軋花環境溫濕度對棉花長度和強度指標的影響

袁少琦 張純宇 戴 偉 徐 紅

（新疆大學，新疆烏魯木齊， 830046）

新疆是我國棉花的主產區，2018年新疆棉花產量占全國當年產量的83.8%［1］，2020年新疆棉花產量516.1萬t，占全國總產量的87.3%。同時，新疆機采棉技術也在快速普及，目前機采棉大約占80%，但機采棉的纖維品質相比較于進口棉還有一定的差距［2］。從各方面尋求改善新疆棉花品質的途徑，對提升新疆棉花產業鏈的競爭力顯得極為迫切。

在棉花加工過程中，軋花車間通常沒有采取密封措施，車間溫濕度隨室外空氣變化波動。新疆機采棉加工時間一般從10月10號左右開始，到12月份或者次年1月份結束，在這期間隨著室外溫度的波動，軋花車間的溫度一般在25 ℃～-10 ℃左右。中國纖維檢驗局［3］在實驗室對5 ℃～40 ℃棉纖維回潮率與相對濕度、溫度的關系做過模擬研究，結果顯示棉花回潮率隨溫度下降呈上升趨勢。鑒于新疆地區棉花軋花季節低溫氣候的特點，系統研究軋花環境溫濕度對棉花初加工質量的影響，對于改進和提升新疆棉花品質具有重要的意義。

1 試驗內容與方法

1.1 采樣地點和時間

新疆昌吉州瑪納斯縣某軋花廠，從2020年10月10號到2020年12月10號，對該廠皮清后打包前的機采棉進行采樣，并記錄取棉口對應的溫濕度以及棉樣回潮率，采樣期間取棉口溫度范圍在16.4 ℃～-8.1 ℃。軋花廠取樣結束后，將棉樣送回紡織廠實驗室，在標準溫濕度狀態下平衡24 h以上，在標準狀況下，采用USTER HVI1000型大容量棉纖維測試儀檢測相關質量指標。

1.2 棉花初加工工藝流程

本試驗皮棉取棉口在鋸齒皮清機之后、皮棉滑道之前的管道檢查口。棉花初加工工藝流程：喂棉→重雜物清理→一道籽棉烘干→鈴殼清理→一道復式籽棉清理→二道籽棉烘干→二道復式籽棉清理→復式鋸齒軋花→氣流皮清→鋸齒皮清→皮棉滑道（加濕）→取樣、打包。

1.3 試驗數據

在GB 1103.1—2012《棉花 第1部分：鋸齒加工細絨棉》中，細絨棉質量指標包括品級、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澤特征等［4］。本研究選擇棉花上半部平均長度Len、長度整齊度指數Unf、短纖維指數SFI、斷裂比強度Str、斷裂伸長率Elg等5項指標作為研究對象。有關軋花環境溫度t、相對濕度φ、棉花回潮率W及棉花質量試驗數據如表1所示。

表1 軋花環境溫濕度與測試棉花質量指標

1.4 分析方法

在棉花加工過程中回潮率對棉花加工質量有較大的影響，實際上棉花回潮率與環境溫濕度密切相關，撇開環境溫度，僅研究棉花回潮率對棉花加工質量的影響具有一定的片面性。由于在一定環境條件下，空氣相對濕度是受溫度制約，即在溫度、相對濕度與回潮率三者的變化中溫度是自變量。我們以溫度為對象，首先分析研究其對環境相對濕度及棉花回潮率的影響，在此基礎上研究溫度對棉花長度和強度指標的影響。

根據我們所采集的不同環境溫度對應的相對濕度、棉纖維回潮率及纖維長度和強度指標的統計結果，通過Python軟件進行一元高次函數回歸分析，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，根據變化趨勢，選擇適當的多項式階數，得到回歸方程式與擬合曲線，可以通過增加自變量階數進行盡可能的逼近，并通過相關系數（r）判斷它們之間的相關性程度，如式（1）所示。

式中：r值的絕對值介于0～1之間。r越接近于1，表示兩個變量之間的相關程度就越強；越接近于0，表示兩個變量之間的相關程度就越弱。一般|r|取值與相關程度規定如下。|r|取值范圍分別為0～0.19、0.20～0.39、0.40～0.69、0.70～0.89、0.90～1.00時，|r|的意義依次表示為極低相關、低度相關、中度相關、高度相關、極高相關。

