[科普中国]-纤维结构

纤维结构是一种化学结构，包括形态结构和聚集态结构2种。组成纤维的结构单元在相互作用达到平衡时在空间的几何排列称为纤维结构。

固态物质的结构有简单、有复杂，如均匀简单结构的玻璃、金属、塑料等，多为人工作为的结果；而天然纤维、生物体乃至人工作为的化学纤维、微米或纳米结构的微机械系统（MEMS、NEMS）结构极为复杂。其中纤维的结构是相当复杂的，是由基本结构单元经若干层次的堆砌和混杂所组成的，并决定纤维的性质。

简介纤维的结构包括形态结构、聚集态结构和大分子结构三个方面。

形态结构包括截面形态和纵向表面形态，截面形态反映了纤维的横截面形态和纤维内部空隙的数目、大小及分布，纵向表面反映了纤维表面的光滑和粗糙情况。

聚集态结构决定纤维力学性能的主要因素，包括晶态结构、非晶态结构和取向度。

晶态结构指大分子相互之间整齐、稳定地排列而结合在一起，每一链节，甚至每一基团或原子，都处在三维空间一定的相对位置上或区域内，成为整齐而有规律的点阵排列结构，并有较大的结合能，大分子排列比较整齐，缝隙孔洞较少，表现出强度较高而变形较小。

非晶态结构指大分子不呈晶态结构那样规则整齐派排列的各种凝聚态，大分子排列比较紊乱，堆砌比较疏松，其中有较多的缝隙孔洞，表现出强度较低而变形较大。实际上纺织纤维是晶态结构和非晶态结构的混合物。取向度指大分子排列方向和纤维轴向符合的程度，纤维的取向度较高时，纤维的拉伸强度一般较高，伸长能力较小。

基本内容纤维的形态结构，是指纤维在光学显微镜或电子显微镜乃至原子力显微镜（AFM）下能被直接观察到的结构。诸如纤维的外观形貌、表面结构、断面结构、细胞构成和多重原纤结构，以及存在纤维中的各种裂隙和孔洞。

一般将形态结构按尺度和部位分为表观形态、表面结构和微细结构三类。表观形态，主要讨论纤维的外观的宏伟形状和尺寸，包括纤维的长度、粗细、截面形状和卷曲或转曲等。表面结构，主要涉及纤维表面的形态及表层的构造，是微观形态和尺度的问题，微细结构，是指纤维内部的有序区（结晶或趋向排列区）和无序区（无定形或非结晶区）的形态、尺寸和相互间的排列与组合，以及细胞构成与结合方式。

由于显微观察术的发展，微细结构的尺度已覆盖了纤维晶区的的一般尺寸（20~200nm），并可达到1nm尺度，甚至0。1nm（A0级）。因此，聚集态结构和分子结构的内容，已可或将可在以观察学为基础的纤维微细结构中讨论。纤维是柔软细长物，其微细结构的基本组成单元大多为细长纤维状物质，统称为原纤（fibril），故纤维微细结构的主题内容是纤维的原纤结构与排列。

大多数的造纸纤维是(树木的)韧皮纤维，它们起到树根和树叶间水分和营养物质的输送作用。纤维是中空的管，由木素粘连在一起。木素硬脆，在光线照射下随着时间延长而变黄。原料中的半纤维素与木素是共存的。半纤维素与木素来连接的纤维间区域被称为胞间层，它们把原纤维连接起来。半纤维素和木素也存在于整个纤维壁中，连接在一起成为润湿的微纤维。1

纤维的表面由线状的长原纤维组成，横截面积为400nm×400nm。这些原纤维也可以分成更细小的纤维，横截面积为10nm×10nm，它们被称为微原纤维。每个微原纤维又由数百根纤维素大分子平行捆在一起组成。

纤维壁由四个不同的层组成。外面第一层壁的每个细胞非常薄，无规律地排放在纤维上。第二层由S1、S2、S3组成，原纤维以平行螺旋状排列，只是各层与纤维的轴向的夹角不同。内层的第二层S2是最厚的，占纤维素纤维的80%～95%。1

特征原纤的结构特征纤维中的原纤是大分子有序排列的结构，或称结晶结构。严格意义上是带有缺陷并为多层次堆砌的结构。原纤在纤维中的排列大多为同向平行排列，提供给纤维良好的力学性质和弯曲能力。原纤也有呈网状交叉排列，大多发生在天然纤维中，是人工纤维极难达到的结构形式，但此排列结构提供给纤维侧向的保护及结构稳定性。

纤维的原纤按尺度大小和堆砌顺序可分为基原纤→微原纤→原纤→巨原纤→细胞。并非所有纤维都有如此清晰的结构层次或划分。如棉纤维无巨原纤之说；羊毛无原纤之分，且副皮质中无巨原纤结构层次。纤维有的就是单细胞体，如棉、麻等纤维；有的为多细胞体，故细胞的堆砌形成纤维，如毛纤维、麻的工艺纤维。化学纤维和天然丝无细胞之说，但单一组分的纤维可以看作“单细胞”纤维，如普通化纤、蜘蛛丝、蚕丝的单丝等；而多组分的复合、共混化学纤维，蚕吐出的等，可以看作为“多细胞”的纤维。

原纤间的堆砌是通过低密度或无序排列的分子，甚至是孔隙过渡，愈低层次即愈微小，原纤间的过渡区愈小，结构愈紧密而稳定；愈高层次，即愈大原纤间的过渡区愈大，无连接的孔隙愈多愈大，结构愈疏松而不稳定。但后者适于染料分子和水分子的进入，这对一般服饰用纤维有利，面对高性能纤维来说，则是致命的缺陷。

