第一章　常用紡織纖維的結構和主要性能

第一節　纖維素纖維的結構和主要性能

纖維素纖維包括天然纖維素纖維，如棉、麻；再生纖維素纖維，如黏膠纖維等。近年來出現了天然彩色棉、竹纖維、Lyocell纖維等多種新型纖維素纖維。本節簡要介紹它們的形態結構、化學結構、超分子結構和主要物理化學性能。

一、天然纖維素纖維

（一）棉纖維

1.棉纖維的形態結構

在顯微鏡下觀察，成熟棉纖維的外形為：上端尖而封閉，下端粗而敞口，整根纖維為細長的扁平帶子狀，有螺旋形天然扭曲，一般扭曲數為60～120個/cm，纖維成熟度越高，天然扭曲數越多。纖維截面呈腰子形，中間有干癟的空腔。成熟棉纖維的形態如圖1-1所示。

將棉纖維經過適當的溶脹處理后，在顯微鏡下進一步觀察，發現棉纖維從外到里又分成三層，最外層稱為初生胞壁，中間為次生胞壁，內部為胞腔。圖1 2為棉纖維的形態結構模型示意圖。

圖1-1　成熟棉纖維的形態

1—初生胞壁　2—次生胞壁的外層　3—次生胞壁的中心區域　4—次生胞壁內層　5—帶有原生質殘渣的胞腔

（1）初生胞壁。棉纖維初生胞壁的厚度為0.1～0.2μm，約為纖維直徑的1%左右，占纖維總質量的2.5%～2.7%，纖維素含量比較低，纖維素共生物特別是果膠物質、蠟狀物質的含量較高，如表1-1所示。

表1-1　棉纖維的主要成分

初生胞壁決定了棉纖維的表面性質。初生胞壁具有拒水性，這對自然生長中的棉纖維有保護作用，在染整加工中會阻礙化學品向纖維內部擴散，影響化學反應進行，造成織物滲透性差，染色不勻等疵病，再加上纖維素含量較少，聚合度也較低，故強度不高，在染整加工的初期將其破壞并去除。初生胞壁不是結構均一的物質，它可分為三層：外層基本是由果膠物質和蠟狀物質組成的皮層，第二、第三層含有相當多的纖維素，這些纖維素大分子排列成很不整齊的小纖維束，呈繞纖維軸旋轉的網狀結構，沿纖維軸向的取向度很低，對纖維內部的溶脹有束縛作用。

（2）次生胞壁。次生胞壁是纖維素淀積最厚的一層（約4μm），是棉纖維的主體，質量約占整個纖維的90%以上。由表1-1可知，次生胞壁的纖維素含量很高，共生物含量減少。次生胞壁的組成與結構決定了棉纖維的主要性質。

次生胞壁大體上也分為三層，每層中又有很多同心圓結構，稱為日輪。同心圓結構都是由纖維素大分子組成的原纖沉積而成，厚約0.1～0.4μm，這三個同心圓層組成次生胞壁的外層、中層和內層，每層原纖的走向與鄰層不同，繞纖維軸呈20°～30°的螺旋式排列。若外層原纖走向為S形螺旋，中層則為Z形，而內層又為S形，各層中原纖沿纖維長度方向的走向經常改變。

（3）胞腔。胞腔是棉纖維的中空部分，約占纖維截面的1/10，含有蛋白質及色素，其顏色決定了棉纖維的顏色。胞腔是纖維內最大的空隙，是棉纖維染色和化學處理的重要通道，若將胞腔的敞口部分完全封閉后進行染色，則染色速率會大大降低。

2.纖維素的化學結構

（1）纖維素的化學結構。纖維素大分子是由β-D-葡萄糖剩基彼此以1，4苷鍵聯結而成的，分子式可以寫成（C6H10O5）n，結構式如下：

每個相鄰葡萄糖剩基扭轉180°，每隔兩環有周期性重復。因此，兩環為一基本鏈節，大分子的鏈節數為（n-2）/2，n為葡萄糖剩基數，即纖維素的聚合度。棉和麻的聚合度高達10000～15000，黏膠纖維的聚合度為250～500。β-D-葡萄糖剩基的β表示葡萄糖環中C1苷羥基在投影式中向左方；D表示開環葡萄糖中C5上的羥基與C6上的羥基為同側的構型。

（2）纖維素大分子的結構特點。纖維素大分子的兩個末端葡萄糖剩基，其一端有四個自由羥基，另一端有三個自由羥基和一個半縮醛羥基（稱為潛在醛基），半縮醛羥基可顯示醛基性質，見下式：

因此，纖維素大分子具有還原性，但大分子鏈較長，端基還原性不明顯。隨著纖維素大分子的降解，相對分子質量變小，半縮醛羥基增多，還原性就會增強。因此可利用纖維素中醛基含量的變化來測定其經酸處理后平均聚合度的變化。

纖維素大分子鏈中間每環上有三個自由羥基，其中兩個為仲羥基（C2、C3），一個為伯羥基（C6），它們具有一般醇羥基的性質，能起酯化、醚化等反應，活潑性以后者較強。纖維素大分子鏈中的很多羥基可在分子間和分子內形成氫鍵。由于分子間和分子內的氫鍵作用，使纖維素大分子鏈挺直而有剛性，分子鏈間強烈吸引，排列更加緊密，因此纖維素纖維強度高，不易變形。

