机采棉加工各工序对棉纤维断裂比强度和断裂伸长率的影响

文/李浩 周万怀 梁后军 徐守东 刘从九 周森鑫 常郝

1 引言

新疆是我国重要的棉花生产基地，近年来机采棉在新疆已经得到大面积的推广。据相关报道机采棉种植面积已占全疆棉花种植面积的80%左右[1]。虽然使用机器采摘棉花极大地提高了棉花的采收效率，但是也导致一些新问题，尤其是机采棉含杂质率远高于人工采摘的棉花，因而机采棉加工过程中需要更多的杂质清理工序和更高的杂质清理强度。这就导致了机采棉加工过程中棉纤维品质受损现象较为突出，如短纤率升高等[2-3]。棉纤维断裂比强度和伸长率是棉纤维性能的两个主要质量指标，它们与成纱和织物的强伸度、弹性和纺织工序的断头率显著相关[4]，为此，本文选取南疆和北疆两个棉花产区，并分别在这两个产区各选取两个轧花厂为试验场地，以机采棉加工工艺的各工序为研究对象，对机采棉加工全过程中各环节棉纤维断裂比强度和断裂伸长率的变化趋势进行研究，所得成果，为我国机采棉加工工艺的改进，提升机采棉加工品质提供一定的参考。

2 材料与方法

2.1 试验样品

经过前期的经验总结以及调研分析，基于地理位置（地域涵盖全面性）、加工设备完整性（四道籽清和三道皮清）和代表性等因素，所选取样点包括南疆和北疆各两个点，共4个点，分别为：石河子8师149团、奎屯7师125团、库尔勒2师29团、阿拉尔1师13团；每个取样点选择一个生产工艺比较完备的加工厂，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，共1080个。每个籽棉样品质量≥1.5kg、每个皮棉样品质量≥0.3kg。

2.2 试验仪器

主要仪器：瑞士伍斯特公司生产的大容量棉花纤维检测仪（HVI）。USTERRHVI 1000则是全球公认的棉花分级统一标准检测仪器[4,6,10]，每个样品平均测试用时≤1min，可以测试棉纤维的长度、断裂比强度、断裂伸长率、马克隆值等多个指标，工作温度（20±2）℃，工作湿度（65±3）%。

2.3 数据检测

根据机采棉加工的实际流程，对所抽取的籽棉样品均进行现场试轧，每份样品试轧1kg，并保留试轧杂质、棉籽和皮棉；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，其余备用。样品称量采用HZY-B（美国华志）高精度天平，量程3200g、精度0.01g。依据《HVI 1000大容量棉纤维测试仪操作规程》将预平衡达到标准的样品进行测试，分别记录各样品的断裂比强度和断裂伸长率。

2.4 差异分析

方差分析[5,9]（ANOVA）又称为“变异数分析”，是基于F检验，用于检验两个及以上样本差异性的重要统计方法。检验结果中有两项关键指标：F和P，F越小、P越大表明无显著差异，反之差异显著。

主要理论基础：

本研究使用ANOVA分析主要加工工序前后棉纤维断裂比强度和断裂伸长率的变化情况。假设工序p1执行前棉花样品的断裂比强度（或断裂伸长率）为，x1={x11，x12，x13……x1n}，工序p1执行后棉花样品的断裂比强度（或断裂伸长率）为x2={x21，x22，x23……x2n}，通过ANOVA分析和之间的差异显著性，以确定相关工序对棉纤维断裂比强度（或断裂伸长率）影响效果是否显著。

3 结果与分析

3.1 棉纤维断裂比强度与断裂伸长率

棉纤维断裂比强度是与试样拉伸至断时加于它的最大负荷相对应的比强度，以未受应变试样每单位线密度所受的力表示，单位为厘牛顿/特克斯(cN/tex)，常用克力/特克斯(gf/tex)表示[4,6-8]。棉纤维断裂比强度是表示纤维抵抗拉伸能力的指标之一。棉纤维断裂比强度与棉花成熟度、生长条件、品种等有关，一般来说，成熟度越好，原棉纤维越粗，强度越高。棉纤维断裂伸长率是指棉纤维拉伸至断裂时的伸长率，以断裂伸长与未拉伸前长度之比的百分数表示[4，6-8]。棉纤维断裂比强度和断裂伸长率与成纱和织物的强伸度、弹性和纺织工序的断头率显著相关，因此，研究机采棉加工过程对断裂比强度和断裂伸长率的影响具有十分重要的意义。

