粘貼式棉纖維長度測試法研究

■ 王 銘 孫 立 何 飛 鄭麗莎 董俊哲

〔山東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心，山東青島266555〕

粘貼式棉纖維長度測試法研究

■ 王 銘 孫 立 何 飛 鄭麗莎 董俊哲

〔山東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心，山東青島266555〕

棉纖維長度是判定棉花品質的一項重要指標，由于它直接影響到成品品質、企業(yè)成本及最終效益，因此，棉纖維長度的測試結果不但是考量棉花品種優(yōu)劣的主要判定依據，更是棉花貿易中決定最終成交價格的技術關口，而棉纖維長度測試的速度和精度也一直是纖維檢測行業(yè)比較關注的問題。

現今國際上測試棉纖維長度的主要方法包括人工手扯尺量法和HVI測試法。手扯尺量法適用范圍較廣，結果精確度高，缺點是速度較慢；HVI測試法利用HVI大容量纖維測試儀的長度/強力測試模塊進行棉纖維長度的測定，檢測速度較快，但是數據有一定波動性且檢測成本較高。

山東檢驗檢疫局工業(yè)品檢測中心從實際應用方面出發(fā)，綜合兩種主流檢測方法的優(yōu)點，設計了一種新型棉纖維長度測試儀器，并由此衍生出一種新式的棉纖維長度檢測方法。通過對新方法檢測數據的分析，證明該方法是一種高效的、可推廣的棉纖維長度檢測方法。

一、儀器設計過程

（一）儀器設計思路

對棉纖維長度的兩種檢測方法進行分析，發(fā)現手扯尺量法和HVI測試法測得纖維長度的測試步驟均可分解為三個階段：纖維束的抓取、纖維束的拉直定長、纖維長度的量取。

1.纖維束的抓取。

（1）手扯尺量法步驟。

從棉樣中選取不同的具有代表性的棉樣10 g，將選取得出的樣品加以整理，確保纖維基本趨于平順。選出適量樣品放在雙手并攏的拇指與食指間，將兩拇指并齊，用手分向左右握緊，以雙手其余四指作支點，兩臂肘緊貼兩肋，用力從兩拇指處緩緩向外拉動，將右手的棉樣棄去或合并與左手重疊握持再次抽取。右手的拇指與食指的第一節(jié)對齊，從截面多處夾取纖維，每處抽取多于3次，將每次抽取出的纖維均勻整齊地重疊在一起，制作成適當的棉束。

圖1 手扯法抓取纖維

分析：使用手扯尺量法測定棉纖維長度的情況下，檢驗人員依靠自身經驗從樣品截面中將棉纖維一層一層抽取，形成大約60 mg的棉束。抽取過程中對于手法要求不是太高，對于纖維的整理在纖維束拉直定長過程中實現。

（2）HVI測試法步驟。

使用標準樣品對HVI儀器進行系統(tǒng)檢查，檢查通過后方可進行測試。從樣品中取出兩份15 g左右的棉花分別放入左右取樣器，避免從棉樣的切斷面和表面上取樣，切斷面和表面上的棉花應予以剝離后再進行取樣。樣品與取樣器接觸一面可以適當扯松。按下長度/強度測試按鈕，取樣門關閉后，壓條將棉樣壓緊，取樣器轉動，梳夾移動到取樣孔位置進行取樣。

圖2 HVI測試法抓取纖維

分析：HVI取樣過程由儀器自動實現，檢驗人員只需按照儀器操作步驟規(guī)范執(zhí)行。需要注意的是在向取樣器放入檢測樣品的時候，應對樣品的重量進行一定的控制，過多或過少的纖維放入量都會影響程序的正常運行。

