機采棉加工各工序對棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率的影響

文/李浩 周萬懷 梁后軍 徐守東 劉從九 周森鑫 常郝

1 引言

新疆是我國重要的棉花生產基地，近年來機采棉在新疆已經得到大面積的推廣。據相關報道機采棉種植面積已占全疆棉花種植面積的80%左右[1]。雖然使用機器采摘棉花極大地提高了棉花的采收效率，但是也導致一些新問題，尤其是機采棉含雜質率遠高于人工采摘的棉花，因而機采棉加工過程中需要更多的雜質清理工序和更高的雜質清理強度。這就導致了機采棉加工過程中棉纖維品質受損現象較為突出，如短纖率升高等[2-3]。棉纖維斷裂比強度和伸長率是棉纖維性能的兩個主要質量指標，它們與成紗和織物的強伸度、彈性和紡織工序的斷頭率顯著相關[4]，為此，本文選取南疆和北疆兩個棉花產區，并分別在這兩個產區各選取兩個軋花廠為試驗場地，以機采棉加工工藝的各工序為研究對象，對機采棉加工全過程中各環節棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率的變化趨勢進行研究，所得成果，為我國機采棉加工工藝的改進，提升機采棉加工品質提供一定的參考。

2 材料與方法

2.1 試驗樣品

經過前期的經驗總結以及調研分析，基于地理位置（地域涵蓋全面性）、加工設備完整性（四道籽清和三道皮清）和代表性等因素，所選取樣點包括南疆和北疆各兩個點，共4個點，分別為：石河子8師149團、奎屯7師125團、庫爾勒2師29團、阿拉爾1師13團；每個取樣點選擇一個生產工藝比較完備的加工廠，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，共1080個。每個籽棉樣品質量≥1.5kg、每個皮棉樣品質量≥0.3kg。

2.2 試驗儀器

主要儀器：瑞士伍斯特公司生產的大容量棉花纖維檢測儀（HVI）。USTERRHVI 1000則是全球公認的棉花分級統一標準檢測儀器[4,6,10]，每個樣品平均測試用時≤1min，可以測試棉纖維的長度、斷裂比強度、斷裂伸長率、馬克隆值等多個指標，工作溫度（20±2）℃，工作濕度（65±3）%。

2.3 數據檢測

根據機采棉加工的實際流程，對所抽取的籽棉樣品均進行現場試軋，每份樣品試軋1kg，并保留試軋雜質、棉籽和皮棉；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，其余備用。樣品稱量采用HZY-B（美國華志）高精度天平，量程3200g、精度0.01g。依據《HVI 1000大容量棉纖維測試儀操作規程》將預平衡達到標準的樣品進行測試，分別記錄各樣品的斷裂比強度和斷裂伸長率。

2.4 差異分析

方差分析[5,9]（ANOVA）又稱為“變異數分析”，是基于F檢驗，用于檢驗兩個及以上樣本差異性的重要統計方法。檢驗結果中有兩項關鍵指標：F和P，F越小、P越大表明無顯著差異，反之差異顯著。

主要理論基礎：

本研究使用ANOVA分析主要加工工序前后棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率的變化情況。假設工序p1執行前棉花樣品的斷裂比強度（或斷裂伸長率）為，x1={x11，x12，x13……x1n}，工序p1執行后棉花樣品的斷裂比強度（或斷裂伸長率）為x2={x21，x22，x23……x2n}，通過ANOVA分析和之間的差異顯著性，以確定相關工序對棉纖維斷裂比強度（或斷裂伸長率）影響效果是否顯著。

3 結果與分析

3.1 棉纖維斷裂比強度與斷裂伸長率

棉纖維斷裂比強度是與試樣拉伸至斷時加于它的最大負荷相對應的比強度，以未受應變試樣每單位線密度所受的力表示，單位為厘牛頓/特克斯(cN/tex)，常用克力/特克斯(gf/tex)表示[4,6-8]。棉纖維斷裂比強度是表示纖維抵抗拉伸能力的指標之一。棉纖維斷裂比強度與棉花成熟度、生長條件、品種等有關，一般來說，成熟度越好，原棉纖維越粗，強度越高。棉纖維斷裂伸長率是指棉纖維拉伸至斷裂時的伸長率，以斷裂伸長與未拉伸前長度之比的百分數表示[4，6-8]。棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率與成紗和織物的強伸度、彈性和紡織工序的斷頭率顯著相關，因此，研究機采棉加工過程對斷裂比強度和斷裂伸長率的影響具有十分重要的意義。

