棉花水分檢測(cè)的基本原理和方法

摘要：棉花是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要經(jīng)濟(jì)作物之一，是輕紡工業(yè)的重要原料，它在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。棉花檢驗(yàn)工作是棉花生產(chǎn)、收購(gòu)、加工、貿(mào)易以及使用過(guò)程中不可缺少的環(huán)節(jié)。棉花檢驗(yàn)學(xué)是以研究棉纖維的結(jié)構(gòu)、成分、性能和棉花標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)技術(shù)、測(cè)試手段以及檢驗(yàn)儀器為主要內(nèi)容的技術(shù)學(xué)科。本文主要介紹了棉花水分檢測(cè)的基本原理和各種水分檢測(cè)的方法，對(duì)各種水分檢驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，得出最優(yōu)的測(cè)試方法。對(duì)于以后我國(guó)棉花水分檢驗(yàn)工作有重要的作用。

關(guān)鍵詞：水分檢測(cè) 基本原理 方法

衣、食、住、行是我們每個(gè)人都離不開的基本需求，從他們的變化可以清晰地看到社會(huì)的飛速發(fā)展。近年來(lái)衣服的千變?nèi)f化意味著原材料的供不應(yīng)求，而棉花是主要的原材料之一，因此，對(duì)于棉農(nóng)來(lái)說(shuō)，怎樣能夠快速的進(jìn)行棉花的收購(gòu)和檢驗(yàn)，這是首要考慮的問(wèn)題。棉花含水的多少影響棉花真實(shí)的重量和纖維的物理、化學(xué)性能，它與生產(chǎn)、收購(gòu)、初加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及紡織使用等方面也有著密切關(guān)系，并且為了促進(jìn)生產(chǎn)，保障棉農(nóng)的利益以及正確的計(jì)算重量，水分檢驗(yàn)是棉花檢驗(yàn)的重要項(xiàng)目之一。

1 棉花水分的含義及指標(biāo)

棉花水分是指棉纖維中含有的水分子。它有兩方面的內(nèi)容：一是纖維大分子上的羥基（OH）所吸入的水分，亦稱為吸收水。二是由纖維的毛細(xì)管的作用、多層吸附作用于纖維表面的粘著作用而產(chǎn)生的水分，亦稱為吸附水。但由于吸收水只有在高溫條件下或借助于化學(xué)作用才能逸出，且其纖維結(jié)構(gòu)亦會(huì)被破壞，因此，棉花水分多指吸附水而言，而且所謂棉花水分檢驗(yàn)的對(duì)象也正是指吸附水。從棉纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)講，吸附水只能進(jìn)入纖維內(nèi)部的無(wú)定型區(qū)。而結(jié)晶度與取向度均較高的結(jié)晶區(qū)（定形區(qū)）水分子是不能進(jìn)入的。所以棉纖維不會(huì)被水溶解。

棉花含水的指標(biāo)用含水率或回潮率來(lái)表示。含水率指纖維內(nèi)所含水的重量對(duì)濕纖維重量的百分比，用下面的計(jì)算公式：Wa=[（g0-g1）/g0]×100 其中：Wa指含水率（%）；g0指濕纖維重量（g）；g1指干纖維重量（g）?；爻甭手咐w維內(nèi)所含水的重量對(duì)于干纖維重量的百分比，用下面的計(jì)算公式：W=[（g0-g1）/g1]×100 其中：W指回潮率（%）；g0指濕纖維重量（g）；g1指干纖維重量（g）。由以上的定義公式推導(dǎo)出二者直接的換算的理論公式：Wa=[W/（100+W）]×100或W=[Wa/（100-Wa）]×100，其中W指回潮率（%），Wa指含水率（%）。棉花含水率標(biāo)準(zhǔn)為10%，（相當(dāng)于電測(cè)器回潮率9.66%）實(shí)際含水率不足或超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，實(shí)行扣補(bǔ)。最高限度為12%，超過(guò)最高限度應(yīng)攤曬整理。

