第三节 天然纤维
在毛纺工业中常用的天然纤维可分为动物纤维和植物纤维两种。
动物纤维按其产生的部位，分为动物皮肤所生长的毛纤维（如羊毛、骆驼绒和兔毛等）和动物体内特种腺体的分泌物（如桑蚕丝、柞蚕丝和蜘蛛丝等）两种。动物纤维中，羊毛是纺织工业的重要原料，它有许多优良的特性，如弹性好、吸湿性好、保暖性好、不易沾污、光泽柔和等。精纺毛织物除应用羊毛外，麻、丝也在精纺毛织物中使用。近年来，真丝切断和羊毛混纺，大大提高了毛织物的手感滑糯程度和光泽。山羊绒的利用也在逐年增加，有时还将羊毛进行变性处理，制成仿羊绒的效果。
一、羊毛纤维
羊毛纤维是纺织生产的主要生产原料，澳大利亚、新西兰、俄罗斯、中国、阿根廷等是世界上几个大的产毛国。其中澳大利亚的美利奴羊毛品质最好，我国主要从澳大利亚进口羊毛，国产羊毛主要在新疆和青海生产。纺织用毛纤维最主要是绵羊毛，通常称作羊毛，或称毛纤维，或简称毛。
羊毛纤维大分子由许多种α-氨基酸用肽键联结构成的多缩氨酸链（蛋白质）为主链，氨基酸有25种，特别是胱氨酸的存在使相邻大分子产生交联。羊毛纤维大分子间，依靠分子引力、盐式键、二硫键和氢键等相结合，呈较稳定的空间螺旋形状。其横截面为圆形或椭圆形，由外向内分为鳞片层、皮质层和髓质层。纵向形态呈鳞片覆盖的圆柱体，天然卷曲，如图1-1所示。羊毛纤维的断面结构如图1-2所示。
图1-1 羊毛纵向形态和横断面
图1-2 羊毛的断面结构
鳞片层包覆在纤维外部，由片状角朊细胞组成，薄而透明，是表面细胞经过变形后失去细胞组织（原生质），而形成角状薄片，也叫保护层。根据鳞片在毛干外覆盖形状可分为环状覆盖、瓦状覆盖、龟裂状覆盖。
皮质层位于鳞片层的里面，是羊毛的主体部分，正偏皮质细胞呈现双侧结构分布，使毛纤维产生卷曲。皮质层是决定羊毛物理化学性质的基本物质，主要决定羊毛的强度、弹性、伸长、吸湿等性质。
髓质层位于毛干中心，不透明，由结构松散和充满空气的角蛋白细胞组成。髓质层含量的多少，因毛型不同而不同，细羊毛无髓质层，粗毛中含髓质层，含髓质层多的羊毛强度、弹性、伸长等性能下降，脆而易断，不易染色，纺纱价值低。
（二）羊毛的性能
毛纤维截面近似圆形或椭圆形，一般用直径大小表示其粗细。细度是决定羊毛品质最重要的一个指标。
羊毛的细度差异很大，最细的细绒毛直径只有7μm，最粗的刚毛直径可达240μm。就是同一根羊毛纤维的全部长度上细度也不一样，直径差异可达5～6μm。羊毛细度是羊毛的主要物理性质，羊毛粗细的表示方式有很多，如平均直径（μm）、线密度Tt（tex）、公制支数（Nm）和品质支数。
最常用的指标是平均直径（μm）和品质支数。品质支数是国际范围内应用较广泛的衡量羊毛粗细程度的指标，其含义是一磅精梳毛能纺成560码（约512m）长度的毛纱数。羊毛越细，品质支数越高。羊毛的平均直径（μm）和品质支数的关系见表1-5。
表1-5 羊毛平均直径和品质支数对照表
羊毛越细，羊毛粗细越均匀、强度越高、卷曲越多、光泽越柔和；羊毛细，可纺纱线也细，有利于成纱强力和条干均匀；羊毛细，织物柔软、风格好。
羊毛的长度在工艺上的意义仅次于细度。它不仅影响毛纺织物的品质，而且是选择纺纱系统和工艺参数的依据。
