木棉纤维是木棉树果实内的纤维素纤维,是非棉类天然纤维的原料品种之一,其中空度高达80%～90%,是迄今为止中空率最大的天然纤维,其纵向外观呈圆柱形,表面光滑,不显转曲,光泽好,其截面为圆形或椭圆形,中段较粗,两端封闭,细胞中充满气体。木棉纤维具有天然超细、抗菌驱螨防霉等突出优点,并且能够迅速再生、易降解。木棉树可以在山岭坡地生长,不与粮食争地,开发利用木棉符合人类社会的近期和远期发展方向。但是木棉纤维体积重量轻(0.29g/cm3)、表面光滑(抱合力低)、及其中空结构易被压扁等特性带来了加工技术上的难度,使该纤维的用途一直仅限于救生衣、枕头等填充材料和吸油材料。本课题以前,校企合作开发出木棉纤维的预处理技术等,改造传统纺织设备后能够纺出条干和强伸度等质量性能可以接受的木棉纱线。但是,存在一系列阻挡木棉纺织技术提升的基础科学和技术问题：在纺纱过程中木棉纤维经受罗拉多次握持等压力作用被压扁,是否引起纤维的气囊结构破损?木棉细胞壁破损的条件?压扁木棉纤维的外在条件?压扁木棉气囊过程中若细胞壁不破损内部空气的流失途径?如何提升木棉的预处理技术实现规模化清洁生产?紧密纺等不同细纱设备在纺制木棉纱中的优势?木棉织物的制造技术要领和织物特性?被压扁后的木棉纤维是否容易回复其中空形态等?针对上述基础问题,本课题重点研究了木棉细胞壁的微孔结构、木棉纤维集合体的压缩及其回复性能、木棉受压各阶段的粘-弹-塑性力学特征、木棉纺纱和机织物制造的部分关键加工技术、木棉机织面料的性能等,主要研究内容、方法和结论如下：(1)采用木棉纤维静态氮气吸附法测试分析了木棉纤维的微细结构,包括纤维细胞壁的孔状结构、孔径大小与分布、比表面积、孔体积等。研究发现木棉纤维具有国际理论与应用化学协会规定的第Ⅱ类型的氮气吸附脱附等温线,说明木棉纤维细胞壁的氮气吸附行为属于该规定划分的非多孔性固体表面的可逆吸附过程；吸附脱附等温线在高相对压力区域(0.85-1.0)发生吸附滞后行为,其吸附滞后环属于国际理论与应用化学协会规定的H3型的滞后行为,可推断木棉孔结构形状以裂隙孔结构为主。同时,基于木棉纤维静态氮气吸附实验和BET多层吸附模型,进一步研究木棉纤维的孔结构发现,在相对压力(P/Po)为0.05-0.35范围内获得的木棉纤维比表面积约为2.99 m2/g；木棉纤维的孔径范围分布在4-40nm左右,并主要集中在3～4 nm,孔径在2-40nm的中孔其体积占了总孔体积的80%左右,而孔径在40nm以上的孔隙体积约占总孔体积的20%。与扫描电镜观察可视的巨孔的孔径尺寸相比较,可以推断木棉纤维细胞壁上还存在比扫描电镜可视孔隙更小的中孔。另通过Va～as微孔分析法可得到木棉纤维的微孔体积大约为7.0399E-11ml/g,但相比于中孔的孔体积,微孔体积可以被忽略。这些孔隙分布特征对木棉纤维在纺织加工中受压时气囊内部空气顺利流出或保护细胞壁不至破损、后整理中吸附柔软剂、阻燃剂等助剂、回复中空形态时能够迅速向气囊内补气等起着决定性作用。可以根据这些基础数据优化压扁和回复中空的相关纺织加工技术。(2)本课题设计了潮湿和加压处理木棉纤维的方法,利用Kawabata Evaluation System-FB3压缩仪测试研究了低压缩载荷(0-50cN/cm2)范围内木棉纤维集合体的压缩性能对湿度条件和外界作用力预处理条件的依存关系。研究结果发现：在低压缩载荷范围内,潮湿和干燥木棉纤维集合体在压缩性能方面的最大差异是前者压缩功回复率低,在潮湿状态下反复压缩后木棉纤维集合体的蓬松度迅速降低。干燥和潮湿木棉纤维集合体经100kPa压力持续作用15s后,蓬松度与内部空隙均有所下降；但干燥木棉纤维集合体内部空隙和纤维圆中空结构的损失要小于潮湿木棉纤维集合体,外加压力对干燥木棉纤维和潮湿木棉纤维的作用效果大不相同,干燥木棉纤维集合体经受外力作用后不容易产生塑性变形。这一结果表明纺织加工希望保持木棉纤维的圆中空结构时应该尽量降低环境湿度或纤维回潮率,而需要压扁木棉纤维或压缩木棉集合体时(如纺纱前的纤维预处理、打包)应该提高环境湿度或试样回潮率。(3)利用Instron压缩测试仪测试研究了在高压缩载荷(0～140N//cm2)重复作用过程中木棉纤维集合体的压缩变形和回复性能。研究发现：在高载荷条件下的木棉纤维集合体的压缩应力-应变曲线与实心纤维明显不同,存在二个拐点,二拐点将压缩曲线分成三个特征变形阶段。在第一拐点以前的初始变形阶段,纤维排列相对松散,压缩模量低。在第一拐点处,纤维集合体成为近似理想管状堆砌的紧密排列,再增大压力,一根根圆中空结构的木棉纤维细胞被逐渐压扁,木棉集合体表现出压缩模量急速降低的特征变形,而后模量逐步增大,直至到第二拐点,所有纤维细胞的圆形中空结构形态全部被压扁。