纖維素大分子鏈中的苷鍵對堿的穩定性較高，在酸中易發生水解，使大分子鏈聚合度降低，分子間力減弱，纖維強度降低。

3.棉纖維的超分子結構

棉纖維的超分子結構主要指棉纖維次生胞壁中纖維素大分子的聚集態結構，或者說纖維素大分子的排列狀態、排列方向、聚集緊密程度等，它們與棉纖維的性能有重要關系。要了解棉纖維的超分子結構，需要借助X射線衍射儀及電子顯微鏡等手段。

（1）棉纖維的結晶度和取向度。棉纖維具有兩相結構，既有結晶區又有無定形區，棉纖維的結晶度為結晶部分在整體纖維中的含量，約為70%，麻纖維約為90%，絲光棉纖維約為50%，黏膠纖維約為40%。纖維的結晶度與纖維的物理性質、化學性質、力學性質均有密切關系。纖維中的晶體在自然生長過程中成一定的取向性，晶體的長軸與纖維軸的夾角稱為螺旋角，螺旋角愈小，取向度愈高。螺旋角為0時，取向度為1，是理想的取向情況，無取向時，取向度為0。棉纖維次生胞壁外層的螺旋角在30°～35°，麻的螺旋角平均為6°左右。

（2）棉纖維的超分子結構模型——纓狀原纖模型。纖維素大分子通過整齊排列組成微原纖，微原纖整齊排列形成原纖。原纖中也有少數大分子分支出去與其他分支合并組成其他的原纖。原纖之間通過非整齊排列的分子聯結起來形成無定形區，這就是纓狀原纖模型，如圖1-3所示。

（3）纖維素纖維強度與纖維超分子結構的關系。影響纖維強度的超分子結構因素很多，這里就結晶度和取向度的影響作一分析。

①結晶度對纖維素纖維強度的影響。纖維素纖維內部有許多羥基，它們在結晶部位以氫鍵結合，形成立體密集而規整的排列，具有很高的分子間力。晶區還使分子鏈間交聯起來，對容易自由運動的分子鏈起到約束作用，可防止分子鏈的滑移。反之，非結晶部位分子的羥基大部分處于游離狀態，較少形成氫鍵，分子鏈間較松散，結構密度較低，容易屈服于外力，強度較弱。因此，纖維的結晶度愈高，纖維強度必然高。纖維素纖維中麻的結晶度最高，約90%，它的強度也最高；棉纖維的結晶度約70%，強度比較高；黏膠纖維結晶度在40%以下，強度最低。

②取向度對纖維素纖維強度的影響。纖維的取向度是指纖維內大分子、分子鏈段或晶體長軸沿纖維軸向有序排列的程度。取向度高的纖維其強度高，這有兩方面的原因：一是分子、分子鏈段、晶區的取向使分子鏈順應排列，次價力增高，這是影響纖維強度的重要因素；另一方面，取向度高會改善纖維內的受力狀況。受外力作用的纖維主要是經向拉伸，高取向的纖維，大分子能均勻承受外力，減少因局部大分子應力集中所造成的分子鏈斷裂，因此取向度高的纖維具有更高的強度。例如，棉纖維經過絲光，取向度提高了，盡管結晶度有所降低，但纖維的強度還是有所提高。在黏膠纖維制造中，對黏膠絲的拉伸就是為了提高取向度和結晶度，以提高黏膠絲的強度。

（4）纖維素纖維的結晶度對染色的影響。纖維素纖維在染色時，一般是將染料溶于水或分散于水中進行，染液只能滲透到纖維的無定形區和晶區邊緣。若纖維結晶度高，無定形區少，則結構緊密，染料不易進入，染料的平衡吸附量也少，得色較淺淡。結晶度低的纖維，相應的無定形區多，纖維結構松散，染料易于進入纖維，平衡吸附量高，纖維得色深濃。棉纖維在絲光前結晶度較高，絲光后部分結晶區被打開成為無定形區，在同樣染色條件下，絲光的棉纖維能得到較深的顏色。若要染成同樣的顏色深度，未絲光棉纖維就要提高染料濃度、染色溫度或延長染色時間。

4.纖維素纖維的化學性質

纖維素纖維的化學性質取決于纖維素的化學結構。纖維素大分子鏈中存在著苷鍵，并含有大量的自由羥基。苷鍵對不同的化學試劑穩定性不同，葡萄糖剩基上的三個羥基活潑性相差很大，其中C6上的伯羥基比C2、C3上的仲羥基活潑得多。纖維素纖維的化學性質還受到纖維超分子結構的影響。

（1）纖維素與堿的作用。纖維素大分子中的苷鍵對堿的作用比較穩定，在常溫下，氫氧化鈉溶液對纖維素不起作用，高溫沸煮也僅有一部分溶解。但在高溫有空氣存在時，纖維素苷鍵對較稀的堿液也十分敏感，引起聚合度的下降。

①濃堿對天然纖維素纖維的作用。常溫下，濃的氫氧化鈉溶液會使天然纖維素纖維發生不可逆的各向異性溶脹，纖維縱向收縮而直徑增大，若施加一定的張力防止其收縮，并及時洗堿，可使纖維獲得絲一樣的光澤，這就是絲光。在顯微鏡下觀察可發現，溶脹了的纖維的橫截面，原有胞腔幾乎完全消失，長度方向縮短，并由原來扭曲的扁平帶狀變為平滑的圓柱狀。棉纖維若在無張力下與濃堿作用，結果得不到絲光效果，卻得到另一種有實用價值的堿縮效果，尤其是棉針織物經濃堿處理，紗線膨脹，織物的線圈組織密度和彈性增加，織物發生皺縮。

