双须光电法与手排法测试羊绒长度对比

王 喻，戴千惠，陈丽君，苏 健，王府梅,3

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620； 2.通标标准技术服务有限公司，上海 201319； 3.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

长度与细度是评价山羊绒纤维品质的2个主要指标[1]。在细度一定的情况下，长度不同，羊绒纤维的用途与价格也不同，较短的纤维应用于粗纺毛衫，较长的纤维则用于精纺呢绒。

目前，公认的羊绒长度测试方法是GB 18267—2013《山羊绒》中规定的手排法，该方法可用于羊绒、兔毛、马海毛等散绒毛纤维的长度及短绒率的测量。由熟练技工将纤维反复手扯整理平直后，排列于黑绒板上，形成纤维一端平齐且从长到短均匀排列的手排图；再将手排图的边缘曲线描在透明坐标纸上获得拜氏图，进而由拜氏图计算羊绒纤维的长度指标。该方法费时费力，对技术工人的手工技术要求很高[2]。

近年出现的光电法羊绒纤维长度测量方法，依据FZ/T 20028—2015《分梳山羊绒 纤维长度和长度分布的测定 光电法》[3]，采用1940年Hertal发明的照影机原理[4-5]，硬件方案与棉纤维的HVI测试系统类似。其测试方法为将20 g羊绒试样混合均匀后放入方形容器，盖上具有数排圆孔的上盖并施加一定的压力，用夹子取露出上盖圆孔的纤维，梳理去除未被夹持的浮游纤维后，将夹持的随机须丛放入光电检测器；让一个线光源与随机须丛相对运动，测试须丛透光量与位置的关系曲线，根据该曲线计算各项长度指标[6]。该测量方法具有制样快，不受人工制样因素影响的优点，但是，普及率较低。主要存在问题有：①制样时羊绒须丛上的浮游纤维未被清除干净；②纤维在自然卷曲状态下测量，在此高度卷曲状态下测试，须丛的长度信息与羊绒卷曲大小高度相关，会产生很大的误差；③这种随机须丛与纤维长度分布的理论关系未知，无法给出长度分布信息；④实践证明对于棉纤维长度测试，HVI系统的原理方法不适合测试短绒率和长度离散性指标；⑤测量从离开须丛夹持线3.8 mm开始，丢失了很多短绒信息。

经过数年研究，本文开发出一种能用于木棉、棉、羊毛纤维长度测量的新方法——双须光电法(简称双须法)[7-9]，该方法能够较快速且准确测量纤维的长度分布信息[10]。将双须光电法应用于羊绒纤维的长度测量，采用散羊绒纤维的双端随机须丛制样方法和信号处理技术，实际测试的纤维量约为手排法的10倍。

本文通过实验，对比分析双须光电法和手排法测试的长度指标和长度分布曲线，分析双须法测量羊绒纤维长度的可行性及准确性，以及存在的缺陷或需要改进之处。

1 实验设计

羊绒的高卷曲性是其优良的特性，但也给羊绒仪器化检测带来极大的困难；不同状态下羊绒纤维的伸直情况如图1所示。可以看出，FZ/T 20028—2015测量法与手排法的差异。图2为光电法羊绒纤维的伸直状态，即为图1(a)纤维的状态，其存在很多不同尺度的卷曲[11]，有波长2～4 mm的小卷曲，也有波长6～8 mm的三维大卷曲和环状卷曲(转了1圈或半圈，自然状态长度不增加)。而图1(b)纤维是手排法的纤维伸直状态，羊绒经过手扯反复整理后环形卷曲和大卷曲已经不复存在，再抽拔排列在具有摩擦力的黑绒板上，使得黑绒板上的纤维无法回缩，仅存在一些小卷曲。

图1 不同状态下羊绒纤维的伸直情况

图2 光电法羊绒须丛整体

双须法使纤维的伸直状态与手排法中纤维的伸直状态一致，尽可能消除纤维卷曲特性带来的误差影响，同时在制样过程中确保随机取样20次以上[12-14]。

选取通标标准技术服务有限公司(SGS)提供的9种不同长度、不同颜色的羊绒样品，依次编号为1#～9#，羊绒纤维的颜色特征为：1#～4#为自然白色，5#为青白相间色，6#～9#为紫棕相间色。

SGS检测中心按GB 18267—2013以手排法测试了9种样品的长度，用作基准来考核双须法的精确度。手排法测试结果包括拜氏图、根数平均长度、短绒率(长度小于15 mm的纤维含量)。由拜氏图信息可换算得到纤维的根数频率分布。

2 结果与讨论

2.1 长度指标的正确性考查

对各个试样分别制作6个双端须丛，用双须光电法测量系统得到6个须丛平均须丛曲线，进而求得其根数平均长度、短绒率、长度频率分布曲线。同时，分别计算了各个须丛的长度指标，进而获得每种纤维6个须丛根数平均长度的变异系数和极差。