3.2 棉纖維斷裂比強度與斷裂伸長率總體檢測結果與分析

各取樣點的加工設備主體相近，通過總體檢測結果分析能夠體現該類加工設備加工過程中棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率變化整體趨勢，檢測結果如圖1、圖2所示。

圖1 斷裂比強度隨加工工序整體變化趨勢

圖2 斷裂伸長率隨加工工序整體變化趨勢

圖1和圖2中所示棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率數據為對應各取樣點所有樣品檢測數據的平均值，每個取樣點總體樣品量為120個（4廠區數×5棉模數×6每個棉模每道工序取樣數），由此可見該統計結果具有較普遍和較強的代表性。根據圖可見，經過各加工工序的處理，棉纖維的斷裂比強度整體上呈下降趨勢，棉纖維斷裂伸長率整體上呈上升趨勢，說明加工過程對棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率的確有影響。對比棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率的變化，可以看出棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率之間存在一定的相關性。圖1中棉纖維斷裂比強度的變化不是隨加工工序穩步減少的，棉纖維斷裂伸長率的變化也不是隨著加工工序穩步上升，而是中間均存在波動現象。進一步深入分析各加工環節前后棉花樣品棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率差異顯著性，結果如表1所示。

根據ANOVA分析原理，當F≥1、P≤0.05時，兩者在95%的置信水平下差異顯著，否則無顯著差異[9]。由此可見，整個加工過程對棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率的影響顯著。

表1 各加工環節棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率方差分析（ANOVA）

3.3 各廠各加工環節棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率結果與分析

分別針對各個加工廠，經各加工環節處理后棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率進行分析，結果如圖3、圖4所示。

圖3 各加工廠斷裂比強度隨加工工序變化趨勢

圖4 各加工廠斷裂伸長率隨加工工序變化趨勢

由圖3、圖4可發現：各加工廠棉纖維斷裂比強度隨著加工工序的不斷推進總體呈遞減趨勢，但都不是嚴格逐步下降，而是均存在一定的波動。各加工廠棉纖維斷裂伸長率隨著加工工序的不斷推進總體呈上升趨勢，但都不是嚴格逐步上升，而是均存在一定的波動。進一步深入分析各加工環節前后棉花樣品棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率差異顯著性，結果如表2所示。

根據ANOVA分析原理，由表2可見，各廠整個加工環節對棉纖維斷裂比強度影響效果均顯著（1~9），各廠在整個加工過程對棉纖斷裂伸長率均有影響，對于大部分廠區（除庫爾勒2師29團外）影響效果顯著。

4 結論

本文通過圖表和方差分析等方法，對機采棉加工全過程中各個環節棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率的變化趨勢進行研究，結論如下：

1）現行主流鋸齒加工工藝整體對棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率均有一定的影響，并且影響顯著。因此，有必要研究原棉的各項關鍵指標與加工工藝過程的關系，并進而改進加工過程，從而提升棉纖維的品質，我們將在后續的工作中就此開展深入研究。

2）隨著加工工序的推進棉纖維斷裂比強度大體上呈遞減趨勢，棉纖維斷裂伸長率則大體上呈遞增趨勢，從而驗證棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率之間存在密切相關性。可能原因是棉纖維斷裂比強度高時，其剛性大，則斷裂伸長小，反之，斷裂比強度低時，其剛性小，則斷裂伸長大。

3）隨著加工工序的推進棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率的變化趨勢并不是嚴格遞增和遞減的，中間均存在波動。主要有兩個方面原因：第一，棉花樣品的采集受到棉花加工過程的影響，因為棉花在加工過程中，棉花在管道中是不停流動的，因此，很難做到下一道工序采集到的樣本與上一道樣本嚴格對應；第二，雖然嚴格按照HVI棉纖維物理性能試驗方法檢測樣品，但仍不可避免地存在著隨機誤差，從而導致測試數據存在一定波動性。

表2 各廠加工環節棉纖維斷裂比強度和斷裂伸長率方差分析（ANOVA）

參考文獻：

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[10]劉從九，徐守東.棉花檢驗理論與務實[M].重慶：重慶大學出版社，2016.