棉纖維的物理性能是由纖維內(nèi)在結(jié)構(gòu)所決定，同時(shí)物理性能又決定了它的可紡性和使用價(jià)值，棉纖維的物理性能是自然形成的，它與纖維的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和主要構(gòu)成物質(zhì)的形成過(guò)程緊密相聯(lián)?？梢哉f(shuō)，棉纖維的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程既是纖維物質(zhì)的形成過(guò)程，也是纖維物理特性的形成過(guò)程，纖維所具有的物理性能是生長(zhǎng)發(fā)育、形成特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特性的外在表現(xiàn)。要把握棉纖維的吸濕性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、光學(xué)性能以及棉紡織品的使用性等特點(diǎn)，必須了解和把握棉纖維的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程、形成特點(diǎn)、物質(zhì)組成、形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)特性等。以下從棉纖維生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，主要是纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，分析纖維的部分物理性能。

　　1棉纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程

　　棉纖維是由棉花胚珠表皮層的單細(xì)胞分化發(fā)育而成，按其形成和發(fā)育過(guò)程，棉纖維的分化和發(fā)育可分為四個(gè)時(shí)期：即纖維原始細(xì)胞分化和突起期、纖維的伸長(zhǎng)期、纖維次生層的增厚期和纖維脫水成熟期。纖維原始細(xì)胞的分化，是指胚珠表皮細(xì)胞分化形成纖維原始細(xì)胞的過(guò)程，纖維細(xì)胞開(kāi)始分化的時(shí)間通常在形態(tài)學(xué)上難以確定，因?yàn)樵诩?xì)胞形態(tài)發(fā)生變化之前，細(xì)胞內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生一系列變化，一般在開(kāi)花前三天到開(kāi)花之日，纖維原始細(xì)胞已經(jīng)分化形成，在授粉的刺激下，纖維細(xì)胞繼續(xù)發(fā)育形成。分化后形成長(zhǎng)纖維的原始細(xì)胞擴(kuò)展為球狀或半球狀突起，纖維細(xì)胞分化的早晚，直接影響胚珠上成熟纖維的長(zhǎng)度，早期分化的纖維形成長(zhǎng)纖維，而三天后分化的纖維則成為棉短絨，纖維細(xì)胞在開(kāi)花當(dāng)天開(kāi)始伸長(zhǎng)，一般需要24天至32天，在這其中開(kāi)花后10天纖維伸長(zhǎng)最快。纖維的伸長(zhǎng)可分為非極性膨脹和極性伸長(zhǎng)兩個(gè)階段，在非極性膨脹期間，纖維細(xì)胞非極性的向四周擴(kuò)展，直到纖維的最終直徑形成。這一發(fā)育階段決定了纖維的細(xì)度，纖維細(xì)胞次生層的沉積持續(xù)到開(kāi)花后40天至50天，纖維素在細(xì)胞壁內(nèi)淀積纖維伸長(zhǎng)和增厚過(guò)程分別由初生層的增厚兩個(gè)不同系統(tǒng)控制，但是他們不是截然分開(kāi)的，在纖維伸長(zhǎng)的同時(shí)，纖維素就沿著整個(gè)纖維開(kāi)始均勻的淀積。纖維素在細(xì)胞壁內(nèi)淀積正常情況下每天一層，使纖維橫斷面呈層疊的環(huán)狀，稱(chēng)為日環(huán)。

　　棉纖維的主要組成物質(zhì)是纖維素，其余為纖維素伴生物。棉纖維中纖維素及其伴生物的含量取決于棉纖維的成熟程度。正常成熟的棉纖維其纖維素的含量約占棉纖維總重的94%左右，伴生物含量較少。棉纖維的初生層由30%的纖維素和中性，酸性多糖等構(gòu)成，與棉纖維的表面性質(zhì)密切相關(guān)。棉纖維細(xì)胞的次生層主要成分是纖維素，含量約為90%至95%，決定了棉纖維的主要物理機(jī)械性質(zhì)。纖維素是天然高分子化合物，是一種多糖物質(zhì)，每一個(gè)纖維素大分子是由n個(gè)葡萄糖?；溄Y(jié)形成。纖維素大分子的排列一般存在兩種狀態(tài)，即某些局部區(qū)域呈結(jié)晶態(tài)的結(jié)晶區(qū)，一些區(qū)域呈非晶態(tài)的非晶區(qū)結(jié)晶區(qū)。結(jié)晶區(qū)中纖維大分子有規(guī)律的整齊排列，比較整齊密實(shí)，縫隙孔洞少，分子之間互相接近的各個(gè)基團(tuán)的結(jié)合力互相飽和。同理，纖維中大分子不呈結(jié)晶態(tài)那樣規(guī)則整齊排列的區(qū)域都叫非晶區(qū)，其中大分子排列比較紊亂，堆砌比較疏松，其中有比較多的縫隙與孔洞，密度較低，聯(lián)系力量小，沒(méi)有完全飽和。在一根纖維中，同時(shí)存在著結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)，結(jié)晶部分占整根纖維的百分比稱(chēng)為結(jié)晶度，棉纖維的結(jié)晶度約為70%。結(jié)晶度較高時(shí)纖維的吸濕較困難，強(qiáng)度較高，形變較小，結(jié)晶度較低時(shí)易于吸濕，易于染色，并表現(xiàn)出強(qiáng)度較低，形變較大。

