機采棉軋花加工對棉纖維性能影響的定量分析

奶茶色月季 2021-04-17

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原文刊自：2020年9月

第48卷（總第587期）

摘要

探討機采棉軋花加工對棉纖維性能影響。選取新陸中 35 品種，在 MY171 和 MY98 兩種典型的機采棉軋花加工生產(chǎn)線進行試驗，采用 HVI 及 AFIS 儀器對棉纖維性能進行測試，對比兩種軋花生產(chǎn)線所得棉纖維性能，定量分析了軋花加工中每道工序?qū)γ蘩w維的損傷程度。結(jié)果表明：軋花機加工后對棉纖維均有損傷，棉纖維的長度和整齊度均大幅下降，短纖指數(shù)大幅升高；MY98 比 MY171 軋花生產(chǎn)線加工所得纖維的質(zhì)量略優(yōu)。認為：以此定量分析結(jié)果為參考依據(jù)，可合理選擇軋花生產(chǎn)線并調(diào)整加工工序，以提高軋花加工所得棉纖維的質(zhì)量。

關鍵詞

軋花加工；生產(chǎn)線；新陸中 35；機采棉；HVI；AFIS；棉纖維性能；定量分析

棉花產(chǎn)業(yè)在新疆國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的地位。新疆已成為中國最具發(fā)展實力的新型棉花產(chǎn)業(yè)區(qū)域。棉花種植業(yè)已成為植棉區(qū)農(nóng)民脫貧致富的主要途徑。棉花產(chǎn)業(yè)是為社會提供就業(yè)機會的主要平臺，該產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展也是財政收入的重要支柱。棉花產(chǎn)業(yè)的工業(yè)價值高、產(chǎn) 業(yè)聯(lián)動性強，棉花及棉花制成品的生產(chǎn)、加工、儲運、貿(mào)易等事關國計民生。

根據(jù)國家統(tǒng)計局報告，2019 年全國棉花總產(chǎn) 量為 589 萬 t，比 2018 年減產(chǎn) 21. 28 萬 t。2018 年新疆棉花總產(chǎn)量為 511. 09 萬 t，占全國總產(chǎn)量的 83. 75%。因此，新疆棉花質(zhì)量對全國棉花質(zhì)量及棉制品質(zhì)量具有重要的影響。

在棉花加工過程中，雖然不同軋花機的工作原理基本相同，但軋花加工的不同機械工藝參數(shù)對棉纖維品質(zhì)的影響較大。本文對比兩種典型軋花工藝，從籽棉清理到皮棉清理過程中各機臺加工后的纖維品質(zhì)變化，選用 USTER HVI 1000 型大容量棉花測試儀（簡稱 HVI）測試分析棉花長度、強力、馬克隆值、顏色和雜質(zhì)等指標，采用 USTER AFIS PRO2 型單纖維測試儀（簡稱 AF? IS）分析單纖維的雜質(zhì)、棉結(jié)和長度變化，定量化分析每道工序?qū)γ蘩w維的損傷程度，為合理調(diào)整軋花生產(chǎn)線和加工工序，最終達到提高棉纖維質(zhì) 量的目標提供參考。

1 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

1. 1 試驗采樣

通過對南北疆多地的機采棉軋花廠進行調(diào)研，選取庫爾勒地區(qū)的 29 團軋花廠進行試驗樣品的加工及采樣。該廠軋花設備保養(yǎng)及維護良好，同時具備 MY171 及 MY98 兩條軋花生產(chǎn)線，為目前新疆機采棉軋花加工的典型代表。該廠可配合將單個品種的籽棉進行單獨堆垛并完成試驗加工。選定新陸中 35作為試驗品種。對所抽取的各樣品的籽棉堆、各道數(shù)清理后棉堆以及皮棉分別測試回潮率，以確保無異常，加工樣品后進行取樣，保證基本試驗樣品的一致性。

1. 2 樣品測試

棉花樣品處理：通過兩組數(shù)據(jù)對加工所得棉纖維進行測試。根據(jù) HVI 以及 AFIS 的測試要求，測試樣品中含有棉籽將會影響測試，由于籽棉以及軋花機前的工序無法去除棉籽，我們采用手工剝除棉籽的方法進行試驗準備。在測試樣品前，需將棉花樣品放入平恒框內(nèi)，單個棉樣的質(zhì)量不低于 350 g，在溫度 25 ℃、相對濕度 65% 的環(huán)境下平恒 24 h 后等待測試。

