棉花短绒率快速检测方法的研究

郑 晔，茅晔辉，赵 洁，马力军，张孜晰

（1.上海出入境检验检疫局，上海 200135；2.上海康信光电仪器有限公司，上海 200233）

近年来，由于国内用棉量的缺口逐年递增，2011年进口棉花的数量已经达到300多万t.但是随着进口棉花数量的大幅提高，棉花品质出现鱼目混珠的情况也大大增加，2011年上海口岸发现几十批进口印度棉花存在掺有短绒的现象.

以往出入境检验检疫局的棉花实验室一般都比较关注进口棉花的等级、长度、马克隆值和断裂强度，对于进口棉花的短绒率不够重视，但是现在掺短绒现象越来越严重，且现有的方法和仪器都存在着或多或少的问题，如何快速有效地检测短绒率也成为进口棉花检验的一大难题.短绒率是指棉纤维长度低于一定数值（进口原棉为12.7mm，国棉为16 mm）的百分数.

1 国内外现有测试棉花短绒率的仪器和方法

1.1 国外情况

国外测试棉花短绒率的仪器主要是USTER公司的 HVI（high volume instrument，大容量测 试仪）和 AFIS（advanced fiber information system，单纤维快速测试系统）.

HVI是通过用梳夹随机抓取一定量的纤维，并对它进行光电扫描，得到照影曲线，再通过对照影曲线的数学处理，得到一系列的长度指标值.该方法的优点是试样准备方便，测试速度比较快，但因得到的照影曲线是已经走样的二次累积频率曲线，从理论上讲通过一次微分和二次微分不可能准确求得短绒率，所以USTER公司明确指出HVI测得的棉花短纤维指数只能作为参考指标.

由于HVI测量速度快，且操作简单，目前国外的棉花短绒率快速测试研究都是基于HVI的二次开发，即通过回归方程进行数理统计，得到经验公式.虽然一些学者得到了一系列的回归方程，并且也通过试验验证了这些方程[1－6].但是文献[7]基本上否定了回归方法在HVI上测得短绒率的可能性.HVI最大问题还是理论基础不清晰，不能从原理上证明该方法测试短绒率的可行性.

AFIS利用红外光束可快速检测单根棉纤维的长度和直径.虽然AFIS也能测试原棉的纤维长度，但是由于制作棉条比较费时费力，所以它主要用于工厂控制后道工艺，一般不建议作为原棉纤维长度的测试手段.

1.2 国内情况

Y111型罗拉式纤维长度分析仪是我国纺织行业用于测量棉纤维短绒率的主要仪器，它主要是将纤维由短到长按一定组距分组后称重，得到纤维长度质量分布，进而得到纤维长度的各项指标.尽管Y111测试原理还不是十分完善，但优点是测试原理表达清楚[8].该方法的缺点是手工操作，在整理试样时纤维容易丢失，测试结果因人而异，从而影响了试验结果的准确性，且劳动强度非常大，一个熟练的测试人员测试一个试样至少需要90min.

2 自制棉花短绒率快速测试仪

棉纤维有不同的长度分布，如果对它取样，并假定取样服从统计分布规律，显然取样得到的纤维长度分布与原试样存在一个数学关系.利用这个数学关系，只要知道了取样得到的纤维长度分布，就能计算出原试样的长度分布.

这里对测试棉样和梳夹棉样做一个严格的定义，即

测试棉样：棉包中的棉纤维或者制成的棉条等；

梳夹棉样：从测试棉样中称取一定棉纤维，通过某种方法放在梳夹上.

2.1 长度偏倚取样

长度偏倚取样又称为 Hertel取样，其假设：待测棉样中的任意一个长度组纤维被梳夹握持的概率，与该长度组纤维的根数频率和长度成正比；纤维的夹持点沿纤维长度方向是随机的.当纤维的线密度为常量时，可以得到梳夹棉样的长度根数分布等于待测棉样的长度质量分布.

2.2 实际取样

为了尽可能使实际取得的梳夹棉样为Hertel取样，应该使梳夹上的纤维尽量一端整齐，同向伸直，棉纤维在梳夹上尽量均匀铺开.

如果待测纤维均匀地散落在取样平面上，且所有纤维伸直，并向同一个方向延伸，这时梳夹夹取纤维是长度偏倚取样.

2.3 测试原理

本文自制棉花短绒率快速测试仪（如图1所示），用光电法来扫描梳夹上的纤维分布.

图1 自制棉花短绒率快速测试仪Fig.1 The machine for short fiber content of cotton

从测试棉样中随机称取200mg左右的棉纤维，用仪器配备的梳夹反复梳取，使得梳夹上的纤维均匀分布，并且保持纤维一端整齐.通过记录整个梳夹上的纤维光透量，求得棉纤维的长度根数分布（如图2所示），即测试棉样的长度质量分布.

