原棉短纤维含量测试中取样方法的研究

孔繁荣,杨明霞,刘若华

(1.河南工程学院 纺织工程系，河南 郑州 450007；2.东华大学 纺织学院，上海 200051)

测量原棉中短纤维含量的关键所在是方法的选择及取样器的设计，若要从散纤维中取得分布比较理想且具有代表性的试样，应采用少量多点随机取样，符合理想取样的要求[1].本研究提出的点粘法是通过将可快速凝固的黏合剂点在原棉试样上，凝固之后用镊子取出试样进行分布研究的一种取样方法，此方法可以做到微量多点，特别是在梳理时不会产生纤维滑移现象，尽可能做到所取试样的长度分布和原样分布相似，而且操作非常简单，取样速度快.

1 试验

1.1 试验方法

由于胶水瓶口相对较粗，微量控制胶水十分不易，对取样效率和取样效果有一定的影响，所以尝试用针筒吸取少量胶水来注射试样.由于针筒相对较细，黏合剂量也易控制，可以比较容易取到效果理想的微量小样.为研究点粘中粘取方法在黏结棉纤维时的差别及影响因素，本研究采用了以下2种方法进行试验：

(1) 直接黏结，即直接从装有黏合剂的瓶中挤出少量点在棉纤维上，待凝固后取出棉样作为试样来源；

(2) 针筒黏结，即把黏合剂先转入到一次性医用针筒中，把针头插入棉丛中，缓缓施压把黏合剂从针头中挤出，停滞5～10 s，拔出针筒，取出所得试样.

把上述所得试样切去头端，并以2 mm为隔距进行裁切，分别得到相应的纤维重量，再进行短纤维含量的求取.本研究中用点粘法求取得到的短纤维含量为13 mm以下短纤维含量.因国外采用的短纤维界限通常为12.7 mm，而我国目前采用较多的HVI(High Volume Instrument 大容量测试仪)给出的短纤维指数[2]也是以12.7 mm为界限，故选择了较为接近的13 mm为短纤维界限，意在讨论点粘法的可行性.因为梳片式是目前长度测量中较为准确的一种方法[3]，所以在本研究中把梳片法得到的测试结果作为对比数据.

1.2 试验原料

4种不同品级的国棉(新疆129、江苏229、山东329和江苏429)，取35 mm等长涤纶纤维.

1.3 试验工具

YN—A型扭力天平(量程为25 mg、精度为0.05 mg)，镊子，医用注射器，尼龙刷子，黑绒板，直钢尺，剪刀，2 mm方格纸，502胶水.

2 试验结果与分析

2.1 参考曲线的选择

从张友信[4]提出的微量点取样理论中得知镊子取样是可行的，之后刘若华等[5]提出了钩夹取样，证明了钩夹在实际中的可操作性，并对所取出的试样进行了伸出分布试验分析，得到的效果比较理想.但是，受人为因素的影响，不同的操作人员所得出的结果有所差异，所以本研究首先对镊子和钩夹做了比较，采用两种方法从等长纤维中取样，并以2 mm为隔距进行裁切，得到相应组的纤维质量，经分析后选择一种作为本次试验的参考方法.用镊子和钩夹夹取不同取样范围等长纤维所得折线图见图1.

图1 镊子和钩夹取样的折线图Fig.1 Scatter diagram of tweezers and hock-grip sampling

取样范围/mg镊子取样钩夹取样0.00～0.99-0.961 5-0.987 01.00～1.99-0.938 8-0.988 02.00～2.99-0.931 4-0.976 23.00～3.99-0.839 0-0.997 94.00～4.99-0.968 5-0.990 65.00～5.99-0.976 0-0.995 16.00～6.99-0.957 3-0.996 87.00～7.99-0.950 0-0.992 48.00～8.99-0.975 8-0.988 89.00～9.99-0.984 1-0.986 310.00～10.99-0.976 2-0.966 1平均值-0.950 8-0.987 7相对标准偏差4.06%0.94%

