摘要
对四川攀枝花地区生产的木棉纤维结构和性能作了研究，首次获得了自然状态下木棉纤维横截面和头端的清晰实物照片。结果表明木棉纤维具有壁薄、大中空、梢端封闭、根端在自然状态下紧闭的独特形态结构；0.03g/cm<'3>的体积质量，10.8％的回潮率；较棉纤维低的结晶度和取向，较棉纤维疏松的胞壁结构：较棉纤维弱的碱液抵抗能力。 通过四氧化锇前染和铅铀片染，成功地制取了木棉纤维超薄切片，通过透射电镜观察获得了木棉纤维胞壁清晰可见的层状结构和明显的原纤结构，首次建立了木棉纤维的微细结构模型：木棉胞壁可分为致密的表皮层S、胞壁Ⅰ层W<,1>、胞壁Ⅱ层W<,2>、胞壁Ⅲ层W<,3>和内皮层IS共五个基本的层次，在W<,1>和W<,2>层间、W<,2>和W<,3>层间分别存在过渡层L<,1>和L<,2>。各层聚集密度由大到小依次为S，W<,1>，W<,3>，W<,2>和IS层，其中，表皮层最为致密，为纤维的保护层，厚度约40～70nm；过渡层(L<,1>和L<,2>)原纤排列最为疏松，导致层间原纤的结合力较层内原纤的结合力弱；内皮层较为疏松，厚度在40nm以下。 W<,1>，W<,2>，W<,3>层具有精细的原纤结构，Wl层原纤排列与棉纤维初生层相似，W<,3>层内的原纤排列与棉纤维的次生层原纤排列类似；其原纤几何尺寸通常在基原纤和原纤的尺度内变化，同时也分布着不同尺寸的更大的原纤。其中，160～240nm厚的W<,1>层中原纤呈网络状排列，宽度约10nm。W<,2>和W<,3>层厚度相当，约500nm，其内的原纤均平行致密、与纤维轴呈一定夹角排列；最小可见原纤宽度约3.2～5.0nm，其宽度尺度和棉纤维的基原纤相当；但两层内原纤长度和与纤维轴的夹角存在差异，根据勾股定律，W<,2>层内的原纤长度大于132nm，和纤维轴的夹角约16.3°，而’W<,3>层内的原纤长度则大于153nm，和纤维轴的夹角约为36.6°。 实验发现NaOH对木棉纤维的可及性存在显著个体差异、对同一纤维胞壁各层的溶胀也存在显著差异，这与棉纤维的可及性显著不同。其中W<,2>层和IS层是最易被溶胀的。内皮层结构疏松，原纤容易被分离出来，游离在中腔内。 在理论分析和实验验证基础上，建立了基于力分析的纤维浸润性能判定测试方法及其理论分析。通过分析纤维水平进入液体过程中，纤维和液体初始接触的力值变化和纤维完全进入液体时液面闭合时的力值变化，可以判定液体对纤维的浸润性能。所构建的浸润因子w可定量评价纤维在液体中的浸润性能。该方法适合于不同长度、细度、不同浸润性能的单纤维和束纤维的浸润性能检测，克服了大多数检测方法只适合较长纤维的缺点，对难以浸润、密度比液体轻的纤维也同样适用。导出了适合于圆形截面纤维浸润因子w与接触角间的函数关系，即θ＝π/(w+1)。讨论了用该法进行定量计算时的影响因素，结果表明初始接触阶段和闭合阶段的力值随着纤维细度的增加而增加，但细度变化并不影响其浸润性能；而纤维截面形状对浸润性能影响较大。并利用该法得到木棉纤维的接触角为157°，和用静滴法获得的值接近。通过动态毛细法研究了正浸润纤维集合体的芯吸性能，推导获得了影响负浸润纤维集合体的影响因素及方式。集束密度、单纤维细度、纤维表面性能、浸润液体表面张力是影响纤维集合体浸润性能的重要因素，单纤维截面形状也有一定影响，但远远小于细度和集束密度的影响。修改的Lukas-Washburn等式只适合于芯吸发生的初始阶段，在接触角己知的条件下，可以获得纤维集合体的形状因子。 对木棉纤维集合体的压缩性能研究表明初始体积质量对纤维集合体压缩性能的至关重要。在压强和压缩时间一定时，随机排列的纤维集合体，无论其初始体积质量多小，其被压缩后的体积质量将趋于一个稳定值。当纤维集合体的初始体积质量在这个稳定值以下时，随着初始体积质量的增加，纤维集合体的压缩率减小，压缩恢复率增加。 首次获得了木棉纤维集合体浮力材料的最佳体积质量为0.038g/cm<'3>～0.05g.cm<'3>。发现木棉纤维长时间置于水中，有明显的吸湿效应，其质量增加率随体积质量的增加而显著减少。并建立了纤维集合体浮力材料的理论模型，可用以指导纤维集合体浮力材料设计时的参数选择。 对复合浮力材料的研究表明，通过分层铺絮方式构筑的木棉／三维卷曲涤纶复合浮力材料形成了良好的具有支撑作用的结构，是提高木棉纤维集合体压缩恢复性能的理想方式；经热融粘结处理过的木棉/粘结纤维复合浮力材料具有较为稳定的结构，抗压缩性能提高，浮力倍数和浮力损失率均满足要求，是一种理想的复合浮力材料。 本文的研究结果表明：木棉纤维具有独特的薄壁大中空和两端紧闭的形态结构、原纤排列精细的层状胞壁微细结构、优良的拒水性能，是理想的纤维集合体浮力材料，通过加入粘结纤维的方式可获得结构稳定的絮状纤维集合体浮力材料；同时，本文发展的基于力分析的纤维浸润性能判定方法具有广泛适应性。
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