干燥溫度影響棉纖維原生品質(zhì)的試驗研究

■史書偉 李孝華

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設計研究所，河南鄭州 450004〕

引言

籽棉干燥在棉花加工過程中發(fā)揮著重要作用，通過籽棉干燥既能提高加工效率，又能保證加工質(zhì)量。干燥溫度是籽棉干燥的一個重要因素，干燥溫度是否合適，對棉纖維的品質(zhì)會產(chǎn)生較大的影響。尤其是高溫干燥過程會對棉纖維表面的蠟質(zhì)層造成破壞，降低棉纖維的可紡性，破壞棉纖維的原生品質(zhì)。所以，課題組希望通過此項研究，探尋溫度對棉纖維原生品質(zhì)影響的機理，獲得保持棉纖維原生品質(zhì)干燥的低溫窄帶范圍，為保持棉纖維原生品質(zhì)的干燥關鍵技術(shù)研究提供指導和支撐。

一、棉纖維原生品質(zhì)的試驗性定義

目前，對于棉纖維的原生品質(zhì)沒有權(quán)威的定義，為了方便此研究項目的開展，和后期試驗數(shù)據(jù)的對比分析，筆者首先對棉纖維的原生品質(zhì)做一個試驗性定義。

籽棉采摘后，其纖維長度、纖維細度、纖維強度、纖維成熟度都已經(jīng)確定，長度整齊度與加工手段直接相關。根據(jù)目前的棉花加工工藝，并結(jié)合本課題的研發(fā)目標，假定棉纖維原生品質(zhì)就是籽棉采摘后自然形成的棉纖維品質(zhì)。先把采摘后的籽棉放在試驗室平衡，使其回潮至8.5%，使用鋸齒衣分試軋機加工成皮棉，檢定其品質(zhì)并標定為棉纖維的原生品質(zhì)。

使用相關設備最終加工出來的皮棉檢定其品質(zhì)，和標定的棉纖維原生品質(zhì)比對，指標越接近原生品質(zhì)，說明研發(fā)的相關設備越符合保持棉纖維原生品質(zhì)加工技術(shù)的要求。

二、研究方法及方案

要研究干燥溫度影響棉纖維原生品質(zhì)的機理，也就是要研究干燥溫度對棉纖維各項指標的影響，研究干燥溫度的高低對棉纖維各項指標影響的程度。為此，筆者確定了以試驗研究為主要手段的研究方法。通過設計不同的試驗，取得不同干燥溫度下棉纖維樣品，然后通過檢驗其各項指標，進而找出干燥溫度對各項指標產(chǎn)生影響的機理。為了更好地模擬實際干燥環(huán)境，設計實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場兩個試驗來完成研究工作。

（一）實驗室烘箱干燥試驗

1.試驗目的。

同一品種、同一品級的籽棉，通過不同干燥溫度的烘箱干燥試驗，獲得不同溫度干燥后的樣品，樣品經(jīng)過專業(yè)檢驗機構(gòu)檢定其品質(zhì)各項指標，分析指標數(shù)據(jù)，找出干燥溫度與棉纖維品質(zhì)指標間相互影響的量性關系。

2.試驗儀器。

烘箱、天平、原棉水分電測器、秒表、鋸齒衣分試軋機、HVI（送檢機構(gòu)）。

3.試驗方案。

（1）購買50 kg品級在3級以上的同品種、同品級籽棉一批。

（2）取籽棉2000 g，在實驗室恒溫恒濕自然回潮到回潮率8.5%（用原棉水分電測器測值），使用鋸齒衣分試軋機試軋成皮棉后，再使用原棉水分電測器測回潮率并記錄，皮棉樣編號為0，用塑料袋密封保存待檢。

（3）取籽棉2000 g，使用原棉水分電測器測回潮率并記錄，調(diào)整烘箱溫度為60℃，放入棉樣，烘干10 s后，取出棉樣自然散熱30 s后，再使用原棉水分電測器測回潮率并記錄。

