連素梅 ，羅忻 ，李朋 ，葉曦雯 ，史建峰 ，牛增元 *

（1.河北出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心/國(guó)家級(jí)進(jìn)口棉花重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050051；2.山東出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心，山東青島266555）

棉花是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要經(jīng)濟(jì)作物，是紡織工業(yè)的主要原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。棉纖維的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)決定了棉纖維具有不同于其他紡織纖維的性能和特點(diǎn)，棉纖維的性能是微觀結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)，是決定纖維質(zhì)量和紡織價(jià)值的重要因素[1]。只有充分了解棉纖維復(fù)雜的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和特有的性能特點(diǎn)，才能科學(xué)研發(fā)棉花新品種、栽培種植技術(shù)，進(jìn)一步提高棉花檢驗(yàn)質(zhì)量，更好地研制棉花檢測(cè)新儀器，深入挖掘棉花的使用價(jià)值。

1 棉纖維的化學(xué)組成

棉纖維的化學(xué)成分主要包括纖維素、多縮戊糖、蛋白質(zhì)、脂肪與蠟質(zhì)、水溶性物質(zhì)及礦物質(zhì)等，在棉纖維生長(zhǎng)過(guò)程中，這些成分含量不是固定不變的，而是隨生長(zhǎng)發(fā)育不斷變化的[1]（表1）。

表1 棉纖維化學(xué)組分隨生長(zhǎng)發(fā)育階段的變化

1.1 纖維素

纖維素質(zhì)量約占成熟棉纖維的94%以上。隨著棉花纖維的生長(zhǎng)成熟，纖維素含量不斷增加，其他成分逐漸減少。由于纖維素分子很大，分子排列比較緊密，因此成熟棉纖維具有較高的強(qiáng)度。

1.2 果膠物質(zhì)

果膠物質(zhì)存在于棉纖維的初生胞壁中，在成熟棉纖維中的含量一般為0.9%～1.2%，未成熟棉纖維則高達(dá)6%[1]。雖然果膠酸含有大量親水性的羥基羧基，但在棉纖維中部分以鈣鹽、鎂鹽和甲酯的形式存在，所以親水性比纖維素要低。果膠物質(zhì)對(duì)纖維的色澤和潤(rùn)濕性有一定的影響。

1.3 含氮物質(zhì)

含氮物質(zhì)主要分為無(wú)機(jī)鹽和蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)形式的含氮物質(zhì)主要存在于棉纖維的胞腔中，小部分存在于初生胞壁和次生胞壁中；其在加工或使用過(guò)程中，與有效氯接觸很容易形成氯胺，會(huì)引起織物泛黃[1]。

1.4 蠟質(zhì)

蠟質(zhì)主要存在于棉纖維表層，對(duì)纖維具有保護(hù)作用，能防止外界水分快速侵入；從另一角度來(lái)說(shuō)對(duì)纖維的潤(rùn)濕性能影響很大，可借助皂化和乳化作用去除。另外，其在紡紗過(guò)程中能起到潤(rùn)滑作用，使棉纖維具有良好的紡紗性能[1]。

2 棉纖維的大分子結(jié)構(gòu)

纖維素大分子是由n個(gè)葡萄糖殘基以1，4糖苷鍵（氧橋）聯(lián)結(jié)而成直線型的長(zhǎng)鏈?zhǔn)酱蠓肿樱ň€型大分子），葡萄糖殘基的空間結(jié)構(gòu)為六元環(huán)形結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)為氧六環(huán)。在大分子長(zhǎng)鏈中，每個(gè)葡萄糖殘基對(duì)其相鄰的殘基翻轉(zhuǎn)180°，并依靠糖苷鍵連成1個(gè)重復(fù)單元，即大分子單元結(jié)構(gòu)是纖維素雙糖，長(zhǎng)度為1.03 nm[2]。每個(gè)氧六環(huán)的21個(gè)原子不在同一平面上，相鄰的2個(gè)氧六環(huán)的中心也不在同一平面上。因此，纖維素大分子是不對(duì)稱(chēng)的，有方向性的。

