纤维品质对棉花絮用性能的影响

张海娜，孙辉，韩轩，刘旭，燕建召，周永萍*

（1.河北省农林科学院棉花研究所/ 农业部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室/ 国家棉花改良中心河北分中心，石家庄 050051；2.河北省农林科学院，石家庄 050031）

除了作为纺纱企业的重要原料外，棉纤维在人们生活中还有很多用途，如做棉衣、被褥等絮制品。相对于纺纱而言，棉纤维絮用占比较小，所以关于棉纤维絮用性能的研究并不多。 崔玉梅等[1]测定了云南野生牛角瓜纤维的吸湿与吸水性能，并与棉纤维做了比较；方海慧等[2]认为碱处理提高了木棉纤维的吸水倍率和力学性能；马腊梅[3]对10 种不同填充物被的保温性能、压缩率、回复率进行了测试比较；钱薇薇等[4]对常用絮用纤维填充物的保暖性做了比较分析。相关研究从不同角度分析了纤维絮用性能，但忽略了棉花品种（系）间纤维品质的差异对絮用性能的影响。 鉴于此，笔者团队测试并比较了18 个棉花品系的棉纤维品质、 吸水率及其絮片的保温性能、压缩性能，旨在为棉纤维的品质分型利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用纤维品质不同的18 个高代棉花品系作为试验材料。 试验材料均于2020 年在河北省农林科学院棉花研究所小安舍试验站种植， 籽棉收获后，经锯齿轧花机处理获得皮棉。

1.2 试验方法

1.2.1纤维品质测定。 测试样品在恒温恒湿（温度20 ℃±1 ℃，相对湿度65%±2%）条件下平衡24 h以上。 在相同温湿度条件下， 采用USTER○RHVI 1000 M700 型大容量棉花测试仪（瑞士乌斯特技术股份公司）测定棉纤维主要品质指标，包括纤维上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值。 每个样品3 次重复。

1.2.2纤维吸水性测试。将待测棉纤维样品摊开放置在室温环境下平衡48 h，称取1 g 左右样品放入盛有1 000 mL 去离子水的烧杯中， 将纤维完全压入水中，30 min 后取出试样， 自然悬垂滴水30 min后称取试样质量，试验设置4 次重复。 纤维吸水率按下式计算：Wa＝（Gsw－Gew）/Gew×100%。 式中，Wa为吸水率（%），Gew为试样原始质量（g），Gsw为吸水后的试样质量（g）。

1.2.3絮片的制作。将皮棉在HFX-A1 型数字式小样梳棉机（天津华凯嘉诚科技有限公司）上梳理，称取15 g 棉絮层整齐平整地铺在准备好的布样上，为保证絮片厚度均匀，铺层采用交叉放置，不给絮片施加外力，最后在铺好的棉纤维层上再覆盖1 层布片，絮片尺寸为30 cm×30 cm。 将絮片水平放置在1.2.1 恒温恒湿环境中平衡24 h， 先后用于保温性能和压缩性能的测试。 每个材料重复2 次。

1.2.4絮片保温性能测试。采用YG606L 型平板式织物保温仪（山东省莱州元茂仪器有限公司）测试絮片保温性能。测试环境的温湿度条件同1.2.1。每个絮片重复测量2 次。

1.2.5絮片压缩性能测试。 采用KES-FB3-A 压缩测试仪（日本加多技术有限公司）测试絮片压缩性能。 测试环境的温湿度条件同1.2.1。 每个絮片取3个测量点。

1.3 数据处理与统计分析

使用Microsoft Excel 2007 和IBM SPSS Statistics 26 软件进行试验数据的统计和分析，采用单因素方差分析和邓肯多重范围检验 （Duncan's 检验法）对吸水率进行差异显著性分析，采用齐性子集法显示吸水率分析结果，采用皮尔逊相关分析法进行指标之间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 纤维的主要品质指标

经测定，18 个试验材料纤维上半部平均长度为24.38～31.04 mm， 断裂比强度为23.6～36.5 cN·tex－1，马克隆值为2.66～5.55（表1）。 18 个供试材料纤维上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值的变异系数分别为4.89%、9.49%和14.04%。

表1 纤维品质主要性状指标

2.2 纤维的吸水性

根据参试棉纤维吸水率的差异显著性将18 个材料分为5 个子集，每个子集之间具有显著性差异（P＜0.05），同一子集内的数值无显著差异（表2）。例如第1 子集中材料17 和材料13 的纤维吸水率没有显著差异， 而子集1 的材料17 和子集2 的材料8 具有显著差异。

