3棉纖維微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系

　　棉纖維受外力作用時，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力與變形，并隨著所加外力的增加而增大，到達一定程度時，纖維將被破壞。棉纖維在外力作用下呈現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力與變形的關(guān)系，稱為棉纖維的力學(xué)性能，總體上包括了強度、伸長度、強度和剛性，彎曲和扭轉(zhuǎn)以及摩擦、抱合等方面的作用。

　　(1)棉纖維的強度和伸長度

　　棉纖維在外力的作用下被破壞時，主要和基本的方纖維被拉斷，棉纖維抵抗拉伸破壞的強弱程度，稱為棉纖維的強度，它是棉纖維強力和細度的綜合值。棉纖維的伸長度是指，棉纖維在外力作用下承受拉伸變形的能力。纖維素大分子的結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，大分子排列方向和纖維軸向有一定關(guān)系，我們把纖維素大分子的主軸和纖維軸平行的程度叫取向度。通常細絨棉的傾角為30°左右，長絨棉25°左右，傾角越小取向度越高，纖維強度越高，斷裂伸長率越低。

　　(2)棉纖維的彈性和剛性

　　纖維素沉積內(nèi)外螺旋角的差異決定了纖維的彈性和剛性。纖維素沿細胞壁由外向內(nèi)按螺旋反方向沉積時，其螺旋角的大小是變化的，一般的正常成熟的棉纖維，其纖維素在沉積時，外層螺旋角較大約為45°~50°，內(nèi)層螺旋角較小約為30°。由于內(nèi)外螺旋角的差異，使得纖維由外向內(nèi)大分子的結(jié)晶度和取向度不同。一般大分子、原纖等的取向度為內(nèi)層高，外層低;結(jié)晶度同樣為內(nèi)層高，外層低。就整根纖維而言，表現(xiàn)為外層大分子排列結(jié)構(gòu)較為疏松，使纖維具有良好的柔韌性和彈性;內(nèi)層大分子排列結(jié)構(gòu)較為密實，使纖維具有良好的剛性。正是由于這種內(nèi)外結(jié)構(gòu)上的徑向差異，使得棉纖維具有良好的彈性、柔韌性和剛性。棉纖維是細長柔軟的物體，但具有一定的剛性，它的大小表達了纖維在效負荷作用下的變形難易程度。棉纖維的剛性在紡織纖維中還是比較高的。棉纖維在外力作用下會產(chǎn)生變形，當外力去除后，一部分變形可以恢復(fù)，另一部分變形則不能恢復(fù)。棉纖維的彈性就是指纖維變性的恢復(fù)能力。影響纖維彈性的主要因素是纖維的結(jié)構(gòu)，一般高等級棉纖維的彈性較大低等級棉纖維的彈性較小，這是因為高等級棉纖維成熟度好，聚合度高，取向度好，結(jié)晶度高，大分子之間的結(jié)合力強。棉纖維的彈性大小對皮棉的打包，開松，保暖以及制造工藝等有較大的影響，手感目測檢驗棉花品級時也要考慮彈性。

　　(3)棉纖維的彎曲和扭轉(zhuǎn)

　　棉纖維在紡織過程中，特別是在針織和縫紉過程中，要受到很大的彎曲變形。彎曲變形達到一定程度，棉纖維也要發(fā)生斷裂，纖維抵抗彎曲變形能力，稱為抗彎剛度，它與纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)，成熟度，彈性，溫濕度以及纖維的尺寸和形態(tài)均有密切關(guān)系，棉纖維越細，拉伸斷裂伸長越大時，越不易折斷，棉纖維的彎曲性能是比較好的。棉纖維與任何物體一樣，在受到扭矩作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。隨著扭轉(zhuǎn)變形的增大，纖維中剪切應(yīng)力增大，它造成纖維結(jié)晶區(qū)破壞和非結(jié)晶區(qū)大分子被拉斷，當扭曲變形達到一定限度時，纖維沿縱向剪切而劈裂開來，逐漸發(fā)展，最后斷裂，棉纖維比亞麻耐扭曲，但卻低于蠶絲和羊毛的斷裂扭曲。

