原棉檢測的發展和展望

劉榮清　徐佐良

本文討論了原棉大容量快速測試儀的發展、特點及應用前景，分別按原棉長度、強伸度、馬克隆值和細度、成熟度、棉結和雜質、熒光度、微塵和粘附性以及軋棉、異纖、回潮率的在線檢測等測試項目的發展動態和今后方向進行研討和指引，歸結出原棉檢測的總體發展規律和途徑。

This article discussed the development, characteristics and application prospect of HVI. In terms of the status-quo and developing trend of some test items, such as length, strength-elongation properties, micronaire value, fineness, maturity, nep and trash content, fluorescence degree, fine dust and adhesion, as well as the online-detection of ginning, foreign fiber and moisture regain, the article finally concluded the general development law and approach of raw cotton testing.

建國以來，我國制訂了棉花標準，并幾經修改，逐步建立了較完整的檢驗體系，生產了成套的測試儀器，對促進棉紡生產起著重大的作用，但與國外先進國家相比，存在著較大的差距。

1原棉標準與檢測

標準與檢測密不可分。從某種意義上說，檢測是為標準服務的，但又不是完全為標準服務的。在現代企業中，檢測的重要性日益明顯。標準是國際貿易的通行證，是反映產品優劣的主要的、權威的依據。產品標準應與測試技術同步發展，才能適應市場的要求和科技發展的創新變化。中國標準應與國際通用標準接軌，要把中國標準轉化為公認的國際標準，需采用國際先進的測試技術。

我國曾制訂了《棉花細絨棉》標準（以下簡稱為“棉花標準”），多年以來不斷有所修訂，但棉花標準品級仍以棉花品級實物標準為依據。品級條件（級別）規定籽棉、皮棉都以手感目測的成熟程度、色澤特征、軋工質量為依據，據此 3 項對比實物標準評定品級，儀器測試的成熟系數、強力、軋工質量（毛頭率、不孕籽率）僅屬參考指標。此標準現已不能適應我國生產發展和國際貿易的要求，迫切需要改革。為此，2003年3月國務院批準了《棉花質量檢驗體制改革方案》，制訂了《儀器化檢驗棉花質量標準（草案）》、《棉花質量儀器化公證檢驗技術規范（試行）》等，開始提出要依靠儀器化檢驗技術，采用大容量快速測試儀（HVI）的檢驗方法，并通過檢驗出證。2007年9月實施的GB 11037 — 2007《棉花細絨棉》標準體現了儀器化檢驗作為棉花標準改革的發展方向，無疑是棉花檢測的一項重大進步。

2大容量快速測試儀（HVI）的發展和進步

HVI是HIGH VOLUME INSTRUMENT的縮寫，即大容量纖維測試儀。早在1980年美國Spinlab公司應大批量美棉質量檢測的需要研發了HVI，1988年發展為9000系列，1995年列入美國標準ASTM DS807 — 1995。同時英國MOTION CONTROL（MCI）公司也先后開發了3000、3500、4000、5000系列HVI。20世紀90年代Zellweger Uster公司兼并了Spinlab和MCI公司，研制了新的改進型HVI。目前新的型號為：USTER HVI 1000 M 1000/HVI 1000 M 700兩類纖維測試系統，前者每 8 h可測試 1 000 個試樣，后者每 8 h可測試 700 個試樣。HVI可測試原棉的馬克隆值、上半部平均長度、長度整齊度指數、色特征（反射率和黃色深度）、斷裂比強度（cN/tex），以上 5 項均與棉花標準GB1103 — 2007接軌。此外還可測定和計算短纖維率（小于12.7 mm的纖維百分率）、斷裂伸長率、回潮率、雜質數量和雜質面積、熒光度、紡紗一致性系數等。我國長嶺紡電科技公司也已生產了HVI – XJ128型快速棉纖維測試儀，印度PREMIER公司也生產了HVI儀 — ART型全自動測試儀，具有類似的功能和特性。

此外USTER AFIS PRO、AFIS PRO2（The Advanced Fiber Information System），直譯為高級纖維信息系統，簡稱AFIS，“PRO”表示模塊組合式。它與我國長嶺的XJ129棉結和短纖維率測試儀均屬于大容量測試儀，可以大容量測試纖維長度、短纖維率、棉結、雜質、細度、成熟度、塵埃等指標，其測試效率在測試原棉時比傳統方法快 150 倍，在測試棉條時可快 25 倍。

