棉花短絨率快速檢測方法的研究

鄭 曄，茅曄輝，趙 潔，馬力軍，張孜晰

（1.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；2.上海康信光電儀器有限公司，上海 200233）

近年來，由于國內(nèi)用棉量的缺口逐年遞增，2011年進口棉花的數(shù)量已經(jīng)達到300多萬t.但是隨著進口棉花數(shù)量的大幅提高，棉花品質(zhì)出現(xiàn)魚目混珠的情況也大大增加，2011年上海口岸發(fā)現(xiàn)幾十批進口印度棉花存在摻有短絨的現(xiàn)象.

以往出入境檢驗檢疫局的棉花實驗室一般都比較關(guān)注進口棉花的等級、長度、馬克隆值和斷裂強度，對于進口棉花的短絨率不夠重視，但是現(xiàn)在摻短絨現(xiàn)象越來越嚴重，且現(xiàn)有的方法和儀器都存在著或多或少的問題，如何快速有效地檢測短絨率也成為進口棉花檢驗的一大難題.短絨率是指棉纖維長度低于一定數(shù)值（進口原棉為12.7mm，國棉為16 mm）的百分數(shù).

1 國內(nèi)外現(xiàn)有測試棉花短絨率的儀器和方法

1.1 國外情況

國外測試棉花短絨率的儀器主要是USTER公司的 HVI（high volume instrument，大容量測 試儀）和 AFIS（advanced fiber information system，單纖維快速測試系統(tǒng)）.

HVI是通過用梳夾隨機抓取一定量的纖維，并對它進行光電掃描，得到照影曲線，再通過對照影曲線的數(shù)學(xué)處理，得到一系列的長度指標值.該方法的優(yōu)點是試樣準備方便，測試速度比較快，但因得到的照影曲線是已經(jīng)走樣的二次累積頻率曲線，從理論上講通過一次微分和二次微分不可能準確求得短絨率，所以USTER公司明確指出HVI測得的棉花短纖維指數(shù)只能作為參考指標.

由于HVI測量速度快，且操作簡單，目前國外的棉花短絨率快速測試研究都是基于HVI的二次開發(fā)，即通過回歸方程進行數(shù)理統(tǒng)計，得到經(jīng)驗公式.雖然一些學(xué)者得到了一系列的回歸方程，并且也通過試驗驗證了這些方程[1－6].但是文獻[7]基本上否定了回歸方法在HVI上測得短絨率的可能性.HVI最大問題還是理論基礎(chǔ)不清晰，不能從原理上證明該方法測試短絨率的可行性.

AFIS利用紅外光束可快速檢測單根棉纖維的長度和直徑.雖然AFIS也能測試原棉的纖維長度，但是由于制作棉條比較費時費力，所以它主要用于工廠控制后道工藝，一般不建議作為原棉纖維長度的測試手段.

1.2 國內(nèi)情況

Y111型羅拉式纖維長度分析儀是我國紡織行業(yè)用于測量棉纖維短絨率的主要儀器，它主要是將纖維由短到長按一定組距分組后稱重，得到纖維長度質(zhì)量分布，進而得到纖維長度的各項指標.盡管Y111測試原理還不是十分完善，但優(yōu)點是測試原理表達清楚[8].該方法的缺點是手工操作，在整理試樣時纖維容易丟失，測試結(jié)果因人而異，從而影響了試驗結(jié)果的準確性，且勞動強度非常大，一個熟練的測試人員測試一個試樣至少需要90min.

2 自制棉花短絨率快速測試儀

棉纖維有不同的長度分布，如果對它取樣，并假定取樣服從統(tǒng)計分布規(guī)律，顯然取樣得到的纖維長度分布與原試樣存在一個數(shù)學(xué)關(guān)系.利用這個數(shù)學(xué)關(guān)系，只要知道了取樣得到的纖維長度分布，就能計算出原試樣的長度分布.

這里對測試棉樣和梳夾棉樣做一個嚴格的定義，即

測試棉樣：棉包中的棉纖維或者制成的棉條等；

梳夾棉樣：從測試棉樣中稱取一定棉纖維，通過某種方法放在梳夾上.

2.1 長度偏倚取樣

長度偏倚取樣又稱為 Hertel取樣，其假設(shè)：待測棉樣中的任意一個長度組纖維被梳夾握持的概率，與該長度組纖維的根數(shù)頻率和長度成正比；纖維的夾持點沿纖維長度方向是隨機的.當纖維的線密度為常量時，可以得到梳夾棉樣的長度根數(shù)分布等于待測棉樣的長度質(zhì)量分布.

2.2 實際取樣

為了盡可能使實際取得的梳夾棉樣為Hertel取樣，應(yīng)該使梳夾上的纖維盡量一端整齊，同向伸直，棉纖維在梳夾上盡量均勻鋪開.

如果待測纖維均勻地散落在取樣平面上，且所有纖維伸直，并向同一個方向延伸，這時梳夾夾取纖維是長度偏倚取樣.

2.3 測試原理

本文自制棉花短絨率快速測試儀（如圖1所示），用光電法來掃描梳夾上的纖維分布.