②堿與纖維素的作用機理。纖維素是一種弱酸，可與堿發生類似的中和反應，生成醇鈉化合物：

堿也能與纖維素的羥基以分子間力，特別是氫鍵結合，形成分子化合物：

堿與纖維素作用后的產物稱為堿纖維素，是一種不穩定的化合物，經水洗后恢復成原來的纖維素分子結構，但纖維的微結構發生了不可逆的變化，結晶度降低，無定形區增加。天然棉纖維的結晶度達70%，經濃堿處理后的絲光棉纖維，結晶度降至50%～60%，說明濃堿液破壞了部分結晶區。這種作用很有實用意義，是棉纖維染整加工中的重要環節。

（2）纖維素與酸的作用。纖維素纖維遇酸后，手感變硬，強度嚴重降低，這是由于酸對纖維素大分子中苷鍵的水解起了催化作用，使大分子的聚合度降低，纖維受到損傷：

影響纖維素纖維水解的主要因素是酸的性質、水解反應的溫度和作用時間。實際生產中，如果用酸工藝適當，就不會使織物損傷嚴重。

酸與纖維素作用的一般規律是酸性越強，水解速率越快。強無機酸如鹽酸、硫酸、硝酸等對纖維素纖維的催化作用特別強烈，弱酸如磷酸、硼酸的催化作用較弱，有機酸則更緩和。酸的濃度愈大，水解速率愈快。溫度對纖維素的水解影響很大，溫度越高水解速率越快，當酸的濃度恒定時，溫度每升高10℃，纖維素水解速率增加2～3倍。在其他條件相同的情況下，纖維素水解的程度與時間成正比，作用時間越長，水解越嚴重。此外，纖維素水解的速率還與纖維素的種類有關，麻、棉、絲光棉、黏膠纖維等的水解速率依次遞增，這主要是它們的纖維結構中無定形部分依次增加。實際生產中一般只用很稀的酸處理棉織物，而且溫度不能超過50℃，處理后還必須徹底洗凈，尤其要避免帶酸情況下干燥。

酸對纖維素纖維雖有危害性，但只要控制得當，也有可利用的一面。如含氯漂白劑漂白后用稀酸處理，可進一步加強漂白作用，用酸中和織物上過剩的堿，棉織物用酸處理生產蟬翼紗、滌/棉織物的爛花等均有應用。

（3）纖維素與氧化劑的作用。纖維素一般不受還原劑的影響，而易受氧化劑的作用生成氧化纖維素，使纖維變性、受損。纖維素對空氣中的氧是很穩定的，但在堿存在下易氧化脆損，所以高溫堿煮時應盡量避免與空氣接觸。在用次氯酸鈉、亞氯酸鈉、過氧化氫等氧化劑漂白時，必須嚴格控制工藝條件，以保證織物或紗線應有的強度。

纖維素的氧化作用主要發生在葡萄糖剩基的三個醇羥基和大分子末端的潛在醛基上，其中伯羥基被氧化成醛基，進一步氧化成羧基；仲羥基被氧化成酮基，進一步氧化成開環的醛基和羧基；大分子末端的潛在醛基被氧化成羧基。

纖維素在不同條件下氧化，可得到含有大量醛基或羰基的還原型氧化纖維素或含有大量羧基的酸型氧化纖維素。還原型氧化纖維素雖然未發生纖維素大分子鏈的斷裂，但存在潛在損傷，在堿性條件下，會使纖維素大分子鏈斷裂，聚合度下降，纖維強度降低。

5.纖維素共生物

棉纖維在生長過程中，纖維素的含量隨著棉成熟度的增加而增加，此外還有一定量的在棉纖維生長中起保護性作用的物質，以及生物代謝過程中生成的雜質，與纖維素共生共長，這些物質稱為纖維素共生物。纖維素共生物主要有果膠物質、含氮物質、蠟狀物質、天然色素等，此外還有在剝取棉纖維時夾帶的棉籽殼。共生物所占的比例隨棉纖維成熟度的提高而減少。

共生物在棉織物染整加工中影響纖維的吸水、染色、白度等性能，因此，在染整加工的前處理中需要除去，以滿足染整加工與服用的需要。

（1）果膠物質。棉和麻纖維中都含有果膠，以苧麻中含量較高。棉纖維中的果膠物質主要存在于初生胞壁中，也有少量存在于次生胞壁中。果膠的主要成分是果膠酸鈣、果膠酸鎂、果膠酸甲酯和多糖類。果膠酸鈣、果膠酸鎂和果膠酸甲酯的親水性比纖維素低，用熱水也難以洗除，若采用適當濃度的燒堿在一定溫度下處理，可使酯水解成羧基，并轉變成鈉鹽，這樣果膠在水中的溶解度可大大提高而易于除盡。

（2）含氮物質。棉纖維中的含氮物質主要以蛋白質和簡單的含氮無機鹽（如硝酸鹽、亞硝酸鹽）存在于纖維的胞腔中，也有一部分存在于初生胞壁和次生胞壁中。含氮無機鹽可溶于60℃溫水或常溫弱酸、弱堿溶液中，蛋白質即使在氫氧化鈉溶液中長時間沸煮也不能完全除凈。次氯酸鈉可使蛋白質大分子中的酰胺鍵斷裂，生成一系列可溶于水的氯氨基酸鈉鹽而除去。

（3）蠟狀物質。棉纖維中不溶于水但能被有機溶劑萃取的物質稱為蠟狀物質，主要存在于初生胞壁中。棉纖維中的蠟狀物質是一混合物，含有既不溶于水又不溶于堿的脂肪族高級一元醇、游離脂肪酸、脂肪酸的鈉鹽、高級一元醇的酯和固體、液體的碳氫化合物。在棉織物的染整加工中，蠟狀物質的去除是借助于皂化和乳化作用實現的。脂肪酸（酯）類物質在煮練中與堿發生皂化作用而除去，高級醇和碳氫化合物可利用皂化產物或加入的乳化劑，通過乳化作用而去除。