化学纤维由于结晶机理和生长方向会产生片晶（lamella），如折叠链片晶（fold-chain lamella）和伸展链片晶(extendedchainlamella)，导致纤维原纤结构的淡化或模糊化，甚至产生点状或微晶粒“交联”联结的网状结构，如弹性纤维类。但高强高模化学纤维，绝大数为原纤化结构

各层次原纤的特征基原纤是原纤中最小、最基本的机构单元，亦称晶须，无缺陷。一般它由几根以至十几根长链分子，互相平行或螺旋状按一定距离、相对稳定的地结合在一起的大分子束，直径为1~3nm（10~30埃），并具有一定的柔曲性。

微原纤是由若干根基原纤平行排列组合在一起的大分子束亦称未晶须，带有在分子头端不连续的结晶缺陷，是结晶结构。在微原纤内，基原纤与基原纤间一方面依赖于基原纤间分子间力的作用，另一方面则借助于贯穿两个以上基原纤大分子链的纵向连接。微原纤的直径大约是4~8nm（40~80埃）个别也有高达100nm，可以借助于电子显微镜观察。相对于基原纤内分子间的距离要大，但尺寸小于基原纤内分子间的最小厚度（0。1~1nm）。 原纤是一个统称，有时可代表由若干基原纤或含有若干根微原纤大致平行组合在一起的更为粗大的大分子束。原纤中会存在比微原纤中更大的缝隙和空洞，还可能有序态较差的非晶态部分。对于天然纤维，还可能夹杂一些其他成分的化合物。它和微原纤一样，也是依赖于分子间力和大分子链的纵向连接，将多个基或微原纤组合排列在一起，构成原纤。

原纤的直径通常为10~30nm（100~300埃），原纤结构往往会出现晶区和非晶不规则交替的人状态，它已经接近于光学显微镜可分辨的极限。这也是棉纤维中称之的由来。原纤或原纤维之间是由穿插、缚结分子和微孔隙组成的无序区联结，分子排列密度低，孔隙相对较大。

巨原纤是由多个微原纤或原纤堆砌而成的结构体。它是由低密度排列，穿越微小间隙组成。对天然纤维，也可能夹杂其他成分物质。巨原纤横向尺寸一般为0。1~0。6um，借助于普通光学显微镜就可看到。

细胞是由巨原纤或微原纤直接堆砌而成的，并有明显的细胞边界。多细胞结构的纤维再由细胞组成纤维。不仅尺寸大小不同，排列状态也不尽相同。细胞与细胞间由细胞间质粘合而成，联结物质和结构与原纤不同，较为疏松，还有从纳米到亚微米的缝隙和孔洞。

纤维的聚集态结构纤维的聚集态结构指构成该纤维的大分子链之间的作用形式与堆砌方式，又称为“超分子结构”或“分子间结构”。具体所指纤维高聚物的结晶和非晶结构、取向与非取向结构，以及通过某些分子间共混方法形成的“织态结构”等。

1。纤维的结晶结构

基原纤微原纤大分子将纤维大分子以三维有序方式排列，形成稳定点阵，形成有较大内聚能和密度并有明显转变温度的点阵结构，称为结晶结构。将具有结晶结构的区域称作结晶区。对纤维甚至原纤来说，很少存在完善的结晶区，往往是结晶与非结晶区的混合体，以及与某些结构缺陷区或其他掺杂成分组合的结构。

对于纤维聚集态的形式，20世纪40年代出现了“两相结构”模型，即认为纤维中存在明显边界的晶区与非晶区，大分子可以穿越几个晶区与非晶区，晶区的尺寸很小，为10nm数量级，分子链在晶区是规则排列的，在非晶区则为完全无序堆砌。这种模型称为樱状微胞模型。2

相关人造纤维

人造纤维的划分与叫法，主要指再生纤维，即用天然高分子材料，经化学、物理加工而成的纤维，其与天然高分子纤维相对应，分为人造纤维素纤维和人造蛋白质纤维。

人造纤维素纤维有粘胶纤维，铜氨纤维和纤维素酯（包括醋酸酯、皂化醋酸酯和硝酸酯）纤维。但最主要的是粘胶和醋酸纤维。人造蛋白质纤维有酪朊，丝朊和大豆蛋白纤维，但产量和使用极少，故在结构方面的讨论很少，一般认定分子结构同天然蛋白质纤维，结晶略好，是β型链的微小结晶颗粒。

人造纤维素纤维的分子及组成与天然纤维素纤维完全一致，且纯度更高，只是纺丝溶液不同分为粘胶与铜氨纤维。人造纤维素分子的链结构形式比天然纤维素纤维要复杂些，主要是因人为的纺丝加工过程而造成。其结构除与天然纤维相同的伸展链和无规排列外，还有折叠链的形式。

人造纤维素纤维随加工条件与方式的不同，其聚集态结构有很大的差异，其结晶晶格形式主要是纤维素Ⅱ，有别于天然纤维素的晶格形式─纤维素Ⅰ，且分子来回折叠形成规整的结晶结构。通常相邻分子是反向的。人造纤维素除纤维素Ⅰ、Ⅱ晶格形式外，还有纤维素Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ形式，这在天然纤维素中是不存在的。纤维素Ⅲ大都是液态氨，乙基胺或甲基胺膨润纤维素所生成的氨纤维素，再蒸发去氨或胺后，生成的一种晶格变体。其单元晶胞与纤维素Ⅱ接近，a=7。74Å，b=10。3Å，c=9。9Å，β=58°。纤维Ⅳ是由纤维素Ⅱ或Ⅲ在极性液体中加以高温处理而成的，故又称“高温纤维素”，其晶胞参数a=8。11Å，b=10。3Å，c=7。9Å，β=90°为正交晶系，纤维素V是用浓HCl（38%-40。3%）作用于纤维素产生的。3

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学