曹小紅　李　新　劉　琳

摘要:對(duì)相同樣品,同一測(cè)試人員,分別用HVI、羅拉儀、AFIS三種儀器,測(cè)試樣品的長(zhǎng)度和短纖率指標(biāo),從測(cè)試原理、纖維狀態(tài)、試樣數(shù)量等方面分析三種儀器測(cè)試結(jié)果的關(guān)系。

關(guān)鍵詞:HVI;羅拉儀;AFIS;長(zhǎng)度指標(biāo);短纖率

棉纖維長(zhǎng)度的測(cè)試是不可能涵蓋全部纖維的,長(zhǎng)度指標(biāo)不能反映棉纖維的全貌,所以不同的測(cè)試方法給出了不同的長(zhǎng)度指標(biāo),其物理意義也不盡相同。目前棉纖維長(zhǎng)度測(cè)試的主要儀器有:HVI大容量測(cè)試儀、羅拉式長(zhǎng)度分析儀、AFIS單纖維測(cè)試儀等。為了理解這些儀器測(cè)試棉纖維的長(zhǎng)度指標(biāo),設(shè)計(jì)了測(cè)試方案如下文。

1測(cè)試樣品

為避免因樣品中纖維分布不均勻造成測(cè)試結(jié)果的差異,選用了纖維分布均勻的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品。

2標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

GB/T 20392—2006 《HVI棉纖維物理性能試驗(yàn)方法》;GB/T 6098.1—2006《棉纖維長(zhǎng)度試驗(yàn)方法 第1部分 羅拉式長(zhǎng)度分析儀》;AFIS單纖維測(cè)試儀的操作規(guī)程。

3測(cè)試儀器

HVI大容量測(cè)試儀;羅拉式長(zhǎng)度分析儀;AFIS單纖維測(cè)試儀。

4測(cè)試要求

測(cè)試樣品要在二級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大氣的環(huán)境中[即溫度(20±2)℃,濕度(65±3)%]連續(xù)平衡24 h以上;由一個(gè)測(cè)試人員完成全部的測(cè)試;測(cè)試儀器需在校準(zhǔn)正常的條件下進(jìn)行樣品的測(cè)試。

5測(cè)試結(jié)果及分析

5.1測(cè)試結(jié)果

對(duì)以上樣品的長(zhǎng)度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果匯總后的統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1、表2、表3。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用單向分組組內(nèi)觀察值數(shù)目相等資料的方差分析方法來(lái)比較處理間的差異顯著性,可以得出如下結(jié)論:

對(duì)長(zhǎng)度的分析結(jié)果:①幾種測(cè)試方法測(cè)試的結(jié)果之間存在極顯著差異;②用SSR法進(jìn)行多重比較,結(jié)果表明,處理采用HVI測(cè)試得到的纖維長(zhǎng)度和采用羅拉法測(cè)試得到的纖維長(zhǎng)度之間差異不顯著,處理4和處理1與處理2及處理3之間差異極顯著;處理2與處理3之間差異極顯著。對(duì)短纖率的分析結(jié)果:①處理之間存在極顯著差異;②用SSR法進(jìn)行多重比較,結(jié)果表明,處理3與其他處理間存在極顯著差異,處理1、處理2、處理4之間無(wú)顯著差異。

5.2原因分析

5.2.1測(cè)試原理

(1)HVI大容量測(cè)試儀測(cè)試長(zhǎng)度原理:用梳子隨機(jī)夾取一定數(shù)量的棉纖維,通過(guò)光線(xiàn)照射由光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量出纖維長(zhǎng)度與纖維量的分布,并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后將纖維長(zhǎng)度與纖維量的分布繪制出精確的照影曲線(xiàn),這種分布與纖維排成一端平齊的長(zhǎng)度分布之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)赫脫爾(Hertel)的纖維長(zhǎng)度照影儀的理論,圖解出平均長(zhǎng)度、上半部平均長(zhǎng)度、短纖率指數(shù)。所以精確的照影曲線(xiàn)以及圖解的分析決定著各項(xiàng)長(zhǎng)度結(jié)果。赫脫爾(Hertel)的纖維長(zhǎng)度照影儀圖解理論如下:

由于纖維束從端部到根部的分布是由稀疏到密集,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)纖維束從端部到根部進(jìn)行照射時(shí),隨著纖維稀密的變化得到了纖維根數(shù)與纖維長(zhǎng)度分布的直方圖,當(dāng)直方圖的組距無(wú)限變小,使直方圖上邊緣線(xiàn)成為一條光滑的曲線(xiàn),如圖1所示。其中,橫坐標(biāo)代表纖維長(zhǎng)度,縱坐標(biāo)代表纖維根數(shù)。