羊毛纤维由于天然卷曲的存在，其长度可分为自然长度和伸直长度。纤维束在自然卷曲下，两端间的直线距离称为自然长度，一般用来表示毛丛长度。羊毛纤维除去卷曲、伸直后的长度称为伸直长度。在毛纺生产中，都采用伸直长度来评价羊毛的品质。
羊毛纤维的长度随羊的品种、年龄、性别、毛的生长部位、饲养条件、剪毛次数和季节等不同差异很大。最短可在40mm以下，最长可在300mm以上。一般国产细羊毛为55～140mm，半细毛为90～270mm，粗羊毛为50～130mm。
衡量羊毛长度的指标有纤维加权平均长度、主体长度、品质长度、跨距长度、手扯长度和交叉长度。其中品质长度是用来确定纺纱工艺参数的指标，又称右半部平均长度或上半部平均长度。
在其他条件相同的情况下，羊毛长度越长，且长度整齐度越好，则可纺性越高，细纱条干较均匀，则成纱强力越高；成纱表面光洁，毛羽较少。
羊毛纤维沿长度方向有自然的周期性的卷曲。由于偏皮质细胞由水湿到干缩中收缩率显著大于正皮质细胞，双侧分布收缩率不平衡，使毛纤维产生卷曲。
卷曲的形状和多少随绵羊品种或纤维类型而不同。常见的卷曲形状可分为三类，如图1-3所示。常表示羊毛纤维卷曲多少的指标是卷曲数，一般细羊毛的卷曲数为6～9个/cm。
图1-3 羊毛纤维的卷曲形状
羊毛卷曲度和形状对羊毛制品的缩绒性有密切的关系，一般卷曲越密，伸长率越大，缩绒性越好。卷曲较多的纤维，纤维之间的抱合力大，有利于纤维的纺纱工艺与成品质量。
粗纺毛织物要求表面绒毛丰满、手感好、强度高，因此要求粗纺毛纱松软、强度大，所以最好在原料中选择强卷曲的纤维。精纺毛织物要求纹路清晰、光泽柔和、形状规则，因此需要毛纱具有光滑、均匀、紧密的特点，所以最好选用正常卷曲且卷曲度密的毛纤维。由于弱卷曲的纤维较粗，一般不做精纺。
羊毛表面的鳞片根部附着于毛干，尖端伸出毛干表面而指向毛尖。羊毛沿长度方向的摩擦，因为滑动方向不同，则摩擦系数不同。滑动方向从毛尖到毛根，为逆鳞片摩擦；滑动方向从毛根到毛尖，为顺鳞片摩擦；顺鳞片摩擦系数小于逆鳞片摩擦系数，这种现象称为定向摩擦效应。这一差异是毛纤维缩绒的基础。
由于羊毛的定向摩擦效应和高度回复弹性，羊毛集合体在湿热和化学试剂作用下，经机械外力反复挤压，该集合体中的纤维相互穿插纠缠，集合体慢慢收缩紧密，并交编毡化，这一现象叫缩绒性。比如羊毛制品在洗涤时，尺寸的收缩和变形，就是由于羊毛的定向摩擦效应。防缩处理的方法有氧化法、蛋白酶处理法（减量法）和树脂法（增量法）等。
纤维的拉伸性能包括强力和伸长两方面，主要是指纤维的断裂强力、相对强度、断裂伸长率及纤维的拉伸初始模量。羊毛纤维的拉伸强度是常用天然纤维中最低的，其断裂长度只有9～18km。
一般羊毛较细，髓质层越少，其强度越高。羊毛纤维拉伸后的伸长能力却是常用天然纤维中最大的，断裂伸长率干态可达25%～35%，湿态可达25%～50%。去除外力后，羊毛伸长弹性的回复能力是常用天然纤维中最好的，所以用羊毛织成的织物不易产生皱纹，具有良好的服用性能。
羊毛的吸湿性是常见纤维中最强的。一般大气条件下，羊毛的回潮率为15%～17%，这就使羊毛织物具有很好的穿着舒适性。
羊毛的耐热性较差。加工和使用中要求干热不超过70℃，当温度超过100℃时，纤维很快失水、干燥而变得脆弱，强力降低、泛黄。