2 棉花吸濕機理分析

根據纖維吸濕機理，棉纖維在吸濕或放濕過程中，從棉纖維表面到內部存在著水分子蒸汽壓力的勢能差。當吸濕時，水汽壓力的勢能外高內低；當放濕時，水汽壓力內高外低。棉纖維含濕包含兩部分，一部分為表面含濕，另一部分為內部含濕。當溫度較高時，水分子活力強，棉纖維吸濕過程中更容易進入纖維內部，吸濕平衡時間較短，纖維表面不易積聚水分；當溫度過低時，水分活力降低，棉纖維吸濕能力較差，纖維內部幾乎很難吸收水分，纖維表面容易積聚水分，此時纖維的含濕表面部分較多。這種現象在新疆冬季軋花過程中表現比較突出，低溫高濕環境，棉纖維吸濕困難，棉花表面潮濕，影響軋花質量。

3 溫度與棉花各項質量指標的關系

3.1 溫度與上半部平均長度的關系

溫度與棉花上半部平均長度的回歸方程如式（2）所示，兩者關系的擬合曲線如圖1所示。

式中：Len為棉花上半部平均長度（mm）；t為棉纖維所處環境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.767，屬于高度相關。由圖1可以看出，溫度在-8.1 ℃～16.4 ℃時，棉花上半部平均長度先增加后減小。

圖1 環境溫度與棉花上半部平均長度的關系

當溫度下降到0 ℃附近及以下時，棉花處于高濕狀態，雖然棉纖維本身強度增加，但同時纖維的基部與棉籽的結合力也增大，軋花困難［5］，另外由于低溫使得棉纖維柔曲性減小、脆性增加，尤其是-5 ℃以下可能還存在冰晶破裂刺傷纖維等，導致棉花上半部平均長度減小；當環境溫度在-8.1 ℃時，此時由于冰凍、潮濕等原因，棉纖維的物理機械性能都很差，纖維纏結、機械撕扯導致棉花上半部平均長度最小；當溫度在3 ℃～10 ℃時，環境相對濕度處于正常范圍時，棉花上半部平均長度較大；當溫度在16.4 ℃時，環境相對濕度較低，由于環境干燥，棉纖維表面干脆，加之軋花速度的增加會損傷纖維，上半部平均長度整體減小。

3.2 溫度與長度整齊度指數的關系

溫度與棉花長度整齊度指數的回歸方程如式（3）所示，兩者關系的擬合曲線如圖2所示。

式中：Unf為棉花長度整齊度指數（%）；t為棉纖維所處環境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.615，屬于中度相關。由圖2可以看出，當溫度在-8.1 ℃～16.4 ℃時，棉花長度整齊度指數的變化也是先增加后減小。

圖2 環境溫度與棉花長度整齊度指數的關系

當溫度在-8.1 ℃附近時，環境相對濕度處于潮濕，而且棉纖維可能有冰晶，導致棉花長度整齊度指數減小；當溫度在16.4 ℃時，環境相對濕度低，由于干燥，纖維表面干脆，加之較快的軋花速度，長度整齊度指數減小。需要說明的是，當溫度在7 ℃和16.4 ℃附近時，出現個別點離回歸曲線較遠的現象，查閱該數據對應的軋花速度，發現此時軋花速度較該時間段的平均速度高，這可能是導致該處數據低、離散性大的原因。

3.3 溫度與短纖維指數的關系

溫度與棉花短纖維指數的回歸方程式如式（4）所示，兩者關系的擬合曲線如圖3所示。

式中：SFI為棉花短纖維指數（%）；t為棉纖維所處環境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.551，屬于中度相關。由圖3可以看出，溫度在0 ℃左右是一個轉折點，在0 ℃以下，隨著溫度的降低，短纖維指數迅速增加，尤其是-8.1 ℃這個點，增加十分明顯，這除了低溫潮濕產生的纏結以及低溫使得棉纖維柔曲性減小、脆性增加的因素外，還可能存在冰晶破裂產生的刺傷纖維；在0 ℃以上，短纖維指數隨溫度的增加緩慢增加，這主要是由于軋花速度的提升引起的，但是當溫度上升到10 ℃以上時，進入干燥區，此時棉纖維強度隨纖維回潮率的降低而降低也是一個因素。