HVI 及 AFIS 測試：對 HVI 的各個測試模塊進行校準。HVI 由馬克隆模塊、長度/強度模塊、顏色/雜質(zhì)模塊和控制模塊等 4 個獨立的模塊組成，為防止異常值等各方面因素，每道工序樣品測 5 次，每次所需棉樣 65 g 左右，共 325 g。對于 AFIS 測試，首先將原棉樣品進行開松，樣品在上述環(huán)境中平衡 24 h 后，均勻成條后進行測試，每道工序樣品測試 5 次。

1. 3 數(shù)據(jù)處理方法

首先，將所有試樣經(jīng) HVI 及 AFIS 測得的纖維指標，按軋花機械和清理道數(shù)兩組變量進行分組，使用 Grubbs 進行異常值檢測，顯著性水平為 0. 05，排除異常值，再統(tǒng)計分析，得到以下分析結(jié) 果和結(jié)論。

2 結(jié)果與分析

1996 年正式進行機采棉技術(shù)試驗，經(jīng)過 5 年探索出從種植、采收、加工的整體模式，隨后逐漸在全疆進行機采棉體系的推廣。雖然機采棉采收及加工效率有所提高，但近年來新疆棉花質(zhì)量的逐漸下降有目共睹。通過田野調(diào)研，部分軋花廠技術(shù)人員認為，機采棉品種、采收及加工整體的配合性是影響棉花質(zhì)量的重要因素。通過對機采棉典型軋花生產(chǎn)線的每道加工機械后進行取樣試驗，探究機采棉軋花加工合理的工藝道數(shù)。一般機采棉軋花加工清理工序包含以下 8 道：先是籽棉清理 4 道，再是軋花清理 1 道，最后是皮棉清理 3 道。在 MY171 及 MY98 生產(chǎn)線的每一道加工后都有取樣窗口，可對每個清理道數(shù) 后的棉纖維進行取樣。但MY171 軋花生產(chǎn)線的籽棉 3 道清理和籽棉 4 道清理之間為閉合式，故 MY171 軋花生產(chǎn)線的籽棉 3 道清理無樣品。

2. 1 HVI 測試分析

2. 1. 1 長度及馬克隆值指標分析

HVI 測試纖維的上半部分平均長度如圖 1 所示。棉纖維的長度在軋花生產(chǎn)線中基本為下降趨勢，MY98 加工的纖維則從 30. 48 mm 減小到 28. 87 mm，減小了 1. 61 mm，MY171 軋花機加工后纖維長度從 30. 95 mm 減小到 29. 02 mm，減少了 1. 93 mm。參照 GB1103—2012《棉花細絨棉》標準，兩者均從長度分級中下降一個等級。清理道數(shù)對長度的影響見圖 1。

圖1中，橫坐標數(shù)字 1 為進廠籽棉，2 為籽棉清理 1 道，3 為籽棉清理 2 道，4 為籽棉清理 3 道，5 為籽棉清理 4 道，6 為軋花清理，7 為皮棉清理 1 道，8 為皮棉清理 2 道，9 為皮棉清理 3 道。全文圖 1~圖 8 中橫坐標數(shù)字解釋相同。

如圖 1 所示，MY171 不同道數(shù)籽棉清理所得的纖維長度指標有波動，分析原因可能是由于人工去除棉籽時對棉纖維造成的影響。兩種軋花工序所加工棉纖維均在長度標準級 28 mm 以上，屬于長度分級中的正常范圍。

長度整齊度是反映棉纖維長度分布的集中性與離散性的指標，良好的纖維整齊度對紡紗生產(chǎn)和成紗質(zhì)量有利。清理道數(shù)對長度整齊度的影響見圖 2。

如圖 2 所示，長度整齊度隨著軋花道數(shù)的增加而逐漸降低。在軋花加工后，長度整齊度明顯降低，MY171 軋花機加工后的棉纖維長度整齊度從 86. 47% 降低至 81. 75%；MY98 軋花機加工所得則從 85. 51% 降低至 82. 03%。兩條生產(chǎn)線都是從高等檔次降低至中等檔次。從進場籽棉至最終的皮棉，兩者分別下降了 4. 72% 和 3. 48%，棉纖維長度整齊度均在 82% 左右，根據(jù)長度整齊度指數(shù)分檔，屬于中等檔次。

棉纖維中短纖維含量直接會影響到紡紗過程中落棉情況、紗線斷頭率以及成紗質(zhì)量。短纖維含量越高，落棉增加，生產(chǎn)效率降低，導致成本增加；另外，短纖維含量過高，會在牽伸時出現(xiàn)過多的浮游纖維，使得紗線條干均勻度變差。本文短纖指標選取的是經(jīng)過 HVI 測試所得的短纖指數(shù)，HVI 中的短纖指數(shù)指標是 USTER 的計算值。清理道數(shù)對短纖指數(shù)的影響見圖 3。