羊毛纤维不溶于水，在水中膨化，高温时纤维遭破坏；羊毛纤维耐酸不耐碱，洗涤时要注意洗涤剂的选择。氧化剂对羊毛的作用剧烈，尤其是强氧化剂在高温时。羊毛在漂白时不能使用次氯酸钠，它们与羊毛易生成黄色氯氨类化合物。过氧化氢对羊毛作用较小，常用3%的稀溶液进行漂白。
二、蚕丝纤维
蚕丝纤维是蚕吐丝而得到的天然蛋白质纤维，是世界上最细、最柔软的天然纤维，它的细胞结构最接近人体肌肤，所以其亲肤性能是所有纤维中最好的，被誉为“纤维皇后”。
（一）蚕丝纤维的种类
蚕丝纤维分为家蚕丝与野蚕丝两大类。
家蚕丝即桑蚕所产之丝。家蚕丝是在我国最早利用的天然纤维，被织成绫罗绸缎等织物，久负盛名，是高级纺织原料。纤维细柔平滑，富有弹性，光泽、吸湿好。
野蚕丝种类很多，常见有柞蚕丝、蓖麻蚕丝、天蚕丝、樟蚕丝、柳蚕丝等。其中柞蚕丝为主，也是最早在中国利用的蚕丝。它的强伸度比桑蚕丝好，耐腐蚀性、耐光性、吸湿性等方面也比桑蚕丝好，但它的粗细程度差异大，长度短，丝上常有天然淡黄色，缫丝比较难，杂质多，适合作中厚丝织物。
（二）蚕丝纤维的组成与形态特征
蚕丝主要由丝素和丝胶组成，总含量占70%～90%，另外含有少量的色素、油脂、蜡质、糖类和无机物等。
蚕丝纤维由两条平行的单丝组成，主体是丝素，丝素外面被丝胶包围。蚕丝纤维截面呈三角形，三边相差不大，角略圆钝；纵向表面光滑，粗细均匀，少数地方有粗细变化，光泽强而不刺眼（珠光）。
（三）蚕丝纤维的性能
蚕丝纤维的吸、放湿的性能强。蚕丝纤维的标准回潮率大约为10%。
丝素吸收水分发生溶胀，溶胀表现出各向异性，如在18℃水中，丝素直径可增加16%～18%，而长度仅增加1.2%。盐类对蚕丝纤维的膨化能力和溶解能力差异很大。在氯化钠和硝酸钠的稀溶液中，丝素只发生有限溶胀，而在它们的浓溶液中，丝素就会发生无限溶胀而溶解。氯化锌、硝酸镁以及锶、钡、锂的氯化物、溴化物、碘化物、硝酸盐、硫氰酸盐等浓溶液均可进入丝素的结晶区，从而导致无限溶胀而发生溶解。铁、铝、钙、铬等金属盐可作为丝的增重整理剂。
蚕丝的拉伸性能在天然纤维中比较优良，一般干断裂强度为2.6～3.5cN/dtex、断裂伸长率为15%～25%。
蚕丝对酸稳定性较强。有机酸对丝纤维的作用较弱，一般不会使丝素发生脆损和溶解。蚕丝在浓无机酸、室温条件下短时间（如1～2min）处理后立即水洗除酸，其长度将发生明显收缩，称为蚕丝的酸缩。利用酸缩原理可制作绉纹丝织品。
蚕丝对碱的抵抗力很差，因为碱可以催化肽键水解。强碱对蚕丝的作用很强烈，弱碱（如氨水、碳酸钠、碳酸钾、磷酸钠等）对蚕丝的作用较为缓和。蚕丝对氧化剂比较敏感，还原剂对蚕丝的作用很弱，损伤不明显。
蚕丝对光的作用很敏感，是纺织纤维中耐光性最差的一种纤维。这是因为丝素分子中会有芳香结构的氨基酸，日光照射后极易被氧化，造成强度降低。蚕丝纤维受光照还会泛黄。
蚕丝的染色性能较好，可用酸性染料、中性染料、活性染料染色。
三、麻纤维
麻纤维是从各种麻类植物上获取的纤维的统称。麻纤维种类很多，有苎麻、亚麻、罗布麻、黄麻、洋麻、大麻、剑麻等。苎麻纤维品质优良、单纤维长，是麻纤维中品质最好的原料之一，宜作夏季面料和西装面料。亚麻分纤维用、油用和油纤兼用三种，前者通称亚麻，后两者一般称为胡麻，宜织制各种服装面料和装饰织物。罗布麻不仅具有优良的服用性能，而且还具有良好的医疗保健功能，特别适于制作夏天的服装。
（一）麻纤维的组成和形态结构
