第一节 种子纤维

种子纤维来源于生长在热带、亚热带和温带气候地区的植物种子中的纤维状物质，其原始功能是帮助植物种子在风中传播。它主要包括棉纤维、木棉纤维和椰壳纤维。棉纤维是人类使用的天然纤维中最重要的纺织纤维，具有悠久的发展史。木棉纤维因其使用性能的特点，多用于制作填充材料。

一、棉纤维

棉（cotton）的别名为吉贝、草棉，属被子植物门、双子叶植物纲、锦葵科棉属，主要是一年生草本植物，但也有木本种。中国、印度、埃及、秘鲁、巴西、美国等为世界主要棉纤维产地。黄河流域、长江流域、华南、西北、东北为我国五大产棉区。

（一）棉纤维的种类

棉纤维的种植历史悠久，种植区域广泛，因此棉纤维的品种较多。棉纤维种类一般按照品种、初加工和色泽进行分类。

1.按品种分类

（1）陆地棉种（细绒棉）：陆地棉种属四倍体棉种（染色体52条），它的一个主要分支起源于南美洲大陆的安第斯山脉，由于纤维较细，又称为细绒棉，是世界棉花种植量最多的品种。陆地棉于19世纪末传入中国，1955年经政府倡导，在我国长江、黄河流域西北内陆棉区等主要产棉区种植陆地棉，种植面积占棉田总数98%以上，为棉纺织产品的主要原料。陆地棉长度适中，纤维平均长度为23～32mm，中段复圆直径为16～20μm，中段线密度为1.4～2.2dtex，比强度为2.6～3.2cN/dtex。

（2）海岛棉种（长绒棉）：海岛棉种也属四倍体棉种（染色体52条），它的一个主要分支起源于美洲西印度群岛，因纤维长而细，又称为长绒棉。长绒棉现在的主要产地为非洲的尼罗河流域，新疆、广东等地区是我国长绒棉的主产地。海岛棉纤维细而长，平均长度为33～75mm，中段复圆直径为13～15μm，中段线密度为0.9～1.4 dtex，比强度为3.3～5.5cN/dtex。海岛棉品质优良，是高档棉纺织产品和特殊产品的原料。

（3）亚洲棉种（粗绒棉）：亚洲棉种属二倍体棉种（染色体26条），它的一个主要分支起源于印度及中国西北内陆地区，因为纤维粗而短，又称为粗绒棉。纤维平均长度为15～24mm，中段复圆直径为24～28μm，中段线密度为2.5～4.0dtex，强度较低，比强度为1.4～1.6cN/dtex。亚洲棉因为产量低，纤维品质差，中国于1955年开始停止生产性种植，印度于1993年开始停止生产性种植。

（4）非洲棉种（草棉）：非洲棉种属二倍体棉种（染色体26条），该品种早期发展于非洲和亚洲西部，纤维粗短，平均长度为17～23mm，中段复圆直径为26～32μm，比强度为1.3～1.6cN/dtex。20世纪中期开始，基本停止种植。

（5）山地木本种：近年发现木本种棉纤维植物，在北纬25°以南山区生长，一年可开花三次，结棉铃三次。

2.按纤维初加工分类

（1）籽棉：籽棉是由棉田中采摘的带有棉籽的棉花。籽棉要经过晾晒干燥后，进行除去棉籽的加工，即轧棉，或称轧花。

（2）皮棉（原棉）：皮棉是经过轧花加工后去除棉籽的棉纤维，又称为原棉。籽棉经轧棉加工后，得到的皮棉重量占籽棉重量的百分数，称为衣分率。白棉衣分率一般为30%～40%，彩色棉衣分率比白棉低，一般为20%～30%。

（3）锯齿棉：由锯齿轧棉机加工得到的皮棉称为锯齿棉。锯齿轧棉机用锯片齿抓住纤维，由平行排列的肋条排阻挡住棉籽，采用撕扯方式使棉纤维沿根部切断，与棉籽分离。锯齿轧棉作用剧烈，容易损伤长纤维，也容易产生加工疵点，但纤维长度整齐度高，杂质和短纤维含量少。一般纺纱用棉多为锯齿棉。

（4）皮辊棉：由皮辊轧棉机加工得到的皮棉称为皮辊棉。皮辊轧棉机采用表面粗糙的皮辊黏带纤维运动，棉籽被紧贴皮辊的定刀阻挡而无法通过，并且受到冲击刀的上下冲击，使棉纤维沿根部切断。这种挤切轧棉的方式作用缓和，不易损伤纤维，轧工疵点少，但皮辊棉含杂、含短纤维多，纤维长度整齐度较差，黄根多（棉籽上生长初期即停止生长的棉纤维细胞，一般长度为6～9mm，即棉短绒。陆地棉的棉短绒中单宁含量高，常呈褐黄色，即黄根。长绒棉上的棉短绒称蓝根）。皮辊轧棉机产量低，多用于长绒棉的轧棉加工。