纖維素大分子的官能團(tuán)是羥基和糖苷鍵。羥基是親水性基團(tuán)，使棉纖維具有一定的吸濕能力；而糖苷鍵對(duì)酸敏感，所以棉纖維比較耐堿而不耐酸。此外，纖維素大分子中氧六環(huán)之間距離較短，大分子之間羥基的作用又較大，造成纖維素大分子的柔曲性較差，所以棉纖維有一定的剛性，回彈性能有限。

3 棉纖維的超分子結(jié)構(gòu)

超分子結(jié)構(gòu)主要指棉纖維中次生胞壁纖維素大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、排列狀態(tài)、排列方向、聚集緊密程度等。由于纖維素大分子的結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，且每個(gè)葡萄糖殘基上有3個(gè)羥基，大分子之間形成強(qiáng)烈的氫鍵，所以大分子鏈極易取向和結(jié)晶，并結(jié)合成基原纖、微原纖、原纖和巨原纖[3]。

3.1 結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)

棉纖維中大分子呈規(guī)律整齊排列的區(qū)域?yàn)椤敖Y(jié)晶區(qū)”。由于結(jié)晶區(qū)大分子排列比較整齊密實(shí)，分子之間互相接近的各個(gè)基團(tuán)的結(jié)合力基本飽和，因而棉纖維吸水較困難，變形較小。相反，棉纖維中大分子呈不規(guī)則排列的區(qū)域?yàn)闊o(wú)定形區(qū)（非結(jié)晶區(qū)）。非結(jié)晶區(qū)中大分子排列紊亂，存在較多的縫隙與孔洞，密度較低，一些大分子表面的基團(tuán)距離較大，沒(méi)有達(dá)到完全飽和，強(qiáng)度較低，易于吸濕、染色和變形。

3.2 取向度和結(jié)晶度

大分子排列方向和纖維軸向的符合程度稱(chēng)為取向度。通常，取向度越高，纖維強(qiáng)度越高，斷裂伸長(zhǎng)率越低。纖維的其他力學(xué)、光學(xué)性能及膨脹性都會(huì)因取向而各向異性。陸地棉的取向度約為0.62，海島棉的取向度約為0.72[1]。

結(jié)晶度是表示纖維中大分子序態(tài)的重要參數(shù)，與纖維的物理性能密切相關(guān)。通常，結(jié)晶度越高，纖維強(qiáng)度越高，延伸度越小而脆，吸濕比較困難，染料分子不易進(jìn)入；結(jié)晶度越低，纖維強(qiáng)度越低，染色性能較好。研究表明，棉纖維的結(jié)晶度約為70%，麻纖維為90%，無(wú)張力絲光棉為50%，黏膠纖維為40%[1]。

3.3 基原纖、微原纖、原纖和巨原纖

基原纖是由幾根直線鏈狀大分子互相平行，并按一定距離、相位、形狀較穩(wěn)定地結(jié)合在一起形成的大分子束。微原纖就是纖維素大分子集積成極細(xì)微的絲狀體。每個(gè)微原纖中大約具有30個(gè)纖維素分子鏈，屬于結(jié)晶的大分子束。原纖是由若干根微原纖基本平行地排列結(jié)合在一起的更粗的大分子束，其直徑為10～30 nm。巨原纖是由原纖基本平行地排列結(jié)合在一起的大分子束，巨原纖的直徑可達(dá)0.1～1.5 μm。原纖和巨原纖存在比微原纖更大的縫隙、孔洞和非結(jié)晶區(qū)。巨原纖在棉纖維中是螺旋狀配置的，且螺旋方向不斷改變，每個(gè)大分子可能間隔地穿過(guò)幾個(gè)結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，靠結(jié)晶區(qū)中大分子之間的結(jié)合力互相聯(lián)結(jié)在一起，又通過(guò)穿越2個(gè)以上結(jié)晶區(qū)的大分子將各結(jié)晶區(qū)聯(lián)系在一起，并由結(jié)構(gòu)較疏松的非結(jié)晶區(qū)把各結(jié)晶區(qū)間隔開(kāi)來(lái)，使棉纖維形成疏密相間而又不散開(kāi)的整體。棉纖維中大分子、微原纖、原纖的排列愈平行整齊，取向度和結(jié)晶度也愈高，纖維強(qiáng)度愈高[4]。

