随着时代的前进，生产力必然要向前发展。棉纺织业简陋的生产条件和落后的技术水平的改变，发生在宋末元初这一历史时期，黄道婆对这一重大变革作出了巨大贡献。
黄道婆重返故乡的时候，植棉业已经在长江流域大大普及，但是纺织技术仍然很落后。她回乡后，看见妇女仍然用红肿的手剥棉籽，男人依旧用小竹弓弹棉花，而且织出来的布还像从前一样粗糙，就致力于改革家乡落后的棉纺织生产工具。据陶宗仪《耕录》记载，“乌泥泾初无踏车椎弓之制，率用手剖去籽，线弦竹孤，置案间振掉成剂”，操作起来十分辛苦，生产效率又极低。黄道婆先改革了纺织工具，“乃教以做造捍弹之具，至于错纱配色，综线絮花，各有其法”，然后将黎族人民先进的棉纺织生产经验与汉族纺织传统工艺结合起来，系统地改进了从轧籽、弹花到纺纱、织布的全部生产工序，并创造出新的生产工具，把自己掌握的精湛的织造技术毫无保留的传授给了故乡人民，将松江地区的棉纺织技术提高到了一个相当高的水平。
黄道婆首先从棉纺织的第一道工序“轧棉去籽”着手，她最初教人用铁杖来擀尽棉籽，以代替原始的用手剖去籽的方法。后来黄道婆又把黎族人民用的搅车介绍过来。搅车又名轧车，是由装置在机架上的两根辗轴组成，上面的是一根小直径的铁轴，下面的是一根直径比较大的木轴，两轴靠摇臂摇动，向相反方向转动。把棉花喂进两轴间的空隙辗轧，棉籽就被挤出来留在后方，棉纤维（皮棉）被带动前方。应用搅车后，完全改变了当时用手剥籽或用铁杖擀去籽的落后状况，大大提高了生产效率，是当时皮棉生产中一件重大的技术革新。
然后，黄道婆认为原先弹松棉花的操作太原始粗糙。经过试验她不仅把原来的小弓改成1米多长的大弓，用粗绳弦代替细绳弦，而且还用檀木做的椎子击弦弹棉。这样既比以前用手指弹拨的小竹弓提高了效率，又使弹出的棉花均匀细致，不留杂质，提高了纱线的质量。
在纺纱这道工序上，黄道婆所用的心力最多。她发现当时人们使用的旧式单繀（一个纺锭）手摇纺车，功效很低，要三四个人纺纱才能供上一架织布机的需要，对加快织布速度障碍很大。黄道婆就与木工师傅一起，经过反复的试验和不断的改进，终于研制出了一种三繀式（3个纺锭）的棉纺车，使纺织效率一下子提高了两三倍，操作也比原先方便省力。黄道婆创造性地发明了三繀脚踏纺车，代替了沿袭了几千年的单繀手摇纺车，这是棉纺织史上的一次重大革新，是黄道婆对棉纺织业的卓越贡献。这种新式纺车很快被人们接受与运用，在江南一带推广普及后，生产的棉布在数量和质量上都大为改观。这种纺车成了当时世界上最先进的纺织工具。元初著名农学家王祯在《农书》中介绍了这种纺车，其中的《农器图谱》还对木棉纺车进行了详细的绘图说明。这是我国古代棉纺织技术处于世界领先地位的有力证明，同时也显示出黄道婆不但在中国，而且在国际棉纺织史上所具有的崇高地位。
另外，黄道婆还充分利用和改进了传统的丝绸生产工具和技术，精益求精的提高了整丝和织布工艺质量，使当地人民能用纱线织出各种色彩的棉布，其绚丽灿烂的程度能与丝绸相媲美。王桢在《农书》中记载当时已用拨车、线架等纺织工具来分络各色棉纱，还记载了织布机与丝绸机的相同之处。这是黄道婆与劳动人民一起，把丝织生产经验运用于棉纺织业，改进了原先所使用的投梭织布机的又一革新创造。
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