原棉检测的发展和展望

刘荣清　徐佐良

本文讨论了原棉大容量快速测试仪的发展、特点及应用前景，分别按原棉长度、强伸度、马克隆值和细度、成熟度、棉结和杂质、荧光度、微尘和粘附性以及轧棉、异纤、回潮率的在线检测等测试项目的发展动态和今后方向进行研讨和指引，归结出原棉检测的总体发展规律和途径。

This article discussed the development, characteristics and application prospect of HVI. In terms of the status-quo and developing trend of some test items, such as length, strength-elongation properties, micronaire value, fineness, maturity, nep and trash content, fluorescence degree, fine dust and adhesion, as well as the online-detection of ginning, foreign fiber and moisture regain, the article finally concluded the general development law and approach of raw cotton testing.

建国以来，我国制订了棉花标准，并几经修改，逐步建立了较完整的检验体系，生产了成套的测试仪器，对促进棉纺生产起着重大的作用，但与国外先进国家相比，存在着较大的差距。

1原棉标准与检测

标准与检测密不可分。从某种意义上说，检测是为标准服务的，但又不是完全为标准服务的。在现代企业中，检测的重要性日益明显。标准是国际贸易的通行证，是反映产品优劣的主要的、权威的依据。产品标准应与测试技术同步发展，才能适应市场的要求和科技发展的创新变化。中国标准应与国际通用标准接轨，要把中国标准转化为公认的国际标准，需采用国际先进的测试技术。

我国曾制订了《棉花细绒棉》标准（以下简称为“棉花标准”），多年以来不断有所修订，但棉花标准品级仍以棉花品级实物标准为依据。品级条件（级别）规定籽棉、皮棉都以手感目测的成熟程度、色泽特征、轧工质量为依据，据此 3 项对比实物标准评定品级，仪器测试的成熟系数、强力、轧工质量（毛头率、不孕籽率）仅属参考指标。此标准现已不能适应我国生产发展和国际贸易的要求，迫切需要改革。为此，2003年3月国务院批准了《棉花质量检验体制改革方案》，制订了《仪器化检验棉花质量标准（草案）》、《棉花质量仪器化公证检验技术规范（试行）》等，开始提出要依靠仪器化检验技术，采用大容量快速测试仪（HVI）的检验方法，并通过检验出证。2007年9月实施的GB 11037 — 2007《棉花细绒棉》标准体现了仪器化检验作为棉花标准改革的发展方向，无疑是棉花检测的一项重大进步。

2大容量快速测试仪（HVI）的发展和进步

HVI是HIGH VOLUME INSTRUMENT的缩写，即大容量纤维测试仪。早在1980年美国Spinlab公司应大批量美棉质量检测的需要研发了HVI，1988年发展为9000系列，1995年列入美国标准ASTM DS807 — 1995。同时英国MOTION CONTROL（MCI）公司也先后开发了3000、3500、4000、5000系列HVI。20世纪90年代Zellweger Uster公司兼并了Spinlab和MCI公司，研制了新的改进型HVI。目前新的型号为：USTER HVI 1000 M 1000/HVI 1000 M 700两类纤维测试系统，前者每 8 h可测试 1 000 个试样，后者每 8 h可测试 700 个试样。HVI可测试原棉的马克隆值、上半部平均长度、长度整齐度指数、色特征（反射率和黄色深度）、断裂比强度（cN/tex），以上 5 项均与棉花标准GB1103 — 2007接轨。此外还可测定和计算短纤维率（小于12.7 mm的纤维百分率）、断裂伸长率、回潮率、杂质数量和杂质面积、荧光度、纺纱一致性系数等。我国长岭纺电科技公司也已生产了HVI – XJ128型快速棉纤维测试仪，印度PREMIER公司也生产了HVI仪 — ART型全自动测试仪，具有类似的功能和特性。

此外USTER AFIS PRO、AFIS PRO2（The Advanced Fiber Information System），直译为高级纤维信息系统，简称AFIS，“PRO”表示模块组合式。它与我国长岭的XJ129棉结和短纤维率测试仪均属于大容量测试仪，可以大容量测试纤维长度、短纤维率、棉结、杂质、细度、成熟度、尘埃等指标，其测试效率在测试原棉时比传统方法快 150 倍，在测试棉条时可快 25 倍。

