淺析ＨＶＩ、羅拉儀、ＡＦＩＳ測試棉纖維長度及短纖率指標

曹小紅　李　新　劉　琳

摘要:對相同樣品,同一測試人員,分別用HVI、羅拉儀、AFIS三種儀器,測試樣品的長度和短纖率指標,從測試原理、纖維狀態、試樣數量等方面分析三種儀器測試結果的關系。

關鍵詞:HVI;羅拉儀;AFIS;長度指標;短纖率

棉纖維長度的測試是不可能涵蓋全部纖維的,長度指標不能反映棉纖維的全貌,所以不同的測試方法給出了不同的長度指標,其物理意義也不盡相同。目前棉纖維長度測試的主要儀器有:HVI大容量測試儀、羅拉式長度分析儀、AFIS單纖維測試儀等。為了理解這些儀器測試棉纖維的長度指標,設計了測試方案如下文。

1測試樣品

為避免因樣品中纖維分布不均勻造成測試結果的差異,選用了纖維分布均勻的6個標準樣品。

2標準依據

GB/T 20392—2006 《HVI棉纖維物理性能試驗方法》;GB/T 6098.1—2006《棉纖維長度試驗方法 第1部分 羅拉式長度分析儀》;AFIS單纖維測試儀的操作規程。

3測試儀器

HVI大容量測試儀;羅拉式長度分析儀;AFIS單纖維測試儀。

4測試要求

測試樣品要在二級國家標準大氣的環境中[即溫度(20±2)℃,濕度(65±3)%]連續平衡24 h以上;由一個測試人員完成全部的測試;測試儀器需在校準正常的條件下進行樣品的測試。

5測試結果及分析

5.1測試結果

對以上樣品的長度指標測試結果匯總后的統計分析見表1、表2、表3。

對試驗數據采用單向分組組內觀察值數目相等資料的方差分析方法來比較處理間的差異顯著性,可以得出如下結論:

對長度的分析結果:①幾種測試方法測試的結果之間存在極顯著差異;②用SSR法進行多重比較,結果表明,處理采用HVI測試得到的纖維長度和采用羅拉法測試得到的纖維長度之間差異不顯著,處理4和處理1與處理2及處理3之間差異極顯著;處理2與處理3之間差異極顯著。對短纖率的分析結果:①處理之間存在極顯著差異;②用SSR法進行多重比較,結果表明,處理3與其他處理間存在極顯著差異,處理1、處理2、處理4之間無顯著差異。

5.2原因分析

5.2.1測試原理

(1)HVI大容量測試儀測試長度原理:用梳子隨機夾取一定數量的棉纖維,通過光線照射由光學系統測量出纖維長度與纖維量的分布,并經光電轉換后將纖維長度與纖維量的分布繪制出精確的照影曲線,這種分布與纖維排成一端平齊的長度分布之間有一定的數學關系。根據赫脫爾(Hertel)的纖維長度照影儀的理論,圖解出平均長度、上半部平均長度、短纖率指數。所以精確的照影曲線以及圖解的分析決定著各項長度結果。赫脫爾(Hertel)的纖維長度照影儀圖解理論如下:

由于纖維束從端部到根部的分布是由稀疏到密集,當光學系統對纖維束從端部到根部進行照射時,隨著纖維稀密的變化得到了纖維根數與纖維長度分布的直方圖,當直方圖的組距無限變小,使直方圖上邊緣線成為一條光滑的曲線,如圖1所示。其中,橫坐標代表纖維長度,縱坐標代表纖維根數。

要通過纖維束中纖維的分布,求得纖維長度的各項指標,而纖維長度的指標是通過纖維的重量加權得到的,所以我們要對直方圖進行轉化,使圖形建立在長度與纖維量的關系上,當認為纖維束中棉纖維的線密度、密度均為一致時,對纖維長度與根數的分布圖進行積分使其圖形轉化為纖維長度與纖維量的對應關系。

對圖1進行積分,以縱坐標為底邊使各根纖維與底邊垂直,并從下到上纖維由長到短均勻排列,得到纖維長度與根數累積分布圖(如圖2),其中橫坐標代表纖維長度,縱坐標代表纖維長度的累積根數。再對圖2進行積分,即纖維長度與根數累積分布曲線的二次積分,得到棉纖維的照影儀曲線纖維長度與纖維量的累積分布圖(如圖3),其中,橫坐標代表纖維長度,縱坐標代表纖維量的累積。

