當(dāng)前棉短纖維率的檢測技術(shù)分析

王 波 王雯雯 劉津瑋

（青島市纖維紡織品檢驗研究院，山東青島，266100）

短纖維率是衡量棉花質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，較高的短纖維率會造成清棉和梳棉中產(chǎn)生更多的落棉，在成紗過程中，較高的短纖維率會使紗線強力、可紡性降低，產(chǎn)生更多的毛羽［1］。目前的檢測手段存在著檢測慢、誤差大等缺點，快速、準確地測量短纖維率是棉花質(zhì)量監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，也是助力解決國產(chǎn)棉花中短纖維率質(zhì)量結(jié)構(gòu)與紡織行業(yè)需求不匹配問題的關(guān)鍵。

1 短纖維率密度函數(shù)曲線

1.1 纖維排列拜氏圖

將一束棉纖維整理成一端平齊并伸直平行，平齊一端都位于同一水平線上，按照由長到短將纖維均勻逐根排列，得到纖維排列圖，這就是最基本的纖維長度分布圖［2］，稱為拜氏圖，如圖1所示。

圖1 纖維排列拜氏圖分析

計算短纖維率的具體過程如下。

1.2 長度-重量（根數(shù)）分布曲線

將一束纖維的一端整理對齊，并伸直平行，長短交錯排列。根據(jù)長度進行分組后，對根數(shù)和重量進行統(tǒng)計，并計算出分組長度根數(shù)（或重量）百分含量nl、wl，由此可以繪制相應(yīng)的長度-重量（或根數(shù)）分布圖［3］，如圖2所示。

圖2 纖維長度-重量（或根數(shù)）分布圖

短纖維含量計算公式如下。

式中：SFC(n)為根數(shù)短纖維率（%）；SFC(w)為重量短纖維率（%）；LSF為設(shè)定的最大短纖維長度界限（mm）。

1.3 照影儀曲線

1940年，美國赫脫爾基于概率論提出了纖維長度照影儀曲線理論［4］，是對纖維長度根數(shù)分布曲線f(l)的二次積分，其曲線如圖3所示。在該曲線上的l=l1處做曲線切線，與橫坐標(biāo)相交于C，與縱坐標(biāo)相交于B，則有如下短纖維率計算公式。

圖3 照影儀曲線

照影儀曲線是對拜氏圖進行兩次積分后得到，而短纖維率是對照影儀曲線進行微分得到，通過照影儀曲線計算短纖維率比拜氏圖計算短纖維率增加了3次數(shù)學(xué)運算，這造成最后的計算結(jié)果具有較大誤差，所以通過照影儀曲線只能得到短纖維的百分比，在實際檢測中一般不采用該方法。

2 短纖維率測試設(shè)備

2.1 Almeter纖維長度測量儀

Almeter纖維長度測量儀是由Peyer公司生產(chǎn)的。其檢測原理是將一端平齊、均勻排列的纖維束從不齊端進入電場，隨著纖維長度的改變，纖維含量發(fā)生變化，使極板間的介電系數(shù)發(fā)生改變，電容信號隨之改變［5］。假設(shè)纖維密度不隨纖維長度的改變而變化，那么電容值與纖維質(zhì)量呈正比，因此，在長度l處的纖維含量只與纖維束的截面積有關(guān)，可以得到纖維截面-長度累積分布，通過質(zhì)量換算，得到纖維重量-長度累積分布，即拜氏圖，求得短纖維率。

Almeter纖維長度測量儀給出的SFC值并不準確，這是因為Almeter的試樣為經(jīng)過梳理除雜后的棉條，在梳理過程中，部分短纖維會流失，在檢測過程中，纖維束中的雜質(zhì)和棉結(jié)因算法可能被定為短纖維，這都給SFC值造成了一定誤差。

2.2 AFIS單纖維測量儀

AFIS是烏斯特公司生產(chǎn)的基于紅外技術(shù)的單纖維測量儀，通過計算機繪制纖維長度-根數(shù)分布圖，快速檢測棉纖維的長度、直徑、棉結(jié)和雜質(zhì)等指標(biāo)。測量中，將開松、梳理后的纖維利用氣流單獨剝離呈單纖維狀態(tài)，通過氣流將單根纖維呈伸直狀態(tài)通過紅外光束的狹小凹槽。長度為L、移動速度為v的單纖維通過紅外光束時，便產(chǎn)生波形電信號，L=vt，t表示用電學(xué)方法測得的纖維通過光束的時間，借助計算機將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出各種長度指標(biāo)及得到纖維長度-根數(shù)分布［6］。

AFIS單纖維測量儀測試速度快，適用于大批量檢測，但是由于梳棉刺輥對試樣梳理時，轉(zhuǎn)速較高，對棉纖維的作用力較大，極易造成纖維斷裂，使短纖維含量升高。通過計算機模擬和AFIS單纖維測量儀得到的標(biāo)準差數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)AFIS單纖維測量儀得到的短纖維率結(jié)果不可靠，具有較大的誤差。同時，該儀器價格昂貴，后期維護成本較高，多用于企業(yè)的工藝控制，不適用于纖檢機構(gòu)的原棉短纖維率檢驗［7］。

2.3 Y111型羅拉式纖維長度分析儀

羅拉法是將30 mg的棉束制成一端平齊的纖維束，放入羅拉長度分析儀中，平齊端在前，通過羅拉的轉(zhuǎn)動，纖維被不斷送出，此時，較短的纖維先脫離羅拉鉗口的控制，將脫離羅拉鉗口的纖維夾出［8］，以2 mm為長度隔距對脫離控制的纖維進行分組并稱重，得到纖維重量-長度分布，從而計算出短纖維率。