2 棉花水分測(cè)試的基本原理

含水不同的棉花，具有不同的導(dǎo)電性能。棉花含水多，導(dǎo)電性能好，棉花含水少，導(dǎo)電性能差。在棉花兩端加上一定的直流電壓，采用電流表來(lái)量度通過(guò)棉花的電流，我們就可以從電流指針偏轉(zhuǎn)的大小來(lái)確定棉花含水率的高低。原理如下圖所示：

由圖可知，棉花是作為一個(gè)電阻串聯(lián)在電路中的。不同含水率的棉花具有不同的電阻值，棉花含水與電阻值之間的關(guān)系是一種非線性的負(fù)相關(guān)關(guān)系。棉花的阻值除因含水多少而有所不同外，棉花的密度，溫差和外加電壓的高低，對(duì)棉花的電阻值也有很大的影響。

3 棉花水分的檢驗(yàn)方法

3.1 直接法：通過(guò)各種干燥方法，驅(qū)除棉花中的水分，前后稱重得到棉樣的濕重和干重，求得棉花回潮率。常用的干燥方法有：烘箱法。我國(guó)細(xì)絨棉國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用烘箱法測(cè)定原棉回潮率。

烘箱法：①基本原理：取一定量的試樣，把其放入一定溫度的電熱烘箱內(nèi)烘驗(yàn)，直到試樣中的水分蒸發(fā)后試樣達(dá)到恒重，從烘干重量和原始重量的差異計(jì)算出原棉的回潮率。②試驗(yàn)方法：在烘驗(yàn)前應(yīng)該把稱好的試驗(yàn)試樣撕松，在進(jìn)行這項(xiàng)工作之前需要在下面放一張紙，所有落在這種紙上的雜物和短纖維等都應(yīng)該放回到試驗(yàn)試樣里，并且在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的棉籽、油棉等雜物，都應(yīng)該替換成同等重量的棉樣。最后把收集好的試驗(yàn)試樣放入烘籃里，要求充滿其容積的1/2-2/3。

把烘箱電源打開，等到其溫度升至105℃±3℃時(shí)，就可以把準(zhǔn)備好的烘籃放入其中，并在箱內(nèi)的溫度到達(dá)規(guī)定溫度的時(shí)候記錄時(shí)間。90分鐘后關(guān)閉電源。進(jìn)行第一次的箱內(nèi)稱重工作，做好記錄，稱完后，據(jù)關(guān)閉電源1分鐘時(shí)重新打開電源，等到箱內(nèi)的溫度重新到達(dá)規(guī)定的溫度后進(jìn)行續(xù)烘，如此15分鐘之后，再要要求進(jìn)行第二次稱量。直到兩次稱量的結(jié)果差異不超過(guò)后一次重量的0.05%，則后一次重量視為恒重。

試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算：

試樣回潮率Ri=[（Gi-Gio）/Gio]×100（i=1、2……n）其中：Ri指第i個(gè)試驗(yàn)試樣回潮率（%）；Gi指第i個(gè)試驗(yàn)試樣濕重（g）；Gio指第i個(gè)試驗(yàn)試樣干重（g）。

平均回潮率R=ΣRi（i=1、2……n）/n，其中：R指平均回潮率，（%），n指試驗(yàn)試樣數(shù)。

3.2 間接法：凡是不驅(qū)除棉花中的水分，不損壞試樣，并利用棉纖維的某些性質(zhì)，如電阻、介電常數(shù)等，在棉花回潮率不同時(shí)，具有不同數(shù)值特性，通過(guò)標(biāo)定這些特性與棉花所含水分的關(guān)系，就可間接測(cè)量而直接讀出棉花所含水分的數(shù)值。常用的間接法有電學(xué)測(cè)定法（電阻測(cè)濕儀、棉包回潮率在線測(cè)試系統(tǒng)、電容測(cè)濕儀）。我國(guó)細(xì)絨棉國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：批樣檢驗(yàn)時(shí)，采用烘箱法或電測(cè)器法測(cè)定原棉回潮率，以烘箱法為準(zhǔn)；逐包檢驗(yàn)時(shí)使用回潮率在線自動(dòng)檢測(cè)裝置在線測(cè)試棉花回潮率，以烘箱法為準(zhǔn)。

