棉花加工過程中回潮率對皮棉質量的影響

史書偉 向天明 劉偉剛 秦建鋒 陳 凈

（1.中華全國供銷合作總社鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州，450004；2.石河子纖維檢驗所，新疆石河子，832000；3.石河子大學，新疆石河子，832000）

新疆是我國的主產棉區，其棉花產量占到全國近70%［1］。目前新疆棉區棉花加工工藝及設備均是國內領先的，生產的皮棉在數量和質量上高于全國平均水平，但相比進口棉的質量還存在一定的差距［2］。因此，如何提高新疆棉區皮棉加工質量，保證棉農收入水平持續提高，是當前和未來一段時間需要著力解決的重要問題。

棉花是吸濕性物質，在棉花加工過程中，回潮率的大小對皮棉加工質量有較大的影響。相關研究表明：棉花回潮率大時，棉纖維的強力提高，剛度降低，摩擦因數增大，其后果是清棉效率降低，軋花工作效率降低［3-4］；由于棉纖維變軟，在外力作用下，纖維之間更多地纏繞、扭曲，致使棉纖維中產生較多的棉結、索絲，直接影響皮棉的質量［5-6］。反之，棉花回潮率過低，剛性增大，在外力作用下容易折斷，棉纖維長度減短，使皮棉的整齊度下降，皮棉含絨率增加［7-9］。谷國富［10］對新疆機采棉在不同工藝環節棉花品質變化進行了研究，得出隨著加工工藝的推進，棉花反射率、黃色深度上升，棉纖維長度下降。梁后軍等［11］研究了新疆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，得出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，但從統計學角度看其變化顯著。BYLER R K［12］通過對比美國陸地棉加濕前后棉花加工質量的變化，得出回潮率對棉花加工質量影響顯著。

目前針對新疆機采棉加工，尤其是軋花環節，不同回潮率對皮棉加工質量的影響與最適宜的軋花回潮率研究尚未見報道。為此，本文基于新疆生產建設兵團第八師某軋花廠皮棉公檢數據，忽略加工工藝參數變化對皮棉加工質量的影響，統計分析直接受棉花加工過程影響的棉纖維長度、長度整齊度指數及斷裂比強度隨回潮率的變化趨勢，并討論各指標變化的原因，為軋花回潮率參數的選取及棉花加工工藝優化提供支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源

選取2018年新疆生產建設兵團農八師某軋花廠鋸齒機采細絨棉生產線整個軋季的皮棉公檢數據。數據來自中國纖維質量監測中心。檢驗單位為石河子纖維檢驗所，檢驗依據國家標準GB 1103.1—2012《棉花 第1部分：鋸齒加工細絨棉》。

1.2棉花回潮率特性

棉花加工主要目的是將籽棉變成皮棉，其加工環節主要依次包括喂花、一道籽棉干燥、一道籽棉清理、二道籽棉干燥、二道籽棉清理、軋花、皮棉清理和打包。棉花加工過程中，由于各加工環節之間棉花的輸運方式為氣力輸送，棉花在與大量的空氣混和輸運過程中，在沒有人為干預下，其回潮率會隨著加工進行而改變。棉花回潮率的改變受環境因素的影響，環境相對濕度大，則棉花回潮率有可能增加，反之則相反。在新疆棉區，由于其干旱少雨的氣候條件，棉花加工過程中其回潮率逐漸降低，實際生產過程中，軋花和打包之間的回潮率風運損失在1.5%左右。一天之內，隨著環境濕度的變化，棉花回潮率會相應的改變。另外，各個加工環節在整個加工工藝中作用不同，結合棉纖維物理特性，每個加工環節所最適宜的棉花回潮率也不盡相同。而整個軋花工藝中，主要影響皮棉加工質量的是軋花環節。

1.3 研究方法

GB 1103.1—2012規定了棉花加工中細絨棉的質量要求包括品級、長度、馬克隆值、回潮率、含雜率、斷裂比強度、長度整齊度指數及色特征等［13］。品級、馬克隆值及色特征等受棉花的成熟度、色澤、棉花纖維細度等棉花加工前固有特性影響，其不完全受棉花加工過程的影響。與棉纖維質量密切相關的長度、長度整齊度指數及斷裂比強度等指標均主要受棉花加工過程的影響，故把這3個指標作為分析對象。

為更好研究棉花回潮率對皮棉加工質量的影響，首先對該廠整個軋季皮棉（打包機處皮棉）回潮率的分布進行統計分析。其中總樣本數為114 356個，皮棉回潮率統計結果：中位數5.000%，平均值4.966%，最小值3.500%，最大值8.400%，極差4.900%，標準差0.623，變異系數0.126。

