略低，聚合度为2190～2420。

3.苎麻和亚麻纤维的物理性能

苎麻纤维的强度和模量很高，在天然纤维中均居首位，但断裂伸长率低，纤维硬挺，刚性大，纤维之间抱合差，纺纱时不易捻合，纱线毛羽多。苎麻纤维强度虽高，但由于伸长率低，断裂功小，加之苎麻纤维的弹性回复性差，因此苎麻织物的折皱回复能力差，织物不耐磨。苎麻纤维不耐高温，在240℃以上即开始分解。

亚麻纤维的长度较短，物理性能和苎麻纤维相似。

4.麻纤维的染色性能

麻纤维结晶度、取向度高，大分子链排列整齐、紧密，孔隙小且少，溶胀困难。同时麻纤维含有一定量的木质素和半纤维素等杂质，染色性能较差，染料扩散困难，上染率低，用染纤维素纤维的染料染色，得色量低，不宜染深色，染色始终是一个比较麻烦的问题。

改善麻纤维染色性能的方法主要有两种，一种是对麻纤维进行染前处理，如丝光，降低纤维的结晶度；另一种是对麻纤维进行改性处理，如阳离子化处理，使纤维带正电荷，提高对阴离子染料的亲和力。

二、再生纤维素纤维

（一）黏胶纤维

黏胶纤维是再生纤维素纤维的主要品种，是从不能直接纺织加工的纤维素原料（如棉短绒、木材、芦苇、甘蔗渣等）中提取纯净的纤维素，经过烧碱、二硫化碳处理后制备成黏稠的纺丝溶液，再经过湿法纺丝制造而成的纤维。黏胶纤维的生产存在严重的环境污染。

1.黏胶纤维的形态结构

在显微镜下观察，黏胶纤维纵向呈平直的圆柱体，截面呈不规则的锯齿状，如图1-5所示。黏胶纤维的截面结构是不均一的，由外层（皮层）和内层（芯层）组成。皮层的结晶度及取向度高，结构紧密度高于芯层。芯层的结晶度和取向度均较低，结构比较疏松。

黏胶纤维在生产过程中，已经过洗涤、去杂和漂白，天然色素、灰分、油脂和蜡状物等已被去除，是一种较为纯净的纤维，杂质含量比天然纤维素纤维要低得多。

2.黏胶纤维的化学结构和超分子结构

黏胶纤维的化学组成与棉纤维相同，完全水解产物都是β-D-葡萄糖。但黏胶纤维的聚合度比棉低得多，棉的聚合度为几千，甚至上万，普通黏胶纤维只有300～400，高强度黏胶纤维即“富强纤维”在500～600。黏胶纤维大分子所暴露的羟基和醛基比棉纤维多，吸湿性高，标准回潮率达到12%。

从超分子结构上看，黏胶纤维也是部分结晶的高聚物，但无定形区比棉高，约占2/3。结晶度较低，为30%～40%，结晶尺寸也较小。黏胶纤维的取向度也较低，但可随生产中拉伸程度的增加而提高。如拉伸10%的黏胶纤维螺旋角为34°，拉伸80%的黏胶纤维螺旋角为25°，拉伸120%的黏胶纤维螺旋角为16°。在聚合度一定的情况下，取向度愈高，纤维强度愈高。

3.黏胶纤维的性能

黏胶纤维与棉、麻等天然纤维素纤维相比，由于聚合度、聚集态结构（超分子结构）和形态结构不同，性能方面有较大差异。

普通黏胶纤维的湿强度仅是干强度的一半左右（一般干强为22～26cN/tex，湿强为10～15cN/tex）。这是因为黏胶纤维的聚合度和取向度低，无定形区大，水分子进入无定形区后，使分子间力进一步减弱，易造成分子链滑移而断裂，容易发生变形，所以在染整加工时应采用低张力或松式加工。