圖3 環境溫度與棉花短纖維指數的關系

3.4 溫度與斷裂比強度的關系

溫度與棉花斷裂比強度的回歸方程式如式（5）所示，兩者關系的擬合曲線如圖4所示。

式中：Str為棉花斷裂比強度（cN/tex）；t為棉纖維所處環境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.620，屬于中度相關。由圖4可以看出，溫度在-8.1 ℃～16.4 ℃時，棉花斷裂比強度隨溫度增加而增加。

圖4 環境溫度與棉花斷裂比強度的關系

當溫度低于3 ℃時，環境相對濕度高，基本大于75%，棉纖維間容易纏結，而且纖維的基部與棉籽的結合力也增大，軋花困難；當溫度下降到更低時，棉纖維中會出現冰晶，刺傷纖維，導致纖維的斷裂比強度最低。當溫度在3 ℃～10 ℃時，環境相對濕度在正常范圍，回潮率隨溫度的增加波動不大，所以棉纖維的斷裂比強度在增加。當溫度高于10 ℃時，一方面由于棉纖維的柔曲性及脆性改善使得棉花損傷減小，另一方面因環境相對濕度變低，纖維回潮率降低以及軋花速度的提升，使得棉纖維強力變差，幾個因素綜合作用，棉纖維斷裂比強度呈現較小的波動狀態。

3.5 溫度與斷裂伸長率的關系

溫度與棉花斷裂伸長率的回歸方程如式（6）所示，兩者關系的擬合曲線如圖5所示。

式中：Elg為棉花斷裂伸長率（%）；t為棉纖維所處環境溫度（℃）。

在給定的顯著性水平0.05下，r為0.562，屬于中度相關。由圖5可以看出，當溫度在-8.1 ℃～16.4 ℃時，棉纖維斷裂伸長率整體呈現先增大后減小趨勢。

圖5 環境溫度與棉纖維斷裂伸長率的關系

當溫度低于3 ℃時，環境相對濕度較高，棉纖維回潮率較高，纖維間的纏結，使得棉纖維斷裂伸長率較小；當溫度在3 ℃～10 ℃時，環境相對濕度在正常范圍，所以棉纖維斷裂伸長率增加；當溫度大于10 ℃時，環境相對濕度較低（在40%左右），棉纖維回潮率較低，棉纖維干脆導致斷裂伸長率減小。當溫度在15 ℃附近時，出現一個散點離回歸曲線較遠，查閱該數據對應的軋花速度，發現此時軋花速度高于該時間段的平均速度，因此這可能是導致該處數據偏低的原因。

4 結論

（1）在整個軋花季節，隨著溫度的升高，可根據環境的相對濕度將軋花時間粗略分為潮濕區（75%以上）、正常區（50%～75%）和干燥區（50%以下）。

（2）當溫度低于3 ℃后，處于潮濕區。此時雖然空氣潮濕，但含濕量卻很低，雖然測得的棉纖維回潮率在全年最高，但棉纖維實際吸濕較少，附著在棉纖維表面的水分較多，棉纖維表面發潮，加上低溫帶來的纖維脆性增加等原因，十分不利于生產加工，因此該時段加工的棉纖維長度和強度指標最低。

（3）當溫度在3 ℃～10 ℃時，相對濕度正常，纖維脆性變小，棉纖維的長度和強度指標呈現上升趨勢。

（4）當溫度高于10 ℃時，環境處于干燥狀態，軋花過程中放濕量較大，導致纖維回潮率偏低，雖然棉纖維的脆性減小、柔曲性增加有利于軋花，但低的回潮率加上較高的軋花速度，導致棉纖維斷裂比強度呈現較小的波動，其他長度和強度指標有下降趨勢。

（5）因為受棉花不一致性、現場取樣車速、環境溫濕度、烘干量等因素隨機變化的影響，上述研究結果相關性仍有一定局限性，但總體上還是可以看出它們之間的變化趨勢及規律，對新疆棉花加工工藝的改進和優化有一定參考價值。采取控制軋花環境溫濕度或選擇合適的溫濕度時間點軋花，有利于提升棉花長度和強度質量指標。