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，由于國內用棉量的缺口逐年遞增，2011年進口棉花的數量已經達到300多萬t.但是隨著進口棉花數量的大幅提高，棉花品質出現魚目混珠的情況也大大增加，2011年上海口岸發現幾十批進口印度棉花存在摻有短絨的現象.

以往出入境檢驗檢疫局的棉花實驗室一般都比較關注進口棉花的等級、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，但是現在摻短絨現象越來越嚴重，且現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值（進口原棉為12.7mm，國棉為16 mm）的百分數.

1 國內外現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）.

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學處理，得到一系列的長度指標值.該方法的優點是試樣準備方便，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，即通過回歸方程進行數理統計，得到經驗公式.雖然一些學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 國內情況

Y111型羅拉式纖維長度分析儀是我國紡織行業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，測試結果因人而異，從而影響了試驗結果的準確性，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，并假定取樣服從統計分布規律，顯然取樣得到的纖維長度分布與原試樣存在一個數學關系.利用這個數學關系，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：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分布等于待測棉樣的長度質量分布.

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分布（如圖2所示），即測試棉樣的長度質量分布.

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，盡可能減少系統誤差.兩種測試方法的比對試驗結果如表1所示.

表1 比對試驗結果Table 1 The results of comparative experiment

3.1 棉花快速測試儀測試結果的準確度分析

根據ISO 5725-1～6《測試方法與結果的準確度（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檢驗法檢驗結果方差

表2 10種規格棉花的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，F0.025＝0.41，而0.41＜Fi＜3.51，其中1≤i≤10.

計算結果顯示兩組測試結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檢驗法檢驗結果均值

10種規格棉花的t值如表3所示.

表3 10種規格棉花的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.

計算結果顯示兩組測試結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 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點，而且改進了Y111羅拉式纖維長度分析儀的系統誤差大和測試時間長的缺點，在10min內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、重現性高，能夠把多臺儀器校準在一個水平上.根據此測試方法設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

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[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.

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