校準用棉花標準樣品的制備與均勻性檢驗

張保國 冉翔濤 周 碩 邵佳蕊 楊仁杰

（1.中國纖維質量監測中心，北京，100007；2.德州市纖維檢驗所，山東德州，253000）

棉花纖維的馬克隆值、長度和強度是反映棉花內在質量的重要指標，與紡織成品質量、成紗工藝有著密不可分的關系，是棉花貿易中重要的結價依據。我國目前棉花檢驗中全面使用大容量纖維測試儀（High Volume Instrument，HVI）進行檢驗，為滿足檢測結果的溯源性，保證全國棉花實驗室測試水平的一致性、準確性及再現性，降低試驗結果偏移及誤差，在檢測樣品過程中均使用棉花檢驗校準用標準樣品（HVI 標準樣品）對設備進行校準和期間核查。

標準樣品總體使用量大，是各實驗室進行檢驗的前提和基礎。目前HVI 標準樣品還依賴進口，國產的標樣正在研制中。研制國產標樣將降低購買成本和時間成本，為構建我國棉花檢驗技術體系提供支撐，促進棉花產業高質量發展。本研究針對HVI 標準樣品中的馬克隆值標準樣品及長度/強度標準樣品，根據我國原棉質量特點，優化原料選取，合理設計專門加工工藝，并嚴格按照GB/T 15000.3—2008《標準樣品工作導則（3）標準樣品 定值的一般原則和統計方法》的要求開展均勻性測試。

1 標準樣品的研制步驟

標準樣品的研制過程與控制實施流程圖見圖1［1］。根據研制步驟，標準樣品制備完成后，首先進行均勻性評估，在均勻性評估通過后，進行穩定性評估和定值測試及不確定度評估。以下主要介紹棉花檢驗校準用馬克隆值標準樣品、長度/強度標準樣品的制作和均勻性評估。

圖1 標準樣品研制過程與控制實施流程圖

2 標準樣品的制備

標準樣品的值是由特性值及其特性值的不確定度組成。本研究制備的馬克隆值標準樣品有3種不同等級：A 級（3.7~4.2）、B1 級（3.5~3.6）、B2 級（4.3~4.9），包含馬克隆值一個物理指標，每個標準樣品質量約為250 g，其擴展不確定度范圍為0.10。

所制備的長度/強度標準樣品有3 種不同等級：25 mm級（25.9 mm以下）、26 mm級（26.0 mm~26.9 mm）和28 mm 級（28.0 mm~28.9 mm），包含馬克隆值、上半部平均長度（單位mm）、長度整齊度、斷裂比強度（單位cN/tex）4 個物理指標，每個標準樣品質量約為1 000 g。各指標的擴展不確定度（k=2）滿足以下要求：馬克隆值指標不確定度范圍為0.10；上半部平均長度指標不確定度范圍為0.41 mm；長度整齊度指標不確定度范圍為1.20；斷裂比強度指標不確定度范圍為1.50 cN/tex。

2.1 原料選取

標準樣品關鍵屬性是其規定的標準值具有足夠的均勻性和穩定性［2］，需要選取均勻性較好的原料進行制備。進口的美國HVI 標準樣品使用采購的成包皮棉作為標樣原料，而我國棉花具有品種眾多、小規模種植、混級加工等特點，相關測試數據表明我國皮棉棉包包內物理指標不確定度較大，均勻性較差［3］，從成品棉包中直接選取數值符合要求的標樣原料難度較大，因此本研究采用單一品種棉花的手摘籽棉作為標樣原料。

2.2 籽棉采集

按照所制備的馬克隆值標準樣品和長度/強度標準樣品的物理指標在6 個不同地塊種植籽棉，并滿足以下要求：一是地塊的種植品種單一，種子純度高；二是地塊土地平整且土壤、澆灌條件一致，可單次采摘籽棉3 t 以上。籽棉原料單一，生長條件相同，且有足夠的產量，可最大程度提高產出棉花的均勻性和一致性。