（4）灰分。棉纖維中的灰分由硅酸、碳酸、鹽酸、硫酸和磷酸的鉀、鈉、鈣、鎂、錳鹽以及氧化鐵和氧化鋁組成，其中鉀鹽和鈉鹽占灰分總量的95%。棉纖維中的灰分能溶解于酸中，可通過練漂中的酸洗來降低其含量。

（5）天然色素。棉纖維中的有色物質稱為天然色素，有乳酪色、褐色、灰綠色等多種。目前，對天然色素的結構研究得還不充分。部分色素能溶于沸水。在漂白時用漂白劑可使色素破壞而被去除。

（6）棉籽殼。棉籽殼本不是棉纖維的共生物，而是棉纖維所附著的種籽皮，是剝制纖維時帶入的雜質。棉籽殼的顏色很深，質地堅硬，對織物表面的光潔度和染整加工十分不利。它的組成也很復雜，主要由木質素、纖維素、單寧、多糖類以及少量蛋白質、油脂和礦物質等組成。在棉織物煮練中，在燒堿、高溫、長時間處理下，木質素中的多種醚鍵斷裂，木質素大分子降解，使棉籽殼變得松軟，基本解體，再經充分擠軋、水洗而去除。在氯漂中，木質素還會發生氯化作用而溶解在堿中。

（二）天然彩色棉

天然彩色棉是天然生長的非白色棉花，是一種古老的棉花品種。由于這種棉花存在產量低、成熟度差、纖維強度低、可紡性差、色澤不鮮艷等多種缺點，一直未受到重視。隨著人們對純天然物品需求的日益增長，彩色棉花的種植又重新受到重視。我國的彩色棉品種目前主要有棕色、綠色、褐色三種。但目前彩色棉還存在著可紡性差、色素不穩定、產量低等缺點，特別是綠棉的色素穩定性非常差，已成為商品化的重要障礙。

1.天然彩色棉的化學組成

天然彩色棉的纖維素含量較低，只有85%～90%，共生物含量較高。共生物的主要成分是棉蠟、灰分、果膠和蛋白質。果膠含量比白棉低，其他雜質含量均高于白棉，如棉蠟的含量約為白棉的5～8倍，灰分的含量為白棉的1.4～1.6倍，蛋白質的含量為白棉的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

天然彩色棉的化學結構與白棉相同，都屬于纖維素纖維，結晶結構也與白棉一樣，為纖維素Ⅰ。

2.天然彩色棉的形態結構

天然彩色棉的形態結構與白棉相似。綠棉的橫截面積小于白棉，次生胞壁比白棉薄很多，胞腔遠遠大于白棉，呈U形。棕棉的橫截面與白棉相似，呈腰圓形，次生胞壁和橫截面積比綠棉豐滿，但胞腔大于白棉。一般來說，成熟度好的彩色棉截面比較圓潤，胞腔較小。成熟度差的天然彩色棉，截面扁平，胞腔較大。

天然彩色棉的色素主要分布在纖維的次生胞壁內，靠近胞腔部位。由于要透過次生胞壁，所以，色彩的透明度差些，色澤不十分鮮艷。

天然彩色棉的縱向與白棉一樣，為細長、有不規則轉曲的扁平帶狀，中部較粗，根部稍細于中部，梢部更細。成熟度好的纖維轉曲數較多，成熟度較差的纖維轉曲數很少。

3.天然彩色棉的物理性能

天然彩色棉與白棉的主要物理性能比較見表1-3。

表1-3　彩色棉和白棉的主要物理性能

由表1-3可見，天然彩色棉的長度偏短，強度偏低，馬克隆值高低差異大，整齊度較差，短絨含量高，成熟度差，這些都給紡紗帶來一定困難。同時天然彩棉的產量也遠低于白棉。

4.天然彩色棉的顏色穩定性

天然彩色棉含有多種色素，如棕棉含有黃色和棕色色素，綠棉除含有黃綠色色素外，還含有紅棕色和黃色色素。天然彩色棉的色素中含有芳環、酚羥基、醇羥基、羰基、甲氧基和共軛雙鍵等，化學性質不穩定，經不同溫度的水、不同pH的緩沖溶液、生物酶、氧化劑、還原劑、金屬鹽、表面活性劑、熒光物質、光等處理，其色澤深度和色光都會發生變化，變化的程度與所用試劑的種類、用量和處理條件有關，有的顏色變淺，有的顏色變深，而且，多數情況下顏色是加深的，這可能與天然彩棉表面蠟質的去除和色素分子結構的變化有關。如用金屬鹽處理，可使色光改變，顏色加深，耐光牢度提高，其變化程度與金屬鹽的種類、用量和處理條件有關。

（三）麻纖維

麻纖維是從各種麻類植物中取得的纖維，包括韌皮纖維和葉纖維。本節簡要介紹韌皮纖維中的苧麻和亞麻纖維。

1.苧麻和亞麻纖維的化學組成

麻纖維的主要成分為纖維素，并含有較多量的半纖維素、果膠和木質素。

苧麻是多年生草本植物。麻皮自莖上剝下后，先進行刮青，刮去表皮。刮青后的麻皮曬干或烘干后，成絲狀或片狀的原麻（也稱生苧麻）。原麻在紡紗前需要脫膠，脫膠后的苧麻稱為精干麻。原麻的總含膠量（除纖維素外的其他所有雜質）達25%～35%，纖維素含量較低，化學組成如表1-4所示，精干麻的殘膠率控制在2%以下。原麻的脫膠方法有生物脫膠法和化學脫膠法，目前主要采用化學脫膠法。