電測(cè)器法：首先必須了解棉纖維在不同的回潮率下它的電阻值是不同的，棉纖維的這種特性，如果能夠保證其他的實(shí)驗(yàn)條件是相同的，只需要測(cè)量棉纖維的電流大小就可以計(jì)算出棉花的回潮率。測(cè)定儀的方框圖：

4 棉花測(cè)試方法的對(duì)比

很多的因素都會(huì)影響棉花的水分，這些影響因素中既有內(nèi)部原因，也有外部原因。其中內(nèi)部因素是指棉花本身的微觀結(jié)構(gòu)。棉花是一種纖維素纖維，這種物質(zhì)的大分子上具有很多的親水集團(tuán)，能夠吸附很多的水，并且棉纖維里存在著結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，由于非結(jié)晶區(qū)的分子排列非常的紊亂，水分子很容易就可以進(jìn)入。此外影響棉花回潮率的內(nèi)部因素還有纖維素的伴生物，因?yàn)槠渚哂泻軓?qiáng)的吸水性。

棉花的放置環(huán)境和放置方式是影響棉花回潮率的外部因素。棉花被放置在不同的位置它的回潮率是不同的，而不同密度的棉花吸水能力是不同的，說(shuō)明棉花的放置方式對(duì)棉花的回潮率也有著很重要的影響。

4.1 兩種方法的測(cè)試原理及特點(diǎn)：①烘箱法測(cè)試原理：這種測(cè)試方法的原理是取一定量的試樣，把這些試樣放入電熱烘箱內(nèi)烘驗(yàn)，并且對(duì)烘箱的溫度進(jìn)行了規(guī)定，直到烘驗(yàn)到試樣達(dá)到恒重，從烘驗(yàn)后得出的試樣重量和原始試樣重量的差異就可以計(jì)算出棉花的回潮率。這種測(cè)試方法的特點(diǎn)是根據(jù)棉花回潮率定義的公式，把需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都先得出，然后直接計(jì)算出棉纖維的回潮率。它的優(yōu)點(diǎn)是不受環(huán)境變化的影響、測(cè)試結(jié)果也比較科學(xué)可靠。缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，工作效率不高等。②HVI法測(cè)試原理：讓被測(cè)試棉花和HVI儀器中的水分感應(yīng)元件進(jìn)行接觸，儀器就會(huì)把試樣的含水情況傳送到水分測(cè)試運(yùn)算單元，由其計(jì)算出最終的回潮率數(shù)值。整個(gè)過(guò)程有電腦運(yùn)算是該測(cè)試方法的特點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)是工作效率高、不僅節(jié)省人力，還節(jié)約時(shí)間，缺點(diǎn)是這種測(cè)試方法得出的結(jié)果受自身儀器大小的限制，一般都只能代表一部分棉樣的回潮率，所以采取這種測(cè)試方法的時(shí)候必須進(jìn)行多次測(cè)試取平均值。

4.2試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)設(shè)備：Y802A型八籃烘箱是烘箱法所采用的儀器；M-1000型HVI是HVI法所采用的儀器。

4.2.2 試驗(yàn)方法：選擇不同性質(zhì)的20批棉花進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，要求每批棉花的質(zhì)量必須大于等于2kg，然后把這些棉花分成重量相等的兩份，分別進(jìn)行HVI測(cè)試和烘箱。并且為了減少環(huán)境變化帶來(lái)的誤差，應(yīng)該保證各棉花試樣是在相同的溫濕度條件下同時(shí)進(jìn)行的測(cè)試。

烘箱法：依照GB/T 6102.1-2006《原棉回潮率測(cè)試法 烘箱法》規(guī)定要求，應(yīng)該稱取8份50g的棉花樣品，適當(dāng)加以開松后，依次放入烘箱的8個(gè)轉(zhuǎn)籃。開啟烘箱，進(jìn)行測(cè)試。每隔一定的時(shí)間對(duì)樣品進(jìn)行稱重一次，直到樣品重量不再發(fā)生變化，達(dá)到恒重狀態(tài)。通過(guò)用鏈條天平稱量記錄下樣品的恒重G0。分別計(jì)算每個(gè)轉(zhuǎn)籃中樣品的回潮率，以8個(gè)轉(zhuǎn)籃中樣品的平均回潮率作為烘箱法測(cè)試的樣品的最終回潮率。