2.3 原料加工前處理

嚴格對標樣原料籽棉進行質量把控：籽棉的回潮率過高，棉纖維與所附雜物之間的摩擦力以及纖維與加工機械面之間的摩擦力都會增大，會造成棉纖維清雜效率降低，同時纖維剛性降低，纖維之間會發生更多纏繞、扭曲現象，致使皮棉中產生較多的棉結、棉索，降低棉花質量。籽棉的回潮率過低，易造成棉纖維斷裂、短纖維含量高、長度整齊度下降、長度均勻度降低。加工經驗和相關試驗數據表明，籽棉的回潮率控制在6.95%~8.70%時，鋸齒軋花機運轉最正常，纖維損傷低，皮棉產量高、品質好［4-6］。

為控制籽棉的回潮率，將籽棉在加工車間地面上層層平鋪，形成一個厚薄均勻的長方形籽棉大垛。由專業的技術人員指導，按照同一方向不斷翻動籽棉，在常溫環境下放置12 h 以上，使其達到吸濕放濕平衡，調控回潮率在6.95%~8.70%的范圍內。進行3 遍籽棉混勻［7］，仔細挑揀去除其中的粗大雜質和異性纖維，使籽棉達到最佳的加工狀態。

2.4 加工工藝優化

將籽棉加工成符合要求的標樣皮棉原料，除了從原料源頭進行質量把控，還需要進行加工工藝優化，改進的加工工藝流程圖見圖2。

圖2 加工工藝流程圖

加工工藝增加了一遍籽棉清理和一遍皮棉清理。增加的籽棉清理工序，可以提高軋花的質量，減少落棉損失，改變籽棉組成成分比例，提高籽棉群體成熟度系數，這是籽棉加工質量保證的基礎；增加的皮棉清理工序能更有效地清除軋花后棉纖維中的雜質與疵點，改善其外觀形態。同時，調整加工速度，相比于傳統加工方式，本項目標樣原料籽棉在軋花時減少喂花量、降低喂花速度，其喂花量和喂花速度大約是正常值的1/4，從而提高軋花的精細程度。此外，控制加工程序標準化，保證每種等級的標樣原料在同一種加工方式下完成，加工前后需及時清理所有設備，以確保單一品種標樣原料加工獨立性。通過這一系列措施，可提高棉纖維的潔凈度、均勻度，從而提升標樣原料的均勻性。

通過以上工序，籽棉制作為成包皮棉，皮棉經過稱重，分裝為給定質量的最小單元，即每個馬克隆值標準樣品250 g，每個長度/強度標準樣品1 000 g，這樣便完成了標準樣品的制備。

3 標準樣品的均勻性評估

3.1 測試條件要求

在制備好的標準樣品中，抽取樣品用于均勻性檢驗、穩定性檢驗、測試定值。根據GB/T 15000.3—2008，均勻性檢驗中的抽樣數量為10個到30 個。選取各等級測試樣品數量：馬克隆值標準樣品30 個，長度/強度標準樣品25 個。將選取的測試樣品編號后，進行測試。

均勻性評估中的測量應在重復性條件下進行。在均勻性檢驗具體操作中，選擇一名檢驗人員，操作同一臺HVI 儀器，測試環境為溫度（20±2）℃，相對濕度（65±3）%。HVI 儀器在測試前使用校準棉樣進行校準，使用驗證棉樣進行校準檢查，全過程執行《HVI 大容量棉花纖維測試儀校準規范》（2014 版）。校準棉樣、驗證棉樣、試驗樣品測試前均需放置在透氣性好的專用樣品筐中，在規定溫濕度條件下平衡48 h。平衡前樣品要預調濕，保證測試前樣品回潮率達到6.75%~8.25%。

3.2 測試順序及次數

馬克隆值樣品測試時，由HVI 馬克隆值模塊測試得出數據；長度/強度樣品測試時，由HVI 長強模塊兩把梳子測試的平均值作為測試數據。馬克隆值測試樣品和長度/強度測試樣品均各測試3 輪，每輪測試1 次，每輪測試的順序應隨機調整。

3.3 測試數據分析

根據GB/T 15000.3—2008 的均勻性檢驗要求，結合項目實際情況，采用單因素方差分析法，通過判斷組間方差和組內方差確定各組測量值之間有無系統性差異，若兩者的比值小于統計檢驗的臨界值，則可以認為樣品均勻性良好。

通過計算出的檢驗值F，查表找出組間自由度v1、組內自由度v2、顯著性水平α=0.05 對應的顯 著 性 臨界 值F(v1，v2，0.05)。比 較F與F(v1，v2，0.05)，若F小 于F(v1，v2，0.05)，說 明 在95%的 置 信 區 間 內，樣 品單元無明顯差異，均勻性良好［8］。