从第二拐点开始,扁带状纤维进一步被压紧而逐渐致密化,体现出很高的压缩模量。在高载荷重复作用过程中,与潮湿木棉集合体相比,干态木棉集合体的蓬松度高、压缩比功或可压缩厚度略低,整体表现为蓬松、不容易产生压缩变形,纤维集合体的压缩回复能力特别是回复中空能力略强。无论是干态还是潮湿木棉纤维被短暂压扁后卸载的数分钟内,都能够充分回复纤维的中空结构和堆砌结构,这使干态木棉和潮湿木棉集合体的压缩特能随压缩次数的衰减程度差异不大。这些结果表明纺纱前对木棉纤维的加湿处理至关重要,加压或反复加压意义不大；并且,使用过程中木棉纤维并不会轻易丧失其中空结构。(4)通过建立管状堆砌结构模型(Pipe-piling模型)模拟棉条等试样中木棉纤维的堆砌形式;引入Nishihara粘-弹-塑性力学模型,针对木棉纤维集合体压缩曲线的二拐点三阶段特征,分别建立各压缩阶段的力学本构关系；并根据高载荷重复压缩实验结果,计算模型的四个力学参数E1、E2、η1和η2,用于定量化表征纤维集合体的压缩行为。取得主要结论有：在压缩曲线的第一拐点以前,木棉纤维集合体主要体现标准线性弹性体的力学行为；在压缩曲线的二个拐点之间,木棉纤维集合体的主要体现粘-塑性形变特征；在压缩曲线的第二拐点以后,木棉纤维集合体随压缩次数的增加体现出从标准线性弹性转变到粘-弹性的力学行为。在高载荷重复压缩过程中,木棉纤维集合体在每次压缩作用时都能够保持上述阶段性的压缩性能特征,且随着重压作用持续,纤维集合体内部结构发生改变,其力学模型参数大小也相应地作出变化。同时,由于回潮率对单根木棉纤维力学性能和表面性能的影响,潮湿木棉集合体的力学参数或堆砌结构的稳定性和重现性较好；湿处理使得木棉纤维集合体在压缩曲线的二拐点之间的粘滞参数η1降低,但提高了其压缩曲线在第2拐点处的压缩应力,延长了压缩曲线二拐点之间的时间,并使其在压缩曲线第二拐点后的粘-弹性能得增强(E2和η2参数值较大)。这些结论再次表明了湿处理有利于木棉条子、粗纱在多次罗拉握持/加压牵伸中保持稳定结构,提高条子、粗纱的光滑度和条干均匀度。(5)根据上述研究结果,提出了纺纱前木棉纤维预处理以加湿为主、表面处理为辅的24小时静态预处理技术。通过给木棉纤维喷淋预处理液,而后密闭放置24小时以上,让处理液通过芯吸扩散、蒸发等形式均匀吸附在木棉纤维细胞壁及其孔隙表面,以便增加纤维的重量和抱合力,增加纤维的柔韧性,减少加工中纤维受损和落棉,缓解了纺纱的梳棉、制网、成卷、成条困难的相关问题,提高了其可纺性,提高成纱质量。并与企业联合设计制造出预处理设备,实现机械化批量生产的同时大幅度改善了工人的劳动环境。还测试比较了环锭纺、紧密纺、嵌入复合纺、转杯纺细纱设备和对应前方技术下生产的木棉混纺纱的品质特性,分析总结了四种纺纱方法对木棉混纺纱结构和性能的影响,发现紧密纺和加工技术Ⅳ生产的木棉纱条干均匀度和纱疵水平整体上要比其余三种纺纱方法生产的木棉纱要好；技术Ⅲ在降低环锭纺木棉纱的毛羽指数上比技术Ⅱ要更有效,且环锭纺木棉纱的单纱断裂强度整体较高,尤其是在技术Ⅲ的工艺范围内木棉纱呈现优等品的纱强；转杯纺成纱的木棉混纺纱整体纱疵较少,但是,毛羽偏多,条干均匀度和单纱断裂强度比其他设备和技术制得的木棉纱要差。(6)设计试制出不同混纺比、线密度和组织结构、后整理方法的6种含木棉机织物和3种对比棉织物,讨论和探索了一系列木棉机织物的设计试制的共性加工技术,并通过相关测试,分析研究了木棉机织物的触觉风格、热舒适性和抗起毛起球等相关性能。关于木棉机织物的试制的主要结论有：要充分考虑木棉混纺纱的纱线品质要素,如毛羽指数、纱线强力等,根据不同纱线种类和成品风格要求,对织造的经向系统、纬向系统和车间温湿度等进行调整和设置,尤其是上机张力、后梁高低、喷气压力、开口机构等；要注意检查木棉纬纱的明显纱疵,以及织造过程中断头、飞花和探头积花等问题。关于木棉织物的触觉风格结论是,虽然目前机织物中木棉纤维的中空度较低,但是含木棉织物的丰厚度和柔软舒适性明显优于全棉织物；织物中木棉纤维的中空结构在织物的压缩性能上得到较好体现；拉毛处理工艺有助于提升木棉混纺织物蓬松度。关于木棉织物热舒适性的结论是,当织物经向紧度低于50%时木棉织物的透气性能与棉织物相当；进一步提高织物紧密度,木棉织物的挡风性较棉织物迅速提高,并且木棉含量越高增幅越大；含木棉纺织物的瞬态传热量Qmax低或接触暖感高于棉织物,起毛整理可进一步提高接触暖感；含木棉织物的导热系数低或保暖性好。含木棉纤维抗起毛起球性能不亚于棉织物