HVI仪器的主要特点是集光、机、电、计算机技术于一体，采用模块结构，能自动快速完成取样、测试、数据统计分析等功能，具有样本容量大、测试效率高、数据正确等优点及多功能特点，代表了当代技术水平；特别适合棉花收购单位、纤维测试中心、产品研发中心、大中型企业等单位使用，并能直接用于原棉综合分级、杂质分级、色泽分级、长度分级、逐包分级、质量评定和预测、设定配棉优选方案等，符合时代发展要求。

3原棉检测低容量单功能仪器的发展和展望

HVI可以综合测试原棉的主要质量指标，但不能包括全部质量指标，特别是与纺纱工艺密切结合的某些指标。此外大容量测试仪价格偏高，并不适合一般中小型轧棉及纺纱工厂使用，因此容量较小的单功能仪器仍有较大的发展前途。Uster（乌斯特）公司目前也已开发出HVI的衍生产品 — 低容量（LVI）仪供客户选用。

3.1纤维的长度测试

纤维长度与成纱质量、纺纱工艺的关系十分密切，用手扯法测量原棉的长度是传统、经典的方法，测得长度称手扯长度，与原棉的主体长度相接近，但测量结果受人为的主观因素影响。最早的测量长度仪器是“梳片式长度分析仪”，将棉纤维经梳片分梳后由长而短均匀排列于黑绒板上，制成平直整齐的纤维排列图，通过作图法求得纤维的有效长度、短纤维率、整齐度等，此法称拜氏法，对操作人员的技艺要求较高，工作效率较低。后来发展为采用按长度分组称重计算的韦氏法，可求得按重量加权计算的平均长度、上四分位长度、主体长度、整齐度、短纤维率等指标，测试比梳片式方便。到了20世纪50年代中期、学习当时苏联采用的朱可夫罗拉式长度分析仪，通过罗拉中心距的变化，将纤维按输出长度分组称重，按规定公式计算出纤维的主体长度、右半部平均长度、长度均匀度、短纤维率、基数等指标。我国Y111型罗拉式长度分析仪是目前最广泛使用的长度测试仪，它虽比梳片式测试仪方便些，但测试试样仍少，一般约 35 mg，测试速度慢。

70年代起国外普遍采用照影机长度仪来测试纤维长度。该仪器利用光电转换，测量纤维束光通量的变化以求得随机纤维试样在任一断面被夹持时，伸出夹持线的长度和被夹持根数的关系曲线，即照影机曲线，从而推算出试样的各项长度指标。由于照影机曲线受夹持器的影响，一般只能测取伸出长度在 6.35 mm以上的一段曲线，而在HVI和AFIS仪中光束从纤维的尖端向握持点逐点扫描，可测得完整的纤维长度和根数曲线。

由此可计算：平均长度L；HVI上半部平均长度Len或AFIS上四位长度UQL；50% 跨距长度SL（按长度排列纤维量在50% 处的长度）；2.5% 跨距长度SL（按长度排列纤维量在 2.5% 处的长度）；长度整齐度L/Len；短纤维率SFI （小于 12.7 mm的纤维百分率）。

AFIS仪还可分别求得按根数和重量加权计算的两组数据。

USTER HVI仪的衍生产品USTER 730型纤维长度照影仪具有HVI相同的测试特性，显然比Y111型测试仪前进了一大步。

3.2纤维强伸度的测试

棉纤维强伸度的测试我国早先应用摆锤式强力仪，属等速牵引型。当手扯长度在 31 mm及以下时夹持距离为 8 mm，当手扯长度在 31 mm以上时夹持距离为 10 mm，每束纤维重量为（3.0 ± 0.3）mg。欧美各国常用杠杆式测力原理的卜氏（Pressley）强力仪或力矩平衡测力原理的斯特洛（Stelometer）束纤维强力仪，它们接近于等加负荷型，夹头间距有“0”和“1/8英寸”两种，强力指标也有“0”和“1/8英寸”两种。HVI的纤维强力测试仪采用电阻应变原理，属等加伸长型，夹头距离“1/8英寸”，单位为gf/tex，可与前者强力指数换算。电子强力机能自动测试，每个试样仅需 0.3 min，可提高工作效率，是发展方向，国内已有多家厂商生产电子纤维强伸仪。

3.3纤维马克隆值和细度的测试

马克隆值（MIC）是纤维细度的一种单位，在棉种相同的情况下原棉的马克隆值与原棉细度、成熟度都有显著相关，因此棉花标准常用它来反映纤维成熟度和细度，是体现棉花优劣的主要指标，其测试原理和方法与气流纤维细度仪类似。USTER HVI可直接自动测得马克隆值，也有低容量775型马克隆仪。我国已有多种型号的马克隆值测试仪，如Y145C型马克隆值测试仪等。

