轧花环境温湿度对棉花长度和强度指标的影响

袁少琦 张纯宇 戴 伟 徐 红

（新疆大学，新疆乌鲁木齐， 830046）

新疆是我国棉花的主产区，2018年新疆棉花产量占全国当年产量的83.8%［1］，2020年新疆棉花产量516.1万t，占全国总产量的87.3%。同时，新疆机采棉技术也在快速普及，目前机采棉大约占80%，但机采棉的纤维品质相比较于进口棉还有一定的差距［2］。从各方面寻求改善新疆棉花品质的途径，对提升新疆棉花产业链的竞争力显得极为迫切。

在棉花加工过程中，轧花车间通常没有采取密封措施，车间温湿度随室外空气变化波动。新疆机采棉加工时间一般从10月10号左右开始，到12月份或者次年1月份结束，在这期间随着室外温度的波动，轧花车间的温度一般在25 ℃～-10 ℃左右。中国纤维检验局［3］在实验室对5 ℃～40 ℃棉纤维回潮率与相对湿度、温度的关系做过模拟研究，结果显示棉花回潮率随温度下降呈上升趋势。鉴于新疆地区棉花轧花季节低温气候的特点，系统研究轧花环境温湿度对棉花初加工质量的影响，对于改进和提升新疆棉花品质具有重要的意义。

1 试验内容与方法

1.1 采样地点和时间

新疆昌吉州玛纳斯县某轧花厂，从2020年10月10号到2020年12月10号，对该厂皮清后打包前的机采棉进行采样，并记录取棉口对应的温湿度以及棉样回潮率，采样期间取棉口温度范围在16.4 ℃～-8.1 ℃。轧花厂取样结束后，将棉样送回纺织厂实验室，在标准温湿度状态下平衡24 h以上，在标准状况下，采用USTER HVI1000型大容量棉纤维测试仪检测相关质量指标。

1.2 棉花初加工工艺流程

本试验皮棉取棉口在锯齿皮清机之后、皮棉滑道之前的管道检查口。棉花初加工工艺流程：喂棉→重杂物清理→一道籽棉烘干→铃壳清理→一道复式籽棉清理→二道籽棉烘干→二道复式籽棉清理→复式锯齿轧花→气流皮清→锯齿皮清→皮棉滑道（加湿）→取样、打包。

1.3 试验数据

在GB 1103.1—2012《棉花 第1部分：锯齿加工细绒棉》中，细绒棉质量指标包括品级、长度、马克隆值、回潮率、含杂率、断裂比强度、长度整齐度指数及色泽特征等［4］。本研究选择棉花上半部平均长度Len、长度整齐度指数Unf、短纤维指数SFI、断裂比强度Str、断裂伸长率Elg等5项指标作为研究对象。有关轧花环境温度t、相对湿度φ、棉花回潮率W及棉花质量试验数据如表1所示。

表1 轧花环境温湿度与测试棉花质量指标

1.4 分析方法

在棉花加工过程中回潮率对棉花加工质量有较大的影响，实际上棉花回潮率与环境温湿度密切相关，撇开环境温度，仅研究棉花回潮率对棉花加工质量的影响具有一定的片面性。由于在一定环境条件下，空气相对湿度是受温度制约，即在温度、相对湿度与回潮率三者的变化中温度是自变量。我们以温度为对象，首先分析研究其对环境相对湿度及棉花回潮率的影响，在此基础上研究温度对棉花长度和强度指标的影响。

根据我们所采集的不同环境温度对应的相对湿度、棉纤维回潮率及纤维长度和强度指标的统计结果，通过Python软件进行一元高次函数回归分析，该方法是研究1个因变量与1个或多个自变量间多项式的回归分析方法，根据变化趋势，选择适当的多项式阶数，得到回归方程式与拟合曲线，可以通过增加自变量阶数进行尽可能的逼近，并通过相关系数（r）判断它们之间的相关性程度，如式（1）所示。

式中：r值的绝对值介于0～1之间。r越接近于1，表示两个变量之间的相关程度就越强；越接近于0，表示两个变量之间的相关程度就越弱。一般|r|取值与相关程度规定如下。|r|取值范围分别为0～0.19、0.20～0.39、0.40～0.69、0.70～0.89、0.90～1.00时，|r|的意义依次表示为极低相关、低度相关、中度相关、高度相关、极高相关。