4 棉纖維的性能及影響因素

4.1 棉纖維的化學(xué)性能

4.1.1具有較強(qiáng)的還原性。纖維素大分子中葡萄糖殘基（不包括兩端）上有3個(gè)羥基（-OH），其中2、3位碳原子上是2個(gè)仲醇羥基（-CHOH），6位碳原子上是1個(gè)伯醇羥基（-CH2OH），它們都具有一般醇羥基的特性。在纖維素大分子一端的1位碳原子上多1個(gè)羥基，這一羥基的性質(zhì)與其他醇羥基不同，能產(chǎn)生醛基的性質(zhì)，即具有較強(qiáng)的還原性。

4.1.2具有異向膨化性。棉纖維雖然具有大量的親水羥基，但它不溶于水，只能小幅膨化，其原因是纖維素分子間存在較強(qiáng)的氫鍵和范德華力。當(dāng)棉纖維被水濕潤(rùn)膨化后，水分只能進(jìn)入內(nèi)部的無(wú)定形區(qū)，因此無(wú)定形區(qū)的多少與棉纖維的吸水性密切相關(guān)。棉纖維的無(wú)定形區(qū)約占30%，在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)時(shí)的平衡回潮率約為7%。棉纖維吸水的膨化是各向異性的，即沿纖維長(zhǎng)度方向的膨化伸長(zhǎng)率很小，僅有1%～2%；而橫向膨化很明顯，在40%～45%。

5.1.3具有不耐酸和光照的特性。由于纖維素大分子中糖苷鍵對(duì)酸敏感，當(dāng)糖苷鍵遇酸發(fā)生水解反應(yīng)，纖維素大分子的主鏈斷裂，聚合度下降，導(dǎo)致棉纖維強(qiáng)力下降。強(qiáng)無(wú)機(jī)酸（如硫酸、鹽酸、硝酸等）對(duì)棉纖維的作用非常強(qiáng)烈，有機(jī)酸（如甲酸、乙酸等）對(duì)棉纖維的作用較弱；一些酸性鹽類(lèi)（如硫酸鋁等）的水溶液呈酸性，也能使棉纖維的強(qiáng)力受損。酸對(duì)纖維素的水解效果與濃度、溫度和時(shí)間密切相關(guān)。酸的濃度越大、溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，纖維水解越快、越劇烈。另外，糖苷鍵經(jīng)光照后極不穩(wěn)定，大分子極易斷裂，致使纖維強(qiáng)度下降。

5.1.4具有耐堿特性。纖維素大分子中糖苷鍵對(duì)堿的作用不敏感。研究發(fā)現(xiàn)，在常溫下使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%的堿液對(duì)棉纖維進(jìn)行浸泡處理時(shí)，棉纖維不發(fā)生任何變化；當(dāng)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10%時(shí)，同樣是在常溫下棉纖維就開(kāi)始橫向膨化，縱向收縮，直徑變大；當(dāng)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在17%～18%，持續(xù)處理0.5～1.5 min時(shí)，棉纖維橫向膨化變形較大，纖維表面絲光明亮，即使脫堿后絲光依然保持，且對(duì)化學(xué)反應(yīng)的敏感性也增強(qiáng)[1]。如果在露天環(huán)境下，用高溫堿液處理棉纖維，空氣中的氧氣能使纖維素氧化，從而使糖苷鍵斷裂，引起聚合度下降。因此，在蒸煮棉布時(shí)，應(yīng)隔離空氣，以防強(qiáng)力受損。