3.按纤维色泽分类

（1）白色棉：白色棉中分为白棉、黄棉和灰棉。白棉是正常成熟的棉花。色泽呈洁白、乳白或淡黄色，是棉纺厂使用的主要原料。黄棉是在棉花生长晚期，棉铃经霜冻伤后枯死，棉籽表皮单宁染到纤维上呈现黄色。黄棉属于低级棉，棉纺厂用量很少。灰棉是棉花生长过程中，雨量过多，日照不足，温度偏低，纤维成熟度低或受空气中灰尘污染或霉变呈现灰褐色。灰棉纤维品质差，棉纺厂很少使用。

（2）彩色棉：彩色棉是指天然生长的非白色棉花，又称为有色棉，主要属粗绒棉品种。彩色棉是纤维细胞发育过程中色素沉积的结果，是白色棉纤维色素基因变异的类型。中国和印度早年已有棕、黄等天然彩色棉。近年定向培育的彩色棉有棕、绿、红、黄、蓝等颜色，但是色调偏暗。现在新疆、江苏、四川等地种植的彩色棉主要为棕色和绿色。我国彩色棉的生产面积和产量仅次于美国，居世界第二位，彩色棉的单产是白棉的75%，其价格约为白棉的3倍，种植彩色棉可以获得较高的经济效益。

彩色棉与白色棉相比，纺织品不用染色，生产过程无污染。彩色棉的抗虫害、耐旱性好。但是彩色棉产量低，衣分率较低，纤维素含量少于白棉。彩色棉纤维长度偏短，强度偏低，可纺性差。彩色棉色素不稳定，在加工和使用中会产生色泽变化。彩色棉纤维长度一般为20～25mm，中段线密度为2.5～4.0dtex。

（二）棉纤维的形态及结构

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。

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图3-1所示。

1.棉纤维的化学组成 棉纤维的主要组成是纤维素、半纤维素、可溶性糖类、蜡质、脂肪、灰分等物质，彩色棉还含有色素。纤维素（cellulose）是天然高分子化合物，其化学结构是由许多β-D-吡暔葡萄糖基以（1-4）-β-苷键连接的线形高分子。纤维素的化学式为C₆H₁₀O₅，化学结构的实验分子式为（C₆H₁₀O₅）_n，n为聚合度，棉纤维聚合度为6000～15000，其重复单元为纤维素双糖，化学结构式如图3-2所示。吡暔葡萄糖为了保持结构的稳定，大分子形成椅式折曲的构象（图3-3），采用X射线衍射法可测得棉纤维结晶度为65%～72%。

吡暔葡萄糖每个基环中含有3个醇羟基，分别在2、3、6位碳原子上，且都在椅式结构的平面上，醇羟基能进行一系列酯化、醚化、氧化及取代等反应，而其中伯醇羟基化学性质最活泼，仲、季醇羟基则依次次之。纤维素大分子中的苷键对酸十分敏感，而对碱的作用则相当稳定，所以纤维素耐碱不耐酸。

半纤维素是一群复合聚糖的总称，其分子链短，大多有短的侧链，侧链的糖基是由两种或两种以上的单糖基组成的多聚糖。木素（lignin）由木脂素和木质素组成，是支撑植物生长的主要物质。果胶、木素和半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞壁的巨原纤之间。蜡质，俗称棉蜡，是棉纤维表面保护纤维的物质，具有防水作用。细胞腔中原生质、细胞核等蛋白质在干涸后附着在内腔壁面上。除此之外，高聚物生物聚合中依赖某些金属元素的整合，这些金属元素在处理中形成氧化物等，称为灰分。表3-1为成熟白棉与彩色棉的化学组成。

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3-4 为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。图3-5 为棉纤维截面的日轮照片。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%。图3-6 与图3-7 分别为棕色棉和绿色棉的截面及纵向外观照片。

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3-8所示，即纤维素Ⅰ。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3-9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，它们的参数见表3-2。纤维素Ⅴ晶胞尺寸接近纤维素Ⅳ。