纤维素是麻纤维的主要化学成分（占60%～80%），另外还有半纤维素、果胶物质、木质素、脂肪、蜡质和灰分等。
不同种类的麻纤维，其截面不尽相同。苎麻纤维的截面大都呈腰圆形，内有中腔，胞壁有裂纹；纵向大都较平直，有横节、竖纹。亚麻纤维的截面呈不规则的多角形，中间有空腔，纤维纵向表面有条纹，且在某些部位有横节。罗布麻单纤维两端封闭，中间有胞腔，中部粗而两端细，纵向无扭转，表面有许多竖纹并有横节存在，截面呈明显不规则的腰子形，中腔较小。
（二）麻纤维的主要性能
（1）麻纤维与棉纤维一样，属天然纤维素纤维，其光热作用与化学性质与棉纤维相似。
（2）麻纤维强度高，耐水性好，吸湿、放湿性能好，不易发霉。
（3）苎麻纤维的长度随品种、生长条件而有很大差异，最长纤维长度可达54mm，短纤维长度不到6mm，长度变异较大。纤维越细，可纺纱线越细，纱线质量越好。优良品种的苎麻纤维平均线密度在0.5tex以下；平均线密度在0.67tex以上时，只能加工低档产品。苎麻因其纤维素分子排列的定向性高，故其强力高而伸长率小。苎麻单纤维的强力平均为19.6～29.4cN，而伸长率仅为2%～3%。苎麻的湿强比干强高20%～30%，抗扭刚度大。此外，苎麻纤维抗腐蚀能力强，苎麻的不足之处是纤维粗硬，抱合力差，耐磨性差。
（4）亚麻单纤维物理力学性能与苎麻纤维基本相同。可纺制线密度较小的纱线，直接生产机织装饰用布。
（5）黄麻、洋麻纤维长度都较短，都是依靠残胶使其粘连成束纤维进行纺纱，多用于纺制线密度较高的纱线。
四、棉纤维
（一）棉纤维的组成和形态结构
棉纤维的主要组成物质是纤维素，占94%左右，此外还有糖分、蜡质、蛋白质、脂肪、水溶性物质、灰分等物质。
棉纤维具有天然转曲，它的纵面呈不规则的而且沿纤维长度不断改变转向的螺旋形扭曲。成熟正常的棉纤维转曲最多；未成熟棉纤维呈薄壁管状物，转曲少；过成熟棉纤维呈棒状，转曲也少；一般长绒棉的转曲数多于细绒棉，细绒棉的转曲数为39～65个/cm。天然转曲使棉纤维具有一定的抱合力，有利于纺纱工艺过程的正常进行和成纱质量的提高，但转曲反向次数多的棉纤维强度较低。棉纤维截面为椭圆或腰圆形，中间有中腔，成熟纤维中腔小，未成熟纤维中腔大，品质较差。
（二）棉纤维的主要性能
（1）棉纤维吸湿性能好。棉纤维拉伸强力一般为3.4～5.9cN，其强力随纤维吸湿率的增加而增加，吸湿后，棉纤维弹性模量减小，伸长率增加。
（2）棉纤维染色性能好，但染色牢度稍差，日晒、皂洗等均易褪色。棉纤维在超过100℃长时间烘烤后，纤维素的化学结构受到破坏，强力急剧下降，最终发生炭化。但棉为无熔点纤维，其制品耐瞬时高温性能较好。
（3）棉纤维耐碱不耐酸。在常温下具有一定的耐碱性，但在高温有空气存在时，纤维素苷键对较稀的碱液也很敏感，以至聚合度下降。棉纤维遇酸后，由于酸对纤维素大分子中苷键的水解起了催化作用，使大分子的聚合度降低，纤维受到损伤，造成手感变硬，强度降低。
（4）棉纤维不易虫蛀，但在潮湿的环境中易被微生物侵蚀而霉烂。
（5）棉织物手感柔软，但形态稳定性差，容易折皱。
五、新型天然纤维
随着科学技术的进步，天然纤维通过改良改性等方法也拥有了许多新型天然纤维。
（一）天然彩棉