　　棉纖維生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程后期，棉鈴裂開(kāi)，吐絮后，纖維失去水分，使纖維發(fā)生天然扭曲，天然扭曲是棉纖維所特有的縱向形態(tài)特征。每根棉纖維扭曲的多少，因螺旋角大小和次生層的厚度而不同，成熟度越好的纖維，其細(xì)胞壁越厚，扭曲越多。由于棉纖維的主要成分是纖維素，纖維素在管狀細(xì)胞壁內(nèi)的沉積隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)而逐漸停止，最后形成中腔。同時(shí)棉纖維細(xì)胞壁沉積時(shí)，纖維素以螺旋狀原纖形態(tài)層層分布，并且螺旋方向時(shí)左時(shí)右，所以在纖維吐絮干涸收縮時(shí)，細(xì)胞壁發(fā)生時(shí)左時(shí)右的螺旋狀扭曲，形成不規(guī)則的天然扭曲。因此棉纖維天然具有的特殊結(jié)構(gòu)，決定了其具有獨(dú)特的物理特征。

　　2棉纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)與吸濕性能的關(guān)系

　　棉纖維從微觀(guān)結(jié)構(gòu)上看是一種多孔性物質(zhì)，同時(shí)纖維素大分子上存在很多的游離親水基團(tuán)，可以從潮濕的空氣中吸收水分和向干燥的空氣中放出水分，這種現(xiàn)象成為棉纖維的吸濕性。棉纖維的吸濕性是比較復(fù)雜的物理特征，主要有四個(gè)方面的因素決定。

　　(1)親水集團(tuán)

　　棉纖維的主要成分是纖維素。纖維素大分子上有大量的親水集團(tuán)，對(duì)水分子有相當(dāng)?shù)挠H和力，所以棉纖維生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，分子結(jié)構(gòu)中的親水基團(tuán)越多，棉纖維的吸濕能力就越大。

　　(2)分子排列

　　棉纖維中纖維素分子鏈相互排列不勻，存在著結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)，在結(jié)晶區(qū)中，纖維素分子鏈排列整齊，水分子不易進(jìn)入。在非結(jié)晶區(qū)中，纖維素分子鏈排列紊亂，是一種松弛的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大多數(shù)親水基團(tuán)都向水分子開(kāi)放，水分子很容易進(jìn)入，所以棉纖維的吸濕主要發(fā)生在非晶區(qū)。因此棉纖維的結(jié)晶度越低，吸濕能力越強(qiáng)。

　　(3)表面吸附

　　棉纖維暴露在大氣中，就會(huì)在纖維表面吸附一定量的水汽和其他氣體，這種現(xiàn)象稱(chēng)為表面吸附。表面吸附能力的大小與棉纖維比表體積有一定的關(guān)系。單位體積的棉纖維所具有的表面體積，叫做棉纖維的比表體積。棉纖維越細(xì)，棉纖維中縫隙孔洞越多，比表體積越大，吸濕性也越大。

　　(4)纖維素伴生物

　　棉纖維主要成分除了纖維素以外，還有少量的果膠，蛋白質(zhì)，多縮戊糖,脂肪和蠟質(zhì)，以及某些無(wú)機(jī)鹽類(lèi)等伴生物。脂肪和蠟質(zhì)是疏水物質(zhì)，能保護(hù)棉纖維不易受潮。果膠，蛋白質(zhì)，多縮戊糖，以及無(wú)機(jī)鹽類(lèi)都是親水物質(zhì)，能使棉纖維的吸濕性增強(qiáng)。

　　棉纖維在吸濕后，會(huì)出現(xiàn)重量增加，密度先增大后減小，強(qiáng)伸度增加，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，纖維體積膨脹現(xiàn)象。不成熟的棉纖維與成熟好的棉纖維相比，非晶區(qū)所占的比例較大，自由親水基團(tuán)較多，纖維較細(xì)，比表體積大這些都有利于纖維的吸濕，通常在同樣條件下，不成熟的低等級(jí)棉花具有更強(qiáng)的吸濕性。因此合理的利用和調(diào)整棉纖維的吸濕性，在籽棉加工，纖維性能測(cè)試以及紡織生產(chǎn)等過(guò)程中具有十分重要的作用。