（4）使用鋸齒衣分試軋機將烘干后籽棉軋成皮棉，再使用原棉水分電測器測回潮率并記錄，皮棉樣編號為1，用塑料袋密封保存待檢。

（5）每次調(diào)高烘箱溫度10℃，直到180℃，重復步驟（3）和（4），皮棉樣依次編號，密封保存待檢。

（6）全部棉樣送第三方檢驗機構(gòu)，通過HVI檢定纖維長度（上半部長度）、纖維強度（斷裂比強度）、長度整齊度（整齊度指數(shù)）等指標。

（二）生產(chǎn)現(xiàn)場試驗樣機干燥試驗

1.試驗目的。

通過基于試驗樣機的現(xiàn)場試驗，研究干燥溫度與棉纖維原生品質(zhì)要素之間存在的量值變化關系；研究中低溫干燥和高溫干燥對棉花品級的影響差異，奠定研制中低溫窄帶干燥裝置的技術(shù)基礎。

2.試驗儀器。

試驗樣機、溫濕度檢測儀、手持式溫度計、籽棉回潮率在線檢測裝置（該裝置一分鐘取測兩組數(shù)據(jù)）、鋸齒衣分試軋機、原棉水分電測器、對講機、秒表、HVI（送檢機構(gòu)）。

3.試驗方案。

（1）取貨場籽棉2000 g，使用鋸齒衣分試軋機試軋成皮棉后，再使用原棉水分電測器測回潮率并記錄，皮棉樣編號為0，用塑料袋密封保存待檢。

（2）調(diào)整熱風溫度到60℃時，試驗開始，用秒表記錄時間；讀取干燥前后兩臺籽棉回潮率在線檢測裝置的回潮率數(shù)值，并記錄；1 min后在總集棉管道開口處取皮棉約500 g，用原棉水分電測器測其回潮值并記錄；然后將皮棉用塑料袋密封，皮棉樣編號為1，保存待檢。

（3）每次調(diào)整熱風溫度上升10℃，直到熱風溫度達到180℃，重復步驟（2）工作，試樣編號依次上升，保存待檢。

（4）全部皮棉樣送到第三方檢驗機構(gòu)，檢定纖維長度（上半部長度）、纖維強度（斷裂比強度）、長度整齊度（整齊度指數(shù)）、品級、含雜量、疵點等參數(shù)；

完成上述兩個試驗以后，分析處理記錄的數(shù)據(jù)和檢測機構(gòu)返回的棉纖維品質(zhì)指標數(shù)據(jù)，分別繪制干燥溫度與回潮率、纖維長度、長度整齊度、纖維強度等品質(zhì)指標的關系曲線，分析試驗結(jié)果，得出研究結(jié)論。

三、研究過程

2012年棉花加工季度，筆者集中課題組技術(shù)人員在伊犁州伊欣棉業(yè)機采棉生產(chǎn)線和128團機采棉生產(chǎn)線上進行了生產(chǎn)現(xiàn)場試驗樣機干燥試驗，取得了大量試驗數(shù)據(jù)，同時檢驗了試驗樣機的生產(chǎn)性能和基于籽棉回潮率在線檢測的熱風溫度控制裝置的性能。

圖1 實驗室烘箱干燥

2012年底到2013年初，利用市場銷售工作和售后服務工作的間歇期，筆者集中課題組技術(shù)人員在實驗室通過TestsLab烘箱系統(tǒng)進行了實驗室烘箱干燥試驗，反復進行了大量的籽棉干燥試驗，取得了大量試驗數(shù)據(jù)；試驗樣品送第三方檢驗機構(gòu)進行了HVI全指標檢驗，取得了寶貴的檢驗數(shù)據(jù)。

圖2 籽棉試軋

四、研究結(jié)果及分析

1.干燥溫度對烘干效果（回潮率）的影響。

無論是生產(chǎn)現(xiàn)場試驗樣機的干燥試驗還是實驗室烘箱干燥試驗，筆者都是最大限度地模擬實際生產(chǎn)過程中的干燥環(huán)境，這樣測得的數(shù)據(jù)才更能反應出干燥溫度對回潮率的作用機理。根據(jù)對獲得的大量回潮率數(shù)據(jù)進行分溫度區(qū)域做加權(quán)平均，筆者繪制出如下關系曲線。

圖3 干燥溫度與回潮率的關系曲線

通過圖3可以看出，干燥溫度在70℃～120℃區(qū)間時，回潮率明顯下降較快，初始回潮率14%左右的機采籽棉經(jīng)過試驗樣機此溫度區(qū)間二道干燥后，能達到軋花機付軋標準。