图2 2种夹持方法截面图Fig.2 Section of the two clamping methods

理论上，等长纤维应该呈线性分布，而夹取后的试样头端由于纤维有所缠结使得称量时的第一组数据出现偏差，所以在进行数据处理时应先修正曲线的起始点位置.本研究中所得到的参考曲线和实际曲线都先切去头端后再处理数据，即只需要从第二点开始就可以消去头端所引起的误差，对2种方法所得曲线作线性拟和分析，所得相关度见表1.由表1可以看出,镊子所得试样的线性相关度比钩夹所得要小，且在不同取样范围内的所得值的偏差要比钩夹大，说明钩夹所得试样纤维的伸出长度分布效果要比镊子取样好.不同取样范围内所得结果相差不大，原因是镊子取样时的夹持端呈一个倒三角形，见图2(a).夹取到的纤维束头端受力不匀致使在梳理的过程中纤维会产生滑移，影响取样效果.钩夹取样是一个弯曲的钩针和一个弧面所构成的夹持面,见图2(b).夹持纤维时可以把夹持面认为是一个夹持点，在梳理的时候不容易产生滑移，得到的分布也具有代表性.取样量在1.00～10.00 mg之间的相关度都接近-1，说明在这个取样范围内取样量对取样效果没有明显的影响.因此,在以下试验中以钩夹取样所得分布的一次拟合曲线作为参考线，同时认为作为参考曲线的钩夹取样法在0.00～10.00 mg范围内所得到的数据是可靠的.

2.2 取样方法的选择

本研究提出了点粘的2种方法，由试验结果得各棉样在不同取样量时所得伸出长度质量分数分布曲线与参考曲线的比较，见图3～图6，图中横坐标为纤维长度，纵坐标为质量分数.

图3 2种取样方法所得新疆129的散点折线图Fig.3 Scatter line chart of two sampling methods of Xinjiang 129

图4 2种取样方法所得江苏229的散点折线图Fig.4 Scatter line chart of two sampling methods of Jiangsu 229

图5 2种取样方法所得山东329的散点折线图Fig.5 Scatter line chart of two sampling methods of Shandong 329

图6 2种取样方法所得江苏429的散点折线图Fig.6 Scatter line chart of two sampling methods of Jiangsu 429

从图3～图6可以看出，不同品级棉样的伸出长度质量分数分布曲线具有相似的分布趋势，即呈逐渐递减分布，起始头端有所差异，在末端时逐渐重合，且针筒取样所得数据表现在图中的点的分散程度比直接点取样小.所取试样的好坏可以通过比较纤维试样的实际分布与理论分布的相关性得到.从试验中得到的数据中只能简单地得到实际分布和理论分布的关系，所以要对数据进行处理.把理论分布曲线进行指数衰减拟合，得到的拟合曲线值作为拟合实际分布曲线时的参数初值，得到实际分布和理论分布的相关度R2.表2给出了2种取样方法使用不同品级的原棉在不同取样量下和参考曲线的相关度R2.

表2 实际曲线和理论曲线的相关度Tab.2 The correlation of actual curve and theoretical curve

从表2可知，不同级别的棉花用针筒取样得到的相关度要比直接点取样高；针筒取样中对所有品级取得试样的实际曲线和参考曲线的相关度均在0.8以上，尤其是一级棉在最大取样范围的相关度为0.925 2，原因是取样量少时黏合剂粘结纤维的部分少，梳理时纤维易滑脱和断裂，在称量时受天平精确度的限制得到数据的误差会偏大.当取样量较大时,根部粘取的纤维多而杂，纤维束较厚，凝固块也较大，根部纤维容易梳理不清，致使根部质量偏大，影响了纤维伸出长度分布.因此,本研究选择针筒取样作为研究对象，同时把取样范围进行拓展分析.

2.3 针筒取样中取样范围的选择

按照微量点取样的理论，被黏结的纤维越少越好，但是当纤维少到一定量时不仅会给取样造成一定的困难，而且量少相应也需要黏结头端小，使黏合剂不能很好地黏结纤维，在取试样和梳理纤维时容易滑脱.为了更好地确定有效的取样范围，这里对4种品级的棉花在0.00～8.99 mg范围内进行针筒取样，所得实际曲线和参考曲线对比得到相关度，表3给出了使用4种不同品级棉样在不同取样量时所得到的相关度.