亞麻纖維在麻莖韌皮的生長中，由30～50根單纖維集結在一起，由膠質粘連成纖維束狀態存在。亞麻纖維的長度整齊度極差，不能將它脫膠成單纖維進行紡紗。為了使亞麻纖維適應和滿足紡紗工藝的要求，要先用浸漬的方法，將它進行半脫膠，使纖維束適度劈細并保持一定的長度，經碎莖、打麻后制成“打成麻”。

亞麻打成麻的化學組成如表1-4所示。

表1-4　苧麻和亞麻纖維的化學組成

2.苧麻和亞麻纖維的形態結構

各種韌皮纖維都是植物單細胞，纖維細長，兩端封閉，內有狹窄胞腔，胞壁厚薄隨品種和成熟度不同而異。截面呈橢圓形或多角形，取向度和結晶度高于棉纖維，具有高強度和低伸長。

苧麻纖維是植物纖維中最長的，單纖維長20～250mm，最長可達600mm。橫截面呈腰圓形或扁平形，有中腔，胞壁厚實均勻，兩端封閉呈錘頭形或有分支，整根纖維呈扁管形，沒有明顯轉曲，纖維表面有時平滑，有時有明顯條紋，常有結節，平均寬度30～40μm。

亞麻纖維表面光滑，略有裂節，為玻璃管狀，兩端稍細，呈紡錠形。橫截面為五角形或多角形，中腔甚小，胞壁較厚。苧麻和亞麻纖維的截面形狀如圖1-4所示。

苧麻纖維的結晶度和取向度很高，前者約90%，后者約80%。亞麻纖維的結晶度和取向度比苧麻纖維略低，聚合度為2190～2420。

3.苧麻和亞麻纖維的物理性能

苧麻纖維的強度和模量很高，在天然纖維中均居首位，但斷裂伸長率低，纖維硬挺，剛性大，纖維之間抱合差，紡紗時不易捻合，紗線毛羽多。苧麻纖維強度雖高，但由于伸長率低，斷裂功小，加之苧麻纖維的彈性回復性差，因此苧麻織物的折皺回復能力差，織物不耐磨。苧麻纖維不耐高溫，在240℃以上即開始分解。

亞麻纖維的長度較短，物理性能和苧麻纖維相似。

4.麻纖維的染色性能

麻纖維結晶度、取向度高，大分子鏈排列整齊、緊密，孔隙小且少，溶脹困難。同時麻纖維含有一定量的木質素和半纖維素等雜質，染色性能較差，染料擴散困難，上染率低，用染纖維素纖維的染料染色，得色量低，不宜染深色，染色始終是一個比較麻煩的問題。

改善麻纖維染色性能的方法主要有兩種，一種是對麻纖維進行染前處理，如絲光，降低纖維的結晶度；另一種是對麻纖維進行改性處理，如陽離子化處理，使纖維帶正電荷，提高對陰離子染料的親和力。

二、再生纖維素纖維

（一）黏膠纖維

黏膠纖維是再生纖維素纖維的主要品種，是從不能直接紡織加工的纖維素原料（如棉短絨、木材、蘆葦、甘蔗渣等）中提取純凈的纖維素，經過燒堿、二硫化碳處理后制備成黏稠的紡絲溶液，再經過濕法紡絲制造而成的纖維。黏膠纖維的生產存在嚴重的環境污染。

1.黏膠纖維的形態結構

在顯微鏡下觀察，黏膠纖維縱向呈平直的圓柱體，截面呈不規則的鋸齒狀，如圖1-5所示。黏膠纖維的截面結構是不均一的，由外層（皮層）和內層（芯層）組成。皮層的結晶度及取向度高，結構緊密度高于芯層。芯層的結晶度和取向度均較低，結構比較疏松。

黏膠纖維在生產過程中，已經過洗滌、去雜和漂白，天然色素、灰分、油脂和蠟狀物等已被去除，是一種較為純凈的纖維，雜質含量比天然纖維素纖維要低得多。

2.黏膠纖維的化學結構和超分子結構

黏膠纖維的化學組成與棉纖維相同，完全水解產物都是β-D-葡萄糖。但黏膠纖維的聚合度比棉低得多，棉的聚合度為幾千，甚至上萬，普通黏膠纖維只有300～400，高強度黏膠纖維即“富強纖維”在500～600。黏膠纖維大分子所暴露的羥基和醛基比棉纖維多，吸濕性高，標準回潮率達到12%。

從超分子結構上看，黏膠纖維也是部分結晶的高聚物，但無定形區比棉高，約占2/3。結晶度較低，為30%～40%，結晶尺寸也較小。黏膠纖維的取向度也較低，但可隨生產中拉伸程度的增加而提高。如拉伸10%的黏膠纖維螺旋角為34°，拉伸80%的黏膠纖維螺旋角為25°，拉伸120%的黏膠纖維螺旋角為16°。在聚合度一定的情況下，取向度愈高，纖維強度愈高。

3.黏膠纖維的性能

黏膠纖維與棉、麻等天然纖維素纖維相比，由于聚合度、聚集態結構（超分子結構）和形態結構不同，性能方面有較大差異。

普通黏膠纖維的濕強度僅是干強度的一半左右（一般干強為22～26cN/tex，濕強為10～15cN/tex）。這是因為黏膠纖維的聚合度和取向度低，無定形區大，水分子進入無定形區后，使分子間力進一步減弱，易造成分子鏈滑移而斷裂，容易發生變形，所以在染整加工時應采用低張力或松式加工。