图2 棉纤维长度排列图Fig.2 The curve for cotton fiber length distribution

图2中阴影面积占总面积（曲线与坐标围成的面积）的百分比就是测试棉样的短绒率.

3 试验验证

为了验证自制棉花短绒率快速测试仪测试结果的正确性和精密度，与Y111罗拉式纤维长度分析仪进行比对试验.

棉花试样由德州纤维检验所提供，共10个标准样品做了黑箱编号，每个试样由4位棉检师分别测试10次，尽可能减少系统误差.两种测试方法的比对试验结果如表1所示.

表1 比对试验结果Table 1 The results of comparative experiment

3.1 棉花快速测试仪测试结果的准确度分析

根据ISO 5725-1～6《测试方法与结果的准确度（正确度和精密度）》的系列标准，任何的测试方法能否有代表性，即是否有可靠的准确度，需要考量两个方面：正确度和精密度.在本文中精密度是指两种测试方法的方差是否有显著性差异，可以用F检验法检验；正确度是指两种测试方法的均值是否存在显著的偏倚，可以用t检验法检验[9].

3.2 F检验法检验结果方差

表2 10种规格棉花的F值Table 2 Fvalues of 10kinds of cottons

取显著性水平α＝0.05，当自由度f1＝n1－1＝40－1＝39，f2＝n2－1＝9时，查得临界值F0.975＝3.51，F0.025＝0.41，而0.41＜Fi＜3.51，其中1≤i≤10.

计算结果显示两组测试结果方差无显著性差异.即自制快速测试仪与Y111罗拉式纤维长度分析仪的测试精度相同，快速测试法满足测试精密度要求.

3.3 t检验法检验结果均值

10种规格棉花的t值如表3所示.

表3 10种规格棉花的t值Table 3 t values of 10kinds of cottons

取显著性水平α＝0.05，当自由度f＝n1＋n2－2＝40＋10－2＝48时，查得临界值t0.975＝2.01，而ti＜2.01，其中1≤i≤10.

计算结果显示两组测试结果均值不存在显著偏倚，即自制快速测试仪与Y111罗拉式纤维长度分析仪的测试均值相等，快速测试法测试棉花短绒率的正确度可满足要求.

4 结 语

本文提出的棉花短绒率快速测试方法，不但保留了Y111罗拉式纤维长度分析仪的测试原理清晰的优点，而且改进了Y111罗拉式纤维长度分析仪的系统误差大和测试时间长的缺点，在10min内完成一个试样的测试，且操作简便.此外由于该测量方法的离散性小、重现性高，能够把多台仪器校准在一个水平上.根据此测试方法设计出的棉花快速测试仪通过与Y111纤维长度分析仪的大量比对试验，证明了该方法的精密度可靠，且与Y111罗拉式纤维长度分析仪不存在显著偏倚.

参 考 文 献

[1]ZEIDAN M，BATRA S K，SASSER P E.Determining short fiber content in cotton part II：Measures of SFC from HVI data-statistical models[J].Textile Research Journal，1991，61（1）：106-113.

[2]BARGERON J D，SASSER E. Cotton short fiber from fibrogram and regression analysis[C]／／ Proceedings of the Beltwide Cotton Conferences.New Orleans，LA：National Cotton Council of America，1993：1142-1145.

[3]BARGERON C K，BARGERON J D，GRIFFITH S R.Use of mean length as an indicator of short fiber content[C]／／Proceedings of the Beltwide Cotton Conferences.New Orleans，LA：National Cotton Council of America，1993：1150-1153.

[4]SCHREINER M K.Fiber processing research reports[C]／／Proceedings of the 14th Annual EFS System Conference.Greenville，SC：Cotton Incorperated，2000：169-195.

[5]KNOWLTON J L.HVI Measurements of Short Fiber[C]／／Proceedings of the Beltwide Cotton Conferences.Anaheim，CA：National Cotton Council of America，2001：1245-1248.

[6]RILEY R.Status report on short fiber index and elongation measurements on the high volume instruments [C]／／Proceedings of the Beltwide Cotton Conference. Memphis，TN：National Cotton Council of America，1998：1524-1530.

[7]ROWLAND J D.Cotton short-fiber testing[C]／／12th Annual Engineered Fiber Selection System Conference.Greenville，SC：Cotton Incorporated，1999.

[8]于修业，王先，张喜昌，等.AFIS的性能研究[J].纺织学报，1997，18（4）：57-59.

[9]蒋子刚，顾雪梅.分析检验的质量保证和计量认证[M].上海：华东理工大学出版社，1998.