5.1.5具有氧化效應(yīng)。纖維素的氧化主要發(fā)生在葡萄糖基環(huán)上的3個(gè)羥基上，少數(shù)氧化發(fā)生在大分子末端的醛基上。纖維素對(duì)不同的氧化劑的氧化反應(yīng)不同，有的氧化劑只對(duì)一定位置的基團(tuán)發(fā)生氧化作用，即選擇性氧化，如亞氯酸鈉只氧化纖維素大分子末端的醛基，不會(huì)使纖維素大分子中的化學(xué)鍵斷裂，且對(duì)葡萄糖環(huán)中的羥基沒(méi)有作用，所以使用亞氯酸鈉漂白不會(huì)損傷棉纖維的強(qiáng)力。而次氯酸鈉、過(guò)氧化氫為非選擇性氧化，對(duì)纖維素大分子的氧化性能較強(qiáng)且復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致纖維素大分子化學(xué)鍵的斷裂。

5.1.6微生物對(duì)棉纖維的影響。微生物對(duì)棉纖維的侵蝕和影響非常明顯。棉花在生長(zhǎng)過(guò)程中易受微生物和蟲(chóng)類(lèi)侵害；在儲(chǔ)存、加工使用中，也極易受微生物分泌的纖維素酶和酸危害。在潮濕環(huán)境中，微生物生長(zhǎng)繁殖速率急劇增長(zhǎng)，會(huì)使棉纖維發(fā)霉、變質(zhì)、變色。因此，棉纖維及其制品應(yīng)放置在干燥通風(fēng)環(huán)境中。研究發(fā)現(xiàn)，在溫度為10℃、相對(duì)濕度為50%的環(huán)境條件下，即使棉花儲(chǔ)存3年，其色澤變化也不大；若棉花儲(chǔ)存在38℃高溫、80%以上高濕環(huán)境中，1年后其色澤變化很大，白棉大多會(huì)變成點(diǎn)污棉，3年后降低為淡黃染棉甚至黃染棉，尤其是SM（美國(guó)通用棉花標(biāo)準(zhǔn)Strict middling的縮略）以上高品級(jí)棉花色澤變化更加突出。因此，微生物的生長(zhǎng)繁殖是棉纖維顏色變化的主要因素[5]。

5.2 棉纖維的力學(xué)性能

5.2.1斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)。在外力作用時(shí)，棉纖維會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力與變形，且隨著外力的增強(qiáng)而增加，增加到一定程度時(shí)，纖維將被拉斷。斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率是棉纖維力學(xué)特性的主要性能指標(biāo)，與棉花類(lèi)別、品種、成熟程度及干濕狀態(tài)密切相關(guān)。棉纖維呈干態(tài)時(shí)，斷裂強(qiáng)度一般為 3.0～4.9 N·D－1，斷裂伸長(zhǎng)率為3%～7%；濕態(tài)時(shí)斷裂強(qiáng)度一般為3.3～6.4 N·D－1，斷裂伸長(zhǎng)率為3.3%～7.7%。棉纖維濕干強(qiáng)度比為110%～130%，濕干斷裂伸長(zhǎng)比為110%。隨著棉纖維含水量的增多，纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率也會(huì)增強(qiáng)。這是因?yàn)椋好蘩w維大分子的聚合度非常高，分子鏈極長(zhǎng)，含水高時(shí)，大分子鍵之間的氫鍵削弱，微原纖之間或大分子之間的滑動(dòng)能力增強(qiáng)，從而協(xié)調(diào)微原纖和大分子的張力均勻性，使受力大分子根數(shù)增多，使棉纖維強(qiáng)度有所提高。

5.2.2初始模量。初始模量是反映纖維在小負(fù)荷外力作用下抵抗伸長(zhǎng)變形的能力，是衡量纖維剛性的重要指標(biāo)。初始模量大，則纖維不易變形，剛性較好，其織物比較挺括；初始模量小，則纖維容易延伸，柔性較好，其織物易變形起皺褶。常見(jiàn)纖維的初始模量見(jiàn)表2[1]。

