机采棉加工过程对棉纤维长度及短纤维指数的影响

梁后军++++谢睿++++周万怀++++刘从九++++徐守东+++李浩+++常郝

摘要

本文研究了机采棉加工过程中棉纤维长度、短纤维含量随加工工序的变化情况。棉花加工过程的主要作用是分离皮棉与棉籽及清理杂质。清理杂质可提升皮棉的品质，提高棉花定级、定价；但杂质清理过程也会造成棉花纤维损伤、棉纤维平均长度下降、短纤维比重升高等。本研究以新疆地区机采棉为研究对象，选用当前主流的锯齿加工设备，在每道工序前后设置取样点，以HVI1000检测每道工序前后的纤维长度、长度整齐度及短纤维指数这3个重要指标。研究结果表明，现行锯齿加工系统对纤维长度、长度整齐度及短纤维指数的绝对值或相对值影响不大，但从统计学角度看变化显著。

关键词：机采棉；棉纤维长度；长度整齐度；短纤维指数；HVI1000

1 引言

新疆是我国重要的棉花生产基地，整個新疆棉花年产量约占全国棉花产量的60%[1]，因此新疆棉花的种植与加工对我国棉花产业有举足轻重的影响。当前新疆地区棉花加工厂生产出的皮棉虽然能在数量和质量上基本满足纺织行业的需求，但仍存在一些不足[2]。例如，现有的棉花加工系统所有参数都是事先设定好的，不能随籽棉的含杂率、回潮率、喂花量等指标的改变而动态、智能地改变，已有多项研究表明含杂率、回潮率的高低对皮棉的品质有显著影响，因而有必要设计更加灵活、智能的皮棉加工系统；另一方面，轧花厂为追求高产出率、提高棉花的颜色级而过度清理，导致所轧制出的皮棉纤维产生一定程度的机械损伤，纤维平均长度偏短、短纤维指数偏高，降低了棉花的使用价值。

高档纺织品需要高质量的纱线，纺优质纱线需选用棉纤维等级、长度、单纤维强度和短绒指数等指标较好的优质原棉。原棉的各项技术指标除受品种、产地及存储过程不同的影响外，还与轧花、清杂的加工系统有很大关系。因此，研究原棉的各项关键指标与加工工艺过程的关系，进而改进加工过程、提升棉纤维的品质越来越重要和迫切。

为此，本文从南疆和北疆各选两个轧花厂为试验场地，以机采棉加工为研究对象，对机采棉加工全过程中各个环节棉纤维长度、长度整齐度及短纤维指数的变化趋势进行专项研究。取得的成果，将在一定程度上对我国机采棉加工工艺的改进及智能化起到促进作用，对规范机采棉加工工艺和设备配置、提升机采棉加工品质，具有重要的参考意义。

2 材料与方法

2.1 试验样品

经前期调研和分析，结合我国目前机采棉加工主流机型及工艺流程，基于地理位置（地域涵盖南北疆）、加工设备完整性（四道籽清、三道皮清）和代表性等因素，确定在新疆机采棉种植区域选取4个设备齐全、加工工艺能代表我国机采棉加工总体水平的机采棉加工厂（南疆和北疆各两个）作为取样单位。其中，南疆选择了新疆生产建设兵团第一师（阿拉尔）13团棉花加工厂、第二师（库尔勒）29团棉花加工厂，北疆选择了第七师（奎屯）125团棉花加工厂、第八师（石河子）149团棉花加工厂。每个取样点选择一个生产工艺最为完备的加工厂，每个加工厂选取5个棉模；分别在生产线上设置9个取样点，每个棉模对应的每个取样点重复取样6次；每个厂区总计样品量270个。

