羽絨清潔度檢測方法研究進展

文/黃宗雄

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，綠色、健康、安全的羽絨制品正受到越來越多消費者的重視。近幾年羽絨服正在逐漸成為時尚新熱點，羽絨制品也逐漸成為冬季消費市場的主力軍。因此，羽絨原料的各項理化性能測試對于保障消費者安全和權(quán)益顯得至關(guān)重要。羽絨清潔度是羽絨檢驗項目中的一項重要指標(biāo)，它反映了羽絨中殘留的雜質(zhì)、灰塵以及游離物的含量[1]。清潔度不合格的羽絨及其制成品會引起哮喘和皮膚過敏，嚴(yán)重危害人體健康。在2018年南京市質(zhì)監(jiān)局組織的兒童羽絨服抽查和廣州市質(zhì)監(jiān)局組織的對羽絨服裝產(chǎn)品的監(jiān)督抽查中就發(fā)現(xiàn)了多批次的清潔度不合格項[2]。

加大對羽絨制品的監(jiān)督抽查和檢測力度，有利于保障羽絨制品質(zhì)量和保護消費者的權(quán)益。通常來說，羽絨生產(chǎn)加工企業(yè)在羽絨制品生產(chǎn)過程中也會對羽絨原料進行內(nèi)部質(zhì)量控制和洗滌，通過測定水洗后溶液的清潔度初步判斷羽絨原料是否符合生產(chǎn)加工標(biāo)準(zhǔn)以及是否需要改進工藝流程。國內(nèi)涉及羽絨清潔度檢測的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 10288—2016 《羽絨羽毛檢驗方法》[3]，CNS 13982-9—2011《羽毛及羽絨試驗法-第9部分：懸浮濁度測試法》，中國羽絨工業(yè)協(xié)會制定的TB/T CFDIA 001—2016《羽絨分級標(biāo)準(zhǔn)》以及紡織協(xié)會制定的FZ/T 80001—2002《水洗羽絨羽毛試驗方法》[4]。國際上涉及羽絨清潔度檢驗的標(biāo)準(zhǔn)有國際羽毛局2019年頒布的《IDFB測試規(guī)則》[5]、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1164：1999《羽絨羽毛試驗方法-水狀提取物清潔度的確定》[6]以及日本標(biāo)準(zhǔn)JIS L1903—2017《羽絨羽毛檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]，有關(guān)羽絨產(chǎn)品檢測的中國標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)之間的詳細(xì)對比情況可參考之前的文獻[8]。國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中測試羽絨清潔度普遍采用的都是透明度計目視法，在《IDFB測試規(guī)則》中有提到采用濁度計測試的方法。

2 羽絨清潔度檢測方法簡介

早在上世紀(jì)40年代，美國紐約州立實驗室就開展了羽絨羽毛清潔度的相關(guān)研究和測試[9]。根據(jù)《紐約州床上用品法》的規(guī)定和規(guī)則[10]，用于枕頭、床罩、墊子以及床上用品和家具的羽絨羽毛在被出售之前必須經(jīng)過正確清洗以保證清潔度滿足要求。羽絨原料在清洗前后測試的項目主要有游離氨和混合氨、耗氧量、氯化物。在最初的清潔度測試中，清潔度包含的內(nèi)容比現(xiàn)在清潔度測試（水洗清潔度）要更加豐富。除了以上物質(zhì)外，羽絨羽毛中的灰塵量也是評估羽絨和羽毛質(zhì)量的重要指標(biāo)[11]。羽絨和羽毛中粉塵根據(jù)溶解度分為水溶性粉塵和飄浮粉塵，通過在水洗溶液中加入表面活性劑等添加劑物質(zhì)可將羽絨羽毛中的部分灰塵去除。與此同時，羽絨中的殘脂率以及微生物含量也是羽絨衛(wèi)生和清潔度所要考察的重要指標(biāo)。早在 1981 年意大利就要求對羽絨制品進行微生物檢測，2001 年歐盟率先發(fā)布了《羽毛羽絨衛(wèi)生和清潔度要求》并提出了微生物指標(biāo)要求[12]。

不同文獻中羽絨清潔度的含義有很大的區(qū)別，本文接下來要講的清潔度專指根據(jù)國際羽絨協(xié)會推薦的通過洗滌羽絨后測試水洗溶液濁度（透明度）的水洗清潔度。羽絨清潔度檢驗主要有以下4種方法：透明度計目視檢測法、濁度測試法、光敏電阻法和分光光度計法。透明度計目視檢測法和濁度測試法已經(jīng)被用于羽絨檢測標(biāo)準(zhǔn)中，而光敏電阻測試電壓法和分光光度計法目前還未見相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的報道。