HVI法：選擇HVI模塊測(cè)試中的長(zhǎng)/強(qiáng)模塊程序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程應(yīng)該嚴(yán)格按照GB/T 20392-2006《HVI棉纖維物理性能試驗(yàn)方法》規(guī)定要求進(jìn)行。從樣品中取出兩份20g左右的棉花，分別放入HVI儀器的兩個(gè)取樣器進(jìn)行測(cè)試，電腦將取兩個(gè)數(shù)值的平均結(jié)果作為本次試驗(yàn)的最終結(jié)果。取出測(cè)試完畢樣品，另取不同部位的棉花進(jìn)行測(cè)試。重復(fù)上述步驟10次，將10次試驗(yàn)得到的回潮率數(shù)值平均后，即為利用HVI法測(cè)得的樣品的最終回潮率。

4.3 數(shù)據(jù)分析方法。當(dāng)完成這20批棉樣的測(cè)試后，會(huì)得出這20批樣品的回潮率數(shù)據(jù)。把這些數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式在平面直角坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出來(lái)，然后觀察它的分布趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)它是呈直線分布趨勢(shì)，所以可以用一元線性回歸法進(jìn)行分析。

計(jì)算公式

兩者的關(guān)系依據(jù)直線回歸原則可以表現(xiàn)為：

Y=a+bx（a-常數(shù)項(xiàng)，b-回歸系數(shù)）

根據(jù)以上20批棉樣的回潮率測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，可以得到直線回歸方程：

Y=0.05+0.99x

4.4 結(jié)論和建議

4.4.1 通過(guò)比較分析不難發(fā)現(xiàn)，兩種方法測(cè)量的棉花回潮率的結(jié)果大體相同，可以采用直線回歸方程來(lái)體現(xiàn)兩者的關(guān)系。所以，在實(shí)際的檢測(cè)工作中，不僅可以采用烘箱法進(jìn)行測(cè)量，HVI法測(cè)試棉花回潮率也是科學(xué)的。

4.4.2 采取HVI法測(cè)試棉花回潮率比采取烘箱法更加的簡(jiǎn)單快捷，更加的有效率，因?yàn)镠VI法測(cè)試棉花回潮率每次只需30秒，即使需要多次測(cè)試，也不過(guò)幾分鐘的時(shí)間，而傳統(tǒng)的烘箱法測(cè)試一批棉花的回潮率需要大概90分鐘。

4.4.3 GB/T 6012.1-2006《原棉回潮率測(cè)試法 烘箱法》要求回潮率的有效數(shù)值必須保存到小數(shù)點(diǎn)后兩位，而通過(guò)HVI測(cè)試方法得到的回潮率結(jié)果的有效數(shù)位只是小數(shù)點(diǎn)后一位，所以采用HVI方法測(cè)試棉花回潮率時(shí)應(yīng)該進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值作為最終結(jié)果。

4.4.4 采用HVI測(cè)試方法測(cè)定棉花回潮率，必須注意對(duì)HVI儀器的清潔保養(yǎng)，尤其是對(duì)水分感應(yīng)元件和水分電路板的保養(yǎng)，應(yīng)該保證它們一直處于最佳工作狀態(tài)。

棉花水分檢測(cè)的原理理解和測(cè)試方法的對(duì)比對(duì)于今后棉花水分檢驗(yàn)儀器的研發(fā)起到了舉足輕重的作用，進(jìn)一步提高我國(guó)棉花收購(gòu)市場(chǎng)的公平、公正。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓剛.原棉水分電測(cè)器的原理及應(yīng)用指南[M].陜西科學(xué)技術(shù)出版社.

[2]《中國(guó)纖檢》2013年3月（下）.

[3]《中國(guó)棉業(yè)》2013年第11期.

作者簡(jiǎn)介：穆亞娟（1989-），女，陜西咸陽(yáng)人，助理工程師，研究方向：機(jī)械電子，微電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和維修。