同其他纤维素纤维一样，黏胶纤维对酸和氧化剂比较敏感。但黏胶纤维结构松散，聚合度、结晶度和取向度低，有较多的空隙和内表面积，暴露的羟基比棉多，因此化学活泼性、对酸和氧化剂的敏感性都大于棉。黏胶纤维对碱的稳定性比棉、丝光棉差很多，能在浓烧碱作用下剧烈溶胀甚至溶解，使纤维失重，机械性能下降，所以在染整加工中应尽量少用浓碱。

由于黏胶纤维比棉和丝光棉有更多的无定形区和更松散的超分子结构，所以吸湿性大，对染料、化学试剂的吸附量大于棉和丝光棉，其吸附能力依次为：黏胶纤维＞丝光棉＞棉。

黏胶纤维的染色性能和棉相似。虽然黏胶纤维对染料的吸附量大于棉，但黏胶纤维存在皮芯结构，皮层结构紧密，会妨碍染料的吸附和扩散，芯层结构疏松，对染料的吸附量高。所以低温、短时间染色，黏胶纤维得色比棉浅，且易产生染色不匀，高温、长时间染色，得色才比棉深。

（二）高湿模量黏胶纤维

普通黏胶纤维在湿态剧烈溶胀，断裂强度显著降低，湿模量很小，在较小负荷下就有较大伸长，织物洗涤时受到揉搓力作用容易变形，干燥后产生剧烈收缩，尺寸很不稳定。而且耐碱性差，与棉的混纺织物不能进行丝光处理。湿加工必须采用松式，如在张力下进行，织物的伸长很大。

为了克服普通黏胶纤维的上述缺点，人们研制出了高湿模量黏胶纤维。这些纤维具有高强度、低伸度、低膨化度和高的湿模量，被称之为第二代黏胶纤维。

高湿模量黏胶纤维主要有富强纤维和Modal纤维，它们的主要性能见表1-5。

表1-5　几种纤维素纤维的性能比较

续表

1.富强纤维

富强纤维系采用高质量浆粕原料，在纺丝成型时经充分拉伸而制得，具有干、湿强度高，伸长低和湿模量高，对碱的稳定性好等特点。

富强纤维的聚合度一般为500～600，高于普通黏胶纤维，结晶度和取向度是现有黏胶纤维品种中最高的，晶粒也最大。结晶度高，纤维的结构紧密，分子间的作用力大，所以富强纤维的干、湿强度都较高。取向度高，纤维的断裂强度、横向膨润度、弹性模量和光泽也高，但断裂伸长、纵向膨润度、染色性能和钩接强度会降低。晶粒形状和大小对纤维的力学性能，特别是耐疲劳性能有重要影响。由于富强纤维的大晶粒结构，纤维脆性较高，耐疲劳性能较差，钩强也较低。

富强纤维的横截面与普通黏胶纤维不同，为较圆滑的圆形或接近于圆形的全芯层结构。

富强纤维与棉纤维相似，有与纤维轴呈一定角度排列的原纤结构，普通黏胶纤维无此特殊结构，所以富强纤维有“原纤化现象”，易使纤维产生毛羽，使耐磨性和染色鲜艳度下降。

富强纤维干态下的断裂强度大大超过普通黏胶纤维，并优于棉纤维，湿断裂强度损失较小，低于30%。由于富强纤维有较高的干、湿态断裂强度和较高的湿模量，较低的干、湿态伸长率，所以织物有较好的尺寸稳定性，比较耐折皱，水洗后变形较小。富强纤维的染色性能与普通黏胶纤维相似。

富强纤维对碱溶液的稳定性较高，抗碱性是所有黏胶纤维中最高的，在20℃、10%的NaOH溶液中溶解度为9%，而普通黏胶纤维高达50%。用浓度为5%的NaOH溶液处理，富强纤维几乎能保持原来的强度，而且变形很小。由于富强纤维对碱液的稳定性高，使得其与棉的混纺织物能进行丝光处理。