2.纖維束的拉直定長。

（1）手扯尺量法步驟。

用左手仔細清除棉束上的游離纖維、索絲、雜質及絲團等，而后用左手拇指與食指將棉束輕輕合攏，施加適當指握力，壓縮減小棉束的面積，使之成為尖直形的平順的棉束，便于抽拔。整理過的棉束用右手壓緊，將左手拇指與食指第一節(jié)平行對齊，抽取右手棉束中伸出的纖維，每次抽一薄層，將之均勻排列。隨時清除纖維中的棉結雜物等，確保抽取出的纖維中無此類物品，每次抽取的長度不宜超過1.5 mm，每次抽取整齊一端，應排列在食指的一條線上，確保平齊。形成粗束后，以相同方法反復抽拔2次～3次，最終使其達到一端齊的平直光潔的棉束。最后，棉束重量一般為60 mg左右，長纖維稍重些，短纖維稍輕些。

圖3 手扯法拉長定值

分析：手扯尺量法主要依靠檢驗人員對棉束進行反復抽拔、捋平來完成纖維束的拉直定長過程。為保證質量，檢驗人員“捏”和“拉”的力度應協(xié)調準確，需要檢驗人員的經驗來判斷。如果用力集中，就極易產生人體疲勞，制約著手扯尺量法實現連續(xù)檢測。

（2）HVI測試法步驟。

在測試程序啟動后，梳夾上的纖維被轉動的針布反向拉扯，使一端被夾持的纖維拉直。拉扯后的纖維被梳夾移動到毛刷模塊，由毛刷對纖維束進行進一步梳理，使其成為寬度10 mm左右的平直纖維束，以便進行下一步的長度測量工作。

圖4 HVI測試法拉長定值

分析：本過程由HVI儀器自動完成，過程所需時間短，纖維束拉直定長效果好因為沒有人工損耗，所以本過程可以連續(xù)進行。為保證儀器測試結果的準確性，需定期對針布、梳夾、毛刷等部件進行清理。

3.纖維長度的量取。

（1）手扯尺量法步驟。

把制成的一端整齊的棉束平放在黑絨板上，確保棉束無歪斜變形。用專業(yè)鋼尺刃面在整齊一端少切些，不齊的一端多切些，直至兩頭均不見黑絨板為宜。棉束兩端的切痕相互平行，然后用專業(yè)鋼尺測量兩切線間的距離即為棉束的手扯長度。

圖5 手扯法長度量取

分析：手扯法對纖維長度的量取需要的器具僅為黑絨板和專業(yè)刻度鋼尺，受檢測條件約束較小。在對樣品進行切線時，位置起止由檢測人員根據個人習慣和經驗確定最終結果，差錯率較小。

（2）HVI測試法步驟。

在長強測試程序中，纖維束在被送入長度/強力模塊后，長強模塊中的紅外光源將沿著纖維束方向移動，根據纖維束長度分布情況，下方的CCD接口接收到不同的光通量，計算模塊將光通量變化情況轉化為纖維照影曲線，推導得到上半部平均長度結果。測試結果通過電腦運算，自動顯示在屏幕上。

圖6 HVI測試法長度量取

分析：檢測結果由數據來決定，從表面上看消除了人為判斷偏差，但實際上由于樣品均勻性、儀器取樣方法、計算誤差等因素存在，儀器檢測結果難免會有一定的波動性。

（二）檢測結果判斷

1.檢測結果準確性。

國內已有多項研究成果證明，手扯尺量法和HVI測試法的纖維長度測試結果具備良好的相關性，由于兩者檢驗數據相近，因此本報告不再對兩者測試結果進行進一步分析，默認為兩者測試結果準確性一致，可以相互替代。

2.檢測結果波動性。

選取長度為28.2 mm棉纖維長度標準樣品1只，使用兩種檢測方法進行20次重復性試驗，觀察檢測數據的波動性。所得測試結果如下：

表1 單只樣品多次測試結果

從表1數據可以看出，手扯長度測試結果相對比較穩(wěn)定，前9次測試結果與標準值結果差值在0.3以內；第10次～20次檢驗中，由于操作者疲勞度上升出現了偏差較大的情況，因此，測試結果的最大偏差為0.9 mm，HVI測試結果與手扯長度相比波動性較大，其中第3次測試結果與標準長度相差1.3 mm，第12次測試結果與標準長度相差1.4 mm，第20次測試結果與標準長度相差1.4 mm，其余差值皆在1 mm以內。