（三）棉纤维的主要性能指标

（1）棉纤维的长度、中段线密度Tt。表3-3为我国彩色棉与白棉的物理指标。

（2）棉纤维的成熟度。棉纤维生长周期长，生长期间日照充分，纤维素合成多，细胞壁厚时，成熟度高，其主要指标有以下几点内容。

①成熟度比K_m：按式（3-1）计算。

式中：D——指纤维中段复圆成圆形截面时的外直径，μm；

d——指纤维中段复圆时中腔的直径，μm。

②成熟度系数K₃：按式（3-2）计算。

式中：K₃——成熟度系数。

（3）马克隆值M_ic：棉纤维用气流仪测试的一种指标，它与成熟度比和线密度的乘积等有关，其计算公式如下。

式中：f（D）——棉纤维中段直径的函数。

（4）断裂比强度与断裂伸长率：棉纤维的比强度由于品种不同有较大的差异，且其主要力学性能如表3-3所示。

（5）初始模量：棉纤维的初始模量为60～82cN/dtex。

（6）弹性：棉纤维的弹性较差，伸长3%时的弹性回复率为64%；伸长5%时的弹性回复率仅为45%。

（7）密度：棉纤维细胞壁的密度为1.53g/cm³，外轮廓中的密度为1.25～1.31g/cm³。

（8）天然转曲：棉纤维纵向的转曲是由于次生层中螺旋排列的原纤多次转向，使纤维结构不平衡而形成的。棉纤维的转曲因纤维品种、成熟程度及部位的不同而有所不同。转曲在纤维中部最多，稍部最少。正常成熟的棉纤维转曲多，陆地棉约为39～65个/cm，未成熟纤维转曲少，过成熟的纤维几乎无转曲。白棉天然转曲多，棕色棉次之，绿色棉转曲最少。

（9）吸湿性：棉纤维不溶于水，因为水分不能渗透纤维素密实的结晶区内，但棉纤维的多孔结构使水分可以迅速向原纤间的非结晶区渗透，与自由的纤维素羟基形成氢键。白棉的公定回潮率为8.5%，在室温和相对湿度100%时，其值可以高达25%～27%。彩色棉的蜡质含量高，其吸湿性不如白棉。棕色棉公定回潮率为7.6%，绿色棉公定回潮率为5.1%。

（10）耐酸性：纤维素对无机酸非常敏感，酸可以使纤维素大分子中的苷键水解，大分子链变短，还原能力提高，纤维素完全水解时生成葡萄糖。有机酸对棉的作用比较缓和，酸的浓度越高，作用越剧烈。

（11）耐碱性：在一般情况下，纤维素在碱液中不会溶解，但会在伯羟基上取代氢，形成碱纤维素并扭转结晶构型，由纤维素Ⅰ转变为纤维素Ⅱ（表3-1）。在浓碱和高温条件下，纤维素会发生碱性降解（碱性水解和剥皮反应）。稀碱溶液在常温下处理棉纤维不会产生破坏作用，并可以使纤维膨化。利用棉纤维的这种性能进行的加工，称为“丝光”处理。采用18%～25%的氢氧化钠溶液，浸泡在一定张力作用下的棉织物，可以使纤维截面变圆，天然转曲消失，使织物有丝一样的光泽。

（12）耐热性：棉纤维的处理温度在150℃以上时，纤维素热分解会导致强度下降，且在热分解时生成水、二氧化碳和一氧化碳。超过240℃时，纤维素中苷键断裂，并产生挥发性物质。加热到370℃时，结晶区破坏，质量损失可达40%～60%。

（13）染色性：棉纤维的染色性较好，可以采用直接染料、还原染料、活性染料、碱性染料、硫化染料等染色。

（14）防霉变性：棉纤维有较好的吸湿性，在潮湿环境下，容易受到细菌和霉菌的侵蚀。霉变后棉织物的强力明显下降，还有难以除去的色迹。

二、木棉

木棉（kapok、bembax cotton）属被子植物门、双子叶植物纲、锦葵目、木棉科植物。木棉科植物约有20属180种，主要产地在热带地区。我国现有7属9种木棉科植物，异木棉植物是观花乔木，不结果实，多作为路边绿化树木。结果实并产纤维的木棉有6种，目前应用的木棉纤维主要指木棉属的木棉种、长果木棉种和吉贝属吉贝种三种植物果实内的纤维。我国的木棉主要生长和种植地区为广东、广西、福建、云南、海南、台湾等地，木棉不仅可以观赏，还具有清热利湿、活血消肿等药用功能。

我国的木棉纤维主要是木棉属木棉种，又称为英雄树、攀枝花，是一种落叶大乔木，树高20～25m，掌状复叶，早春开红色或橙红色花。夏季椭圆形蒴果，成熟后裂为5瓣，露出木棉絮。长果木棉种开黄色或橙黄色花，蒴果长度长，上下一样粗。吉贝属吉贝种是速生落叶乔木，主要产地是印度尼西亚、尼日利亚、美国，树高可达30m，叶为指状复叶，开白色花。一株成年期的木棉树年产木棉纤维5～8kg，全球木棉纤维年产量约为19.5万吨。表3-4为我国木棉的主要品种。