同其他纖維素纖維一樣，黏膠纖維對酸和氧化劑比較敏感。但黏膠纖維結構松散，聚合度、結晶度和取向度低，有較多的空隙和內表面積，暴露的羥基比棉多，因此化學活潑性、對酸和氧化劑的敏感性都大于棉。黏膠纖維對堿的穩定性比棉、絲光棉差很多，能在濃燒堿作用下劇烈溶脹甚至溶解，使纖維失重，機械性能下降，所以在染整加工中應盡量少用濃堿。

由于黏膠纖維比棉和絲光棉有更多的無定形區和更松散的超分子結構，所以吸濕性大，對染料、化學試劑的吸附量大于棉和絲光棉，其吸附能力依次為：黏膠纖維＞絲光棉＞棉。

黏膠纖維的染色性能和棉相似。雖然黏膠纖維對染料的吸附量大于棉，但黏膠纖維存在皮芯結構，皮層結構緊密，會妨礙染料的吸附和擴散，芯層結構疏松，對染料的吸附量高。所以低溫、短時間染色，黏膠纖維得色比棉淺，且易產生染色不勻，高溫、長時間染色，得色才比棉深。

（二）高濕模量黏膠纖維

普通黏膠纖維在濕態劇烈溶脹，斷裂強度顯著降低，濕模量很小，在較小負荷下就有較大伸長，織物洗滌時受到揉搓力作用容易變形，干燥后產生劇烈收縮，尺寸很不穩定。而且耐堿性差，與棉的混紡織物不能進行絲光處理。濕加工必須采用松式，如在張力下進行，織物的伸長很大。

為了克服普通黏膠纖維的上述缺點，人們研制出了高濕模量黏膠纖維。這些纖維具有高強度、低伸度、低膨化度和高的濕模量，被稱之為第二代黏膠纖維。

高濕模量黏膠纖維主要有富強纖維和Modal纖維，它們的主要性能見表1-5。

表1-5　幾種纖維素纖維的性能比較

續表

1.富強纖維

富強纖維系采用高質量漿粕原料，在紡絲成型時經充分拉伸而制得，具有干、濕強度高，伸長低和濕模量高，對堿的穩定性好等特點。

富強纖維的聚合度一般為500～600，高于普通黏膠纖維，結晶度和取向度是現有黏膠纖維品種中最高的，晶粒也最大。結晶度高，纖維的結構緊密，分子間的作用力大，所以富強纖維的干、濕強度都較高。取向度高，纖維的斷裂強度、橫向膨潤度、彈性模量和光澤也高，但斷裂伸長、縱向膨潤度、染色性能和鉤接強度會降低。晶粒形狀和大小對纖維的力學性能，特別是耐疲勞性能有重要影響。由于富強纖維的大晶粒結構，纖維脆性較高，耐疲勞性能較差，鉤強也較低。

富強纖維的橫截面與普通黏膠纖維不同，為較圓滑的圓形或接近于圓形的全芯層結構。

富強纖維與棉纖維相似，有與纖維軸呈一定角度排列的原纖結構，普通黏膠纖維無此特殊結構，所以富強纖維有“原纖化現象”，易使纖維產生毛羽，使耐磨性和染色鮮艷度下降。

富強纖維干態下的斷裂強度大大超過普通黏膠纖維，并優于棉纖維，濕斷裂強度損失較小，低于30%。由于富強纖維有較高的干、濕態斷裂強度和較高的濕模量，較低的干、濕態伸長率，所以織物有較好的尺寸穩定性，比較耐折皺，水洗后變形較小。富強纖維的染色性能與普通黏膠纖維相似。

富強纖維對堿溶液的穩定性較高，抗堿性是所有黏膠纖維中最高的，在20℃、10%的NaOH溶液中溶解度為9%，而普通黏膠纖維高達50%。用濃度為5%的NaOH溶液處理，富強纖維幾乎能保持原來的強度，而且變形很小。由于富強纖維對堿液的穩定性高，使得其與棉的混紡織物能進行絲光處理。

2.Modal纖維

Modal纖維是奧地利Lenzing公司生產的、在富強纖維基礎上改進的新一代纖維素纖維，由山毛櫸木漿粕制成，漿粕及纖維的生產過程對環境的污染低于富強纖維和普通黏膠纖維。Modal纖維的干、濕強度、濕模量和縮水率均好于普通黏膠纖維，干、濕強度比普通黏膠纖維高25%～30%，在濕潤狀態下，溶脹度低，具有棉纖維的柔軟、真絲的光澤、麻纖維的滑爽等性能，吸濕透氣性優于棉纖維。但Modal纖維制品的抗皺性差，成品需要進行樹脂防皺整理。

（三）Lyocell纖維

Lyocell纖維是采用N甲氧基嗎啉（NMMO）的水溶液溶解纖維素后，進行干、濕法紡絲再生出來的一種纖維素纖維。原料是成材迅速的山毛櫸、桉樹或針葉類樹的木漿，有機溶劑NMMO的回收率達到99%以上，生產過程對環境無公害。Acordis公司在美國生產的Lyocell纖維的商品名為“Tencel”。

