機采棉加工過程對棉纖維長度及短纖維指數的影響

梁后軍++++謝睿++++周萬懷++++劉從九++++徐守東+++李浩+++常郝

摘要

本文研究了機采棉加工過程中棉纖維長度、短纖維含量隨加工工序的變化情況。棉花加工過程的主要作用是分離皮棉與棉籽及清理雜質。清理雜質可提升皮棉的品質，提高棉花定級、定價；但雜質清理過程也會造成棉花纖維損傷、棉纖維平均長度下降、短纖維比重升高等。本研究以新疆地區機采棉為研究對象，選用當前主流的鋸齒加工設備，在每道工序前后設置取樣點，以HVI1000檢測每道工序前后的纖維長度、長度整齊度及短纖維指數這3個重要指標。研究結果表明，現行鋸齒加工系統對纖維長度、長度整齊度及短纖維指數的絕對值或相對值影響不大，但從統計學角度看變化顯著。

關鍵詞：機采棉；棉纖維長度；長度整齊度；短纖維指數；HVI1000

1 引言

新疆是我國重要的棉花生產基地，整個新疆棉花年產量約占全國棉花產量的60%[1]，因此新疆棉花的種植與加工對我國棉花產業有舉足輕重的影響。當前新疆地區棉花加工廠生產出的皮棉雖然能在數量和質量上基本滿足紡織行業的需求，但仍存在一些不足[2]。例如，現有的棉花加工系統所有參數都是事先設定好的，不能隨籽棉的含雜率、回潮率、喂花量等指標的改變而動態、智能地改變，已有多項研究表明含雜率、回潮率的高低對皮棉的品質有顯著影響，因而有必要設計更加靈活、智能的皮棉加工系統；另一方面，軋花廠為追求高產出率、提高棉花的顏色級而過度清理，導致所軋制出的皮棉纖維產生一定程度的機械損傷，纖維平均長度偏短、短纖維指數偏高，降低了棉花的使用價值。

高檔紡織品需要高質量的紗線，紡優質紗線需選用棉纖維等級、長度、單纖維強度和短絨指數等指標較好的優質原棉。原棉的各項技術指標除受品種、產地及存儲過程不同的影響外，還與軋花、清雜的加工系統有很大關系。因此，研究原棉的各項關鍵指標與加工工藝過程的關系，進而改進加工過程、提升棉纖維的品質越來越重要和迫切。

為此，本文從南疆和北疆各選兩個軋花廠為試驗場地，以機采棉加工為研究對象，對機采棉加工全過程中各個環節棉纖維長度、長度整齊度及短纖維指數的變化趨勢進行專項研究。取得的成果，將在一定程度上對我國機采棉加工工藝的改進及智能化起到促進作用，對規范機采棉加工工藝和設備配置、提升機采棉加工品質，具有重要的參考意義。

2 材料與方法

2.1 試驗樣品

經前期調研和分析，結合我國目前機采棉加工主流機型及工藝流程，基于地理位置（地域涵蓋南北疆）、加工設備完整性（四道籽清、三道皮清）和代表性等因素，確定在新疆機采棉種植區域選取4個設備齊全、加工工藝能代表我國機采棉加工總體水平的機采棉加工廠（南疆和北疆各兩個）作為取樣單位。其中，南疆選擇了新疆生產建設兵團第一師（阿拉爾）13團棉花加工廠、第二師（庫爾勒）29團棉花加工廠，北疆選擇了第七師（奎屯）125團棉花加工廠、第八師（石河子）149團棉花加工廠。每個取樣點選擇一個生產工藝最為完備的加工廠，每個加工廠選取5個棉模；分別在生產線上設置9個取樣點，每個棉模對應的每個取樣點重復取樣6次；每個廠區總計樣品量270個。

2.2 試驗儀器

瑞士烏斯特公司（Uster Technologies）生產的大容量棉花纖維檢測儀（High Volume Instrument，HVI1000）。HVI1000是全球公認的棉花分級統一標準檢測儀器[3，4]，每個樣品平均測試用時≤1min，檢測指標多達17項，工作溫度（20±2）℃，工作濕度（65±3）%。HVI測試法的基本原理是利用光學纖維照影對纖維長度進行判定。光學模塊根據纖維光通量的變化，通過數學推導，獲得比較精確的照影儀曲線，從而計算出纖維的長度指標。