2.2 试验仪器

瑞士乌斯特公司（Uster Technologies）生产的大容量棉花纤维检测仪（High Volume Instrument，HVI1000）。HVI1000是全球公认的棉花分级统一标准检测仪器[3，4]，每个样品平均测试用时≤1min，检测指标多达17项，工作温度（20±2）℃，工作湿度（65±3）%。HVI测试法的基本原理是利用光学纤维照影对纤维长度进行判定。光学模块根据纤维光通量的变化，通过数学推导，获得比较精确的照影仪曲线，从而计算出纤维的长度指标。

2.3 测试

对于籽棉样品，首先对其进行试轧，保留试轧杂质、棉籽和皮棉；对所抽取的籽棉样品均进行现场试轧，每份样品试轧1kg。试轧机选用符合国家标准规定且通过纤维检验机构当年检定的锯齿衣分试轧机，同一厂区的籽棉样品使用同一台试轧机试轧。对于皮棉样品，供HVI检测分析的样品为100g。样品称量采用HZY-B（美国华志）高精度天平，量程3200g、精度0.01g。主要检测指标是纤维长度、长度整齐度及短纤维指数。

2.4 差异分析

数据分析主要采用盒图和t检验法。盒图直观、清晰，t检验法从统计学原理上判断两组数据的准确的、量化的差异，二者相互补充。

2.4.1 盒图

盒图是美国统计学家约翰·图基（John Tukey）在1977年由发明的，由最小值、下四分位数（Q1）、中位数、上四分位数（Q3）及最大值5个数值点组成。也可以往盒图里面加入平均值。本文中，盒图中的平均值用蓝色菱形表示，菱形的中心所对应的值就是平均值。由于现实数据中总是存在各式各样的“脏数据”（异常数据），为了不因这些少数的离群数据导致整体特征的偏移，这些离群点被单独绘出（本文中用“+”表示）。上四分位数Q3与下四分位数Q1之间的距离：Q3-Q1记为IQR，称为四分位间距，若数据小于Q1-1.5×IQR或大于Q3+1.5×IQR，就认为它是疑似异常值。

2.4.2 t检验

t检验主要用于样本含量较小、总体标准差σ未知的正态分布，是用t分布理论来推论差异发生的概率，从而比较两个平均数的差异是否显著。检验结果中的关键指标是P值，P>a（显著性水平）表明两组数据无显著差异，反之差异显著。本文使用t检验分析加工前后棉纤维的长度、整齐度及短纤维指数是否发生了统计学意义上的显著变化。

3 数据分析

数据分析包括使用盒图直观展示3种指标随加工工序的变化趋势以及使用t检验分析加工前后各指标是否发生了显著变化。

3.1 纤维长度

图1是4个加工厂纤维长度与加工工序之间的关系。盒图上下的“+”号表示异常数据，盒体（矩形框）中的菱形表示均值，横线表示中位数，由于一批数据的均值与中位数一般相差不大，因此二者离得很近。由图1可见，4个加工厂的纤维长度基本在28mm～30mm内，各加工厂棉纤维长度随着加工工序的不断推进总体呈递减趋势，最后一道工序时的纤维长度均低于第一道工序时的长度，说明加工过程对棉纤维长度的确有影响。但是从图中也可以看出棉纤维长度并不是随加工工序稳步减少的，中间存在波动，这主要是由于：棉花加工系统中，棉花在管道中不停流动，下一道工序采集到的样本并不是与上一道样本严格对应的，也很难做到严格一一对应；虽然HVI是公认的棉花分级统一标准检测仪器，但在检测纤维长度方面还存在不足，测试数据有一定波动性[5]。endprint

表1是对第一道工序和最后一道工序进行t检验的结果，从统计学上检测加工前后纤维平均长度是否发生了显著变化，显著性水平a=0.05。从表1中可以看出，虽然加工前后纤维平均长度变化的绝对值小于0.8mm，但统计学检验结果显示加工前后纤维平均长度发生了显著变化。