3.2 棉纤维断裂比强度与断裂伸长率总体检测结果与分析

各取样点的加工设备主体相近，通过总体检测结果分析能够体现该类加工设备加工过程中棉纤维断裂比强度和断裂伸长率变化整体趋势，检测结果如图1、图2所示。

图1 断裂比强度随加工工序整体变化趋势

图2 断裂伸长率随加工工序整体变化趋势

图1和图2中所示棉纤维断裂比强度和断裂伸长率数据为对应各取样点所有样品检测数据的平均值，每个取样点总体样品量为120个（4厂区数×5棉模数×6每个棉模每道工序取样数），由此可见该统计结果具有较普遍和较强的代表性。根据图可见，经过各加工工序的处理，棉纤维的断裂比强度整体上呈下降趋势，棉纤维断裂伸长率整体上呈上升趋势，说明加工过程对棉纤维断裂比强度和断裂伸长率的确有影响。对比棉纤维断裂比强度和断裂伸长率的变化，可以看出棉纤维断裂比强度和断裂伸长率之间存在一定的相关性。图1中棉纤维断裂比强度的变化不是随加工工序稳步减少的，棉纤维断裂伸长率的变化也不是随着加工工序稳步上升，而是中间均存在波动现象。进一步深入分析各加工环节前后棉花样品棉纤维断裂比强度和断裂伸长率差异显著性，结果如表1所示。

根据ANOVA分析原理，当F≥1、P≤0.05时，两者在95%的置信水平下差异显著，否则无显著差异[9]。由此可见，整个加工过程对棉纤维断裂比强度和断裂伸长率的影响显著。

表1 各加工环节棉纤维断裂比强度和断裂伸长率方差分析（ANOVA）

3.3 各厂各加工环节棉纤维断裂比强度和断裂伸长率结果与分析

分别针对各个加工厂，经各加工环节处理后棉纤维断裂比强度和断裂伸长率进行分析，结果如图3、图4所示。

图3 各加工厂断裂比强度随加工工序变化趋势

图4 各加工厂断裂伸长率随加工工序变化趋势

由图3、图4可发现：各加工厂棉纤维断裂比强度随着加工工序的不断推进总体呈递减趋势，但都不是严格逐步下降，而是均存在一定的波动。各加工厂棉纤维断裂伸长率随着加工工序的不断推进总体呈上升趋势，但都不是严格逐步上升，而是均存在一定的波动。进一步深入分析各加工环节前后棉花样品棉纤维断裂比强度和断裂伸长率差异显著性，结果如表2所示。

根据ANOVA分析原理，由表2可见，各厂整个加工环节对棉纤维断裂比强度影响效果均显著（1~9），各厂在整个加工过程对棉纤断裂伸长率均有影响，对于大部分厂区（除库尔勒2师29团外）影响效果显著。

4 结论

本文通过图表和方差分析等方法，对机采棉加工全过程中各个环节棉纤维断裂比强度和断裂伸长率的变化趋势进行研究，结论如下：

1）现行主流锯齿加工工艺整体对棉纤维断裂比强度和断裂伸长率均有一定的影响，并且影响显著。因此，有必要研究原棉的各项关键指标与加工工艺过程的关系，并进而改进加工过程，从而提升棉纤维的品质，我们将在后续的工作中就此开展深入研究。

2）随着加工工序的推进棉纤维断裂比强度大体上呈递减趋势，棉纤维断裂伸长率则大体上呈递增趋势，从而验证棉纤维断裂比强度和断裂伸长率之间存在密切相关性。可能原因是棉纤维断裂比强度高时，其刚性大，则断裂伸长小，反之，断裂比强度低时，其刚性小，则断裂伸长大。

3）随着加工工序的推进棉纤维断裂比强度和断裂伸长率的变化趋势并不是严格递增和递减的，中间均存在波动。主要有两个方面原因：第一，棉花样品的采集受到棉花加工过程的影响，因为棉花在加工过程中，棉花在管道中是不停流动的，因此，很难做到下一道工序采集到的样本与上一道样本严格对应；第二，虽然严格按照HVI棉纤维物理性能试验方法检测样品，但仍不可避免地存在着随机误差，从而导致测试数据存在一定波动性。

表2 各厂加工环节棉纤维断裂比强度和断裂伸长率方差分析（ANOVA）

参考文献：

[1]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.

[2]梁后军,谢睿,周万怀，等.机采棉加工过程对棉纤维长度及短纤维指数的影响[J].中国纤检，2017(12):127-130.

[3]马丽芸，汪军，李岩，等. 机采棉轧花皮清道数对棉纤维性能影响分析[J].纺织器材，2016，43（7）:12-14.

[4]刘超,赵书林.棉花的主要品质指标与品级之间的关系[J].天津工业大学学报，2009,12(06):45-48.

[5]杨小勇.方差分析法浅析-单因素的方差分析[J].实验科学与技术，2013, 11(1):41-43.

[6]张晓军.HVI测试棉纤维断裂比强度的影响因素分析[J].中国棉花加工，2017,6(04):27-28.

[7]余楠.棉纤维断裂比强度和断裂伸长率[J].中国棉花，1995(1):34.

[8]徐守东,吴国新,刘从九，等.机采棉加工工艺流程对棉花含杂率的影响[J].中国纤检，2017(11):79-80.

[9]L. Eriksson, J. Trygg, S. Wold. CV-ANOVA for significance testing of PLS and OPLSRmodels[J]. Journal of Chemometrocs, 2008, 22: 594–600.

[10]刘从九，徐守东.棉花检验理论与务实[M].重庆：重庆大学出版社，2016.