3.4原棉的成熟度测试

原棉成熟度测试最原始的方法是用手感目测纤维的色泽、弹性、柔软性来定性估计，后发展为在显微镜下观察纤维形态和中腔胞壁的比值或用测微尺测量几个捻曲的腔宽壁厚比例来决定成熟系数。该法费时较多，每次试验 180 ～ 220 根纤维，工作效率低而麻烦，现已很少使用。后来发展采用氢氧化钠膨胀法，测量计算成熟度比M和成熟度百分率PM的标准方法，但仍未摆脱人工检测的范围。偏振光测定法是利用偏振光通过棉纤维所产生的光程差与纤维双层壁厚成正比例的原理、测试光程差不同显现干涉色差的原理，测得纤维成熟度系数，但测试计算方法较繁琐，测试量 300 ～ 400 根纤维，仍较少，不能达到自动测试、计算的目的。

USTER AFIS仪应用光电法测定单根纤维的周长和截面积，利用同品种棉纤维周长基本不变的规律，以胞壁充满的截面积与同周长圆面积之比来表示纤维胞壁增厚状态，即成熟状态。按ISO4912纤维成熟度测量 — 显微镜法中氢氧化钠膨胀法的公式，可求得纤维的成熟度比，巧妙地实现了成熟度的自动快速检测，但设备较复杂，难以形成低容量的成熟度测试仪。

3.5棉纤维的棉结、杂质测试

棉结、杂质的检测历来用人工目测的落后方法，效率低、误差大、视力损害大。棉结、杂质的自动检测确是测试技术的一项重大进步，目前主要有两种方法。

一是USTER AFIS和HVI仪采用的方法，检测纤维通过光电检测器时散射光量变化聚焦形成的波形特性来鉴别棉结。一般纤维的波形呈矩形波，棉结呈三角形波，且波幅要大数倍，最后通过计算机处理就能获得棉结的数量和大小。杂质的测定用光照射试样纤维，用CCD摄像头分析像素和色泽的变化，如果灰度超过规定就定义为“杂质”。HVI计算测试窗内杂质数量，就可得到单位面积的杂质数量。目前采用USTER AFIS相同技术的低容量产品720型棉结测试机也已问世，可供轧花厂和棉纺厂使用。

二是以意大利MESDAN NATI棉结杂质测试仪、我国长岭YG091型棉结杂质测试仪为代表的测试仪器。仪器检测棉条牵伸后的棉网，由两路CCD摄像，一路用白背景检测棉条中的杂质，一路用黑背景检测棉结，然后用计算机图像处理分类计数。

3.6纤维色泽的检测

美国是最早用仪器代替目测检定原棉色泽的国家，HVI测色系统用氙气色变化以白色光束与棉样呈 45°角时测得表面反射率Rd和黄色深度+b色征值，然后在色征图上找出相应的级别。我国GB1103 — 2007也已采用。USTER 760型原棉色泽和杂质测试仪是采用HVI技术可测定原棉的色泽等级和杂质等级的低容量测试仪。

3.7原棉的荧光度检测

荧光度UV是指在紫外线照射棉纱时，用光电池测量其反射紫外线的量，它没有单位，但可比较荧光水平。原棉的荧光度在很大程度上受棉花采摘、储备气候和时间等影响。色纱线和织物中纬向条花可能是由荧光差异所致，为此USTER HVI设置了检测荧光度的项目，同时派生了USTER 380型荧光度测试仪。

3.8纤维快速试纺、微尘、粘附性测试

Suessen（绪森）公司开发的Quick Spin纤维快速测试系统（QSS）可对纤维性能及其加工性、可纺性作精确的预测，可预测纱线外观、毛羽、强伸度等指标，可设定不同纺纱元件和参数来优选纺纱工艺，还可快速试纺纯纺、混纺，评定纺纱油剂、混纺比等效果。试样最多 10 g，模拟纤维开松、梳理过程实验纺纱。仪器由MDTA3型微尘杂质分析仪和环锭纺、转杯纺设备组成，前者可分析杂质、粉尘、微细尘、短纤维率以及棉纤维抱合力和粘附性，试验结果与原棉含糖率和转杯纺时细尘颗粒数有密切关系。