由于梳夾抓取纖維試樣時,根部纖維彎曲糾結,這部分不能用于照影曲線的測量。實際曲線測量起始點A離開梳夾的距離為3.81?mm,通過對圖3進行圖解分析,即可以得到棉纖維的平均長度(ML),上半部平均長度(UHML),16?mm短纖率(IFC)等指標。

a)平均長度(ML):當L=0時,縱坐標的纖維量為100%,從A點作曲線AE的切線與OE相交B點,OB即為平均長度。也就是當L=0時圖形右側包含全部的纖維量,即取全部纖維的平均值。

b)上半部平均長度(UHML):取縱坐標的纖維量為50%時的F點,從F點作曲線AE的切線交于OE于C點,OC即為上半部平均長度。

c)16?mm短纖率(IFC):是指長度小于16?mm纖維的重量占纖維總量的百分比。理論上的圖解法為:在OE上取OG=16mm,同時在圖2上可以找到L16=16mm時所對應纖維根數N16,同理OB所對應的根數為N,當認為纖維束中棉纖維的線密度均為一致、密度均為一致時,通過下式即可計算出16mm短纖率。

公式(1)為理論上的圖解公式,如果要使HVI大容量測試儀的短纖率指數與羅拉長度分析儀的短纖率有較好的一致性,需要我們做進一步的相關試驗,從理論上和實際的測試結果中尋找它們之間的相關關系,使其建立在一定的數學模式上。

(2)羅拉長度分析儀測試原理:羅拉長度分析儀測量方法屬于分組測量法,先人工將適量的棉纖維排列成一定寬度、一端平齊、長纖維在下、短纖維在上、薄厚均勻的棉束,再將棉束在羅拉長度分析儀上以2mm為組距從短到長對棉纖維束進行長度分組,稱量每組棉纖維的重量,其每組長度與重量分布的直方圖見圖4、圖5。通過計算得到棉纖維各項長度指標。計算方法如下:

a)重量平均長度:棉纖維長度分布中,以纖維的重量加權得出的平均長度。其計算公式如下:

式中 :L——質量平均長度,mm;

Lj——第j 組纖維長度的組中值,mm;

Wj——第j 組纖維的質量,mg。

b)短纖率:指棉纖維中短于一定長度界限的短纖維重量占纖維總重量的百分率。其計算公式如下:

式中:R——短纖維率,% ;

i——短纖維界限組順序數。

(3)AFIS單纖維測試儀測試原理:將棉花整理成(30±1) cm長棉條喂入儀器,經儀器的開松、梳理、除雜,使纖維分離成沒有雜質的單纖維,單纖維通過一加速噴管被送至光電傳感器,加速噴管使纖維朝近紅外光束作完全取向,當單根纖維通過時,引起光散射,散射光和纖維的長度、直徑、成熟度有關。測量散射光并將其轉換為電壓信號,然后再轉換為一特性的波形,見圖6,纖維產生的矩形波借助于計算機就可以得到纖維長度的各項指標。

5.2.2纖維狀態

由于制取纖維束的方法不同,所制得纖維束的狀態存在著差異。

(1)HVI大容量測試儀制取纖維束

將10?g左右無序狀態的棉花散纖維放入有孔的樣品腔內,鋼梳在機械傳動作用下以一定的速度抓取露出孔外的棉纖維,這樣即獲得了纖維束。把鋼梳上的纖維束取下可以觀察到:由于鋼梳抓取的是無序排列的棉纖維,且纖維又是掛在鋼梳的鋼針上,所以棉束的根部端存在著彎鉤,纖維并不是整齊排列的,這樣對于劃定短纖維的界限有一定的難度。圖7為樣品經HVI梳理后從梳夾上取下的準備進行測試的棉束形態,圖8為樣品被梳夾夾持的一端即存在纖維彎鉤的一端打開后的形態。

(2)羅拉長度分析儀制取纖維束

由試驗人員靠手工將試驗試樣先在手中梳理順直,再在限制器絨板上排列成長纖維在下、短纖維在上、層次清晰、厚薄均勻、寬度為32?mm、一端整齊的棉束,見圖9。在制作棉束的過程中不得丟棄棉纖維。

(3)AFIS單纖維測試儀

將測試樣品經過分梳成為單纖維一根一根地進行測量,一般一個樣品測量3000根纖維,測試樣品量較少,纖維的伸直狀態受分梳情況的影響。

5.2.3測試的纖維量

1)HVI大容量測試儀測試的纖維量: 本試驗測試的6個HVI樣品的重量分別為:0.0422?g、0.03842?g、0.04072?g、0.04122?g、0.03632?g、0.03462?g,可見HVI測試的纖維量約0.42?g左右。

2)羅拉長度分析儀測試的纖維量:細絨棉(30±1)mg,長絨棉(35±1)mg。

3)AFIS單纖維測試儀測試的纖維量:測試3000根纖維。

6結論

由于三種測試儀器在測試原理和取樣方法存在差異,長度指標測試結果:羅拉法和HVI之間不存在統計學上的極顯著差異,二者與AFIS測試的兩種結果存在顯著差異,AFIS測試的兩種結果之間也存在顯著差異。短纖維測試結果:采用AFIS根數法得到的結果與其他方法之間有極顯著差異,而HVI、羅拉法和采用AFIS重量法得到的短纖維結果,無顯著差異。

(作者單位:中國纖維檢驗局)