表3 不同取样范围各品级棉与参考曲线的相关度Tab.3 The correlation of different sampling range of each grade and the reference curve

由表3中可以看出：①当取样量在1.00 mg以下时4种棉样的相关度普遍低于0.9；②对于一级棉来说取样范围在1.00～6.99 mg时所得实际曲线和参考曲线的相关度均在0.9以上，说明实际分布比较接近理论分布；③二、三和四级棉在1.00～4.99 mg取样范围内的相关度在0.9以上，其他范围内的相关度均降到了0.9以下，原因是品级越低的棉花所含杂质和棉结也越多，取出的试样往往要经过多次梳理才可以达到要求，这就增加了纤维断裂的概率，梳理不彻底还会有棉结杂质附着在纤维束上，影响取样效果.

2.4 短纤维含量的求取

对于一级棉取样量在1.00～6.99 mg范围内所得试样伸出长度分布曲线和参考曲线较好，二、三、四级棉取样量在1.00～4.99 mg范围内所得试样伸出长度分布曲线和参考曲线拟合较好，在所描述的范围内对曲线进行修正，得出13 mm以下短纤维含量.从照影机曲线中简单求取短纤维含量需要修正出所拟合曲线中R(0)的位置，由作图求取短纤维含量的理论分析可知,当取得试样的头端足够小时，长度小于等于l的纤维质量分数值近似为：

P1(l)=T(0)-P(l)=R(0)-R(l0)+lR′(l0)=1-R(l0)+lR′(l0),

(1)

其中，P1(l)为长度小于等于l的纤维质量分数，R(0)为伸出长度为0时照影机曲线的值，P(l)为长度大于l的纤维质量分数.

从所得拟合曲线起始点作该曲线的切线，与纵坐标相交所得y值作为曲线归一化的起始点，重新进行曲线拟合，从所得曲线中作出所求短纤维的长度在照影机曲线上对应点处的切线，得到该切线在纵坐标上的截距，R(0)与该截距差值的绝对值即为短纤维的质量分数,见表4与表5.

表4 从拟合曲线中求得短纤维含量Tab.4 SFC obtained from the fitting curve %

表5 点粘所得短纤维含量与梳片法所得短纤维含量的误差Tab.5 The error between sticky sampling and comb sorter %

从表4和表5可知，对于不同品级的原棉用作图法求取到的短纤维含量在不同取样范围内不尽相同，和梳片法所得差异也不同:①在1.00～2.99 mg和5.00～5.99 mg取样范围内，一级棉中所得的短纤维含量和梳片法所得误差都比较小，而在4.00～4.99 mg和6.00～6.99 mg取样范围内所得短纤维含量的误差都超过了30%，说明了取样量对取样效果的影响；②对于二级棉来说，取样范围在2.00～2.99 mg范围内所得短纤维含量的误差都小于10%，而在两端的都超过了30%；③三级棉和四级棉所得短纤维含量的误差和一、二级棉相比较大，尤其是四级棉在4.00～4.99 mg取样范围内所得短纤维含量的误差达到了64.35%.

3 结论

(1) 利用针筒取样要比直接点取样效果好.

(2) 取样量对取样效果有影响，一、二级棉在2.00～2.99 mg范围内所得试样实际分布和理论分布相关度较好，且作图法所得短纤维含量和梳片法所得短纤维含量的误差比较小；三、四级棉虽在1.00～4.99 mg取样范围内和理论分布相关度较好，但所得短纤维含量和梳片法所得短纤维含量的误差比较大.

(3)凝固块头端质量和形状也会影响取样效果.试验中得到的取样头端呈水滴状或球状,比扁平状的取样范围更接近理想的取样范围，取样效果也较好.综上，点粘法只要在控制的取样范围内，取得的短纤维含量与梳片法相比误差较小，具有一定的可行性.

参考文献：

[1] 刘若华.原棉短纤维含量的测试方法研究[D].上海:东华大学,2002:9.

[2] Zellweger.Uster introduces a new system for analyzing fibres[J].Textiles Panamericanos,1999，59(5):132.

[3] Cui X,Calamari T A Jr,Robert K Q，et al.New insight into the measurement of short fiber content[J].Proceedings of the Beltwide Cotton Production Conference,2000(2):1507.

[4] 张友信.夹子取样法检测棉纤维长度的理论与实践[J].纺织学报，1984,5(2)：13-16.

[5] 刘若华，李汝勤.棉纤维长度测试钩夹取样法研究 [J].东华大学学报:自然科学版，2001,27(4):68-72.