3.2 长度整齐度

长度整齐度是对棉纤维长度分布状态的描述，是反映棉纤维长度分布的集中性与离散性的指标。整齐度好，棉纤维长度分布比较集中，短绒含量少，对纺纱生產和成纱质量有利。

由上式可见，长度整齐度是一个无量纲的数。式中，平均长度是指在照影曲线图中，从纤维数量100%处做照影曲线的切线，切线与长度坐标轴相交点所显示的长度；上半部平均长度指试验棉束中从最长纤维起至占全部纤维重量1/2处的纤维长度。

由图2可见，4个加工厂各工序对应的纤维长度整齐度基本在区间[82-85]内，各加工厂棉纤维的长度整齐度随着加工工序的不断推进总体呈递减趋势，最后一道工序时的纤维长度整齐度均低于第一道工序时的长度整齐度，说明加工过程对棉纤维长度整齐度有一定影响。但是从图中也可以看出棉纤维长度整齐度并不是随加工工序稳步减少的，中间也存在波动。

表2是对第一道工序和最后一道工序时长度整齐度进行t检验的结果，从统计学上检测加工前后纤维平均长度整齐度是否发生了显著变化，显著性水平a=0.05。从表2中可以看出，虽然加工前后纤维平均长度整齐度变化的绝对值小于1.2，但统计学检验结果显示加工前后纤维平均长度整齐度发生了显著变化。

3.3 短纤维指数

短纤维指数（SFI）是指HVI大容量测试仪测试棉纤维长度时，小于12.7mm或16.5mm纤维根数（或重量）占纤维总根数（或重量）的百分率，因此短纤维指数也是一个无量纲的指标。在我国，短纤维一般是指长度16mm以下的纤维。短纤维指数与长度整齐度紧密相关，常作为反映棉纤维长度整齐度状况的参考指标之一。

由图3可见，4个加工厂各工序对应的短纤维指数基本在区间[11-16]内，各加工厂棉纤维的短纤维指数随着加工工序的不断推进总体呈上升趋势，最后一道工序时的短纤维指数均高于第一道工序时的短纤维指数，说明加工过程的确会造成短纤维数量增加。但是从图中也可以看出短纤维指数并不是随加工工序稳步增加的，中间也存在波动，其原因与3.1节中棉纤维长度随加工工序波动的情况类似。

表3是对第一道工序和最后一道工序时短纤维指数进行t检验的结果，从统计学上检测加工前后短纤维指数是否发生了显著变化，显著性水平a=0.05。从表3中可以看出，虽然加工前后纤维平均短纤维指数变化的绝对值小于3，但统计学检验结果显示加工前后纤维平均短纤维指数发生了显著变化。

4 结论

本文重点研究了加工过程对纤维长度及其关联指标的影响。采用HVI1000检测了纤维长度及与其紧密相关的长度整齐度、短纤维指数两项指标随加工工序的变化情况。盒图分析结果显示纤维长度及长度整齐度随加工工序的推进整体呈下降趋势，短纤维指数呈上升趋势；统计学t检验显示加工前与加工后纤维长度、长度整齐度及短纤维指数均发生了显著变化。该研究可为我国棉花加工工艺的改进和优化提供一定的理论参考和数据支撑。

参考文献：

[1]李勇.轧花工艺对手摘棉品质指标的影响[J].棉纺织技术， 2016，44（10）： 11-15.

[2]矫健，陈伟忠，康永兴.新常态下完善新疆棉花目标价格补贴政策的思考[J].中国棉花，2015，42（9）： 1-3，8.

[3]郭鹏飞，冯晓峰.大容量快速棉花纤维性能测试的设计原理与应用[J].中国棉花加工， 2010（6）：34-36.

[4]谢占林.机采棉主要加工工序对棉花品质指标影响程度比较研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2015.

[5]王铭.粘贴式棉纤维长度测试仪的研制[J].棉纺织技术，2015，43（7）： 47-50.

（作者单位：梁后军、谢睿、周万怀、李浩、常郝，安徽财经大学；刘从九、徐守东，安徽财经大学棉花工程研究所）endprint