5.2.3回彈性能。（1）拉伸彈性。在紡織加工和使用中，纖維在拉力作用下會(huì)有一定的伸長(zhǎng)，當(dāng)拉力消除后，纖維的變形有一部分會(huì)恢復(fù)，而無(wú)法恢復(fù)的就是塑性或永久變形部分。通常用拉伸彈性恢復(fù)率來(lái)表示纖維的彈性。拉伸彈性恢復(fù)率高的材料具有較好的彈性，能保持固有的形狀，織物不易褶皺，使用價(jià)值較高。棉纖維的伸長(zhǎng)率較小，拉伸彈性恢復(fù)率較低；羊毛的伸長(zhǎng)率較大，拉伸彈性恢復(fù)率較高[1]。

（2）受壓彈性。在外在壓力作用下，纖維塊體也會(huì)變形，且與拉伸變形相似，壓力解除后，纖維塊體會(huì)逐漸膨脹，但一般不能恢復(fù)到原來(lái)的體積。通常棉纖維的受壓體積恢復(fù)率約為38%。棉花在打包過(guò)程中，棉纖維受到的外力很復(fù)雜。雖主要受到橫向壓縮，但也會(huì)受到縱向拉伸與彎曲的作用。研究證明，在棉花打包時(shí)，當(dāng)棉包的密度達(dá)到1 400 kg·m－3后，壓力再增加而棉包密度變化很小，且棉纖維的強(qiáng)力開(kāi)始下降。當(dāng)棉包密度等于棉纖維密度時(shí)，棉纖維受損，強(qiáng)力下降10%；當(dāng)橫向壓力等于縱向拉伸強(qiáng)度極限的1/3～2/5時(shí)，棉纖維組織被破壞，壓力恢復(fù)后棉纖維在顯微鏡下仍可見(jiàn)縱向劈裂的條紋，而且纖維強(qiáng)力下降，長(zhǎng)度也略縮短[1]。因此，在棉花打包過(guò)程中應(yīng)控制打包密度。

表2 常見(jiàn)纖維的初始模量

5.2.4鉤接和打結(jié)強(qiáng)度。在棉纖維紡紗或使用中，纖維之間相互雜亂交叉，造成纖維或紗線之間互相鉤接或打結(jié)，凡是鉤接或打結(jié)的地方，就極易產(chǎn)生彎斷。通常鉤接強(qiáng)度高的纖維比較堅(jiān)韌耐磨，鉤接強(qiáng)度低的纖維脆性大、易折斷。棉纖維的相對(duì)鉤接強(qiáng)度為70%、相對(duì)打結(jié)強(qiáng)度為90%～100%；而黏膠纖維的相對(duì)鉤接強(qiáng)度只有25%～40%、相對(duì)打結(jié)強(qiáng)度僅為35%～50%[1]；因此，棉纖維的鉤接強(qiáng)度和打結(jié)強(qiáng)度明顯好于黏膠纖維。

5.2.5耐磨性。原棉品級(jí)越高，成熟越好，對(duì)應(yīng)織物的耐磨性能就越好。不同纖維的耐磨性能不同，棉纖維的耐磨性能比羊毛、蠶絲、黏膠纖維、腈綸好，但比尼龍、滌綸、維綸低得多[1]。

6 棉纖維性能改良研究進(jìn)展概述

在了解棉纖維的化學(xué)構(gòu)成和物理結(jié)構(gòu)以及這些因素對(duì)棉纖維性能的影響以后，可以針對(duì)這些影響因子對(duì)棉纖維進(jìn)行改良以達(dá)到提升品質(zhì)的目的。目前已經(jīng)發(fā)展出多種方法來(lái)[6-7]改進(jìn)棉纖維性能。

6.1 基因改良技術(shù)