由統計可知皮棉回潮率分布在3.5%～8.4%之間，將樣本數據按照0.2%等間隔分成26組，其分布頻率直方圖如圖1所示。

圖1 皮棉回潮率直方圖

由皮棉統計值及頻率直方圖可以看出，皮棉回潮率均值在5%左右，皮棉回潮率90%的概率分布在4%～6%之間。根據皮棉回潮率統計值，實際軋花回潮率平均值在6.5%左右，分布范圍5.5%～7.5%之間。皮棉回潮率在3.5%～8.4%之間，由于7.9%～8.4%之間時對應的樣本值較少，為保證樣本的代表性，打包皮棉回潮率在7.9%～8.4%的不包括在本次統計分析之內。將3.5%～7.8%之間的打包皮棉回潮率間隔0.1%，對長度、長度整齊度指數及斷裂比強度做相應的統計分析。根據皮棉加工相關統計指標隨皮棉回潮率的變化趨勢，選取皮棉回潮率在3.5%～7%，采用一元多項式回歸分析棉纖維長度、長度整齊度指數及斷裂比強度與回潮率的關系，該方法是研究1個因變量與1個或多個自變量間多項式的回歸分析方法，可通過增加自變量階數進行盡可能的逼近［14］。

2 不同回潮率對應皮棉質量指標統計結果

統計結果表明，棉纖維的中位數為29.000 mm，平均長度為28.990 mm，最小值為26.700 mm，最大值為32.100 mm，標準差為0.509。皮棉回潮率的變化對棉纖維長度的影響較為顯著（P<0.05），且隨著打包皮棉回潮率的增加，棉纖維長度基本呈上升趨勢，但當皮棉回潮率高于7%時，棉纖維長度隨著皮棉回潮率的提高呈現較大的波動，并且有一定的下降趨勢。棉纖維長度整齊度指數的中位數為82.200%，平均值為82.141%，最小值為76.200%，最大值為85.900%，標準差為0.797。皮棉回潮率的變化對長度整齊度指數的影響較為顯著（P<0.05），且隨著皮棉回潮率的增加，棉纖維長度整齊度指數基本呈上升趨勢，當回潮率高于7%時，波動增加，但總體仍呈上升趨勢。棉纖維斷裂比強度的中位數為28.600 cN/tex，平均值為28.623 cN/tex，最小值為22.300 cN/tex，最大值為35.400 cN/tex，標準差為1.148。皮棉回潮率的變化對棉纖維斷裂比強度的影響較為顯著（P<0.05），且隨著皮棉回潮率的增加，棉纖維斷裂比強度基本呈上升趨勢。但當皮棉回潮率高于7%時，棉纖維斷裂比強度隨著皮棉回潮率的提高呈現較大的波動。

3 回潮率與皮棉加工質量指標關系分析

統計結果表明，當回潮率高于7%時，棉纖維長度、長度整齊度指數及斷裂比強度出現較大的波動，可見過高的回潮率不適宜用于指導加工生產，故回潮率與皮棉加工質量的關系分析只針對回潮率在低于7%的情況。

3.1 回潮率與棉纖維長度關系

根據不同回潮率對應棉纖維長度的統計結果，通過Origin軟件進行回潮率和棉纖維長度的一元高次函數的回歸分析，根據變化趨勢中出現的兩個波峰和兩個波谷，選擇多項式階數為3，分析見式（1），并擬合出二者的關系曲線圖，如圖2所示。

式中：x為皮棉回潮率；y1為棉纖維長度。

圖2 皮棉回潮率與棉纖維長度的關系曲線

在給定的顯著性水平0.05下，F檢驗顯著，并且調整的多重判定系數為0.905，接近1，可判斷所建立的模型可靠程度較高。由擬合數學模型（1）可知，皮棉回潮率由4%增加到7%，棉纖維長度由28.915 mm增加到29.236 mm，增加了0.321 mm，回潮率每增加1%，棉纖維長度平均增加0.107 mm。對于該軋花廠的統計值可知，皮棉回潮率平均4.966%，皮棉回潮率90%的概率分布范圍為4%～6%，棉纖維平均長度為28.990 mm。所有設備參數均不調整情況下，在軋花前烘干后對籽棉調濕，調整籽棉回潮率為8.5%左右（成包皮棉回潮率在7%左右），則打包皮棉棉纖維長度均可達到29.236 mm，皮棉等級均在3級以上。

3.2 回潮率與棉纖維長度整齊度指數關系

根據不同回潮率對應的棉纖維長度整齊度指數的統計結果，通過Origin軟件進行回潮率和棉纖維長度整齊度指數的一元高次函數的回歸分析，根據變化趨勢中出現的兩個波峰和兩個波谷，選擇多項式階數為3，分析見式（2），并擬合出二者的關系曲線圖，如圖3所示。