HVI測試結果較手扯測試結果波動較大的主要原因是HVI取樣隨機性較大，取樣部位太過集中不能代表纖維長度分布的總體情況。

測試時間方面受到人體機理影響，隨著手扯次數的增加，檢測時間逐漸增長，由3 min增加到了5 min左右，不同水準的操作人員檢測時間會有一定的變化；HVI測試時間則比較穩(wěn)定，一直維持在30 s左右，檢測時效率較高。

對兩種檢測方法按照步驟分析優(yōu)缺點，結論見表2。

表2 長度檢測分解表

為保證課題研究的經過系統(tǒng)研究，課題選取制作新型棉纖維長度檢測儀的核心技術點為：A1、B2和A3。

課題組針對三個核心技術點進行儀器部件的初步設計。新型檢測儀器需包含三個模塊，負責完成A1、B2、A3的技術步驟。

二、儀器制作和試驗過程

（一）粘貼式棉纖維長度檢測儀結構

圖7為粘貼式棉纖維測試儀效果圖，圖8和圖9為儀器結構示意圖。

圖7 粘貼式棉纖維長度測試儀效果圖

圖8 粘貼式棉纖維長度測試儀結構示意圖一

圖9 粘貼式棉纖維長度測試儀結構示意圖二

粘貼式棉纖維長度測試儀主要由四大模塊組成，分別是：外殼、刷理模塊、粘貼模塊、定長模塊。

1.外殼。

外殼包括底座和側擋板。

2.刷理模塊。

刷理模塊包括毛刷，毛刷兩端具有轉軸，毛刷兩側設置毛刷支撐架，毛刷兩端的轉軸架設在毛刷支撐架上，毛刷下部設置刷理臺面，一端設有驅動裝置，驅動裝置包括設置在刷理臺面下部的第一電機，第一電機連接同步帶輪的下部帶輪，同步帶輪的上部帶輪連接毛刷一端，上、下同步帶輪上有同步履帶。儀器側面安裝有2個控制旋鈕和1個啟動按鈕，控制旋鈕分別控制毛刷轉速和毛刷移動速度，按下啟動按鈕后，毛刷支撐架帶動毛刷沿軌道運動一個來回。

如圖8和圖9所示，刷理臺面的底部設置電動轉機，轉機通過金屬搖桿連接第一電機的電機座，毛刷活動架上設有毛刷的運行軌道，轉機開動后順時針旋轉，搖桿帶動電機固定座往復運動，電機固定座的上部通過固定板連接上部的同步帶輪架，同時帶動毛刷沿其運行軌道前后運動。

3.粘貼模塊。

粘貼模塊包括粘貼臺，粘貼臺固定在刷理臺面的上表面，粘貼臺一側設有凹槽，凹槽內設置卷取鋼尺，粘貼臺另一側設置膠帶架，膠帶架上設有細窄單面膠帶，卷取鋼尺的一端設置驅動裝置，該驅動裝置包括第二電機、履帶和第二組帶輪，第二電機為步進電機，每次轉動180°，使得卷取鋼尺也每次轉動180°，卷取鋼尺上還設有粘取插塊，為方便安裝拆卸粘取插塊，粘取插塊38設有U型槽，插裝到卷取鋼尺上。在卷取鋼尺的帶動下，粘取插塊每轉動一次就粘貼一面棉纖維。刷理臺面上安裝有壓手，壓手頂端接觸面寬度設定為1mm，以保證在壓取纖維時的取樣區(qū)間。

4.定長模塊。

定長模塊包括開設在刷理臺面上表面的定長槽，在定長槽的兩側設置定長鋼尺。

（二）測試步驟

1.測試準備。

首先進行檢測設備的準備工作：將制作好的粘取插塊插到卷取鋼尺上并固定，拉開細窄單面膠帶在粘取插塊上纏繞一圈，轉動把手通過膠帶架的卷軸拉直，拉開的膠帶粘貼面朝上，一頭粘貼到粘取插塊上，開動第二電機，履帶和第二組帶輪帶動卷曲鋼尺轉動，通過第二電機步進控制，每次按下卷取控制按鈕鋼尺轉動180°。