2.3 測試

對于籽棉樣品，首先對其進行試軋，保留試軋雜質、棉籽和皮棉；對所抽取的籽棉樣品均進行現場試軋，每份樣品試軋1kg。試軋機選用符合國家標準規定且通過纖維檢驗機構當年檢定的鋸齒衣分試軋機，同一廠區的籽棉樣品使用同一臺試軋機試軋。對于皮棉樣品，供HVI檢測分析的樣品為100g。樣品稱量采用HZY-B（美國華志）高精度天平，量程3200g、精度0.01g。主要檢測指標是纖維長度、長度整齊度及短纖維指數。

2.4 差異分析

數據分析主要采用盒圖和t檢驗法。盒圖直觀、清晰，t檢驗法從統計學原理上判斷兩組數據的準確的、量化的差異，二者相互補充。

2.4.1 盒圖

盒圖是美國統計學家約翰·圖基（John Tukey）在1977年由發明的，由最小值、下四分位數（Q1）、中位數、上四分位數（Q3）及最大值5個數值點組成。也可以往盒圖里面加入平均值。本文中，盒圖中的平均值用藍色菱形表示，菱形的中心所對應的值就是平均值。由于現實數據中總是存在各式各樣的“臟數據”（異常數據），為了不因這些少數的離群數據導致整體特征的偏移，這些離群點被單獨繪出（本文中用“+”表示）。上四分位數Q3與下四分位數Q1之間的距離：Q3-Q1記為IQR，稱為四分位間距，若數據小于Q1-1.5×IQR或大于Q3+1.5×IQR，就認為它是疑似異常值。

2.4.2 t檢驗

t檢驗主要用于樣本含量較小、總體標準差σ未知的正態分布，是用t分布理論來推論差異發生的概率，從而比較兩個平均數的差異是否顯著。檢驗結果中的關鍵指標是P值，P>a（顯著性水平）表明兩組數據無顯著差異，反之差異顯著。本文使用t檢驗分析加工前后棉纖維的長度、整齊度及短纖維指數是否發生了統計學意義上的顯著變化。

3 數據分析

數據分析包括使用盒圖直觀展示3種指標隨加工工序的變化趨勢以及使用t檢驗分析加工前后各指標是否發生了顯著變化。

3.1 纖維長度

圖1是4個加工廠纖維長度與加工工序之間的關系。盒圖上下的“+”號表示異常數據，盒體（矩形框）中的菱形表示均值，橫線表示中位數，由于一批數據的均值與中位數一般相差不大，因此二者離得很近。由圖1可見，4個加工廠的纖維長度基本在28mm～30mm內，各加工廠棉纖維長度隨著加工工序的不斷推進總體呈遞減趨勢，最后一道工序時的纖維長度均低于第一道工序時的長度，說明加工過程對棉纖維長度的確有影響。但是從圖中也可以看出棉纖維長度并不是隨加工工序穩步減少的，中間存在波動，這主要是由于：棉花加工系統中，棉花在管道中不停流動，下一道工序采集到的樣本并不是與上一道樣本嚴格對應的，也很難做到嚴格一一對應；雖然HVI是公認的棉花分級統一標準檢測儀器，但在檢測纖維長度方面還存在不足，測試數據有一定波動性[5]。endprint

表1是對第一道工序和最后一道工序進行t檢驗的結果，從統計學上檢測加工前后纖維平均長度是否發生了顯著變化，顯著性水平a=0.05。從表1中可以看出，雖然加工前后纖維平均長度變化的絕對值小于0.8mm，但統計學檢驗結果顯示加工前后纖維平均長度發生了顯著變化。