HVI儀器的主要特點是集光、機、電、計算機技術于一體，采用模塊結構，能自動快速完成取樣、測試、數據統計分析等功能，具有樣本容量大、測試效率高、數據正確等優點及多功能特點，代表了當代技術水平；特別適合棉花收購單位、纖維測試中心、產品研發中心、大中型企業等單位使用，并能直接用于原棉綜合分級、雜質分級、色澤分級、長度分級、逐包分級、質量評定和預測、設定配棉優選方案等，符合時代發展要求。

3原棉檢測低容量單功能儀器的發展和展望

HVI可以綜合測試原棉的主要質量指標，但不能包括全部質量指標，特別是與紡紗工藝密切結合的某些指標。此外大容量測試儀價格偏高，并不適合一般中小型軋棉及紡紗工廠使用，因此容量較小的單功能儀器仍有較大的發展前途。Uster（烏斯特）公司目前也已開發出HVI的衍生產品 — 低容量（LVI）儀供客戶選用。

3.1纖維的長度測試

纖維長度與成紗質量、紡紗工藝的關系十分密切，用手扯法測量原棉的長度是傳統、經典的方法，測得長度稱手扯長度，與原棉的主體長度相接近，但測量結果受人為的主觀因素影響。最早的測量長度儀器是“梳片式長度分析儀”，將棉纖維經梳片分梳后由長而短均勻排列于黑絨板上，制成平直整齊的纖維排列圖，通過作圖法求得纖維的有效長度、短纖維率、整齊度等，此法稱拜氏法，對操作人員的技藝要求較高，工作效率較低。后來發展為采用按長度分組稱重計算的韋氏法，可求得按重量加權計算的平均長度、上四分位長度、主體長度、整齊度、短纖維率等指標，測試比梳片式方便。到了20世紀50年代中期、學習當時蘇聯采用的朱可夫羅拉式長度分析儀，通過羅拉中心距的變化，將纖維按輸出長度分組稱重，按規定公式計算出纖維的主體長度、右半部平均長度、長度均勻度、短纖維率、基數等指標。我國Y111型羅拉式長度分析儀是目前最廣泛使用的長度測試儀，它雖比梳片式測試儀方便些，但測試試樣仍少，一般約 35 mg，測試速度慢。

70年代起國外普遍采用照影機長度儀來測試纖維長度。該儀器利用光電轉換，測量纖維束光通量的變化以求得隨機纖維試樣在任一斷面被夾持時，伸出夾持線的長度和被夾持根數的關系曲線，即照影機曲線，從而推算出試樣的各項長度指標。由于照影機曲線受夾持器的影響，一般只能測取伸出長度在 6.35 mm以上的一段曲線，而在HVI和AFIS儀中光束從纖維的尖端向握持點逐點掃描，可測得完整的纖維長度和根數曲線。

由此可計算：平均長度L；HVI上半部平均長度Len或AFIS上四位長度UQL；50% 跨距長度SL（按長度排列纖維量在50% 處的長度）；2.5% 跨距長度SL（按長度排列纖維量在 2.5% 處的長度）；長度整齊度L/Len；短纖維率SFI （小于 12.7 mm的纖維百分率）。

AFIS儀還可分別求得按根數和重量加權計算的兩組數據。

USTER HVI儀的衍生產品USTER 730型纖維長度照影儀具有HVI相同的測試特性，顯然比Y111型測試儀前進了一大步。

3.2纖維強伸度的測試

棉纖維強伸度的測試我國早先應用擺錘式強力儀，屬等速牽引型。當手扯長度在 31 mm及以下時夾持距離為 8 mm，當手扯長度在 31 mm以上時夾持距離為 10 mm，每束纖維重量為（3.0 ± 0.3）mg。歐美各國常用杠桿式測力原理的卜氏（Pressley）強力儀或力矩平衡測力原理的斯特洛（Stelometer）束纖維強力儀，它們接近于等加負荷型，夾頭間距有“0”和“1/8英寸”兩種，強力指標也有“0”和“1/8英寸”兩種。HVI的纖維強力測試儀采用電阻應變原理，屬等加伸長型，夾頭距離“1/8英寸”，單位為gf/tex，可與前者強力指數換算。電子強力機能自動測試，每個試樣僅需 0.3 min，可提高工作效率，是發展方向，國內已有多家廠商生產電子纖維強伸儀。

3.3纖維馬克隆值和細度的測試

馬克隆值（MIC）是纖維細度的一種單位，在棉種相同的情況下原棉的馬克隆值與原棉細度、成熟度都有顯著相關，因此棉花標準常用它來反映纖維成熟度和細度，是體現棉花優劣的主要指標，其測試原理和方法與氣流纖維細度儀類似。USTER HVI可直接自動測得馬克隆值，也有低容量775型馬克隆儀。我國已有多種型號的馬克隆值測試儀，如Y145C型馬克隆值測試儀等。