Lyocell纖維的性能十分優良，既有棉纖維的自然舒適性，黏膠纖維的懸垂飄逸性和色澤鮮艷性，合成纖維的高強度，又有真絲般柔軟的手感和優雅的光澤。

Lyocell纖維有長絲和短纖維。短纖維分為普通型（未交聯型）和交聯型，前者如Tencel，后者如TencelA100。

普通型Lyocell纖維具有很高的吸濕膨潤性，特別是徑向，膨潤率高達40%～70%。當纖維在水中膨潤時，纖維軸向分子間的氫鍵等結合力被拆開，在受到機械作用時，纖維沿軸向分裂，形成較長的原纖，這種現象稱為原纖化現象。利用普通型Lyocell纖維易原纖化的性質，可將織物加工成桃皮絨風格，但要加工成光潔風格，必須通過多道染整工序才能滿足要求。交聯型Lyocell纖維加工成光潔風格需要的染整工序要少得多，而且在服用過程中不易起毛起球。

1.Lyocell纖維的結構

（1）Lyocell纖維的化學結構。Lyocell纖維的化學結構與棉、麻相同，聚合度一般為500～550，比黏膠纖維（250～300）高，相對分子質量分布也比黏膠纖維集中。

交聯型Lyocell纖維除了由β-D-葡萄糖剩基組成的大分子鏈以外，在大分子之間還有一定量的交聯。

（2）Lyocell纖維的形態結構。Lyocell纖維的橫截面形狀不同于黏膠纖維和棉，呈橢圓形或近似圓形，表面比較光滑，外觀呈卷曲狀。

Lyocell纖維具有一定程度的皮芯結構，皮層很薄，厚度約為70～170nm，占總體積的2.5%～5.6%，呈半透明狀，為纖維素大分子鏈紊亂排列的無定形結構。芯層由高度結晶的巨原纖和巨原纖之間的無定形區構成，巨原纖平均直徑為0.25～0.96μm，長度大于1mm。

（3）Lyocell纖維的超分子結構。Lyocell纖維的結晶度、晶體粒子大小和取向度高于其他再生纖維素纖維，但纖維之間的堆砌密度較小，在水中有較大的膨潤度，吸濕膨化后結晶度和取向度會明顯降低（表1-5）。

2.Lyocell纖維的性能

Lyocell纖維的干、濕強度大，初始模量高，在水中的收縮率小，尺寸穩定性好，吸濕膨潤性大，有突出的原纖化特征。了解Lyocell纖維的這些性能特點，有助于在染整加工中根據纖維的性能選擇合適的加工方法和條件。

（1）力學性能。Lyocell纖維和其他幾種纖維的力學性能比較見表1-5。

Lyocell纖維的干、濕強度明顯高于棉和其他再生纖維素纖維，干強接近滌綸，達到40cN/tex以上。吸濕后強度有所降低，但仍可保持干強的80%，遠高于其他再生纖維素纖維。Lyocell纖維的濕斷裂伸長率高于干斷裂伸長率，但干、濕斷裂伸長率均小于黏膠纖維，初始模量是普通黏膠纖維的數倍，在濕態下仍能保持很高的模量，因此在濕加工時有很好的保形性。

Lyocell纖維的吸濕性接近黏膠纖維，比棉、蠶絲好，但低于羊毛。Lyocell纖維在水中不僅膨潤，而且膨潤的各向異性十分明顯，橫向膨潤率達到40%，縱向僅有0.03%。原因是Lyocell纖維中原纖的結晶化趨向于沿纖維軸向排列，纖維大分子間橫向結合力相對較弱，縱向結合力較強，具有層狀結構。在潤濕狀態下，水分子進入無定形區，大分子鏈間的橫向結合力被切斷，分子間聯結點被打開，擴大了分子間的距離，因而纖維的直徑增大遠高于長度的增加。高的橫向膨潤率會給織物的濕加工帶來很多困難，這已成為Lyocell纖維染整加工的一個難點。

Lyocell纖維在水中橫截面約有1.4倍的膨潤率，這使得纖維與纖維之間的接觸面積變大，表面摩擦阻力增加，纖維之間難以做相對移動，造成織物遇水后結構緊密，僵硬，在濕加工時很容易產生折痕和擦傷等疵病，并且由于織物與織物之間或織物與機械之間的摩擦而產生大量毛羽。

（2）Lyocell纖維的原纖化特征。原纖化是纖維沿軸向將更細的微細纖維逐層剝離出來，這是具有原纖構造的纖維所特有的一種結構特征。不同的纖維由于化學結構和聚集態結構不同，原纖化程度也不同，Lyocell纖維的原纖化程度比其他再生纖維素纖維嚴重得多。

Lyocell纖維是由微纖維構成的、取向度非常高的纖維素分子集合體，這種微纖維集合體由巨原纖構成，具有明顯的原纖構造，由大分子斂集成的各級原纖基本上都是沿纖維軸向排列。普通型Lyocell纖維原纖的結晶化更趨向于沿纖維軸向排列，纖維大分子之間橫向結合力相對較弱，縱向結合力較強，形成層狀結構。這種明顯的各向異性結構特征，使得纖維表現出很強的徑向膨潤能力。在水中膨潤時，徑向膨潤程度遠遠大于軸向，并有較高的濕剛性。此時，若纖維反復受到機械摩擦作用，纖維表面會發生明顯的原纖化，沿著纖維長度方向在纖維表面逐層分裂出更細小的微細纖維（直徑1～4μm），其中一端固定在纖維本體上，另一端暴露在纖維表面，形成許多微小茸毛。這種原纖化僅僅是單個原纖沿纖維表面縱向裂開，纖維的力學性能并未發生明顯變化，這種現象稱為纖維的原纖化。在極度原纖化情況下，這些原纖會相互纏結而起球。