表2 不同纤维材料平均吸水率多重比较结果 %

部分材料间吸水率差异较大。 7 号材料的吸水率最大，高达1 311.75%；而17 号材料的吸水率最小，为998.29%，即1 g 棉纤维的吸水量约为10 g。

皮尔逊相关分析显示，各材料吸水率与马克隆值显著相关（P＜0.05），相关系数为0.519，呈中度正相关关系，而与纤维上半部平均长度和断裂比强度无显著相关关系。

2.3 纤维的保温性能

保温率是最能直观表征保温性能的指标，保温率越大说明保温性能越好；传热系数反映絮片传出热量的快慢，传热系数越小，保温性能越好；克罗值反映絮片阻止传出热量的能力，克罗值越大，保温性能越好。 测试絮片的保温率、传热系数和克罗值均存在差异，总体趋势为保温率较低的材料，其克罗值相对较低，传热系数相对较高（表3）。 其中：10号材料纤维絮片的保温率最低， 克罗值相对较低，传热系数相对较高；15 号材料纤维絮片的保温率和克罗值最高，传热系数最低。 所有参试纤维絮片的保温率平均值为86.19% ，克罗值平均值为4.02，传热系数平均值为1.64 W·（m2·℃）－1。

表3 不同纤维絮片保温性能测定结果

皮尔逊相关分析表明，传热系数、克罗值和保温率与棉纤维马克隆值、上半部平均长度和断裂比强度均无显著相关关系。

2.4 纤维的压缩性能

压缩线性度反映样品柔软感，压缩比功反映样品蓬松感。 压缩性能测试结果（表4）显示：各絮片试样压缩线性度为0.17～0.18； 压缩比功一致，均为10 N·cm·cm－2； 初始厚度为14.21～14.28 mm。这3 项指标测定结果显示：供试材料在柔软感、蓬松感和初始厚度方面差异很小；但压缩回弹性差异较大，范围为25.86%～80.64%，平均值为52.37%。

表4 不同纤维絮片压缩性能测试结果

皮尔逊相关分析结果显示，压缩回弹性与纤维马克隆值、上半部平均长度和断裂比强度均无显著相关关系。

3 讨论和结论

本研究结果显示，棉纤维吸水率与马克隆值呈显著正相关关系，相关系数为0.519；而与纤维上半部平均长度和断裂比强度无显著相关关系。水分对纤维材料的可及性取决于材料的化学组成和物理结构。 这可能是因为马克隆值较大的纤维直径较大，成熟度好，纤维内部和纤维之间存在更大的空隙，从而可形成更多的吸附水或毛细水。因此，可参考棉纤维马克隆值筛选出吸水性能相对较强的絮用纤维材料。

棉纤维及其集合体是多孔性物质，在纤维内部和纤维之间存在很多孔隙，并且充满着空气。 在内部空气不流动的状态下， 棉纤维是热的不良导体，可以实现保暖的效果。 本研究结果显示，参试纤维絮片保温率为83.76%～90.36%， 保温率与纤维马克隆值、上半部平均长度和断裂比强度均无显著相关关系，这可能与纤维3 项主要品质指标的分布有关系。 在其他品质指标相同的情况下，更利于发现变量品质指标与保温率的相关性。 因此，在后续研究保温率与品质指标相关关系时，应选取同一棉花品系中单个纤维品质指标有差异的材料进行测定，同时增加测定样本量。

参试絮片压缩回弹性为25.86%～80.64%，数据离散度较大。 试验中采用的KES-FB3-A 压缩测试仪探头小且精密度高，能灵敏感知不同取样测试点的不均匀性。 数据离散度较大，可能是因为纤维梳棉前是人工开松并去除杂质导致除杂率不一致，人工喂入梳棉又导致棉层均匀性不一致，KESFB3-A 压缩测试仪探头恰好取点到这些不均匀的棉层测定，导致数据波动较大。利用KES-FB3-A 压缩测试仪测定棉纤维絮片压缩回弹性相关研究报道较为少见，本研究中纤维主要品质指标与絮片压缩回弹性无显著相关关系仅为初步研究结果，后期有待于增加样本量，优化测定程序，对研究结果进行进一步验证。

原棉品质是其在不同领域应用效果的决定因素[5-6]，前期研究认为不同品种棉花在具体应用中的效果因纤维品质不同而差异较大[7]。 本研究结果表明不同品质的纤维在吸水率、保温性和压缩回弹性等絮用性能方面存在较大差异。这对棉花的品质分型利用具有科学指导意义，将有助于相关加工企业通过合理选择原料创造更大的利润。