2.Modal纤维

Modal纤维是奥地利Lenzing公司生产的、在富强纤维基础上改进的新一代纤维素纤维，由山毛榉木浆粕制成，浆粕及纤维的生产过程对环境的污染低于富强纤维和普通黏胶纤维。Modal纤维的干、湿强度、湿模量和缩水率均好于普通黏胶纤维，干、湿强度比普通黏胶纤维高25%～30%，在湿润状态下，溶胀度低，具有棉纤维的柔软、真丝的光泽、麻纤维的滑爽等性能，吸湿透气性优于棉纤维。但Modal纤维制品的抗皱性差，成品需要进行树脂防皱整理。

（三）Lyocell纤维

Lyocell纤维是采用N甲氧基吗啉（NMMO）的水溶液溶解纤维素后，进行干、湿法纺丝再生出来的一种纤维素纤维。原料是成材迅速的山毛榉、桉树或针叶类树的木浆，有机溶剂NMMO的回收率达到99%以上，生产过程对环境无公害。Acordis公司在美国生产的Lyocell纤维的商品名为“Tencel”。

Lyocell纤维的性能十分优良，既有棉纤维的自然舒适性，黏胶纤维的悬垂飘逸性和色泽鲜艳性，合成纤维的高强度，又有真丝般柔软的手感和优雅的光泽。

Lyocell纤维有长丝和短纤维。短纤维分为普通型（未交联型）和交联型，前者如Tencel，后者如TencelA100。

普通型Lyocell纤维具有很高的吸湿膨润性，特别是径向，膨润率高达40%～70%。当纤维在水中膨润时，纤维轴向分子间的氢键等结合力被拆开，在受到机械作用时，纤维沿轴向分裂，形成较长的原纤，这种现象称为原纤化现象。利用普通型Lyocell纤维易原纤化的性质，可将织物加工成桃皮绒风格，但要加工成光洁风格，必须通过多道染整工序才能满足要求。交联型Lyocell纤维加工成光洁风格需要的染整工序要少得多，而且在服用过程中不易起毛起球。

1.Lyocell纤维的结构

（1）Lyocell纤维的化学结构。Lyocell纤维的化学结构与棉、麻相同，聚合度一般为500～550，比黏胶纤维（250～300）高，相对分子质量分布也比黏胶纤维集中。

交联型Lyocell纤维除了由β-D-葡萄糖剩基组成的大分子链以外，在大分子之间还有一定量的交联。

（2）Lyocell纤维的形态结构。Lyocell纤维的横截面形状不同于黏胶纤维和棉，呈椭圆形或近似圆形，表面比较光滑，外观呈卷曲状。

Lyocell纤维具有一定程度的皮芯结构，皮层很薄，厚度约为70～170nm，占总体积的2.5%～5.6%，呈半透明状，为纤维素大分子链紊乱排列的无定形结构。芯层由高度结晶的巨原纤和巨原纤之间的无定形区构成，巨原纤平均直径为0.25～0.96μm，长度大于1mm。

（3）Lyocell纤维的超分子结构。Lyocell纤维的结晶度、晶体粒子大小和取向度高于其他再生纤维素纤维，但纤维之间的堆砌密度较小，在水中有较大的膨润度，吸湿膨化后结晶度和取向度会明显降低（表1-5）。

2.Lyocell纤维的性能

Lyocell纤维的干、湿强度大，初始模量高，在水中的收缩率小，尺寸稳定性好，吸湿膨润性大，有突出的原纤化特征。了解Lyocell纤维的这些性能特点，有助于在染整加工中根据纤维的性能选择合适的加工方法和条件。

（1）力学性能。Lyocell纤维和其他几种纤维的力学性能比较见表1-5。

Lyocell纤维的干、湿强度明显高于棉和其他再生纤维素纤维，干强接近涤纶，达到40cN/tex以上。吸湿后强度有所降低，但仍可保持干强的80%，远高于其他再生纤维素纤维。Lyocell纤维的湿断裂伸长率高于干断裂伸长率，但干、湿断裂伸长率均小于黏胶纤维，初始模量是普通黏胶纤维的数倍，在湿态下仍能保持很高的模量，因此在湿加工时有很好的保形性。