式中：x為皮棉回潮率；y2為棉纖維長度整齊度指數。

圖3 皮棉回潮率與棉纖維長度整齊度指數的關系曲線

在給定的顯著性水平0.05下，F檢驗顯著，并且調整的多重判定系數為0.953，接近1，可判斷所建立模型的可靠程度較高。由式（2）可知，皮棉回潮率由4%增加到7%，棉纖維長度整齊度指數由81.933%增加到82.471%，增加了0.538%，回潮率每增加1%，長度整齊度指數增加0.179%。

3.3 回潮率與棉纖維斷裂比強度關系

根據不同回潮率對應的棉纖維斷裂比強度的統計結果，通過Origin軟件進行回潮率和棉纖維斷裂比強度的一元高次函數的回歸分析，根據變化趨勢中出現的3個波峰和3個波谷，選擇多項式階數為4，分析見式（3），并擬合出二者的關系曲線圖，如圖4所示。

式中：x為皮棉回潮率；y3為棉纖維斷裂比強度。

圖4 皮棉回潮率與棉纖維斷裂比強度的關系曲線

在給定的顯著性水平0.05下，F檢驗顯著，并且調整的多重判定系數為0.947，接近1，可判斷所建立的模型可靠程度較高。由式（3）可知，皮棉回潮率由4%增加到7%，棉纖維斷裂比強度由28.430 cN/tex增加到29.242 cN/tex，增加了0.812 cN/tex，回潮率每增加1%，棉纖維斷裂比強度平均增加0.271 cN/tex。

4 結果分析

結果表明，當皮棉回潮率低于7%時，隨著回潮率的增加，皮棉加工質量相關指標提高；當皮棉回潮率高于7%時，隨著回潮率的增加，皮棉加工質量相關指標出現較大的波動，呈現不可控的狀態。研究表明，棉花加工過程中，軋花為對皮棉質量影響最大的環節［15］，故從軋花過程分析回潮率對皮棉加工質量的影響。軋花過程中，籽棉在軋花機中箱內形成一定密度的籽棉卷，通過鋸齒勾拉實現棉纖維與棉籽的分離，棉纖維受到鋸齒的勾拉力、棉纖維與棉籽之間的附著力、纖維之間的摩擦力及棉花與墻板之間的摩擦力。國外相關研究表明，回潮率在3%～15%之間時，隨著回潮率的增加，棉纖維強力增加；回潮率在3%～11%之間時，棉纖維與棉籽的附著力隨回潮率的增加相對恒定；當回潮率增加時，棉纖維之間的摩擦力增加。

由此分析，當回潮率低于7%時，棉纖維的強力隨回潮率的增加而增加，棉纖維與棉籽的附著力恒定，棉纖維之間及棉纖維與設備表面的摩擦力較低，鋸齒對纖維的勾拉過程中，摩擦力對皮棉加工質量影響較小，棉纖維的強力為皮棉加工質量的主導因素。因此，當回潮率低于7%時，隨著回潮率的增加，皮棉加工質量呈上升趨勢；當回潮率高于7%時，雖然隨回潮率的增加，棉纖維強力增加，但棉纖維之間及棉纖維與設備表面的摩擦力增加。摩擦力增加會影響設備喂花量的平穩性，喂花量將出現較大的波動，此時籽棉卷的密度將會時高時低。籽棉卷密度較低時，棉纖維強力為主導因素，故回潮率較高時，皮棉加工質量較好；籽棉卷密度較高時，摩擦力為主導因素，此時摩擦力大于或接近棉纖維強力，一部分纖維將不會從纖維根部脫離棉籽，所需的勾拉力增加，這樣棉纖維長度降低，長度整齊度指數降低，斷裂比強度受損。

5 結論

（1）回潮率對皮棉加工質量的影響較為顯著。當皮棉回潮率低于7%時（對應籽棉回潮率低于8.5%），隨著皮棉回潮率的增加，棉纖維長度、長度整齊度指數及斷裂比強度均呈上升趨勢，進而棉花加工質量提高。

（2）最適宜軋花的籽棉回潮率為8.5%，籽棉回潮率過高或過低均影響皮棉加工質量。

（3）目前新疆棉區機采棉加工工藝中，為達到清理效果，采用兩道烘干，通常實際軋花環節的籽棉回潮率（6.5%左右）相比最適宜籽棉回潮率偏低。為提高棉花加工質量，在棉花加工工藝的二道籽棉清理后和軋花前增加籽棉加濕裝置，實時調控軋花前籽棉回潮率為8.5%。這樣既能保證生產的順利進行，又保證軋花廠的經濟效益。