2 棉花吸湿机理分析

根据纤维吸湿机理，棉纤维在吸湿或放湿过程中，从棉纤维表面到内部存在着水分子蒸汽压力的势能差。当吸湿时，水汽压力的势能外高内低；当放湿时，水汽压力内高外低。棉纤维含湿包含两部分，一部分为表面含湿，另一部分为内部含湿。当温度较高时，水分子活力强，棉纤维吸湿过程中更容易进入纤维内部，吸湿平衡时间较短，纤维表面不易积聚水分；当温度过低时，水分活力降低，棉纤维吸湿能力较差，纤维内部几乎很难吸收水分，纤维表面容易积聚水分，此时纤维的含湿表面部分较多。这种现象在新疆冬季轧花过程中表现比较突出，低温高湿环境，棉纤维吸湿困难，棉花表面潮湿，影响轧花质量。

3 温度与棉花各项质量指标的关系

3.1 温度与上半部平均长度的关系

温度与棉花上半部平均长度的回归方程如式（2）所示，两者关系的拟合曲线如图1所示。

式中：Len为棉花上半部平均长度（mm）；t为棉纤维所处环境温度（℃）。

在给定的显著性水平0.05下，r为0.767，属于高度相关。由图1可以看出，温度在-8.1 ℃～16.4 ℃时，棉花上半部平均长度先增加后减小。

图1 环境温度与棉花上半部平均长度的关系

当温度下降到0 ℃附近及以下时，棉花处于高湿状态，虽然棉纤维本身强度增加，但同时纤维的基部与棉籽的结合力也增大，轧花困难［5］，另外由于低温使得棉纤维柔曲性减小、脆性增加，尤其是-5 ℃以下可能还存在冰晶破裂刺伤纤维等，导致棉花上半部平均长度减小；当环境温度在-8.1 ℃时，此时由于冰冻、潮湿等原因，棉纤维的物理机械性能都很差，纤维缠结、机械撕扯导致棉花上半部平均长度最小；当温度在3 ℃～10 ℃时，环境相对湿度处于正常范围时，棉花上半部平均长度较大；当温度在16.4 ℃时，环境相对湿度较低，由于环境干燥，棉纤维表面干脆，加之轧花速度的增加会损伤纤维，上半部平均长度整体减小。

3.2 温度与长度整齐度指数的关系

温度与棉花长度整齐度指数的回归方程如式（3）所示，两者关系的拟合曲线如图2所示。

式中：Unf为棉花长度整齐度指数（%）；t为棉纤维所处环境温度（℃）。

在给定的显著性水平0.05下，r为0.615，属于中度相关。由图2可以看出，当温度在-8.1 ℃～16.4 ℃时，棉花长度整齐度指数的变化也是先增加后减小。

图2 环境温度与棉花长度整齐度指数的关系

当温度在-8.1 ℃附近时，环境相对湿度处于潮湿，而且棉纤维可能有冰晶，导致棉花长度整齐度指数减小；当温度在16.4 ℃时，环境相对湿度低，由于干燥，纤维表面干脆，加之较快的轧花速度，长度整齐度指数减小。需要说明的是，当温度在7 ℃和16.4 ℃附近时，出现个别点离回归曲线较远的现象，查阅该数据对应的轧花速度，发现此时轧花速度较该时间段的平均速度高，这可能是导致该处数据低、离散性大的原因。

3.3 温度与短纤维指数的关系

温度与棉花短纤维指数的回归方程式如式（4）所示，两者关系的拟合曲线如图3所示。

式中：SFI为棉花短纤维指数（%）；t为棉纤维所处环境温度（℃）。

在给定的显著性水平0.05下，r为0.551，属于中度相关。由图3可以看出，温度在0 ℃左右是一个转折点，在0 ℃以下，随着温度的降低，短纤维指数迅速增加，尤其是-8.1 ℃这个点，增加十分明显，这除了低温潮湿产生的缠结以及低温使得棉纤维柔曲性减小、脆性增加的因素外，还可能存在冰晶破裂产生的刺伤纤维；在0 ℃以上，短纤维指数随温度的增加缓慢增加，这主要是由于轧花速度的提升引起的，但是当温度上升到10 ℃以上时，进入干燥区，此时棉纤维强度随纤维回潮率的降低而降低也是一个因素。