Lyocell纖維的原纖化既有有利的一面，也有不利的一面。有利的一面是可以利用纖維的原纖化特性，使織物獲得桃皮絨風格。不利的一面是當Lyocell纖維織物進行濕處理時，初級原纖化進行得很快，使織物產生毛茸茸外觀，而且不完全原纖化的織物會給后道染色、整理甚至服裝洗滌帶來很多麻煩。對要求表面光潔的織物來說，Lyocell纖維在加工和服用中，在織物表面產生的茸毛會影響織物外觀。交聯型Lyocell纖維如TencelA100能防止原纖化產生，通過染整加工也能防止原纖化產生，或者使產生的原纖去除，同時織物在服用中也不會再原纖化。

（3）Lyocell纖維的染色性能。Lyocell纖維是再生纖維素纖維，可用活性染料、直接染料、硫化染料、還原染料等染色，常以活性染料染色為主。但Lyocell纖維的形態結構、聚集態結構、力學性能、對化學藥劑的敏感性、原纖化性能等與棉、麻、黏膠等其他纖維素纖維不完全相同，因此，染料對Lyocell纖維的親和力、上染速率、上染百分率、勻染性等，與其他纖維素纖維有一定的差異。

（四）竹纖維

竹纖維的原料是竹子。竹子主要由纖維素、木質素、果膠和多戊糖等組成，纖維素含量為40%～50%，木質素含量為20%～30%，多戊糖含量為16%～21%，另外還有1%～3%的灰分。

竹纖維有兩種，一種是竹原纖維，是將竹材通過物理機械方法經過前處理（整竹、制竹片、浸泡），分解（蒸煮、水洗、分絲），成型（蒸煮、分絲、還原、脫水、軟化），后處理（干燥、梳纖、篩選）等工序除去竹子中的木質素、多戊糖、竹粉和果膠等雜質，提取天然纖維素成分，直接制得竹原纖維。竹原纖維的纖維素含量在95%以上，線密度為4.4～6.6dtex，長度為2～36cm，平均長度8cm。另一種是采用化學方法將竹材制成竹漿粕，將漿粕溶解制成竹漿溶液，然后通過濕法紡絲制得竹漿纖維（再生纖維素纖維）。竹漿纖維的主體長度為85mm和38mm，線密度為4.85dtex和1.67dtex。

竹原纖維和竹漿纖維分屬天然纖維素纖維和再生纖維素纖維，它們的化學結構和棉、麻或黏膠纖維相似。但由于植物纖維的種類不同以及漿粕原料和制造方法的不同，使竹纖維與棉、麻或黏膠纖維在形態和聚集態結構方面不完全相同。

1.形態結構

天然竹纖維的橫截面呈扁平狀，中間有孔洞（胞腔），無皮芯層結構。纖維表面存在溝槽和裂縫，橫向還有枝節，無天然扭曲。天然竹纖維中細長的空洞和表面的溝槽使竹纖維具有優良的吸濕、放濕性能。竹原纖維的結晶度為71.8%，比棉纖維（65.7%）高6%左右，分子結構較棉緊密。竹原纖維的晶體結構與棉纖維相同，屬典型的纖維素Ⅰ，標準回潮率為7%左右。

竹漿纖維的橫截面與黏膠纖維相似，呈多邊形不規則狀，大部分接近圓形，有的為梅花形，邊沿具有不規則的鋸齒狀，皮芯結構不明顯，呈天然中空，縱向表面具有光滑均勻的特征，纖維表面有溝槽，有利于導濕和吸濕、放濕，有良好的透氣性。竹漿纖維的結晶結構特征與普通黏膠纖維相似，結晶度遠小于天然竹纖維。

2.竹纖維的力學性能

竹纖維的力學性能見表1-6。

表1－6　竹纖維的力學性能

續表

竹漿纖維與其他再生纖維素纖維一樣，大分子聚合度和結晶度較低，纖維間滑移性強，水分子進入無定形區后，會削弱大分子鏈間的抱合力。在外力作用下，纖維易拉伸并產生相對滑移，表現為吸濕后強力明顯下降，伸長顯著增加。因此，竹漿纖維與黏膠纖維一樣，具有濕強低的特性。

竹漿纖維的初生結構及其橫截面上的孔隙特性為其吸收水分和蒸發水分創造了條件，決定了竹漿纖維的吸濕、放濕性能是所有纖維中最好的。竹漿纖維在標準狀態下的回潮率可達12%，與普通黏膠纖維相近。在36℃、100%的相對濕度下，回潮率超過45%，且從8.75%增加到45%僅需6h。竹漿纖維的透氣性比棉纖維高3.5倍，居各種纖維之首。

竹原纖維的染色性能與棉纖維相似。竹漿纖維的染色性能與普通黏膠纖維相似，采用纖維素纖維染色的染料如直接染料、活性染料、還原染料和硫化染料等都能用于竹纖維的染色。

竹纖維具有天然的抗菌作用。由竹纖維制成的紡織品，其24h抗菌率可達到71%。竹纖維的抗菌、抑菌作用主要來源于竹纖維中所含有的天然抗菌物質。日本研究人員曾對竹干瀝餾油（簡稱“竹瀝”）做了大量實驗，證實竹瀝有廣泛的抗微生物功能。竹纖維成分中的葉綠素和葉綠素銅鈉都具有較好的除臭作用。竹纖維織物的除臭作用比棉織物要強得多。

竹纖維比棉、麻纖維具有更強的紫外線吸收作用，其抗紫外線能力比棉纖維強20倍，特別是對C波段的效果更為明顯。這是因為竹纖維中所含的葉綠素銅鈉是優良的紫外線吸收劑。