如圖 3 所示，棉纖維經(jīng)過軋花機的加工后，短纖指數(shù)急劇上升，使用 MY171 加工所得棉纖維短纖指數(shù)從 9. 22% 上升到 21. 96%；MY98生產(chǎn)線從 11. 03% 上升到 21. 96%。

馬克隆值是反映細度及成熟度的綜合指標，馬克隆值過低則成熟度差，易產(chǎn)生有害疵點且染色性能差，過高又會影響成紗強力。纖維表面的粗糙程度與表面物質(zhì)會影響馬克隆值的測試值。清理道數(shù)對馬克隆值的影響見圖 4。

如圖 4 所示，在兩條生產(chǎn)線中，通過不同加工道數(shù)后，纖維馬克隆值呈現(xiàn)波動狀態(tài)。原因可能在于纖維表面物質(zhì)的變化，以及通過機械力作用后纖維表面粗糙程度有所變化，從而導致馬克隆值在整個加工過程中的波動。對于相同品種的棉纖維在機械力作用下，成熟度和細度總體基本一致，但馬克隆值卻有波動。因此可推測馬克隆值指標作為評判棉纖維質(zhì)量指標的問題有待討論。

2. 1. 2 雜質(zhì)及顏色級指標分析

棉花在兩種軋花加工生產(chǎn)線加工后所得棉纖維的雜質(zhì)情況如圖 5 所示。雜質(zhì)面積在加工過程中明顯下降，且兩條軋花加工線對棉纖維的雜質(zhì)面積影響差距較小。

如圖 5 所示，棉纖維經(jīng)過兩種不同的軋花加工后，雜質(zhì)粒數(shù)都顯著減少。在整體清理加工過程中，MY98 生產(chǎn)線雜質(zhì)粒數(shù)由 57 個降至 12 個， MY171 生產(chǎn)線雜質(zhì)粒數(shù)由 55 個降至 16 個。

葉屑等級是指 HVI 使用計算機圖像處理技術(shù)測量棉花中夾帶的雜質(zhì)含量（顆粒數(shù)）和面積百分率；葉屑是指包含葉片、破籽、帶纖維籽屑以及凡是與棉纖維反射率和黃度不同顏色的斑點。清理道數(shù)對葉屑等級的影響見圖 6。

如圖 6 所示，棉纖維的葉屑等級隨著清理道數(shù)的增加，由以 5 級為主體逐漸下降至以 2 級為主體，由結(jié)果可知，兩個軋花機加工出的棉纖維葉屑等級基本相同。

棉纖維的反射率是評定棉花等級的重要依據(jù)，與棉纖維的成熟度有關。清理道數(shù)對反射率及黃度的影響見圖 7。

如圖 7 所示，反射率隨著清理道數(shù)的增加總體也在呈現(xiàn)上升的趨勢，MY98 的樣品反射率從 74. 2% 上升到了 80. 1%，MY171 棉纖維樣品反射率從 74% 上升到了 79. 6%，兩種軋花機械分別上升了 5. 9% 和 5. 6% 的數(shù)值。棉纖維的黃色深度和反射率共同決定了其顏色級，使用 MY171 加工和 MY98 加工所得棉纖維的黃度在前 5 道加工時上升明顯，MY98 生產(chǎn)線樣品在皮棉清理 2 道和 3 道時黃度增長，最終的棉纖維黃度為 8. 64， MY171 最終所得棉纖維黃度為 8. 51。

表 1 和表 2 分別為 MY171 和 MY98 清理道數(shù) 對顏色級的影響。

從表 1 和表 2 可以看出，棉纖維的顏色級隨著清理道數(shù)的增加，顏色級為 21、31 級別的棉纖維的比例逐漸上升，而顏色級為 41 的棉纖維的比例在減小，最后軋花完成后顏色級為 41 的棉纖維只剩下 1%。而顏色級為 51 的棉纖維使用 MY171 生產(chǎn)線加工后被全部清除；使用 MY98 軋花機加工的則在第 1 道籽棉清理后顏色級為 51 的棉纖維被全部清除。

2. 1. 3 強伸性能指標分析

棉纖維的強伸性能指標見圖 8。

如圖 8 所示，兩條生產(chǎn)線的斷裂比強度基本都在 27 cN/tex 附近波動，此原因可能是軋花加工過程中，軋花機為鋸齒及鋸片的加工形式，加工過程相對粗糙，并不是每個纖維在機械加工中都受到機械力作用，最終導致測試的斷裂比強度不斷波動。纖維隨著籽棉清理、軋花加工以及皮棉清理等工序的機械力作用，棉纖維斷裂伸長率呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。使用 MY98 軋花加工生產(chǎn)線的棉纖維，在軋花機后棉纖維的斷裂伸長率下降較少，從 10. 9% 降低到 10. 1%。而 MY171 籽棉清理對纖維的斷裂伸長率影響大，后續(xù)加工對斷裂伸長率的影響較小，總體上斷裂伸長度從 11. 5% 降至 10. 1%。