3.4原棉的成熟度測試

原棉成熟度測試最原始的方法是用手感目測纖維的色澤、彈性、柔軟性來定性估計，后發展為在顯微鏡下觀察纖維形態和中腔胞壁的比值或用測微尺測量幾個捻曲的腔寬壁厚比例來決定成熟系數。該法費時較多，每次試驗 180 ～ 220 根纖維，工作效率低而麻煩，現已很少使用。后來發展采用氫氧化鈉膨脹法，測量計算成熟度比M和成熟度百分率PM的標準方法，但仍未擺脫人工檢測的范圍。偏振光測定法是利用偏振光通過棉纖維所產生的光程差與纖維雙層壁厚成正比例的原理、測試光程差不同顯現干涉色差的原理，測得纖維成熟度系數，但測試計算方法較繁瑣，測試量 300 ～ 400 根纖維，仍較少，不能達到自動測試、計算的目的。

USTER AFIS儀應用光電法測定單根纖維的周長和截面積，利用同品種棉纖維周長基本不變的規律，以胞壁充滿的截面積與同周長圓面積之比來表示纖維胞壁增厚狀態，即成熟狀態。按ISO4912纖維成熟度測量 — 顯微鏡法中氫氧化鈉膨脹法的公式，可求得纖維的成熟度比，巧妙地實現了成熟度的自動快速檢測，但設備較復雜，難以形成低容量的成熟度測試儀。

3.5棉纖維的棉結、雜質測試

棉結、雜質的檢測歷來用人工目測的落后方法，效率低、誤差大、視力損害大。棉結、雜質的自動檢測確是測試技術的一項重大進步，目前主要有兩種方法。

一是USTER AFIS和HVI儀采用的方法，檢測纖維通過光電檢測器時散射光量變化聚焦形成的波形特性來鑒別棉結。一般纖維的波形呈矩形波，棉結呈三角形波，且波幅要大數倍，最后通過計算機處理就能獲得棉結的數量和大小。雜質的測定用光照射試樣纖維，用CCD攝像頭分析像素和色澤的變化，如果灰度超過規定就定義為“雜質”。HVI計算測試窗內雜質數量，就可得到單位面積的雜質數量。目前采用USTER AFIS相同技術的低容量產品720型棉結測試機也已問世，可供軋花廠和棉紡廠使用。

二是以意大利MESDAN NATI棉結雜質測試儀、我國長嶺YG091型棉結雜質測試儀為代表的測試儀器。儀器檢測棉條牽伸后的棉網，由兩路CCD攝像，一路用白背景檢測棉條中的雜質，一路用黑背景檢測棉結，然后用計算機圖像處理分類計數。

3.6纖維色澤的檢測

美國是最早用儀器代替目測檢定原棉色澤的國家，HVI測色系統用氙氣色變化以白色光束與棉樣呈 45°角時測得表面反射率Rd和黃色深度+b色征值，然后在色征圖上找出相應的級別。我國GB1103 — 2007也已采用。USTER 760型原棉色澤和雜質測試儀是采用HVI技術可測定原棉的色澤等級和雜質等級的低容量測試儀。

3.7原棉的熒光度檢測

熒光度UV是指在紫外線照射棉紗時，用光電池測量其反射紫外線的量，它沒有單位，但可比較熒光水平。原棉的熒光度在很大程度上受棉花采摘、儲備氣候和時間等影響。色紗線和織物中緯向條花可能是由熒光差異所致，為此USTER HVI設置了檢測熒光度的項目，同時派生了USTER 380型熒光度測試儀。

3.8纖維快速試紡、微塵、粘附性測試

Suessen（緒森）公司開發的Quick Spin纖維快速測試系統（QSS）可對纖維性能及其加工性、可紡性作精確的預測，可預測紗線外觀、毛羽、強伸度等指標，可設定不同紡紗元件和參數來優選紡紗工藝，還可快速試紡純紡、混紡，評定紡紗油劑、混紡比等效果。試樣最多 10 g，模擬纖維開松、梳理過程實驗紡紗。儀器由MDTA3型微塵雜質分析儀和環錠紡、轉杯紡設備組成，前者可分析雜質、粉塵、微細塵、短纖維率以及棉纖維抱合力和粘附性，試驗結果與原棉含糖率和轉杯紡時細塵顆粒數有密切關系。