由于羅拉法全程手工化操作，對操作工的技術(shù)要求較高，且誤差來源不可控，計算誤差大，測試時間為90 min，無法滿足大批量快速測量的要求。

2.4 HVI1000型大容量纖維測試儀

烏斯特公司在2004年推出了HVI1000型大容量棉纖維測試儀，用于原棉品質(zhì)的測量，可檢測較多指標(biāo)，其中纖維照影儀用于檢測纖維長度，其是采用一對夾持器夾持試樣纖維，放入對比光路中，隨著纖維束的移動，光路掃描纖維束總長度上光通量發(fā)生變化［9］，由計算機繪制照影儀曲線，通過計算可以得出纖維長度的相關(guān)指標(biāo)。

HVI1000型大容量纖維測試儀在短纖維含量檢測方面難以提供準確的短纖維率，只有一個用于參考短纖維含量的短纖指數(shù)。對纖維重量-長度分布曲線進行兩次積分后得到照影儀曲線，因此照影儀曲線計算短纖維含量時存在較大的誤差。HVI大容量纖維測試儀在進行纖維長度檢測取樣時，采用的是長度偏倚取樣，取樣過程中，由于短纖維的抱合力較差，與梳針及其他纖維之間的握持程度不夠，造成短纖維發(fā)生滑移現(xiàn)象，從而導(dǎo)致短纖維的損失，同時，因纖維長度越長越容易被夾取，短纖維指數(shù)受棉纖維長度影響較大，造成測試結(jié)果不準確。

2.5 國產(chǎn)光電式短纖維率測試儀

2.5.1 XJ129L型快速短纖維率測試儀

XJ129L型快速短纖維率測試儀由陜西長嶺紡織機電科技有限公司生產(chǎn)，其原理是通過原棉快速制條器將試樣整理成棉條，將整理好的棉條放置在梳床上，經(jīng)過取樣器自動取樣，形成一端整齊的纖維叢，將纖維叢放入光電傳感器中引起光通量的改變［10］，經(jīng)過計算機的算法處理，得到纖維長度分布圖和纖維長度排列圖，進而得出棉短纖維率。XJ129L型快速短纖維率測試儀的棉纖維取樣量為6.5 g，配備的制條器通過刺輥對纖維進行梳理。該種制樣方式在一定程度會拉扯棉纖維，造成棉纖維斷裂，提高短纖維率，同時，刺輥上會留有少量棉樣，造成棉纖維丟失，影響結(jié)果的準確性。

2.5.2 KX111-I型短纖維率快速測試儀

KX111-I型短纖維率快速測試儀是上海康信光電儀器有限公司生產(chǎn)的光電式短纖維率測試儀。與XJ129L型快速短纖維率測試儀不同的是，其棉纖維取樣量為3.5 g，是通過膠輥、羅拉的牽伸來對棉條進行梳理，這有利于保留棉纖維的完整性，減少纖維丟失量，但是存在纖維的彎曲程度較大、纖維不夠伸直的問題從而影響檢測結(jié)果，同時，制條時間長，難以滿足大批量檢驗的需求。

3 創(chuàng)新方向前瞻

3.1 自動取樣、制樣

人工制樣更大程度上依賴檢測人員的個人手法，制成棉條的粗細、棉條中纖維的伸直程度以及含有的雜質(zhì)和棉結(jié)數(shù)量因人而異，而這些參數(shù)都影響著短纖維含量測定，造成短纖維含量測量的誤差。采用自動取樣、制樣設(shè)備，對試樣原棉進行自動取樣、梳理、除雜，降低取樣、制樣過程中的人工誤差，才能更好提高短纖維含量測定的準確度。

3.2 剔除雜質(zhì)和棉結(jié)

不論是電容式還是光電式，都存在將雜質(zhì)和棉結(jié)認定為短纖維，從而導(dǎo)致短纖維率增大的問題。要解決這個問題可以從以下兩個方面入手。一方面，取樣前增加清理棉結(jié)、雜質(zhì)的環(huán)節(jié)，對棉條中的較大雜質(zhì)和棉結(jié)進行梳理、清除，降低雜質(zhì)和棉結(jié)對結(jié)果的影響；另一方面，改進算法，通過對各類型雜質(zhì)和棉結(jié)的深度學(xué)習(xí)，盡量覆蓋大部分雜質(zhì)和棉結(jié)形態(tài)，剔除雜質(zhì)和棉結(jié)。

3.3 拜氏圖計算短纖維率

在3種短纖維率密度函數(shù)曲線中，拜氏圖是最直觀、最準確反映纖維長度情況的曲線，所以在短纖維率檢測中采用將纖維整理成一端排齊的纖維束，生成拜氏圖的方法計算短纖維率，可以最大程度地減少數(shù)學(xué)運算對結(jié)果產(chǎn)生的誤差。

4 結(jié)束語

棉花短纖維率越來越受到生產(chǎn)企業(yè)的廣泛關(guān)注，原棉短纖維率的檢測一方面可以作為原棉的質(zhì)量指標(biāo)，為配棉提供依據(jù)，另一方面可以對紡紗流程中產(chǎn)生的落棉或者精梳落棉進行分析，評判是否為有效落棉，避免浪費。目前市場上的測試儀器各有千秋，缺乏能夠快速、準確、大批量測量棉花短纖維率的方法。結(jié)合現(xiàn)有檢測儀器的優(yōu)缺點，短纖維率儀應(yīng)在以下幾方面有所創(chuàng)新：自動取樣、制樣，杜絕人工誤差；剔除棉結(jié)和雜質(zhì)，降低計算誤差；采用拜氏圖計算短纖維率，減少數(shù)學(xué)運算，提高檢測結(jié)果的準確性。