HVI AFIS和梳片法测试原棉短纤维含量的分析

孔繁荣(， )

1 前言

原棉短纤维率(Short Fiber Content，SFC)是指棉纤维中长度短于一定界限的纤维重量占纤维总重量的百分率。SFC是与长度相关的重要指标，目前并没有直接测量短纤维含量的仪器，一般都是基于原棉长度的测量方法得出长度之后，再经过一定的数学方法计算出短纤维含量。常见的应用于棉纤维长度的测试方法有AFIS(Advanced Fiber Information System 单纤维快速测试系统)、梳片法、罗拉法和HVI(High Volume Instrument 大容量测试仪)。本文选取了HVI、AFIS和梳片式纤维长度分析仪三种仪器作为比较对象，并以梳片式纤维长度分析仪所得到的短纤维含量作为对比值。

这三种仪器代表了三种不同的取样方式，其原理和实际使用都不相同：

(1)测试原理不同：HVI是梳夹随机抓取纤维整体测量，通过纤维照影仪得到纤维长度指标，再计算出短纤维指数(SFI)[1]；AFIS是通过分梳及气流把扯松的棉丛分离成单根纤维，再用红外光束快速检测单根棉纤维的长度、直径并借助计算机得到它们的长度分布、短纤维重量百分含量和根数百分含量[2]；梳片式长度分析仪(韦氏长度分析仪)是棉纤维长度分组测定法的一种主要测试仪器，是用一组钢针梳片将试样整理成一端平齐的棉束，而后自长至短地将棉束中的纤维按长度分为若干组，分别称取各组重量，从而求得长度分布的各项数据。

(2)所需试样量不同：三种方法测试试样差异较大，AFIS需要450 mg左右， HVI需要150 mg左右，对所夹取到的试样量并无明确规定，梳片法需要50 mg左右，直接从棉条中取样，通常一根棉条要至少取两次，使结果更具有代表性。

(3)在我国棉检体制改革中大量引进HVI仪器用于检验机构的配备，而HVI对短纤维含量测试的准确性及可靠性值得进一步深入的研究。梳片式仪器是所有使用方法中相对准确的方法，其得到的长度指标也经常作为长度测量中的对比数据[3]，因此本文中也选用此方法作为其他两种的对比方法。

2 试验部分

2.1 试样来源

新疆129、229、329，江苏229、329、429，山东229、329、429，河南329以及美棉四级、西班牙四级棉作为原料。

2.2 试验仪器和方法

2.2.1试验仪器

HVI Spectrum，USTER AFIS，Y121型梳片式纤维长度分析仪。

2.2.2试验方法

将原棉放在恒温恒湿室里平衡24 h，然后分别用三种方法分别做如下试验：

(1)HVI原棉的短纤维含量测试：其中短纤维是指纤维短于12.7 mm的纤维重量百分含量。

(2)使用AFIS得到棉花的各种指标，求得的是长度短于12.7 mm的纤维重量百分含量。

(3)按照《GB/T6097—2006 棉纤维试样取样方法》进行取样，按照《GB/T13779—2008 棉纤维长度试验方法 梳片法》使用Y121梳片式纤维长度分析仪求得棉纤维的长度指标。求得的是长度短于13mm的纤维重量百分含量。

2.3 试验结果与分析

本试验选用了1～4级棉样共20种，每个试样使用梳片式纤维长度分析仪分别做五次，三种方法所得平均值和相关数据见表1。

表1 梳片法所测结果的CV和SD值

注：M为五次试验的SFC平均值。

从表1中可以看出，三级和四级的原棉得到的短纤维含量普遍高于一级和二级的棉花，尤其是四级棉中的三个外棉试样，要比品级高的短纤维含量大得多，因此品级越高原棉品质高，长度偏长，所得短纤维含量偏低；由梳片法得到的CV值都在12%以内，最大的是11.60%，说明此方法得到的结果波动小，数值稳定，可靠性、准确性比较高，而梳片式目前又是长度测量中较为准确的一种方法[4]，所以在本文中把梳片法得到的测试结果作为其他两种测试仪器的对比方法。

各个品级原棉使用HVI所得的短纤维指数和AFIS、梳片式分析仪所得的短纤维含量分别如表2、表3、表4和表5所示。

表2 一级棉的三种方法测试结果 (单位：%)

表3 二级棉的三种方法测试结果 (单位：%)

表4 三级棉的三种方法测试结果 (单位：%)

表5 四级棉的三种方法测试结果 (单位：%)

从表2、表3、表4和表5中可以看出：梳片法所得短纤维含量要比其他两种方法大得多，而HVI和AFIS之间也有所差异，其中由AFIS所得值最小；HVI和AFIS所得到的值从一级到四级波动不大，而梳片法所得的短纤维含量到在四级棉时明显比其它品级的高，四级中的前两个试样和三级所得值相差不大，而最后三个外棉所得值非常大。外棉评级标准和国棉有所不同，从HVI测量指标的叶屑个数和杂质面积分级标准进行评定得到的美棉是六级，杂质较多的原棉在测试前需要彻底清除叶屑，在此过程中就会使纤维产生断裂，AFIS测试时未被除净的杂质会被计为短纤维，HVI则会使所得纤维长度变短，从而影响短纤维指数的计算，具体分析如下：