瑞士Fiber Contamination Tester（FCT）棉花污染測定儀用以測定原棉粘附性、棉結雜質和籽屑。試樣成束狀喂入一個自潔型微型梳棉裝置，輸出約 10 m，透明棉網，測試面積約 1 m2。首先檢測棉網的雜質、棉結和籽屑，然后通過兩個緊壓羅拉，其粘附性雜質被吸附在有負壓的緊壓羅拉上，用激光分析系統測定其粘附性，測試一個試樣需約 40 s。由代謝或昆蟲分泌物產生的含糖棉是形成粘附性的主要原因，值得關注。此外英國SDL MK2型纖維雜質分析儀可檢測 100 g以內棉樣中的碎屑、雜質、微塵和非纖維物質含量。

3.9棉纖維的在線檢測

3.9.1智能軋棉在線檢測系統

USTER INTELLIGN智能軋棉在線檢測系統能使軋棉機連續在線檢測原棉回潮率、雜質含量和色澤等級，利用測濕時可對棉花去濕和含雜量的控制，達到優化原棉使用價值和降低成本的目的。主要功能有：（1）3 個在線傳感器每 6 s定時記錄含水、含雜和色澤；（2）在剝棉和飛花清潔器處安裝自動旁路閥，自動分流棉流和籽屑；（3）經集成的燃燒器控制干燥器和旁路閥；（4）監控軋棉生產和棉包參數，用于統計分析；（5）通過解調器，實行遠程服務。

3.9.2原棉中異纖的在線檢測

原棉中的異纖混入細紗會形成織物的外觀疵點，造成色差、色花、經向色條等。靠人工檢測耗費大量人力、物力，且不能徹底消除，對某些白色或本色的丙綸等異纖更難發現。目前第二代在線異纖檢測清除機已經面世，它依靠紫外線、超聲波、靜電反應、偏振光等傳感器，可以檢測并去除有色和本色的異纖，但效果尚不理想，一般異纖檢出率可達 80%，而本、白色異纖檢出率僅能達到 60% 以下，紗中微細的異纖還需通過能切異纖的電子清紗器加以清除。GB1103 — 2007《棉花細絨棉》標準對成包皮棉異纖作出分檔含量規定，但對于檢測方法還需制訂標準并研發測試儀器。

3.9.3原棉回潮率的在線檢測

原棉回潮率的檢測是原料正確重量交付的基礎。GB/T 6102.1或GB/T 6102.2規定回潮率的檢驗方法以烘箱法為準，抽樣取樣即驗或密封后待驗，待驗需在 24 h內完成，原棉回潮率的取樣檢驗在交付程序中需耗大量人力物力。當前國外采用在線檢測材料回潮率的儀器和方法已趨成熟，如美國EORTE 7760系列在線回潮率檢測儀可以全自動在線檢測棉包皮棉回潮率，它利用電磁法非接觸傳感器電腦控制，可在線、即時檢測回潮率，測試范圍（0 ～ 40%）± 0.1%，不需采樣、封樣，還可測得棉包重量、打印標簽、條形碼識別、顯示并儲存數據、遙控測試、網絡數據共享等，具有寬廣的發展前途，值得推薦。棉花標準GB1103 — 2007已提及皮棉成包時可以采用回潮率自動檢測裝置。

4結語

（1）原棉檢測應逐步擺脫手感目測的陳舊方法，減少人為影響，實行自動檢測，提高工作效率，減輕勞動負荷；

（2）原棉測試儀器要集光、機、電、計算機技術于一體，采用模塊式結構，達到自動取樣、檢測、數據顯示、儲存、統計分析等功能，實現現代化；

（3）研發容量大、多功能、自動測試的大容量測試儀，滿足原棉收購單位、測試中心、產品研發中心、大中型企業等原棉定級、質量分析、混棉配棉、逐包分級等的需要；

（4）采用新型成熟、與國際接軌的單功能低容量測試儀，提高工廠原棉的使用技術和管理水平，減少原棉包間的差異，做到科學用棉，確保產品質量穩定；

（5）原棉新標準要采用原棉測試新技術，原棉測試新技術要促進原棉新標準與國際接軌，創出能在國際貿易中通用的中國棉花標準；

（6）要花大力提高原、籽棉的收購質量和軋花廠的皮棉質量，提供規定的檢測項目及結果，嚴格實行棉花固定標簽和棉花檢驗證書。

參考文獻

[1] 劉榮清. AFIS PRO單纖維測試系統的原理和應用[J]. 上海紡織科技，2006，34（6）：4 – 6.

[2] 劉榮清. 棉紡在線檢測的發展和展望[J]. 紡織導報，2007（12）：71 – 76.