要通過(guò)纖維束中纖維的分布,求得纖維長(zhǎng)度的各項(xiàng)指標(biāo),而纖維長(zhǎng)度的指標(biāo)是通過(guò)纖維的重量加權(quán)得到的,所以我們要對(duì)直方圖進(jìn)行轉(zhuǎn)化,使圖形建立在長(zhǎng)度與纖維量的關(guān)系上,當(dāng)認(rèn)為纖維束中棉纖維的線(xiàn)密度、密度均為一致時(shí),對(duì)纖維長(zhǎng)度與根數(shù)的分布圖進(jìn)行積分使其圖形轉(zhuǎn)化為纖維長(zhǎng)度與纖維量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

對(duì)圖1進(jìn)行積分,以縱坐標(biāo)為底邊使各根纖維與底邊垂直,并從下到上纖維由長(zhǎng)到短均勻排列,得到纖維長(zhǎng)度與根數(shù)累積分布圖(如圖2),其中橫坐標(biāo)代表纖維長(zhǎng)度,縱坐標(biāo)代表纖維長(zhǎng)度的累積根數(shù)。再對(duì)圖2進(jìn)行積分,即纖維長(zhǎng)度與根數(shù)累積分布曲線(xiàn)的二次積分,得到棉纖維的照影儀曲線(xiàn)纖維長(zhǎng)度與纖維量的累積分布圖(如圖3),其中,橫坐標(biāo)代表纖維長(zhǎng)度,縱坐標(biāo)代表纖維量的累積。

由于梳夾抓取纖維試樣時(shí),根部纖維彎曲糾結(jié),這部分不能用于照影曲線(xiàn)的測(cè)量。實(shí)際曲線(xiàn)測(cè)量起始點(diǎn)A離開(kāi)梳夾的距離為3.81?mm,通過(guò)對(duì)圖3進(jìn)行圖解分析,即可以得到棉纖維的平均長(zhǎng)度(ML),上半部平均長(zhǎng)度(UHML),16?mm短纖率(IFC)等指標(biāo)。

a)平均長(zhǎng)度(ML):當(dāng)L=0時(shí),縱坐標(biāo)的纖維量為100%,從A點(diǎn)作曲線(xiàn)AE的切線(xiàn)與OE相交B點(diǎn),OB即為平均長(zhǎng)度。也就是當(dāng)L=0時(shí)圖形右側(cè)包含全部的纖維量,即取全部纖維的平均值。

b)上半部平均長(zhǎng)度(UHML):取縱坐標(biāo)的纖維量為50%時(shí)的F點(diǎn),從F點(diǎn)作曲線(xiàn)AE的切線(xiàn)交于OE于C點(diǎn),OC即為上半部平均長(zhǎng)度。

c)16?mm短纖率(IFC):是指長(zhǎng)度小于16?mm纖維的重量占纖維總量的百分比。理論上的圖解法為:在OE上取OG=16mm,同時(shí)在圖2上可以找到L16=16mm時(shí)所對(duì)應(yīng)纖維根數(shù)N16,同理OB所對(duì)應(yīng)的根數(shù)為N,當(dāng)認(rèn)為纖維束中棉纖維的線(xiàn)密度均為一致、密度均為一致時(shí),通過(guò)下式即可計(jì)算出16mm短纖率。

公式(1)為理論上的圖解公式,如果要使HVI大容量測(cè)試儀的短纖率指數(shù)與羅拉長(zhǎng)度分析儀的短纖率有較好的一致性,需要我們做進(jìn)一步的相關(guān)試驗(yàn),從理論上和實(shí)際的測(cè)試結(jié)果中尋找它們之間的相關(guān)關(guān)系,使其建立在一定的數(shù)學(xué)模式上。

(2)羅拉長(zhǎng)度分析儀測(cè)試原理:羅拉長(zhǎng)度分析儀測(cè)量方法屬于分組測(cè)量法,先人工將適量的棉纖維排列成一定寬度、一端平齊、長(zhǎng)纖維在下、短纖維在上、薄厚均勻的棉束,再將棉束在羅拉長(zhǎng)度分析儀上以2mm為組距從短到長(zhǎng)對(duì)棉纖維束進(jìn)行長(zhǎng)度分組,稱(chēng)量每組棉纖維的重量,其每組長(zhǎng)度與重量分布的直方圖見(jiàn)圖4、圖5。通過(guò)計(jì)算得到棉纖維各項(xiàng)長(zhǎng)度指標(biāo)。計(jì)算方法如下:

a)重量平均長(zhǎng)度:棉纖維長(zhǎng)度分布中,以纖維的重量加權(quán)得出的平均長(zhǎng)度。其計(jì)算公式如下:

式中 :L——質(zhì)量平均長(zhǎng)度,mm;

Lj——第j 組纖維長(zhǎng)度的組中值,mm;

Wj——第j 組纖維的質(zhì)量,mg。

b)短纖率:指棉纖維中短于一定長(zhǎng)度界限的短纖維重量占纖維總重量的百分率。其計(jì)算公式如下:

式中:R——短纖維率,% ;

i——短纖維界限組順序數(shù)。

(3)AFIS單纖維測(cè)試儀測(cè)試原理:將棉花整理成(30±1) cm長(zhǎng)棉條喂入儀器,經(jīng)儀器的開(kāi)松、梳理、除雜,使纖維分離成沒(méi)有雜質(zhì)的單纖維,單纖維通過(guò)一加速?lài)姽鼙凰椭凉怆妭鞲衅?加速?lài)姽苁估w維朝近紅外光束作完全取向,當(dāng)單根纖維通過(guò)時(shí),引起光散射,散射光和纖維的長(zhǎng)度、直徑、成熟度有關(guān)。測(cè)量散射光并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),然后再轉(zhuǎn)換為一特性的波形,見(jiàn)圖6,纖維產(chǎn)生的矩形波借助于計(jì)算機(jī)就可以得到纖維長(zhǎng)度的各項(xiàng)指標(biāo)。

5.2.2纖維狀態(tài)

由于制取纖維束的方法不同,所制得纖維束的狀態(tài)存在著差異。

(1)HVI大容量測(cè)試儀制取纖維束

將10?g左右無(wú)序狀態(tài)的棉花散纖維放入有孔的樣品腔內(nèi),鋼梳在機(jī)械傳動(dòng)作用下以一定的速度抓取露出孔外的棉纖維,這樣即獲得了纖維束。把鋼梳上的纖維束取下可以觀察到:由于鋼梳抓取的是無(wú)序排列的棉纖維,且纖維又是掛在鋼梳的鋼針上,所以棉束的根部端存在著彎鉤,纖維并不是整齊排列的,這樣對(duì)于劃定短纖維的界限有一定的難度。圖7為樣品經(jīng)HVI梳理后從梳夾上取下的準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)試的棉束形態(tài),圖8為樣品被梳夾夾持的一端即存在纖維彎鉤的一端打開(kāi)后的形態(tài)。

(2)羅拉長(zhǎng)度分析儀制取纖維束

由試驗(yàn)人員靠手工將試驗(yàn)試樣先在手中梳理順直,再在限制器絨板上排列成長(zhǎng)纖維在下、短纖維在上、層次清晰、厚薄均勻、寬度為32?mm、一端整齊的棉束,見(jiàn)圖9。在制作棉束的過(guò)程中不得丟棄棉纖維。

(3)AFIS單纖維測(cè)試儀

將測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)分梳成為單纖維一根一根地進(jìn)行測(cè)量,一般一個(gè)樣品測(cè)量3000根纖維,測(cè)試樣品量較少,纖維的伸直狀態(tài)受分梳情況的影響。

5.2.3測(cè)試的纖維量

1)HVI大容量測(cè)試儀測(cè)試的纖維量: 本試驗(yàn)測(cè)試的6個(gè)HVI樣品的重量分別為:0.0422?g、0.03842?g、0.04072?g、0.04122?g、0.03632?g、0.03462?g,可見(jiàn)HVI測(cè)試的纖維量約0.42?g左右。

2)羅拉長(zhǎng)度分析儀測(cè)試的纖維量:細(xì)絨棉(30±1)mg,長(zhǎng)絨棉(35±1)mg。

3)AFIS單纖維測(cè)試儀測(cè)試的纖維量:測(cè)試3000根纖維。

6結(jié)論

由于三種測(cè)試儀器在測(cè)試原理和取樣方法存在差異,長(zhǎng)度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果:羅拉法和HVI之間不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的極顯著差異,二者與AFIS測(cè)試的兩種結(jié)果存在顯著差異,AFIS測(cè)試的兩種結(jié)果之間也存在顯著差異。短纖維測(cè)試結(jié)果:采用AFIS根數(shù)法得到的結(jié)果與其他方法之間有極顯著差異,而HVI、羅拉法和采用AFIS重量法得到的短纖維結(jié)果,無(wú)顯著差異。

(作者單位:中國(guó)纖維檢驗(yàn)局)