2.1 透明度計目視檢測法

透明度計目視檢測法是羽絨清潔度檢驗中用得最多的方法。該方法測試過程如下：將制備好的羽絨水洗溶液倒入透明度計容器中使得容器中水位慢慢升高，從圓筒頂部向下觀察透明度計底部的十字線，直至其消失。再控制透明度計底部出水軟管緩慢放出樣液，直至看清黑色十字線為止并記錄此時液面在圓筒上的刻度，該刻度數(shù)值（單位為mm）即為該樣品的清潔度。該方法檢驗時，檢驗人員需要對透明度計底部十字線進行觀察，因此周圍光照環(huán)境以及人眼的狀態(tài)會直接導(dǎo)致檢測結(jié)果的偏差，影響檢測的準(zhǔn)確性。為了提高測試的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性，讓透明度計在周圍保持穩(wěn)定的光線環(huán)境下測試是很有必要的。圖1是光補償羽絨清潔度測試儀的結(jié)構(gòu)示意圖，通過調(diào)節(jié)光源亮度使得每次測試的外界光源條件都保持一致，從而降低因環(huán)境光線變化而導(dǎo)致的檢測數(shù)據(jù)偏差。此外，由于透明度計的高度較高，而托盤較小，使得透明度計穩(wěn)定性較差，使用過程中很容易發(fā)生傾倒甚至摔碎。因此，人們開發(fā)了不易傾倒的透明度計[13]。

圖1 光補償羽絨清潔度測試儀示意圖[14]

2.2 濁度測試法

濁度，又稱渾濁度，是用來表示懸浮顆粒存在時溶液的透明程度。水中懸浮顆粒越多、溶液越模糊，濁度越高。濁度計可分為散射光型濁度計和透射光型濁度計，和透射光相比，散射光具有更高的靈敏度，溶液中微小的濁度變化都能被探測到。散射型濁度儀在使用過程中需用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)去校正，當(dāng)使用福爾馬肼校正時，1mg/mL的福爾馬肼懸浮溶液所構(gòu)成的濁度稱為一個散射濁度單位，單位為 NTU。當(dāng)光線的波長和粒子大小接近時，光和粒子之間主要發(fā)生散射作用，在某一方向上的散射光的光強如公式（1）[15]所示：

其中，I0為入射光強度；N為顆粒數(shù)目；θ為入射光和散射光角度，是顆粒的體積；r為吸收系數(shù)；λ是入射光波長。如果固定方向（如θ 等于90?）和距離，散射光強如公式（2）所示[15]：

其中，A表示微粒的表面積，KM表示散射參數(shù)，N表示微粒數(shù)量，I0表示入射光強，在表面積和光強一定的情況下，散射光和顆粒數(shù)量正相關(guān)。以上就是散射型濁度計的測試原理。

濁度測試法是國際羽絨羽毛局在2019版《IDFB測試規(guī)則》中推薦用來測定清潔度的。通過自動濁度測試儀來完成濁度的測試，圖2A是美國雷曼Lamotte濁度儀實物圖。測試過程如下：將制備好的樣液（約10 mL）裝入特定的測試瓶并放入濁度測試儀中，點擊測試按鈕儀器自動測試并給出NTU數(shù)值。

圖2 濁度計實物圖（A）和不同濁度范圍的線性度（B）[15]

2.3 光敏電阻法

光敏電阻法測量原理如下：光源發(fā)出強度相同的光束，在經(jīng)過裝有不同清潔度（透明度）溶液的測量導(dǎo)管后被光敏電阻接收，光敏電阻感受光信號后由于電阻變化使得光敏電阻兩端的電壓值發(fā)生改變，根據(jù)電壓值和透明度計目視檢測法測定得到的清潔度數(shù)值建立一一對應(yīng)關(guān)系[16]。后續(xù)清潔度測試只需要在之前的測試條件下測定光敏電阻兩端的電壓值并查詢之前建立的電壓—清潔度關(guān)系表就可快速獲得當(dāng)前的羽絨清潔度。圖3是一種基于光敏電阻的羽絨清潔度快速檢測方法示意圖，通過PLC能夠自動判斷測量導(dǎo)管中水洗溶液的清潔度是否達到要求并自動調(diào)節(jié)羽絨清洗機清洗的次數(shù)，可實現(xiàn)清洗次數(shù)的自動優(yōu)化。在羽絨制品生產(chǎn)加工企業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖3 光敏電阻法測定清潔度示意圖[17]

2.4 分光光度計法

分光光度計法通過測定被測物在特定波長或波長范圍內(nèi)的吸光度對物質(zhì)進行定性定量分析。該方法具有快速簡單、操作方便、靈敏度高等優(yōu)點，是光譜分析中最常用的方法之一。分光光度計儀器示意圖如圖4A所示，將該方法引入到羽絨清潔度的測定，其依據(jù)的原理如下：不同清潔度的羽絨水洗溶液對光的吸收是不一樣的，將不同清潔度的羽絨水洗溶液和吸光度數(shù)值建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型并模擬出相應(yīng)的曲線關(guān)系。后續(xù)只需在之前的測試條件下測定羽絨水洗溶液的吸光度數(shù)值就可直接換算得到清潔度數(shù)據(jù)[18]。

圖4 分光光度計實物圖（A）和傳統(tǒng)分光光度計法示意圖（B）[19]

