棉纤维的形态结构

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棉纤维的形态结构  

棉纤维呈细而长的扁平带状，纵向有螺旋状的转曲（或扭曲），未成熟纤维转曲较少。棉纤维截面为椭圆或腰圆形，中间有中腔，成熟纤维中腔较小，未成熟纤维中腔较大，品质较差。

棉纤维的形态结构

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棉纤维在棉属植物的棉铃中生长，由棉籽表皮细胞经过伸长和加厚两个阶段发育而成。棉纤维在闭合的棉铃中发育的伸长期为１６～２５天，细胞长度及外直径增加形成充满原生质的薄壁细胞，呈中段粗、两端细（根端直径约为中段直径的１／３，梢端封闭，直径约为中段直径的１／６～１／７）。细胞基本停止伸长后纤维素开始沉积在纤维内壁，形成“日轮”而使细胞壁加厚，为期３５～５５
天。这时棉纤维成为含有许多水分的管状细胞，截面为圆形。棉铃开裂后，纤维细胞死亡，棉纤维与空气接触，纤维水分蒸发，棉纤维收缩压瘪，胞壁产生扭转，形成天然转曲。部分棉纤维细胞在棉籽受精后６～８日停止生长，最终纤维长度为６～９ｍｍ时，称为棉短绒，轧棉时不能被轧下，只能用棉籽剥绒机剥取。
$ ~3 m! z$ Y$ c4 U6 U: w( ~棉纤维经轧棉机从棉籽上剥离，成为可以进行纺织加工的原料———原棉。棉纤维因沿根部切断，故根端开口，顶端封闭，呈现具有中腔和扭转的扁平带状外观。正常成熟的棉纤维截面为腰圆形，中腔干瘪，纵向转曲较多；未成熟的棉纤维胞壁很薄，截面极扁，中腔很大，纵向转曲较少；过于成熟的棉纤维截面为圆形，中腔很小，纵向几乎无转曲。棉纤维截面和纵向外观如上图所示。

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2.棉纤维的微观结构　
棉纤维的截面结构是由许多同心圆柱组成，由外至内依次为表皮层、初生层、次生层和中腔。图为棉纤维微观结构示意图。

棉纤维微观结构示意图

表皮层由蜡质、脂肪和果胶的混合物组成，表皮有深度为０．５μｍ的细丝状皱纹，具有防水和润滑作用。初生层是纤维的初生细胞壁，厚度约０．１２～０．２８μｍ，占纤维重量的２．５％ ～２．７％。由与纤维轴呈７０°左右倾角排列的网状原纤组成，对棉纤维的整体起约束和保护作用。次生层是棉纤维的主体，占成熟棉纤维重量的９０％。次生层可以分为Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３三层，由初生层向内是结构紧密的Ｓ１层，由与纤维轴呈２０°～３０°倾角排列的原纤组成，厚度约０．１μｍ。Ｓ２层是由同心环状排列的许多层纤维素巨原纤层组成，每日白天阳光使叶绿素将水与ＣＯ２结合成葡萄糖及低聚糖，到晚上输送至棉籽进入棉纤维细胞腔中，聚合成纤维素大分子，结晶成微原纤、巨原纤沉淀在腔内壁，形成一层。逐日积累，称之为日轮层。（当棉株经连续光照时，将连续沉淀，不形成日轮层）每层厚度０．１２～０．２５μｍ，随沉积日数不同，层数不同，Ｓ２层厚度不同，一般累积３５～５５日。巨原纤与纤维轴呈２０°～３５°倾角螺旋排列，旋转方向周期性发生改变纤维全长可以达到五十多次，各日轮层间螺旋方向各异。Ｓ２层厚度约１～４μｍ，微原纤与原纤间形成空隙，使棉纤维具有多孔性。次生层的最内层为厚度约０．１μｍ的Ｓ３层，具有与Ｓ２层相近的结构特征，但淀积有细胞原生质、细胞核干涸后的物质。下图为棉纤维截面的日轮照片。
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棉纤维截面的日轮

中腔是棉纤维停止生长后，胞壁内留下的空腔。中腔的大小取决于次生层的厚度，未成熟棉纤维的中腔较大，过成熟棉纤维的中腔较小。一般正常成熟白棉纤维中腔面积为纤维截面积的１０％左右，彩色棉的中腔较大，为纤维截面积的３０％ ～５０％。下图分别为棕色棉和绿色棉的截面及纵向外观照片。
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棕色棉和绿色棉的截面及纵向外观

棉纤维细胞壁次生层中微原纤内纤维素大分子组成的结晶结构，在不同处理条件下有不同的结构。天然棉纤维的基原纤中的晶胞单斜晶系如图所示，即纤维素Ⅰ。

棉、麻纤维的晶胞结构示意图

棉纤维受浓氢氧化钠溶液作用后，晶胞扭转，形成的截面如图所示，即纤维素Ⅱ。棉纤维受液态氨以及甲基胺或乙基胺处理后，晶胞将转变成纤维素Ⅲ。洗脱液氨后，纤维素Ⅲ将转变成纤维素Ⅱ。纤维素Ⅱ或纤维素Ⅲ在极性溶液中经高温处理，将形成纤维素Ⅳ晶胞。再者，纤维素Ⅰ经浓盐酸或磷酸处理将形成纤维素Ⅴ，它们的参数见下表。纤维素Ⅴ晶胞尺寸接近纤维素Ⅳ。
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丝光棉、麻及黏胶纤维晶胞结构示意图

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纤维素晶胞结构尺寸

结晶类型	结构尺寸
	ａ（ｎｍ）	ｂ（ｎｍ）	ｃ（ｎｍ）	β（°）
纤维素Ⅰ	０．８３５	１．０３	０．７９	８４
纤维素Ⅱ	０．８１４	１．０３	０．９１４	６２
纤维素Ⅲ	０．７７４	１．０３	０．９９	５８
纤维素Ⅳ	０．８１１	１．０３	０．７９	９０
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