(1)HVI目前使用的梳夹取样器采用长度偏倚取样，被夹取到的纤维和长度有关，越长的纤维越容易被夹取到，同时纤维自身的特性使其在梳针内的产生交叉、缠绕和抱合，这样取到的纤维试样在梳夹内外的量不相等，分布也不对称且所含短纤维的信息量少；在梳夹取样过程中，纤维会在梳齿上滑移；另外在扫描试样须丛时扫描起始点外移3.81 mm，加上被梳夹握持的纤维长度Lhold>2 mm，可知单侧大于6.5 mm的纤维不能检测，考虑对称性则至少9.6 mm以下的纤维无法检测，如有纤维被双齿或多齿握持其结果可达12 mm，这些不仅会使所得测试结果偏小，而且会直接影响到SFC值的精度；

(2)AFIS仪器在测试前，要先将试样经过开松、梳理以便除去杂质，并用气流将微尘、杂质和纤维分离，然后用红外光束快速检测单根棉纤维的长度、直径，并借助计算机得到它们的长度分布，由于是对纤维进行单根测试所以准确度较高，前提是不丢失纤维，没有纤维的损伤和断裂，但是AFIS在之前所进行的开松梳理阶段对原棉的损伤较大，且整个过程中的短纤维损失量也很大，手扯10 mm以下纤维平均损失量在2.42%～7.37%之间，高速旋转的刺辊对棉纤维的作用力使纤维损失量更大，纤维由于受力而断裂的几率增加，这样测试后得到的SFC值会偏高；

(3)梳片法在测试过程中也会受到纤维损失的影响，一次扯松后纤维会损失0.5%左右，其中短纤维占大多数，制成棉条后再对纤维进行抽拔测量[5]。因棉纤维自身存在自然卷曲，测量时使用黑绒板对纤维进行握持，每次抽拔少量纤维，分150～200组，分别称重求得SFC。在整个过程中尽量收集散落的短纤维，尽最大可能反映原棉中短纤维的真实信息。

对不同品级的原棉用梳片法所得值和HVI、AFIS所得值作差值，所得直方图见图1。

从图1中可以看出：梳片法和HVI所得差值要比和AFIS的小，二者在棉花品级为一二级时所得的数据波动比三四级的小，说明HVI和AFIS对品级高的原棉所得数据普遍稳定一些，当品级较低时尤其是四级棉中的美棉，杂质非常多，纤维较短，因此得到的数据更不准确。HVI是长度偏倚取样，越长的纤维越容易被取到，所以HVI实际所得的试样中纤维偏长，短纤维信息偏少，所得的SFI会比实际短纤维含量小，AFIS在测试前需要把棉样扯松，在整理成一根棉条，扯松的过程中会损失部分纤维，尤其是短纤维，由试验得10 mm以下短纤维在扯松的过程中会平均会有4.89%左右作为飞花损失掉，AFIS所得SFC如果加上这部分的损失则和梳片所得SFC差值变小。

图1 不同品级所得的差值直方图

3 结论

HVI目前使用的梳夹取样器采用长度偏倚取样，不仅会使所得测试结果偏小，而且会直接影响到SFC值的精度；AFIS仪器在测试前进行的开松梳理阶段会使得纤维受力较大而断裂的几率增加，这样测试后得到的SFC值会偏高；梳片法在测试过程中虽然也会受到纤维损失的影响，但在整个过程中可以尽量收集散落的短纤维，做到最大可能反映原棉中短纤维的信息。

对于测试不同品级的棉样时，品级高的棉样三种方法所测得的SFC之间的差值比较稳定，而对于测试品级较低的棉样时，HVI、AFIS和梳片法得到的数据稳定性比较差，因此对于品级低的棉样其用HVI和AFIS测试得到的SFI的准确性会降低。在我国进口的棉花中低级棉占大多数，而由上所述，不管是HVI还是AFIS对于原棉中短纤维含量的检验标准不仅不同而且都存在问题，SFC又是棉检中越来越受重视的指标之一，所以尽早制定检验SFC的标准和开发具有自主产权的测量SFC的仪器显得日益重要。

[1] Hunter L.An international survey of HVI[J]. Melliand Textilberichte，1995, 76(3): 115—119,E27—28.

[2] Hequet.EF and Ethridge.MD. Monitoring and control of the AFISR instrument[J]. Textile Topics, 2000,(FALL): 2—8.

[3] Cui X., Calamari T. A. Jr., Robert K. Q. and Watson M. D.. Short fiber content of cotton and its measurement[C].USA:Beltwide Cotton Conference, 1999.

[4] Cui X., Calamari T. A. Jr., Robert K. Q. and Watson M. D.. New Insight into the Measurement of Short Fiber Content [C].USA:Proceedings of the Beltwide Cotton Production Conference,2000.

[5] 朱吉良.短纤维含量的测量方法和机理研究[J].山东纺织科技，2010，51(6)：35—37.