3 羽絨清潔度檢測方法分析對比

目前，在檢測機構(gòu)和羽絨生產(chǎn)企業(yè)中運用最多的清潔度測試方法是透明度計目視檢測法，其檢測結(jié)果顯示的是高度值，與國際上羽絨清潔度檢測結(jié)果高度值是接軌的。濁度計法具有快速高效、靈敏度高的優(yōu)點，其測試結(jié)果表示為XX.xx NTU（濁度單位）。光敏電阻法和分光光度計法已經(jīng)在有些企業(yè)被用于羽絨生產(chǎn)過程中清潔度的快速檢驗和質(zhì)量控制。現(xiàn)對以上4種方法進行分析對比。

目前，國內(nèi)羽絨制品清潔度的檢測大部分使用透明度計目測測量。該方法是國際上通用的方法，不僅操作簡單，而且能直觀反映水洗溶液的清潔程度。然而，該方法也有一定的局限性，由于采用人的感官判斷，周圍光照強度、觀察距離以及檢測員的視力都會影響結(jié)果的重現(xiàn)性。此外，玻璃管的精度較低，尤其是在羽絨水洗清潔度合格線附近位置，肉眼難以精確判斷其數(shù)值。在企業(yè)生產(chǎn)過程中需要快速檢測的方法，透明度計目視檢測方法速度慢，大大影響了羽絨的生產(chǎn)和加工效率。洗脫過程是羽絨初加工中極其重要的一環(huán)，該過程通過清洗機器配合清洗劑來除去羽絨中的油脂、灰塵以及其他雜質(zhì)，然而該過程包含了多次循環(huán)清洗步驟，工作人員往往是根據(jù)自身經(jīng)驗來預(yù)先設(shè)置洗脫次數(shù)，因而常常出現(xiàn)清洗次數(shù)過多或過少的情況。因此，為了能夠在洗脫過程中就能了解羽絨的清潔度，在洗脫過程中通過光敏電阻法對羽絨清洗液的清潔度實時監(jiān)測并反饋給控制器，從而實現(xiàn)洗脫過程的自動化調(diào)節(jié)清洗次數(shù)的清洗裝置應(yīng)運而生[20]。

基于光敏電阻的羽絨清潔度測試方法可以很方便地將檢測儀器集成到清洗裝置中，從而實現(xiàn)邊清洗邊給出清潔度測試報告，基于分光光度計的方法由于其需要在避光非振動的條件下測試，目前還未看到分光光度計用于羽絨清洗過程中實時動態(tài)檢測清潔度的相關(guān)報道。然而，分光光度計法也有其自身的優(yōu)勢：該方法測定的是透射光的光強，把吸收光和散射光的影響都考慮了進去，在比色皿光程比較長的情況下，測定得到的數(shù)值具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[21-22]。散射光濁度計測定方法在濁度小于200 NTU時，散射光和濁度成良好的線性（如圖2B所示），但是在高濁度情況（光在粒子間會發(fā)生多次散射）下，散射光強度和濁度關(guān)系變成非線性，當(dāng)濁度進一步變大后，散射光強反而變小，測量不準(zhǔn)確。

4 羽絨清潔度檢測方法展望

透明度計目視檢測法是羽絨清潔度檢驗最常用的方法。雖然人們設(shè)計了光補償型羽絨清潔度測試儀通過調(diào)節(jié)光源亮度使得每次測試的外界光源條件都保持一致，降低了因環(huán)境光線變化而導(dǎo)致的檢測數(shù)據(jù)偏差。然而，目視檢測法受限于檢測人員的觀察距離、視力、經(jīng)驗?zāi)酥翜y試當(dāng)天的精神狀態(tài)，造成測試結(jié)果的重現(xiàn)性較差。濁度法、光敏電阻法和分光光度法雖然采用儀器測試避免了人為因素影響，但是其校準(zhǔn)建模過程采用的數(shù)據(jù)依舊是目視檢測法測定得到的數(shù)據(jù)，因此，這幾種方法依舊不能保證測試的準(zhǔn)確性。

為了進一步提高測試的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，可以開發(fā)新的方法如視覺識別技術(shù)來取代人眼測試法。在此基礎(chǔ)上，濁度法、光敏電阻法以及分光光度法的校準(zhǔn)和建模數(shù)據(jù)都更加可靠。與此同時，可加大對羽絨清潔度在線檢測儀器的開發(fā)力度。高靈敏度、高重現(xiàn)性、快速準(zhǔn)確的羽絨清潔度自動化檢測裝置不僅有利于供應(yīng)商和廠家對羽絨的品質(zhì)進行質(zhì)量把控，還可以提高檢測機構(gòu)對羽絨的檢測水平，從而確保市場上羽絨制品的品質(zhì)，為提高我國羽絨產(chǎn)品的國際競爭力，樹立中國羽絨產(chǎn)品的綠色安全良好品牌奠定基礎(chǔ)。

除了儀器和方法的開發(fā)外，科技工作者還可以通過行業(yè)協(xié)會、校企合作、企業(yè)聯(lián)盟等方式制定高水平高要求的標(biāo)準(zhǔn)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。此外，還需加大國內(nèi)羽絨標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)的對標(biāo)研究并積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，促使我國羽絨制品產(chǎn)業(yè)朝著綠色、安全、健康的良性可持續(xù)發(fā)展方向發(fā)展。