3.2 長度整齊度

長度整齊度是對棉纖維長度分布狀態的描述，是反映棉纖維長度分布的集中性與離散性的指標。整齊度好，棉纖維長度分布比較集中，短絨含量少，對紡紗生產和成紗質量有利。

由上式可見，長度整齊度是一個無量綱的數。式中，平均長度是指在照影曲線圖中，從纖維數量100%處做照影曲線的切線，切線與長度坐標軸相交點所顯示的長度；上半部平均長度指試驗棉束中從最長纖維起至占全部纖維重量1/2處的纖維長度。

由圖2可見，4個加工廠各工序對應的纖維長度整齊度基本在區間[82-85]內，各加工廠棉纖維的長度整齊度隨著加工工序的不斷推進總體呈遞減趨勢，最后一道工序時的纖維長度整齊度均低于第一道工序時的長度整齊度，說明加工過程對棉纖維長度整齊度有一定影響。但是從圖中也可以看出棉纖維長度整齊度并不是隨加工工序穩步減少的，中間也存在波動。

表2是對第一道工序和最后一道工序時長度整齊度進行t檢驗的結果，從統計學上檢測加工前后纖維平均長度整齊度是否發生了顯著變化，顯著性水平a=0.05。從表2中可以看出，雖然加工前后纖維平均長度整齊度變化的絕對值小于1.2，但統計學檢驗結果顯示加工前后纖維平均長度整齊度發生了顯著變化。

3.3 短纖維指數

短纖維指數（SFI）是指HVI大容量測試儀測試棉纖維長度時，小于12.7mm或16.5mm纖維根數（或重量）占纖維總根數（或重量）的百分率，因此短纖維指數也是一個無量綱的指標。在我國，短纖維一般是指長度16mm以下的纖維。短纖維指數與長度整齊度緊密相關，常作為反映棉纖維長度整齊度狀況的參考指標之一。

由圖3可見，4個加工廠各工序對應的短纖維指數基本在區間[11-16]內，各加工廠棉纖維的短纖維指數隨著加工工序的不斷推進總體呈上升趨勢，最后一道工序時的短纖維指數均高于第一道工序時的短纖維指數，說明加工過程的確會造成短纖維數量增加。但是從圖中也可以看出短纖維指數并不是隨加工工序穩步增加的，中間也存在波動，其原因與3.1節中棉纖維長度隨加工工序波動的情況類似。

表3是對第一道工序和最后一道工序時短纖維指數進行t檢驗的結果，從統計學上檢測加工前后短纖維指數是否發生了顯著變化，顯著性水平a=0.05。從表3中可以看出，雖然加工前后纖維平均短纖維指數變化的絕對值小于3，但統計學檢驗結果顯示加工前后纖維平均短纖維指數發生了顯著變化。

4 結論

本文重點研究了加工過程對纖維長度及其關聯指標的影響。采用HVI1000檢測了纖維長度及與其緊密相關的長度整齊度、短纖維指數兩項指標隨加工工序的變化情況。盒圖分析結果顯示纖維長度及長度整齊度隨加工工序的推進整體呈下降趨勢，短纖維指數呈上升趨勢；統計學t檢驗顯示加工前與加工后纖維長度、長度整齊度及短纖維指數均發生了顯著變化。該研究可為我國棉花加工工藝的改進和優化提供一定的理論參考和數據支撐。

參考文獻：

[1]李勇.軋花工藝對手摘棉品質指標的影響[J].棉紡織技術， 2016，44（10）： 11-15.

[2]矯健，陳偉忠，康永興.新常態下完善新疆棉花目標價格補貼政策的思考[J].中國棉花，2015，42（9）： 1-3，8.

[3]郭鵬飛，馮曉峰.大容量快速棉花纖維性能測試的設計原理與應用[J].中國棉花加工， 2010（6）：34-36.

[4]謝占林.機采棉主要加工工序對棉花品質指標影響程度比較研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2015.

[5]王銘.粘貼式棉纖維長度測試儀的研制[J].棉紡織技術，2015，43（7）： 47-50.

（作者單位：梁后軍、謝睿、周萬懷、李浩、常郝，安徽財經大學；劉從九、徐守東，安徽財經大學棉花工程研究所）endprint