普通的棉织品需经过化学漂染工艺才变得五颜六色，而用天然彩棉制成的纺织品，不用化学染整工艺就可以拥有缤纷的色彩，可谓是真正意义上的绿色环保产品。天然彩棉是采用现代生物工程技术培育出来的一种在棉花吐絮时纤维就具有天然色彩的新型纺织原料。以其“绿色、生态、环保”的鲜明特性在众多绿色纺织品中独树一帜。目前天然彩棉主要有棕色、绿色和褐色三大系列彩棉。
我国天然彩棉的物理指标见表1-6。
表1-6 天然彩棉的物理指标
（1）彩色棉的色彩是百分之百纯天然的，用天然彩色棉织成的纺织品，经长期洗涤，风吹日晒不会变色。而且在水洗以后，彩棉织物的天然色彩会更加亮丽和鲜艳。因此，彩棉织物以其独特的自然美，符合人们追求回归自然的消费需求。
（2）用天然彩色棉加工成的纺织品无需漂白、印染等传统工艺处理，不产生化学污染，衣物中不含有害成分，实现了从种植到成品过程的“零污染”，是典型的环保健康产品。
（3）由于未经化学品处理，在手感、弹性、柔软性、耐穿性等方面具有明显的优点，用它制成的产品舒适、自然，是高科技的“绿色”产物。正因如此，1998年世界产棉国第二次国际棉花研究会上，再次将彩色棉研究生产列为绿色环保项目。
（4）彩色棉“绿色”生产是在有机化生产环境下进行的，即不施用农药、化肥、除草剂等化学物质。加之采用生物工程技术在彩色棉品种中植入抗病虫害基因，既可避免环境污染、降低成本，又能保证产量。
（二）大麻纤维
大麻又叫线麻、云麻、火麻、汉麻等，其生长过程中只需少量的水和肥料，不需用任何农药，并可自然分解，所以大麻纤维是环保的纺织原料。
大麻与亚麻、棉纤维强伸性能的比较见表1-7。大麻单纤维是各种麻纤维中较细的一种，与棉纤维相当，纤维顶端呈钝圆形，没有苎麻、亚麻般尖锐的顶端，故成品特别柔软。
表1-7 大麻与亚麻、棉纤维的性能比较
大麻纤维中心细长的空腔与纤维表面纵向分布的许多裂纹和小孔洞相连，形成优异的毛细效应，再加上大麻纤维分子中含有大量的亲水性基团，故导热、吸湿、透气性好。大麻织物与棉织物相比可使人体感觉温度较环境温度低5℃左右，即使在气温高达38℃及以上的酷暑，也会让人感觉一丝清凉。
大麻纤维耐热性能高，能在370℃不变色；它的耐晒性能良好，在长时间太阳光照射下强度不受损失；它的耐腐蚀性能好，能长时间耐海水腐蚀。
大麻纤维横截面比苎麻、亚麻、棉、毛都复杂，为不规则三角形、六边形、扁圆、腰圆等。中腔与外形不一，其分子结构为多棱状，较松散，有螺旋纹，因此，大麻纤维对声波、光波有良好的消散作用，无需特别整理就可阻挡强紫外线的辐射，并具有独特的消声、吸波功能。
大麻不用任何化学农药及杀虫剂，纤维中含有微量大麻酚物质，这是一种非常有益的杀菌消毒剂。大麻纤维中空，平时含氧气，使厌氧菌无法生存，对金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、白色球菌、石膏样毛癣菌、青霉曲霉等有明显的杀灭作用，是标准绿色产品。
（三）改性羊毛
丝光与防缩羊毛都是通过化学处理将羊毛的鳞片剥除。而丝光羊毛比防缩羊毛剥取的鳞片更多，更彻底。两种羊毛生产的毛纺产品均能达到防缩、机可洗效果。丝光羊毛的产品光泽更亮丽，有丝般光泽，手感更滑糯，有羊绒感，被誉为仿羊绒的羊毛。
丝光、防缩羊毛的改性方法主要有两种。