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用可以有針對(duì)性地對(duì)棉花基因進(jìn)行改造，從而實(shí)現(xiàn)棉花新品種的研發(fā)。目前基因編輯等技術(shù)在棉花遺傳改良等領(lǐng)域的應(yīng)用有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[7]，我國(guó)較早地放開(kāi)了轉(zhuǎn)基因棉花的商業(yè)化種植，并成功培育出抗蟲(chóng)、彩棉等轉(zhuǎn)基因棉。

6.2 機(jī)械處理

機(jī)械作用主要包括研磨與切碎2種。研磨可使纖維的結(jié)構(gòu)松散，斷裂微纖及微纖結(jié)晶區(qū)間的分子鍵，提高棉纖維的水解速率；切碎可使纖維產(chǎn)生新的表面，從而大幅度提升纖維素的可及度[6]。

6.3 棉纖維的酸堿處理法

酸可對(duì)纖維素大分子中的糖苷鍵產(chǎn)生水解及催化作用，從而降低纖維聚合度。酸對(duì)纖維素的作用首先在無(wú)定形區(qū)和晶區(qū)表面，隨著反應(yīng)的加深，可使晶區(qū)發(fā)生從外至內(nèi)的反應(yīng)，最后使纖維素完全水解。酸處理法常用于透明印花[8]。

堿能夠滲透到棉纖維的晶區(qū)，克服晶體內(nèi)的部分結(jié)合力，使晶格產(chǎn)生一定變化。堿處理是1種不可逆溶脹，導(dǎo)致棉纖維天然轉(zhuǎn)曲減少，光澤提高，強(qiáng)度增加，即所謂的“絲光”處理。此外，經(jīng)堿溶液處理的棉纖維，晶胞結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、晶體尺寸、纖維微孔尺寸和內(nèi)比表面積、平均聚合度會(huì)發(fā)生變化，有利于增進(jìn)棉纖維對(duì)各種化學(xué)試劑的可及度，提升化學(xué)反應(yīng)性能和反應(yīng)的一致性[6]。堿處理法使用的堿溶液主要是NaOH溶液和液氨。

6.4 化學(xué)反應(yīng)法

棉花纖維素大分子中由于含有伯羥基、仲羥基及糖苷鍵等功能基，可通過(guò)降解、酯化、醚化等反應(yīng)，制造出許多有價(jià)值的衍生物。另外，利用纖維素與烯類(lèi)單體的接枝共聚，可在很大程度上改善棉纖維性能[3]。目前，棉花纖維素改性研究主要有2條途徑：（1）采用比羥基親核性更強(qiáng)的基團(tuán)代替纖維素分子上的羥基。用N-羥甲基丙烯酰胺對(duì)棉纖維進(jìn)行改性，然后用氨、甲胺、二甲胺、三甲胺、乙醇胺等進(jìn)行胺化，大大提高活性染料的固色率[6]。（2）采用陽(yáng)離子化助劑對(duì)纖維素進(jìn)行改性。如：用3-氯-2-羥基丙基三甲基氯化銨類(lèi)型的陽(yáng)離子助劑對(duì)纖維素進(jìn)行改性，已有商業(yè)化的產(chǎn)品[6]；采用聚環(huán)氧氯丙烷-二甲胺對(duì)纖維素改性，不僅可以提高活性染料的固色率，減少電解質(zhì)的電量，還可以使纖維素具抗菌性能[6]。

7 小結(jié)

棉纖維的微觀結(jié)構(gòu)決定其具有較高的強(qiáng)度、還原性、耐堿不耐酸性、吸濕膨化及天然轉(zhuǎn)曲等特性。充分了解棉纖維微觀結(jié)構(gòu)、性能及特點(diǎn)，科學(xué)揚(yáng)長(zhǎng)避短，有利于棉花品種的改良、栽培、種植、檢驗(yàn)及科學(xué)合理使用棉花及其制品，有利于拓寬棉花的應(yīng)用，進(jìn)一步提高棉花的使用價(jià)值。（連素梅，等）棉纖維微觀結(jié)構(gòu)及其性能概述

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