　　(4)棉纖維的摩擦性和飽和性

　　棉纖維的力學(xué)性能直接決定棉紗線及棉織物的力學(xué)性能。棉纖維在紡織加工和使用過程中都會受到互相間或與其他材料間的摩擦，并產(chǎn)生阻力。它是由于纖維之間密切接觸表面的分子互相作用和纖維互相接觸表面的部分的機械把持作用所引起的。同時纖維素的沉積是沿螺旋方向由外向內(nèi)逐日進行的，且螺旋方向不斷變化。這就決定了纖維大分子，基原纖，微原纖等在構(gòu)成纖維主體時，也是按一定的方向集結(jié)，從而導(dǎo)致了棉纖維內(nèi)部徑向的不均勻性。當纖維發(fā)育停止時其含有的水分減少，體積收縮。由于纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力分布的不均勻，在這種不均勻交變的應(yīng)力作用下，形成了天然扭曲。因此纖維素的螺旋沉積是天然扭曲形成的內(nèi)在原因，而失去水分則是天然扭曲形成的外部條件。由于天然扭曲，使棉纖維具有特殊的摩擦性和抱和性等良好的力學(xué)特性，為棉纖維具有良好的可紡性奠定了形態(tài)力學(xué)特征。

　　4棉纖維微觀結(jié)構(gòu)與熱學(xué)性能和光學(xué)性能的關(guān)系

　　棉纖維及其集合體是多孔性物質(zhì)，纖維內(nèi)部和纖維之間有很多孔隙，并充滿著空氣，在內(nèi)部空氣不流動的狀態(tài)下，棉纖維是熱的不良導(dǎo)體，可以達到保暖的目的。高等級棉花因為成熟度好，彈性較大，松散后不易壓實，孔隙多，所以保暖性較好。棉纖維強度在常溫下一般不起變化，在100℃條件下放置5至10小時，纖維強度不發(fā)生明顯變化，所以棉織物經(jīng)得起開水浸泡和熨燙。但在100℃條件下放置20天，纖維強度為在20℃條件下的92%。棉纖維的耐熱性能在天然纖維中是比較好的，單熱穩(wěn)定性較差。棉纖維還具有吸濕防熱性能，即棉纖維的吸濕熱效應(yīng)。這主要是空氣中的水分子被纖維大分子的親水基團所吸引而與之結(jié)合，使水分子的動能降低，必然伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，以熱的形式釋放出來。棉纖維的吸濕熱小于其他的天然纖維。吸濕放熱對織物的保暖性有利，但易使含濕量較高的棉纖維在儲存過程中發(fā)熱，霉爛變質(zhì)，甚至引起自燃。

　　棉纖維在光照射下表現(xiàn)出來的性能稱為棉纖維的光學(xué)性能。

　　棉纖維的色澤是可見光的輻射能量引起人眼的視覺感受，由于棉纖維的色調(diào)主要是黃色，并且基本上不變，所以棉纖維的色度可以簡化為黃色飽和度和明度兩個指標，通常習(xí)慣上將黃色飽和度稱為顏色，把明度稱為光澤，綜合起來稱為色澤。它與棉纖維反射光線的能力有關(guān)，依賴于棉纖維的表面性質(zhì)，表面形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。并在一定程度上反映了棉纖維的成熟程度及內(nèi)在質(zhì)量。成熟好的棉纖維反射光線的性能強，光澤好，成熟程度低的棉纖維伴生物含量高，光澤顯的灰暗。

　　纖維素沉積的不徹底性形成具有中腔的特殊結(jié)構(gòu)。當纖維素沉積到一定程度，即纖維細胞壁的厚度達到一定值后，由于受棉株生理條件的影響，纖維素在沒有完全充滿內(nèi)腔的情況下，沉積逐漸停止，最后形成了中腔。正是由于這種中腔的存在，使棉纖維受力時，其中部受力的影響很小，變性也很小，也就是說纖維的中部受力的影響很小，這個部分稱之為“中性層”。也就是說，當纖維受到外力作用時，纖維可以在保證力學(xué)性質(zhì)的情況下，大大減小整根纖維的密度。同時棉纖維中腔還可以提高纖維的吸濕性，染整性，增強棉紡織物的保暖性和光學(xué)效應(yīng)。