（1）剥鳞片减量法。绵羊细毛（绒）剥鳞片减量法的基本原理是将绵羊细毛（绒）表面鳞片层全部或部分腐蚀去除，以获得更好的性能和手感。具体方法主要有氯氧化法、高锰酸钾法及酶处理法。前两种方法使绵羊细毛（绒）极易受损伤并产生严重的环境污染，已逐渐被其他方法所代替。酶处理法有许多优点，如能耗少，效率高，污染少。同时经酶处理后的绵羊细毛（绒）的防毡缩性、柔软性、吸湿性提高，没有刺痒感，具有山羊绒的特性。因此，酶处理法是绵羊细毛（绒）仿山羊绒改性的有效方法之一。酶处理绵羊细毛（绒）的技术难度在于对酶性能和处理程序的准确控制。
（2）增置法（树脂加法处理）。树脂加法处理是利用树脂能在纤维表面交联成膜的功能，使纤维表面覆盖上一层连续薄膜，掩盖毛纤维鳞片结构，降低定向摩擦效应，减少纤维的位移或减小纤维间的“制动”能力，从而达到防缩绒、改变纤维表面光泽、增加吸湿性等目的。使绵羊细毛（绒）具有山羊绒的特性，永久性地改善手感。
OPTIM（羊毛拉细）羊毛物理变性技术不同于普通羊毛丝光、柔软、防缩处理，OPTIM是羊毛拉伸后在受力的状态下加以定型，羊毛的拉伸定型过程就是旧链的拆散和新链的建立，达到新的平衡位置，从而达到羊毛的空间构象转变。羊毛纤维经过拉伸，分子链伸直，即它们在新的位置上重新建立分子链，并固定下来。
拉细羊毛是一种工艺与技术相结合而产生的新型改性羊毛纤维，它的结构和性能与丝相似，用其开发的高支轻薄产品呢面细腻、光泽好，既可充分展示其羊毛纤维的优良特性，又具有改性后的独特性能。纤维长度较长，且长度和强力比普通羊毛纤维好，但长度、细度离散系数和均方差较大；纤维卷曲少，且由于鳞片结构发生变化，使其表面更光滑，纤维不是圆形截面。纤维刚性比普通羊毛低，使其纤维显得更柔软，特别是在湿态时显得更明显；纤维与纱线的拉伸性能比普通羊毛低，染色上染速率比普通羊毛快。
彩色羊毛源于偶然发现的一只蓝色羊，它与白羊一起饲养，后代已明显变色。不久，又得到了一只彩色苏塞克斯种的公羊，它面为黑色，身上却长着蓝色的羊毛，经过二十几年的漫长着意培育和精心筛选，澳大利亚已成功地培育出一批蓝色绵羊，从浅蓝、天蓝到海蓝。苏塞克斯种的彩色绵羊繁殖数代羊毛没有褪色且毛质优良。科学家分析，这是由羊体内主导基因所决定。这群蓝色绵羊的毛质很理想，其市场价值惊人，此外，它还为其他的彩色动物的开发开创了先例，在科研上也很有价值。
美国、俄罗斯、英国、法国、澳大利亚等国近年来都在致力于研究、培养和繁殖有色绵羊品种。目前已初步培育出具有鲜红色、浅蓝色、金黄色、琥珀色、紫黑色、灰色以及雪青色的有色绵羊。
用彩色绵羊制成的毛织品，经风吹、日晒、雨淋和洗涤，其毛色仍然鲜艳如初，毫不褪色。彩色羊毛因不需染色，不含有染料残留的化学物质，未被腐蚀，因此韧度很强，质地坚固，耐磨、耐穿、不易损坏，使用寿命长。
随着国际社会对环境问题的日益重视、科学技术的飞速发展以及人们崇尚自然风潮的兴起，在国际市场上天然彩色毛织物非常畅销，价格也不断上涨，更刺激了各国研究工作的开展。
羊毛膨化的改性技术起源于新西兰羊毛研究组织（WRONZ）的研究成果。羊毛条经拉伸、加热（非永久定型）、松弛后则收缩。膨化羊毛编织成衣在同等规格的情况下可节省羊毛约20%；并提高服装的保暖性，手感更膨松柔软，服用舒适。膨化羊毛与常规羊毛混纺可开发膨松或超膨毛纱及其针织品。为毛纺产品轻量化和开发休闲服装、运动服装创造条件。我国已有毛纺企业引进该项专利（设备与技术）并已工业化生产。