Lyocell纤维的吸湿性接近黏胶纤维，比棉、蚕丝好，但低于羊毛。Lyocell纤维在水中不仅膨润，而且膨润的各向异性十分明显，横向膨润率达到40%，纵向仅有0.03%。原因是Lyocell纤维中原纤的结晶化趋向于沿纤维轴向排列，纤维大分子间横向结合力相对较弱，纵向结合力较强，具有层状结构。在润湿状态下，水分子进入无定形区，大分子链间的横向结合力被切断，分子间联结点被打开，扩大了分子间的距离，因而纤维的直径增大远高于长度的增加。高的横向膨润率会给织物的湿加工带来很多困难，这已成为Lyocell纤维染整加工的一个难点。

Lyocell纤维在水中横截面约有1.4倍的膨润率，这使得纤维与纤维之间的接触面积变大，表面摩擦阻力增加，纤维之间难以做相对移动，造成织物遇水后结构紧密，僵硬，在湿加工时很容易产生折痕和擦伤等疵病，并且由于织物与织物之间或织物与机械之间的摩擦而产生大量毛羽。

（2）Lyocell纤维的原纤化特征。原纤化是纤维沿轴向将更细的微细纤维逐层剥离出来，这是具有原纤构造的纤维所特有的一种结构特征。不同的纤维由于化学结构和聚集态结构不同，原纤化程度也不同，Lyocell纤维的原纤化程度比其他再生纤维素纤维严重得多。

Lyocell纤维是由微纤维构成的、取向度非常高的纤维素分子集合体，这种微纤维集合体由巨原纤构成，具有明显的原纤构造，由大分子敛集成的各级原纤基本上都是沿纤维轴向排列。普通型Lyocell纤维原纤的结晶化更趋向于沿纤维轴向排列，纤维大分子之间横向结合力相对较弱，纵向结合力较强，形成层状结构。这种明显的各向异性结构特征，使得纤维表现出很强的径向膨润能力。在水中膨润时，径向膨润程度远远大于轴向，并有较高的湿刚性。此时，若纤维反复受到机械摩擦作用，纤维表面会发生明显的原纤化，沿着纤维长度方向在纤维表面逐层分裂出更细小的微细纤维（直径1～4μm），其中一端固定在纤维本体上，另一端暴露在纤维表面，形成许多微小茸毛。这种原纤化仅仅是单个原纤沿纤维表面纵向裂开，纤维的力学性能并未发生明显变化，这种现象称为纤维的原纤化。在极度原纤化情况下，这些原纤会相互缠结而起球。

Lyocell纤维的原纤化既有有利的一面，也有不利的一面。有利的一面是可以利用纤维的原纤化特性，使织物获得桃皮绒风格。不利的一面是当Lyocell纤维织物进行湿处理时，初级原纤化进行得很快，使织物产生毛茸茸外观，而且不完全原纤化的织物会给后道染色、整理甚至服装洗涤带来很多麻烦。对要求表面光洁的织物来说，Lyocell纤维在加工和服用中，在织物表面产生的茸毛会影响织物外观。交联型Lyocell纤维如TencelA100能防止原纤化产生，通过染整加工也能防止原纤化产生，或者使产生的原纤去除，同时织物在服用中也不会再原纤化。

（3）Lyocell纤维的染色性能。Lyocell纤维是再生纤维素纤维，可用活性染料、直接染料、硫化染料、还原染料等染色，常以活性染料染色为主。但Lyocell纤维的形态结构、聚集态结构、力学性能、对化学药剂的敏感性、原纤化性能等与棉、麻、黏胶等其他纤维素纤维不完全相同，因此，染料对Lyocell纤维的亲和力、上染速率、上染百分率、匀染性等，与其他纤维素纤维有一定的差异。

（四）竹纤维

竹纤维的原料是竹子。竹子主要由纤维素、木质素、果胶和多戊糖等组成，纤维素含量为40%～50%，木质素含量为20%～30%，多戊糖含量为16%～21%，另外还有1%～3%的灰分。