圖1 自制棉花短絨率快速測試儀Fig.1 The machine for short fiber content of cotton

從測試棉樣中隨機稱取200mg左右的棉纖維，用儀器配備的梳夾反復(fù)梳取，使得梳夾上的纖維均勻分布，并且保持纖維一端整齊.通過記錄整個梳夾上的纖維光透量，求得棉纖維的長度根數(shù)分布（如圖2所示），即測試棉樣的長度質(zhì)量分布.

圖2 棉纖維長度排列圖Fig.2 The curve for cotton fiber length distribution

圖2中陰影面積占總面積（曲線與坐標圍成的面積）的百分比就是測試棉樣的短絨率.

3 試驗驗證

為了驗證自制棉花短絨率快速測試儀測試結(jié)果的正確性和精密度，與Y111羅拉式纖維長度分析儀進行比對試驗.

棉花試樣由德州纖維檢驗所提供，共10個標準樣品做了黑箱編號，每個試樣由4位棉檢師分別測試10次，盡可能減少系統(tǒng)誤差.兩種測試方法的比對試驗結(jié)果如表1所示.

表1 比對試驗結(jié)果Table 1 The results of comparative experiment

3.1 棉花快速測試儀測試結(jié)果的準確度分析

根據(jù)ISO 5725-1～6《測試方法與結(jié)果的準確度（正確度和精密度）》的系列標準，任何的測試方法能否有代表性，即是否有可靠的準確度，需要考量兩個方面：正確度和精密度.在本文中精密度是指兩種測試方法的方差是否有顯著性差異，可以用F檢驗法檢驗；正確度是指兩種測試方法的均值是否存在顯著的偏倚，可以用t檢驗法檢驗[9].

3.2 F檢驗法檢驗結(jié)果方差

表2 10種規(guī)格棉花的F值Table 2 Fvalues of 10kinds of cottons

取顯著性水平α＝0.05，當自由度f1＝n1－1＝40－1＝39，f2＝n2－1＝9時，查得臨界值F0.975＝3.51，F(xiàn)0.025＝0.41，而0.41＜Fi＜3.51，其中1≤i≤10.

計算結(jié)果顯示兩組測試結(jié)果方差無顯著性差異.即自制快速測試儀與Y111羅拉式纖維長度分析儀的測試精度相同，快速測試法滿足測試精密度要求.

3.3 t檢驗法檢驗結(jié)果均值

10種規(guī)格棉花的t值如表3所示.

表3 10種規(guī)格棉花的t值Table 3 t values of 10kinds of cottons

取顯著性水平α＝0.05，當自由度f＝n1＋n2－2＝40＋10－2＝48時，查得臨界值t0.975＝2.01，而ti＜2.01，其中1≤i≤10.

計算結(jié)果顯示兩組測試結(jié)果均值不存在顯著偏倚，即自制快速測試儀與Y111羅拉式纖維長度分析儀的測試均值相等，快速測試法測試棉花短絨率的正確度可滿足要求.

4 結(jié) 語

本文提出的棉花短絨率快速測試方法，不但保留了Y111羅拉式纖維長度分析儀的測試原理清晰的優(yōu)點，而且改進了Y111羅拉式纖維長度分析儀的系統(tǒng)誤差大和測試時間長的缺點，在10min內(nèi)完成一個試樣的測試，且操作簡便.此外由于該測量方法的離散性小、重現(xiàn)性高，能夠把多臺儀器校準在一個水平上.根據(jù)此測試方法設(shè)計出的棉花快速測試儀通過與Y111纖維長度分析儀的大量比對試驗，證明了該方法的精密度可靠，且與Y111羅拉式纖維長度分析儀不存在顯著偏倚.

參 考 文 獻

[1]ZEIDAN M，BATRA S K，SASSER P E.Determining short fiber content in cotton part II：Measures of SFC from HVI data-statistical models[J].Textile Research Journal，1991，61（1）：106-113.

[2]BARGERON J D，SASSER E. Cotton short fiber from fibrogram and regression analysis[C]／／ Proceedings of the Beltwide Cotton Conferences.New Orleans，LA：National Cotton Council of America，1993：1142-1145.

[3]BARGERON C K，BARGERON J D，GRIFFITH S R.Use of mean length as an indicator of short fiber content[C]／／Proceedings of the Beltwide Cotton Conferences.New Orleans，LA：National Cotton Council of America，1993：1150-1153.

[4]SCHREINER M K.Fiber processing research reports[C]／／Proceedings of the 14th Annual EFS System Conference.Greenville，SC：Cotton Incorperated，2000：169-195.

[5]KNOWLTON J L.HVI Measurements of Short Fiber[C]／／Proceedings of the Beltwide Cotton Conferences.Anaheim，CA：National Cotton Council of America，2001：1245-1248.

[6]RILEY R.Status report on short fiber index and elongation measurements on the high volume instruments [C]／／Proceedings of the Beltwide Cotton Conference. Memphis，TN：National Cotton Council of America，1998：1524-1530.

[7]ROWLAND J D.Cotton short-fiber testing[C]／／12th Annual Engineered Fiber Selection System Conference.Greenville，SC：Cotton Incorporated，1999.

[8]于修業(yè)，王先，張喜昌，等.AFIS的性能研究[J].紡織學(xué)報，1997，18（4）：57-59.

[9]蔣子剛，顧雪梅.分析檢驗的質(zhì)量保證和計量認證[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，1998.