第一节　纤维及其分类

一、纤维定义与要求

纤维通常是指长径比在103倍以上、粗细在微米甚至达纳米尺度的柔软细长体，有连续长丝和短纤之分。由于纤维大都用来制造纺织品，故又称纺织纤维。纤维不仅可以纺织加工，而且可以作为填充料、增强基体，或直接形成多孔材料，或组合构成刚性或柔性复合材料。

纤维状物质广泛存在于动物毛皮、植物和矿物中。从人类诞生到19世纪末，主要认知和使用的纤维是天然纤维。19世纪末，出现了黏胶纤维，1935年出现了尼龙（nylon）纤维，1938年又出现了涤纶纤维。这些人工纤维的出现极大地丰富了纤维的种类与用途。

作为纺织纤维，必须具有可用的性状和满足使用及加工条件。而性状包括要有一定的长度和细度；有必要的强度及变形能力、合适的吸湿性和耐久性及弹性；要有对热、光、化学和生物作用的稳定性等。而且，对穿着用和家用纤维要有良好的染色性能且应该是无毒、无害、无过敏的生理友好物质；对产业用纤维则要求环境友好及性能与功能的可靠。但对纤维来说，都应考虑循环利用或废弃处理。

二、纤维的分类与命名

纺织纤维种类繁多，按来源和习惯分为天然纤维和化学纤维两大类，凡用天然的或合成的高聚物，或无机物为原料，经过人工加工制成的纤维状物体，统称为化学纤维。准确地应为“人工纤维”。按英美方式将化学纤维再分为人造或再生纤维和合成纤维两类，则为三类，但遗漏了无机纤维。此均为来源或组成即“质”的分类及命名。其实还有与纤维成形更为贴切的“形”分类方式，即纳米纤维。

1.天然纤维

凡是自然界里原有的或从种植的植物中、饲养的动物和矿岩中直接获取的纤维，统称为天然纤维。根据纤维的物质来源属性将天然纤维分为植物纤维、动物纤维和矿物纤维，并依据动、植物的名称加丝、毛，或加纤维命名，甚至简化统称为棉、毛、丝、麻这四大类大宗纤维。纺织加工业也因此分类得名，如棉、毛、麻、丝、绢纺织业。主要天然纤维的分类见图1-1。

2.再生纤维与无机纤维

再生纤维是以高聚物溶解或熔融纺丝而成的纤维，早期称“人造纤维”，准确的命名应以再生+高聚物的组成来命名，如再生纤维素纤维、再生蛋白质纤维、再生甲壳质纤维和再生合成质纤维，见图1-2。再生对象有纤维的必须加“再生”。天然与合成高聚物共混或共聚的纤维，因非生物质高聚物，应划出再生、归入合成纤维。天然聚合物间的共混仍属再生纤维，如甲壳质黏胶、角蛋白/丝素、原纤增强角蛋白纤维等。

无机纤维是以无机物熔融、溶解纺丝或用高聚物纺丝后碳化、烧结成形的纤维，其包括岩矿、金属、陶瓷和碳化等纤维，见图1-2。其命名式为“无机物名+纤维”，如玄武岩纤维、不锈钢纤维、氧化铝纤维、碳纤维等。以金属镀层的合成纤维，因金属为主导作用，也归入金属纤维。合成的PAN基碳纤维和再生的黏胶、沥青基碳纤维亦归为无机纤维。

3.合成纤维

合成纤维是以有机低分子单体均聚或共聚、或聚合物的共混或复合得到的高聚物，经溶液或熔体的纺丝而成的纤维。其特征是由低分子人工合成高分子，与再生纤维的高分子即高聚物组成分子不变的加工不同，显得更智慧。人们将人造纤维与合成纤维统称为化学纤维。因金属和玻璃纤维也是纺丝中组成分子不变的加工，故可归为再生纤维。如今不仅有再生、合成纤维，还有纳米和自生长纤维。这意味着可以由元素光合而成有机低分子，随后进行合成聚合物纤维的加工；或者仿生的方式自生长纤维。由此，将所有人工所为的纤维统称为人工纤维（artificial fiber）。

合成纤维按其聚合物构成形式，分为均聚、共聚、共混和复合四类纤维，见图1-2。其命名按组成或组成特征确定，但常用的是商品名，如组成为聚对苯二甲酸乙二酯，简称聚酯纤维，俗称涤纶。共聚纤维以两种或其中一种链段分子命名，如锦纶6-66、聚丙烯腈纤维；共混和复合纤维须明确表明组分名称且含量高的置前，如PVA/大豆蛋白纤维，酪素/PAN（牛奶）纤维；复合纤维与共混的表达一致，但须加复合。