图3 环境温度与棉花短纤维指数的关系

3.4 温度与断裂比强度的关系

温度与棉花断裂比强度的回归方程式如式（5）所示，两者关系的拟合曲线如图4所示。

式中：Str为棉花断裂比强度（cN/tex）；t为棉纤维所处环境温度（℃）。

在给定的显著性水平0.05下，r为0.620，属于中度相关。由图4可以看出，温度在-8.1 ℃～16.4 ℃时，棉花断裂比强度随温度增加而增加。

图4 环境温度与棉花断裂比强度的关系

当温度低于3 ℃时，环境相对湿度高，基本大于75%，棉纤维间容易缠结，而且纤维的基部与棉籽的结合力也增大，轧花困难；当温度下降到更低时，棉纤维中会出现冰晶，刺伤纤维，导致纤维的断裂比强度最低。当温度在3 ℃～10 ℃时，环境相对湿度在正常范围，回潮率随温度的增加波动不大，所以棉纤维的断裂比强度在增加。当温度高于10 ℃时，一方面由于棉纤维的柔曲性及脆性改善使得棉花损伤减小，另一方面因环境相对湿度变低，纤维回潮率降低以及轧花速度的提升，使得棉纤维强力变差，几个因素综合作用，棉纤维断裂比强度呈现较小的波动状态。

3.5 温度与断裂伸长率的关系

温度与棉花断裂伸长率的回归方程如式（6）所示，两者关系的拟合曲线如图5所示。

式中：Elg为棉花断裂伸长率（%）；t为棉纤维所处环境温度（℃）。

在给定的显著性水平0.05下，r为0.562，属于中度相关。由图5可以看出，当温度在-8.1 ℃～16.4 ℃时，棉纤维断裂伸长率整体呈现先增大后减小趋势。

图5 环境温度与棉纤维断裂伸长率的关系

当温度低于3 ℃时，环境相对湿度较高，棉纤维回潮率较高，纤维间的缠结，使得棉纤维断裂伸长率较小；当温度在3 ℃～10 ℃时，环境相对湿度在正常范围，所以棉纤维断裂伸长率增加；当温度大于10 ℃时，环境相对湿度较低（在40%左右），棉纤维回潮率较低，棉纤维干脆导致断裂伸长率减小。当温度在15 ℃附近时，出现一个散点离回归曲线较远，查阅该数据对应的轧花速度，发现此时轧花速度高于该时间段的平均速度，因此这可能是导致该处数据偏低的原因。

4 结论

（1）在整个轧花季节，随着温度的升高，可根据环境的相对湿度将轧花时间粗略分为潮湿区（75%以上）、正常区（50%～75%）和干燥区（50%以下）。

（2）当温度低于3 ℃后，处于潮湿区。此时虽然空气潮湿，但含湿量却很低，虽然测得的棉纤维回潮率在全年最高，但棉纤维实际吸湿较少，附着在棉纤维表面的水分较多，棉纤维表面发潮，加上低温带来的纤维脆性增加等原因，十分不利于生产加工，因此该时段加工的棉纤维长度和强度指标最低。

（3）当温度在3 ℃～10 ℃时，相对湿度正常，纤维脆性变小，棉纤维的长度和强度指标呈现上升趋势。

（4）当温度高于10 ℃时，环境处于干燥状态，轧花过程中放湿量较大，导致纤维回潮率偏低，虽然棉纤维的脆性减小、柔曲性增加有利于轧花，但低的回潮率加上较高的轧花速度，导致棉纤维断裂比强度呈现较小的波动，其他长度和强度指标有下降趋势。

（5）因为受棉花不一致性、现场取样车速、环境温湿度、烘干量等因素随机变化的影响，上述研究结果相关性仍有一定局限性，但总体上还是可以看出它们之间的变化趋势及规律，对新疆棉花加工工艺的改进和优化有一定参考价值。采取控制轧花环境温湿度或选择合适的温湿度时间点轧花，有利于提升棉花长度和强度质量指标。