2.干燥溫度對纖維長度和整齊度的影響。

HVI檢驗給出上半部平均長度和整齊度指數(shù)兩個指標來共同反應纖維長度受到加工破壞的程度，這兩個指標是棉纖維品質(zhì)的重要指標，通過對檢驗數(shù)據(jù)的分析，剔除不合理數(shù)據(jù)。筆者分別繪制了干燥溫度與纖維上半部平均長度的關系曲線、干燥溫度與纖維整齊度指數(shù)的關系曲線，如下所示。

圖4 干燥溫度與纖維上半部平均長度的關系曲線

圖5 干燥溫度與纖維整齊度指數(shù)的關系曲線

通過圖4、圖5我們可以看到，干燥溫度在70℃～120℃區(qū)間內(nèi)，纖維的上半部平均長度值和整齊度指數(shù)均處在一個較高水平。當干燥溫度達到130℃時，纖維長度和整齊度指數(shù)均有一個快速下降。

3.干燥溫度對纖維強度的影響。

棉纖維的強度在HVI檢驗中通過斷裂比強度和伸長率兩個指標來反應，通過對檢測數(shù)據(jù)的分析，筆者分別繪制了干燥溫度與斷裂比強度的關系曲線、干燥溫度與伸長率的關系曲線，如下圖所示。

圖6 干燥溫度與斷裂比強度的關系曲線

圖7 干燥溫度與伸長率的關系曲線

由圖6可以看出，纖維的斷裂比強度在干燥溫度60℃時處于較低水平，說明回潮率過大，纖維的強度也會受到不良影響。干燥溫度在70℃～120℃區(qū)間時，斷裂比強度處于較理想的區(qū)間。130℃時有較大波動。圖7說明，干燥溫度在80℃～120℃區(qū)間時，纖維伸長率指標較好。綜合圖6和圖7，筆者認為干燥溫度在80℃～120℃區(qū)間時，干燥過程對纖維的強度影響較小。

4.干燥溫度對紡紗均勻性指數(shù)的影響。

紡紗均勻性指數(shù)是HVI提供的一個多重回歸經(jīng)驗性公式計算而得出的指數(shù)，它能反映纖維的可紡性和估算成紗強力。涉及測試項目中纖維斷裂比強度、馬克隆值、上半部平均長度、長度整齊度、反射率、黃色深度6個參數(shù)，其中前4個為主要參數(shù)，影響較大。紡紗均勻性指數(shù)的數(shù)值越大，說明纖維的成紗強力和可紡性越好。

根據(jù)試驗檢測的數(shù)據(jù)，筆者繪制出了干燥溫度與紡紗均勻性指數(shù)的關系曲線，如下圖所示。

圖8 干燥溫度與紡紗均勻性指數(shù)的關系曲線

通過圖8可以得出，干燥溫度在70℃～120℃區(qū)間時，棉纖維的紡紗均勻性指數(shù)處于較高的水平。干燥溫度低于70℃時，紡紗均勻性指數(shù)急速下降；干燥溫度高于120℃時，紡紗均勻性指數(shù)也有所下降。這說明，干燥溫度在70℃～120℃區(qū)間時，籽棉經(jīng)過干燥，軋花生產(chǎn)出來的皮棉具有較高的可紡性能。也可以說此溫度區(qū)間干燥最大限度地保持了棉纖維的原生品質(zhì)。

五、結(jié)論

通過前后將近一年的多次試驗研究，課題組技術(shù)人員一致認為，可以得出以下幾點結(jié)論。

1.干燥溫度過高或者過低均會對棉纖維原生品質(zhì)產(chǎn)生較大影響，最有利于保持棉纖維原生品質(zhì)的干燥溫度區(qū)間為70℃～120℃。

2.確定將“低溫窄帶干燥關鍵技術(shù)研究”的干燥溫度區(qū)間設定為70℃～120℃。

3.需要進一步研制“熱風溫度精確控制”裝置，以便準確控制干燥溫度在70℃～120℃區(qū)間內(nèi)。

4.加快“增大水分蒸發(fā)梯度和散失速率”的關鍵技術(shù)研究，提高試驗樣機干燥效率。以保證手摘棉生產(chǎn)應用一道烘干時，也能在70℃～120℃區(qū)間內(nèi)達到干燥效果。