紡紗一致性指數(shù)（SCI）是由多個質(zhì)量指標進行多元回歸所得。由于前道樣品存在雜質(zhì)多等問題，僅對最后一道樣品的 SCI 值進行計算。公式為：SCI = -414.67+ 2.9× Str - 9.32× Mic + 49.17× Len ( in )+ 4.74 ×Unf + 0.65× Rd + 0.36×(+b )。式中：Str 為纖維斷裂比強度，Mic 為馬克隆值，Len（in）為上半部平均長度， Unf 為長度整齊度，Rd 為反射率，（+b）為黃色深度。

通過 SCI 計算公式得出使用 MY171 軋花機加工的棉纖維紡紗一致性系數(shù)（SCI）為 118. 67，使用 MY98 軋花機加工的棉纖維紡紗一致性系數(shù)（SCI）為 120. 30。該棉花原料的品種均為新陸中 35 同時期采收，原棉性質(zhì)一致，通過不同生產(chǎn) 線加工后，纖維性能有改變導致最終的 SCI 值有差異，可知 MY98 生產(chǎn) 線對該品種加工相對較好。

2. 2 AFIS 數(shù)據(jù)分析

AFIS 測試單根纖維的指標，而 HVI 測試的為一束纖維的指標，我們通過 AFIS 的測試結(jié)果進行驗證。AFIS 測試本身對樣品的潔凈度有一定要求，僅對生產(chǎn)線最后兩道的樣品進行測試。AFIS 測試結(jié)果中纖維長度變化情況見圖 9。

如圖 9 所示，纖維長度變化與 HVI 測試的趨勢基本一致，HVI 測試的是上半部分平均長度，而 AFIS 所使用的長度為重量加權(quán)的平均長度，兩者趨勢一致。

通常AFIS測得的短纖率更為準確，即 MY98 在最后一道使短纖率由 4. 3% 變?yōu)?4. 8%，而 MY171 則由 4. 0% 變?yōu)?4. 3%。AFIS 測試中纖維雜質(zhì)變化情況見圖 10。

如圖 10 所示，通過最后一道皮棉清理后，雜質(zhì)大小及雜質(zhì)數(shù)量都減小，可見皮棉清理對雜質(zhì)的清理有一定作用。

AFIS 測試中纖維棉結(jié)變化情況見圖 11。

如圖 11 所示，總棉結(jié)數(shù)、纖維棉結(jié)數(shù)都在最后一道清理后提高，籽皮棉結(jié)數(shù)在 MY171 生產(chǎn) 線的加工下有小量降低，而在MY98 生產(chǎn)線升高。因此將棉結(jié)數(shù)量變化與長度、強伸指標變化相結(jié)合，尋找適當?shù)那謇淼罃?shù)及機械打擊力度，提高棉花纖維品質(zhì)的一項重要工作。

3 結(jié)論

通過對比兩種軋花生產(chǎn)線加工所得的棉纖維的物理機械性能，分析從進廠籽棉到皮棉之間每一道工序?qū)w維性能的影響，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出每道工序棉纖維各項性能指標的定量變化情況。通過試驗測試對比的數(shù)據(jù)性結(jié)果可知，兩種軋花生產(chǎn)線在軋花機加工后對棉纖維均有損傷，棉纖維的長度和整齊度均大幅下降，短纖指數(shù)大幅升高，這說明在棉籽去除的過程中，機械打擊對棉纖維物理機械性能影響很大。基于限定品種的棉纖維性能的數(shù)據(jù)測試結(jié)果而言， MY98 軋花生產(chǎn)線加工所得纖維要比 MY171 軋花生產(chǎn)線加工所得纖維的質(zhì)量略優(yōu)。同時，結(jié)合棉結(jié)雜質(zhì)等指標，不同軋花機械之間對棉花的部分物理機械性能的影響有差異，可以通過下游紡紗企業(yè)對雜質(zhì)或長度的要求選取不同的軋花生產(chǎn)線進行棉纖維的加工。此外，通過數(shù)據(jù)性結(jié) 果，再結(jié)合后道用棉企業(yè)紡紗廠的實際要求，可適當調(diào)整軋花生產(chǎn)線的工序道數(shù)，從而使得加工所得棉纖維具有更好的物理機械性能。本文為棉花加工行業(yè)提供了更加科學的數(shù)據(jù)性依據(jù)，可以避免因低水平棉花加工企業(yè)的重復建設而造成的社會資源浪費、市場秩序混亂等一系列問題。

資料來源：棉紡織技術(shù)

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