2.刷理纖維。

檢驗員在拔取一定量的棉束后，用手捏取棉束一端，將另一端放在刷理臺面邊緣。開動第一電機，毛刷在履帶和第一組帶輪帶動下順時針旋轉，對棉束進行刷理，開動轉機，轉動過程中通過搖桿帶動毛刷沿側擋板上的運行軌道運動，由前端運行到后端，這個過程中毛刷邊轉動邊前后運動，棉束一端被刷理至平直整齊的狀態(tài)。

3.粘貼步驟。

將梳理過的棉束外端對準粘貼臺上的膠帶內側邊緣粘貼，按壓壓手使棉束前端被夾持住，將棉束慢慢抽出，下層棉纖維在按壓力的作用下被粘貼到膠帶上，并隨著卷取鋼尺的轉動內卷取到粘取插塊上。

重復以上運行步驟，直到棉束平直整齊一端的纖維完全被粘貼到粘取插塊上。

4.量取長度。

將粘取插塊取下，經過毛刷梳理后放置到定長槽中，使用定長鋼尺量取確定棉纖維長度，做好有效記錄。

三、測試結果準確度驗證

多點測試確定纖維長度測試儀結果的準確率，選取2016年度美國農業(yè)部制作的全球棉花長度/強力標準樣品作為測試樣品，為保證代表性，選取陸地棉標準樣品和皮馬棉標準樣品各2種，4種樣品的參數如表3所示。

表3 準確性試驗樣品參數

棉纖維自身性質決定了其質量數值不穩(wěn)定，樣品檢測數據存在一定波動性，標準樣品可看作是波動性較小的纖維樣品，其數值為多次檢驗后得到的平均值。使用t檢驗法確定長度檢測儀測試數據的準確性，首先對樣品a進行連續(xù)的10次檢驗，結果如表4所示。

表4 樣品a測試結果

根據實驗原理，帶入t檢驗單體統(tǒng)計量公式：

式中：t——檢測樣本平均數與總體平均數的離差統(tǒng)計量；

μ——總體平均數；

σX——樣本標準差；

n——樣本容量。

已知 μ=31，n=10，經計算可得：

查t檢驗界值表可知，在95%的置信水平下，自由度f=n-1=9時，t95%=2.26。由于|0.695|＜ 2.26，這說明長度測試儀對標準樣品a的測試結果與標準值無顯著差異，可以認為本方法檢測結果準確可靠。

同樣使用纖維長度測試儀對樣品b、樣品c、樣品d分別進行10次測試，得到表5的數據。

表5 樣品b、c、d測試結果

帶入t檢驗單體統(tǒng)計量公式：

式中：t——檢測樣本平均數與總體平均數的離差統(tǒng)計量；

μ——總體平均數；

σX——樣本標準差；

n——樣本容量。

查t檢驗界值表可知，在95%的置信水平下，自由度f=n-1=9時，t95%=2.26。由于|2.025|＜ 2.26，這說明長度測試儀對標準樣品b的測試結果與標準值無顯著差異。

對于樣品c，已知μ=34.9，n=10，經計算可得：

查t檢驗界值表可知，在95%的置信水平下，自由度f=n-1=9時，t95%=2.26。由于|2.213|＜ 2.26，這說明長度測試儀對標準樣品c的測試結果與標準值無顯著差異。

對于樣品d，已知μ=28.2，n=10，經計算可得：

查t檢驗界值表可知，在95%的置信水平下，自由度f=n-1=9時，t95%=2.26。由于|-0.471|＜ 2.26，這說明長度測試儀對標準樣品d的測試結果與標準值無顯著差異，可以認為本方法檢測結果準確可靠。

四、結論

本文提出的新方法綜合了手扯尺量長度檢測法和HVI長度檢測法的技術特點，使用粘貼力代替人工捏合力，利用機械模塊間的動作組合替代了部分手工操作，優(yōu)化了檢測流程，有效減少了檢測過程中的人力損耗。新方法檢測速度快、儀器造價成本低、使用方法簡單，適合在棉花檢測領域推廣使用。☆