手排法与双须法纤维长度指标测试结果对比如表1、2所示。其中差值是双须法所测得的结果与手排法所测结果的差值。

表1 根数平均长度测试结果对比

表2 短绒率测试结果对比 %

由表1可以看出，手排法与双须法测试的平均长度差值<2 mm的样品占66.7%，说明2种方法测试的根数平均长度基本一致。但是，也有3个样品的平均长度差值在2～4 mm之间，从双须法各个须丛平均长度的变异系数和极差可以判定双须法取6个须丛的平均测试结果稳定；用T检验法来检验双须法相对于手排法的差值显著性，取显著性α=0.01，由t分布表查得当自由度n为6时，T统计检验量为3.355 4；经计算，根数平均长度的T检验统计量为2.562 7，而短绒率的T检验统计量为2.995 7，从2组数据最终对比结果看出，根数平均长度和短绒率的T统计检验量均小于3.355 4，故认为这2种方法测试的根数平均长度与短绒率基本一致，差值不显著；因此，认为平均长度差值源于手排法取样量少和手排误差引起的随机性差异。

在现有手排法羊绒长度测量中，不提供长度频率分布，所以，短绒率成为除细度与平均长度外最为重要的指标，短绒率影响纤维后续的生产加工工艺，所以通过测试并计算纤维的短绒率极为重要。表2中短绒率的差值较大，主要来自随机误差。短绒率指标不能准确地反映纤维长度情况，例如10.0 mm和14.5 mm长度纤维的差异在短绒率中不能体现，而14.8 mm和15.2 mm长度的纤维差异在短绒率中被过分放大，因此应该用纤维长度分布图表示实际情况。

双须法与手排法测试结果的根数平均长度相关系数R为0.862 7，短绒率相关系数为0.943 1，因此，2种测试方法的相关系数均较高；在差异率方面，2种方法平均长度的差异率φ为0.73%，短绒率差异率为2.91%，差异率计算为：

(1)

式中：φ为双须法与手排法测得羊绒根数平均长度的差异率；a为双须法测得羊绒根数平均长度,mm，b为手排法测量测得羊绒根数平均长度,mm。

综上所述，本文研发的客观稳定的羊绒测量系统可以完全取代手排长度测量法。

2.2 根数频率分布的一致性考查

由双须光电法羊绒长度测量系统能够得出纤维长度的根数频率分布图[15-16]。SGS提供的9个试样的拜氏图信息可换算得到各试样的根数频率分布图。以1#试样为例，手排图信息如表3所示，根数频率分布如图3所示。其中离散型含义是只在某些点上有信息，例如在长度67和80 mm上有信息，而在长度68～79 mm之间没有信息。为了与双须光电法组距为2 mm的频率分布图比较，对手排法的离散型分布采用均分方法，表达式为：

(2)

式中：kn为各长度范围的纤维含量占总纤维含量百分比,%；Ln为各组在手排图中占长，均为10 mm。

如图3(a)所示，长度10～12 mm范围的纤维在手排图中占总纤维含量k1=4%；长度51～55 mm范围的纤维含量占总纤维含量k21=4%，均分到51～52、52～54、54～55 mm各组含量为1%、2%、1%，因此对该数据按此法进行均分，均分后根数频率分布如图3(b)所示。

表3 1#试样的手排图信息 mm

注：Li为每组纤维长度。

图4 2种方法所测9种试样的根数频率分布对比

图3 手排法1#试样的根数频率分布

对9种羊绒样品分别用双须光电法和手排法测试，并计算得到纤维的根数频率分布，如图4所示。

由图4可以看出，2种方法测试结果的分布规律整体是一致的。例如1#试样分布较均匀，3#试样2种方法都显示出15 mm以下的短绒多，7#试样20 mm以下的短绒特别多等；2种方法的测试结果都很一致，且对于随机取样的差异使得2种方法的频率分布不可能完全重合，即便同一方法测试某试样2次也会因为取样的随机差异使得2次测试的频率分布不能完全重合，该现象在羊毛、棉等纤维长度测试时也得到了证实。

1#～9#试样在各分组处由2种方法测试所得根数频率分布之间的差异率如图5所示。其中2种测试结果频率差异率计算公式为：

(3)

式中：ρ为各分组处2种方法根数频率分布的差异率，%；m、n分别为双须丛法与手排法在该组的根数频率。

图5 1#～9#试样2种方法在各分组处频率的差异率

由图5可以看出，各试样各组的差异率都在0上下波动，说明分布规律整体一致，各组存在一定随机差异，是二者取样的随机波动造成的。

3 结 论

①对比实验表明，双须光电法测试的羊绒根数平均长度和短绒率都与手排法的测量结果有较高的相关性；2种方法所测根数平均长度相关系数为0.862 7，短绒率相关系数为0.943 1；且差异率均小于5%；双须光电法测试的根数频率分布与手排法所测根数频率分布规律整体一致。

②双须光电法的试样质量为0.600～0.900 g，远大于手排法试样质量0.090～0.150 g，且测试结果稳定，不受人工技术和人为因素影响。