竹纤维有两种，一种是竹原纤维，是将竹材通过物理机械方法经过前处理（整竹、制竹片、浸泡），分解（蒸煮、水洗、分丝），成型（蒸煮、分丝、还原、脱水、软化），后处理（干燥、梳纤、筛选）等工序除去竹子中的木质素、多戊糖、竹粉和果胶等杂质，提取天然纤维素成分，直接制得竹原纤维。竹原纤维的纤维素含量在95%以上，线密度为4.4～6.6dtex，长度为2～36cm，平均长度8cm。另一种是采用化学方法将竹材制成竹浆粕，将浆粕溶解制成竹浆溶液，然后通过湿法纺丝制得竹浆纤维（再生纤维素纤维）。竹浆纤维的主体长度为85mm和38mm，线密度为4.85dtex和1.67dtex。

竹原纤维和竹浆纤维分属天然纤维素纤维和再生纤维素纤维，它们的化学结构和棉、麻或黏胶纤维相似。但由于植物纤维的种类不同以及浆粕原料和制造方法的不同，使竹纤维与棉、麻或黏胶纤维在形态和聚集态结构方面不完全相同。

1.形态结构

天然竹纤维的横截面呈扁平状，中间有孔洞（胞腔），无皮芯层结构。纤维表面存在沟槽和裂缝，横向还有枝节，无天然扭曲。天然竹纤维中细长的空洞和表面的沟槽使竹纤维具有优良的吸湿、放湿性能。竹原纤维的结晶度为71.8%，比棉纤维（65.7%）高6%左右，分子结构较棉紧密。竹原纤维的晶体结构与棉纤维相同，属典型的纤维素Ⅰ，标准回潮率为7%左右。

竹浆纤维的横截面与黏胶纤维相似，呈多边形不规则状，大部分接近圆形，有的为梅花形，边沿具有不规则的锯齿状，皮芯结构不明显，呈天然中空，纵向表面具有光滑均匀的特征，纤维表面有沟槽，有利于导湿和吸湿、放湿，有良好的透气性。竹浆纤维的结晶结构特征与普通黏胶纤维相似，结晶度远小于天然竹纤维。

2.竹纤维的力学性能

竹纤维的力学性能见表1-6。

表1－6　竹纤维的力学性能

续表

竹浆纤维与其他再生纤维素纤维一样，大分子聚合度和结晶度较低，纤维间滑移性强，水分子进入无定形区后，会削弱大分子链间的抱合力。在外力作用下，纤维易拉伸并产生相对滑移，表现为吸湿后强力明显下降，伸长显著增加。因此，竹浆纤维与黏胶纤维一样，具有湿强低的特性。

竹浆纤维的初生结构及其横截面上的孔隙特性为其吸收水分和蒸发水分创造了条件，决定了竹浆纤维的吸湿、放湿性能是所有纤维中最好的。竹浆纤维在标准状态下的回潮率可达12%，与普通黏胶纤维相近。在36℃、100%的相对湿度下，回潮率超过45%，且从8.75%增加到45%仅需6h。竹浆纤维的透气性比棉纤维高3.5倍，居各种纤维之首。

竹原纤维的染色性能与棉纤维相似。竹浆纤维的染色性能与普通黏胶纤维相似，采用纤维素纤维染色的染料如直接染料、活性染料、还原染料和硫化染料等都能用于竹纤维的染色。

竹纤维具有天然的抗菌作用。由竹纤维制成的纺织品，其24h抗菌率可达到71%。竹纤维的抗菌、抑菌作用主要来源于竹纤维中所含有的天然抗菌物质。日本研究人员曾对竹干沥馏油（简称“竹沥”）做了大量实验，证实竹沥有广泛的抗微生物功能。竹纤维成分中的叶绿素和叶绿素铜钠都具有较好的除臭作用。竹纤维织物的除臭作用比棉织物要强得多。

竹纤维比棉、麻纤维具有更强的紫外线吸收作用，其抗紫外线能力比棉纤维强20倍，特别是对C波段的效果更为明显。这是因为竹纤维中所含的叶绿素铜钠是优良的紫外线吸收剂。