4.纳米纤维

粗细在纳米（1～100nm）尺度的纤维称纳米纤维，是典型的再生纤维。纳米纤维与组成无关，可以是无机、有机物，或低分子和高聚物，但准确的分类依据是制取方式。依此有三类：自生长纤维，即在一定介质条件下由无机或有机分子自组装生长的纳米晶须；静电纺纤维（丝），即溶液或熔体在高压电场作用下牵伸或分劈拉细而成的纳米、亚微米纤维；天然原纤，即从具有多级原纤结构的天然纤维中溶解分离提取的纳米或亚微米原纤（或称晶须），见图1-2。其小尺度和大表面效应使其纤维膜（又称巴基纸buckypaper）的增强效果优异。虽纤维自身强度相等或较小，但纤维膜强度明显高于微米尺度的同组成纤维膜，复合体的强度高于其本身和基质体50%～200%且模量高、韧性大；使纤维膜吸附、导通、过滤性能成倍甚至数十倍的增加。而纳米纤维的量子尺寸和宏观量子隧道效应又使纤维膜的声、光、电、磁、热力学性质发生奇异变化，成为功能材料。

自生长纤维多为陶瓷和金属等无机物，在气—液—固（VLS）、气—固（VS）相等中成形，为杆、管或螺旋状纳米晶须，其复合结构体可达微米纤维体，见图1-3。但也不乏蛋白质和纤维素的自生长晶须，见图1-4（a）（b）为鸡毛角蛋白，（c）为棉浆羽绒状、（d）为麻浆杆状纤维素纤维体。这是人类直接再造或光合纤维的起步。

纺织材料中纳米纤维目前以静电纺丝为主，几乎所有纤维的聚合物和无机物都可用于静电纺丝，但纤维强度偏低（＜1cN/dtex），主要利用其表面效应；纤维偏粗多在100～600nm，实为亚微米（0.1～1μm）尺度，故须称亚微米纤维。这是静电纺丝的两大缺陷。

天然原纤主要来源于对棉、麻等植物纤维和羊毛等动物纤维的酸水解和有机酸溶胀超声分离的产物，已有众多有效的实验与应用结果（图1-5），以及对天然矿物纤维石棉的超声分离晶须。石棉因致癌被人们淡忘，其本身极易分离出纳米尺度的晶须，若被吸入肺部或直接进入皮肤，将引起囊肿和病变。这也是当今极热的纳米材料同样必须直面的问题。天然原纤广泛存在于天然纤维中，是再生回用纤维的基础与资源。

5.回用纤维

回用纤维是加工中或使用后废弃纤维的总称。分为：加工回用纤维，即纺纱加工中废弃的废纺纤维和废品与边角料中的废品纤维，其损伤小、安全卫生，多被回用；用弃回用纤维，即使用后纺织品中的纤维，其损伤大且多色、多组分混杂，回用难度大。废弃纤维的可回用性不仅取决于加工与使用的损伤、纤维的混杂程度和安全卫生性，而且取决于纤维集合体的松紧及易开松性。可回用性的排序为：散纤维、絮材、纱线、非织、针织、机织、涂层、浸胶织物。应该清楚，纤维是资源，再生是循环利用的一种途径，而回用更是一循环利用的快捷方式。

6.其他分类

纤维的分类因习惯叫法还可以按纤维的外观形态、性能或功能、加工方式、资源状态等进行分类。

按纤维外观形态分类的主要依据是纤维的长度、细度、截面形态、组分分布、弯曲特征等。对长度有棉型（38～51mm）、毛型（64～114mm）、丝型（长丝）、中长型（51～76mm）之分；对细度有超细（＜0.9dtex）、纳米纤维；对截面形态有普通圆形、中空和异形纤维；对组分分布有双边、环状或皮芯等复合纤维；按卷曲有高卷曲、低卷曲、异卷曲、无卷曲纤维。其中，超细、异形、复合、异卷曲属形态差别化纤维。

按纤维的性能和功能分类的依据是，纤维力学、热学、光学、电学、染色性能有差异，属性能差别化纤维；纤维具有高强、高模、耐高温或耐化学作用的高性能纤维，或具有抗菌、导电、屏蔽、过滤、吸湿排汗、阻燃等特殊功能，甚至具有智能作用的纤维，属功能或智能纤维。

按加工方式对天然纤维有不同初加工和改性的纤维，如丝光棉、丝光毛、精干麻、洗净毛、拉细羊毛和生丝等。对化学纤维有高速纺丝、牵伸丝（DTY）、预取向丝（POY）或全取向丝（FOY）、变形纱或弹力丝等。

按纤维资源状态可分为大宗纤维和特种纤维，一般指天然纤维。大宗纤维是指棉花、绵羊毛、麻类纤维和蚕丝。特种纤维是指产量稀少，经济和应用价值高的天然纤维，一般指动物类纤维，如极细羊毛、山羊绒、牦牛绒、蜘蛛丝等。