木棉纤维由木棉蒴果壳体内壁细胞发育、生长而成。木棉纤维的初加工不用像棉花那样必须经过轧棉加工除去棉籽，由于木棉纤维在蒴果壳体内壁的附着力小，比较容易分离，只要手工将木棉种子剔出或装入箩筐中筛动，木棉种子就可以自行沉底而获得木棉纤维。

（一）木棉纤维的形态与结构

木棉纤维的纵向呈薄壁圆柱形，表面有微细凸痕，无转曲。纤维中段较粗，根端钝圆，梢端较细，两端封闭，细胞未破裂时呈气囊结构，破裂后纤维呈扁带状。纤维截面为圆形或椭圆形，纤维的中空度高，胞壁薄，接近透明，木棉纤维表面有较多的蜡质，使纤维光滑、不吸水、不易缠结，并具有驱螨虫效果。

木棉纤维具有独特的薄壁、大中空结构，图3-10为木棉纤维横截面及纵向外观照片（木棉纤维的横截面图，切时已被压扁）。

木棉纤维胞壁具有清晰可见的多层状结构，基本上可以区分为表皮层、胞壁W₁层、胞壁W₂层、胞壁W₃层，共四个基本层次，各层胞壁厚度不同，原纤堆砌密度和排列方向亦不同。表皮层最为致密，同时也最薄，它含有大量蜡质，且纤维素的原纤排列没有规律，厚度为40～70nm，起保护纤维的作用。紧贴表皮层的胞壁W₁层结构也较致密，仅次于表皮层，主要为纤维素原纤堆砌层，厚度较表皮层厚，为90～120nm。向内为胞壁W₂层，厚度为100～200nm，纤维素原纤平行致密排列。W₃层是细胞原生质及细胞核干涸物质。除纤维素堆砌外，木棉纤维横截面最小结构单元宽度为3.2～5.0nm，与棉纤维基原纤尺寸相当。采用X射线衍射法测得木棉纤维的结晶度为33%。木棉纤维素的聚合度为10000左右。

木棉纤维为单细胞，是以纤维素为主的纤维，胞壁含有约64%的纤维素、13%的木质素、1.4%～3.5%的灰分、4.7%～9.7%的水溶性物质和2.3%～2.5%的木聚糖以及0.8%的蜡质和8.6%的水分，细胞壁平均密度为1.33g/cm³。

（二）木棉纤维的主要性能

1.纤维规格 木棉纤维长度较短，为8～34mm。纤维中段直径范围是20～45μm，线密度为0.9～1.2dtex。近年发现木棉果壳内壁西区域纤维长度为16～34mm，果壳中心籽区纤维长度8～20mm。

2.密度 木棉纤维的中空度高达94%～95%，胞壁极薄，未破裂细胞的密度为0.05～0.06g/cm³。木棉纤维集合体浮力好，在水中可承受相当于自身20～36倍的负载重量而不致下沉。木棉集合体在水中浸泡30天，其浮力也仅下降10%。

3.强度与伸长 木棉纤维的强力较低，伸长能力小。单纤维平均强力为1.4～1.7cN，纤维比强度为0.8～1.3cN/dtex，断裂伸长率为1.5%～3.0%。

4.扭转刚度 木棉纤维的相对扭转刚度很高，为71.5×10^-4（cN·cm²）/tex²，大于玻璃纤维的扭转刚度，使纺纱加捻效率降低，因此很难用加工棉或毛的纺纱方法单独纺纱。

5.吸湿性 木棉纤维吸湿性好于棉纤维，则其标准回潮率为10%～10.73%。

6.光学性能 木棉纤维的平均折射率为1.718，略高于棉纤维的平均折射率1.596。

7.耐酸性 木棉纤维的耐酸性较好。常温下稀酸、弱酸对其没有影响，木棉纤维溶解于30℃时75%的硫酸和100℃时65%的硝酸，部分溶解于100℃时35%的盐酸。

8.耐碱性 木棉纤维耐碱性能良好，常温下氢氧化钠溶液对其没有影响。

9.染色性 木棉可用直接染料染色，但其上染率低，约为63%，而同样条件下棉的上染率为88%。由于木棉纤维含有大量木质素和半纤维素，它们和纤维素互相纠缠和分子间力作用导致了纤维素部分羟基饱和，染料分子不能顺利结合。

10.色泽 木棉纤维有白、黄和黄棕色三种颜色。