瑞士Fiber Contamination Tester（FCT）棉花污染测定仪用以测定原棉粘附性、棉结杂质和籽屑。试样成束状喂入一个自洁型微型梳棉装置，输出约 10 m，透明棉网，测试面积约 1 m2。首先检测棉网的杂质、棉结和籽屑，然后通过两个紧压罗拉，其粘附性杂质被吸附在有负压的紧压罗拉上，用激光分析系统测定其粘附性，测试一个试样需约 40 s。由代谢或昆虫分泌物产生的含糖棉是形成粘附性的主要原因，值得关注。此外英国SDL MK2型纤维杂质分析仪可检测 100 g以内棉样中的碎屑、杂质、微尘和非纤维物质含量。

3.9棉纤维的在线检测

3.9.1智能轧棉在线检测系统

USTER INTELLIGN智能轧棉在线检测系统能使轧棉机连续在线检测原棉回潮率、杂质含量和色泽等级，利用测湿时可对棉花去湿和含杂量的控制，达到优化原棉使用价值和降低成本的目的。主要功能有：（1）3 个在线传感器每 6 s定时记录含水、含杂和色泽；（2）在剥棉和飞花清洁器处安装自动旁路阀，自动分流棉流和籽屑；（3）经集成的燃烧器控制干燥器和旁路阀；（4）监控轧棉生产和棉包参数，用于统计分析；（5）通过解调器，实行远程服务。

3.9.2原棉中异纤的在线检测

原棉中的异纤混入细纱会形成织物的外观疵点，造成色差、色花、经向色条等。靠人工检测耗费大量人力、物力，且不能彻底消除，对某些白色或本色的丙纶等异纤更难发现。目前第二代在线异纤检测清除机已经面世，它依靠紫外线、超声波、静电反应、偏振光等传感器，可以检测并去除有色和本色的异纤，但效果尚不理想，一般异纤检出率可达 80%，而本、白色异纤检出率仅能达到 60% 以下，纱中微细的异纤还需通过能切异纤的电子清纱器加以清除。GB1103 — 2007《棉花细绒棉》标准对成包皮棉异纤作出分档含量规定，但对于检测方法还需制订标准并研发测试仪器。

3.9.3原棉回潮率的在线检测

原棉回潮率的检测是原料正确重量交付的基础。GB/T 6102.1或GB/T 6102.2规定回潮率的检验方法以烘箱法为准，抽样取样即验或密封后待验，待验需在 24 h内完成，原棉回潮率的取样检验在交付程序中需耗大量人力物力。当前国外采用在线检测材料回潮率的仪器和方法已趋成熟，如美国EORTE 7760系列在线回潮率检测仪可以全自动在线检测棉包皮棉回潮率，它利用电磁法非接触传感器电脑控制，可在线、即时检测回潮率，测试范围（0 ～ 40%）± 0.1%，不需采样、封样，还可测得棉包重量、打印标签、条形码识别、显示并储存数据、遥控测试、网络数据共享等，具有宽广的发展前途，值得推荐。棉花标准GB1103 — 2007已提及皮棉成包时可以采用回潮率自动检测装置。

4结语

（1）原棉检测应逐步摆脱手感目测的陈旧方法，减少人为影响，实行自动检测，提高工作效率，减轻劳动负荷；

（2）原棉测试仪器要集光、机、电、计算机技术于一体，采用模块式结构，达到自动取样、检测、数据显示、储存、统计分析等功能，实现现代化；

（3）研发容量大、多功能、自动测试的大容量测试仪，满足原棉收购单位、测试中心、产品研发中心、大中型企业等原棉定级、质量分析、混棉配棉、逐包分级等的需要；

（4）采用新型成熟、与国际接轨的单功能低容量测试仪，提高工厂原棉的使用技术和管理水平，减少原棉包间的差异，做到科学用棉，确保产品质量稳定；

（5）原棉新标准要采用原棉测试新技术，原棉测试新技术要促进原棉新标准与国际接轨，创出能在国际贸易中通用的中国棉花标准；

（6）要花大力提高原、籽棉的收购质量和轧花厂的皮棉质量，提供规定的检测项目及结果，严格实行棉花固定标签和棉花检验证书。

参考文献

[1] 刘荣清. AFIS PRO单纤维测试系统的原理和应用[J]. 上海纺织科技，2006，34（6）：4 – 6.

[2] 刘荣清. 棉纺在线检测的发展和展望[J]. 纺织导报，2007（12）：71 – 76.