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천연섬유는 그 섬유원에 따라 분류된다.

셀룰로오스로 구성된 식물성 섬유로는 면화·아마·황마와 같은 주요섬유가 있으며, 성분이 단백질인 동물성 섬유로는 모·모헤어·견 등이 있다. 광물성 섬유로는 석면이 있다. 식물성 섬유는 식물의 어느 부위에서 섬유를 채취하는가에 따라 세분된다.

면화·케이폭·코이어 등은 씨앗이나 과일의 내벽에서 얻어지는 솜털로서 길고 가는 1개의 세포가 섬유를 이룬다. 아마·대마·황마·라미는 식물 줄기의 인피조직에서 나오는 인피섬유이며 겹쳐진 세포들로 구성된다.

아바카·헤네켄·사이잘삼 등은 잎의 섬유상 관다발에서 얻는다. 화학적으로 보면 모든 식물성 섬유의 주성분은 셀룰로오스이다. 여러 가지 종류의 식물성 섬유는 다양한 양의 헤미셀룰로오스·리그닌·펙틴·밀랍 등의 물질을 함유하고 있는데, 이런 물질들은 가공과정에서 제거되어야 한다. 동물성 섬유는 견을 제외하고는 모두 단백질로만 되어 있으며, 동물 표피의 보호역할을 하는 털이다.

견 필라멘트는 나방의 애벌레가 고치를 짓기 위해 자아낸 실이다. 유일한 광물성 천연섬유인 석면은 오늘날 석면질의 직물을 만드는 데 상업적으로 이용되고 있다. 이 석면은 석면암의 형태로 발견되는데, 단단하게 눌려진 결정질 섬유로 되어 있으며 쉽게 떼어낼 수 있다.

광물성 섬유를 제외한 모든 천연섬유에는 액체나 기체 상태의 물에 대한 친화성이 있다.

천연섬유에는 습기를 흡수하는 성질이 있기 때문에 특히 옷감으로 적당하다. 섬유를 통해 인체 밖으로 습기를 내보낼 수 있는 성질은 옷을 입은 사람이 매우 쾌적한 기분을 느끼게 해준다. 합성섬유로 된 옷을 입으면 특히 건조한 날에 정전기가 발생하여 불쾌한 느낌이 들지만, 천연섬유는 일정한 습기가 있어 정전기가 일어나지 않는다. 또한 물에 대한 강한 친화성은 물을 흡수시켜 섬유를 부풀게 함으로써 물을 용매로 한 염색을 쉽게 도와준다.

물 속에서 섬유의 지름은 상당히 부풀지만 길이는 거의 늘지 않는 것도 천연섬유가 가지는 특징이다. 대부분의 합성섬유와는 달리 모든 천연섬유에는 열가소성(熱可塑性)이 없기 때문에 열이 가해져도 연해지지 않는다(열가소성 수지). 섬유가 분해되는 연소점 이하 온도에서는 건열에 거의 반응하지 않으며 열이 가해져도 줄어들거나 많이 늘어나지 않는다.

또 빙점 이하에서 냉각시켜도 부서지지 않는 성질을 가지고 있다. 셀룰로오스 섬유는 불에 쉽게 타는 성질이 있으므로 잘 다루어야 한다. 단백질 섬유는 불에 잘 타지 않는다. 천연섬유는 햇빛이나 습기에 노출되면 누렇게 변색되며, 노출 시간이 길어지면 강도가 떨어진다. 황마는 성분 중에 목질조직(리그닌)이 많이 함유되어 있기 때문에 특히 햇빛에 민감하다.

모든 천연섬유는 미생물에 의한 분해에 특히 약하며 곰팡이가 슬거나 썩기 쉽다.

셀룰로오스 섬유는 호기성 세균(산소가 있어야 번식할 수 있는 세균)과 곰팡이류에 의해 분해된다. 이것은 높은 온도와 습도의 조건이 주어질 때, 특히 햇빛이 비치지 않는 곳에서 빨리 곰팡이가 슬고 분해되어 버린다. 모와 견도 세균과 곰팡이 등의 미생물에 의해 분해되기 쉬우며, 화학적으로 상한 모는 미생물의 침입에 훨씬 더 약하다. 동물성 섬유는 나방이나 수시렁이 따위에 의해 쉽게 상하며, 셀룰로오스 섬유는 흰개미와 좀에 의해 상한다.

미생물에 의한 손상과 곤충의 공격으로부터 섬유를 보호하기 위해 섬유조직에 화학적인 변형을 주는데, 오늘날에는 천연섬유의 처리 방법이 발달하여 미생물에 의한 손상을 근본적으로 막을 수 있다.