3.4 測試結果分析

按照以上方法，對3 種不同等級的馬克隆值測試樣品進行分析，均勻性評估的方差分析表見表1~3。查表可得臨界值F（30，60，0.05）=1.65，以上3種馬克隆值測試樣品的F值均小于臨界值F，可認為30 個樣品馬克隆值無明顯差異，在95%置信概率下樣品間一致均勻，均勻性檢驗通過。

表1 A 級馬克隆值測試樣品均勻性評估

表2 B1 級馬克隆值測試樣品均勻性評估

表3 B2 級馬克隆值測試樣品均勻性評估

對3 種不同等級的長度/強度值測試樣品進行分析，均勻性研究的方差分析見表4~表6。例如表4，查表可得臨界值F（24，60，0.05）=1.70，各參數F值均小于臨界值F，可認為在95%置信概率下樣品一致均勻，均勻性檢驗通過。同樣，26 mm級、28 mm 級長度/強度值測試樣品的均勻性也通過檢驗。

表4 25 mm 級長度/強度值測試樣品均勻性評估

表5 26 mm 級長度/強度值測試樣品均勻性評估

表6 28 mm 級長度/強度值測試樣品均勻性評估

3.5 均勻性引入的不確定度

標準樣品的不確定度由均勻性標準不確定度ubb、穩定性標準不確定度us、定值過程引入的標準不確定度uchar根據不確定度傳播率合成。

測試過程中，測試值的波動性引入了均勻性標準不確定度ubb，這是表征標準樣品“有多均勻”的量化指標。根據GB/T 15000.3—2008，均勻性標準不確定度ubb有兩種計算方法，分別見式（1）和式（2），式（1）主要用于均勻性檢驗測試方法重復性良好時，式（2）主要用于均勻性檢驗測試方法重復性欠佳時。由于GB/T 15000.3—2008 沒有明確說明如何判斷測試方法重復性是否欠佳，實際運用中，常常以F值的大小作為判斷標準，一般情況下，當F≥1 時，均勻性檢驗測試方法重復性良好；當F≤1 時，意味著樣品間的差異無法通過檢測方法分辨，此時判斷測試方法的重復性欠佳。

式中：s12為組間方差；s22為組內方差；n為測試次數；sbb為組間標準偏差；vs22為s22的自由度。

利用以上公式，算出3 個馬克隆值測試樣品的均勻性不確定度分量ubb、3 個長度/強度測試樣品的4 個物理指標對應的均勻性不確定度分量ubb，根據后續穩定性評估、定值測試得出的不確定度分量，合成得到測試樣品擴展不確定度U（k=2），見表7 和表8。結果可見，測試樣品的擴展不確定度均在給定的范圍以內。

表7 馬克隆值測試樣品均勻性不確定度分量

表8 長度/強度測試樣品均勻性不確定度分量

3.6 進口標樣與國產標樣均勻性比對

采用相同的方案對研制的標準樣品與相同等級的進口標準樣品進行比對測試，結果見表9和表10。可以看出，所研制的國產標樣均勻性和進口標樣相當，部分指標優于進口標樣。

表9 國產標樣與進口標樣長度/強度值標準偏差比對

表10 國產標樣與進口標樣馬克隆值標準偏差比對

4 結論

（1）采用單一手摘籽棉作為標樣原料，改進加工工藝流程，可從源頭控制標樣的均勻性。

（2）根據GB/T 15000.3—2008 規定，采用單因素方差分析法，對A 級、B1 級、B2 級3 種馬克隆值等級的標準樣品及25 mm 級、26 mm 級、28 mm級的3 種長度/強度等級的標準樣品的均勻性檢驗進行評估，數據表明：標準樣品各參數F值均小于臨界值F，可認為在95%置信概率下樣品一致均勻，均勻性評估通過。通過計算得出測試樣品的均勻性不確定度分量，與穩定性評估、定值測試引入的不確定度分量合成得到擴展不確定度，結果表明：測試樣品的擴展不確定度在給定的范圍以內，標準樣品滿足要求。

（3）與進口標樣的測試數據比對表明，國產標樣的均勻性與之相當，部分指標優于進口標樣。