棉花初加工溫濕度對棉結雜質(zhì)及顏色級的影響

張純宇 周紅雷 袁少琦 徐 紅 方丹丹

（新疆大學，新疆烏魯木齊， 830017）

自2010 年以來，新疆棉花產(chǎn)量在我國棉花總產(chǎn)量中的占比越來越高，2018 年新疆皮棉總產(chǎn)量達到511.1 萬t，占據(jù)全國皮棉總產(chǎn)量的83.8%，2020 年新疆棉花產(chǎn)量占全國棉花總產(chǎn)量的87.3%，并且在40 年間皮棉總產(chǎn)量增加了40倍［1?3］。新疆皮棉產(chǎn)量與質(zhì)量直接影響我國棉紡織產(chǎn)品的水平與產(chǎn)業(yè)安全。因此，提高新疆地區(qū)皮棉質(zhì)量是至關重要的。

新疆棉花初加工大多集中在每年10 月至次年1 月，棉花加工廠是不封閉的，這一階段棉花加工車間的溫濕度隨室外環(huán)境的變化而變化，多數(shù)情況在-10 ℃～15 ℃，其中有2/3 時間生產(chǎn)車間溫度處于10 ℃以下，低溫往往伴隨著高濕，而溫濕度對棉纖維性能影響較大［4］。尤其是溫度低的時候，環(huán)境相對濕度較高，容易在加工過程中產(chǎn)生棉結和索絲，也不利于清雜。

文獻［5］主要研究了軋花工序和回潮率對棉纖維外觀指標的影響。鮮有軋花環(huán)境溫濕度對加工過程中棉纖維外觀指標的研究。本研究通過在初加工各工藝流程測取溫濕度并采樣，分析溫濕度和回潮率對加工過程中棉結、雜質(zhì)和顏色級等外觀質(zhì)量的影響程度，為軋花工藝與設備改進提供理論支撐。

1 車間取樣試驗

1.1 取樣安排

取 樣 日 期：2020 年10 月10 日 至2020 年12 月10 日。

取樣地點：新疆昌吉州瑪納斯縣某軋花廠。

采樣及溫濕度測試：首先在喂棉口（自動喂棉機）采集約1 kg 棉樣，30 s～60 s 后依次在第二道復式籽棉清理（以下簡稱籽清）機、復式鋸齒軋花機、氣流式皮棉清理（以下簡稱皮清）機和鋸齒軋花機后同樣采集樣品約1 kg，并測取取樣口的溫濕度、車間溫濕度以及室外環(huán)境溫濕度。

1.2 軋花加工流程和試驗儀器

機采棉初加工流程：棉垛→喂棉口→重雜物清理器→一道烘干塔→卸料式棉葉清理機→一道復式籽清機（上清花機+提凈機+下清花機）→二道烘干塔→二道復式籽清機（上清花機+提凈機+下清花機）→復式鋸齒軋花機→氣流式皮清機→鋸齒式皮清機→打包機。

第一道復式籽清機因沒有合適的取棉口未取樣。

試驗儀器：溫濕度檢測箱（自制），XJ130 型原棉回潮率測定儀，USTER AFIS?PRO2 型檢測儀，電子天平，USTER HVI 1000 型大容量纖維檢測儀。

1.3 指標測試

每次取樣結束后立即到實驗室利用原棉回潮率儀測定各工序棉花的回潮率，每個環(huán)節(jié)樣品測試10 次，取平均值。然后從各棉樣中留取100 g～200 g 樣品，將留取棉樣帶到紡織廠實驗室進行溫濕度平衡，采用AFIS 和HVI 測試棉樣中棉結、雜質(zhì)、黃度和反射率等質(zhì)量指標。每組樣品測試10 次，取平均值。此處纖維測試分析的主要是細小雜質(zhì)，在進行USTER HVI 大容量纖維檢測儀測試前已將其中的棉稈、棉殼等大雜質(zhì)人工去除。

2 車間取樣試驗的結果與分析

2.1 溫濕度與回潮率

檢測的室外、車間及各工序取樣口的溫濕度和軋花后各工序皮棉回潮率如表1 所示。對表1中數(shù)據(jù)按溫度劃分，以5 ℃左右為一個區(qū)間取平均值，數(shù)據(jù)依次按棉花加工流程順序排列。

表1 車間內(nèi)外和各工序取棉口溫濕度及皮棉回潮率

從表1 中可以看出：相對濕度隨著溫度的變化而變化，溫度降低，相對濕度升高，兩月內(nèi)環(huán)境溫度下降了約20 ℃，相對濕度增加了40 個百分點左右。車間溫濕度隨室外溫濕度波動而波動，車間溫度比室外約高1 ℃～3 ℃，其中秋季高1 ℃～2 ℃，冬季高2 ℃～3 ℃；車間相對濕度比室外低2個百分點～12 個百分點，其中秋季約低2 個百分點～5 個百分點，冬季約低10 個百分點，秋季車間的溫濕度與室外的差異要小于冬季。

各工序在同一時間取樣時都有溫度差，但軋花機、氣流皮清和鋸齒皮清這3 個環(huán)節(jié)取樣口的溫度很接近，都高于車間約2 ℃左右，這主要是因為棉花的絕熱效果比較好，有烘棉余熱殘留。車間溫度在-8.4 ℃時鋸齒皮清工序的溫度低于喂花口，其他時間鋸齒皮清的溫度都是高于喂花口，說明烘棉殘留余熱在環(huán)境溫度很低時不再保留。

相對濕度隨著加工過程的延續(xù)呈下降趨勢，從喂花口到鋸齒皮清大約降低20 個百分點左右，此外鋸齒皮清工序較車間相對濕度低4 個百分點～7 個百分點左右，這主要是因為在氣流輸送過程中一部分濕氣被空氣帶走排出。

比較皮棉回潮率可以看出，低溫下在這3 道工序間的皮棉回潮率隨著加工過程的延續(xù)呈現(xiàn)增加趨勢，說明棉花處于吸濕狀態(tài)，此時皮棉呈現(xiàn)出“內(nèi)干外濕”狀態(tài)，潮濕的表面在加工過程中易增加大量的棉結、索絲，影響皮棉加工質(zhì)量，不利于加工［6?8］；相反在溫度高時，這3 個環(huán)節(jié)的皮棉回潮率是在降低的，這說明皮棉處于放濕狀態(tài)，空氣干燥，棉纖維表面相對干燥，利于除雜；但如果空氣過于干燥，如相對濕度小于45%，則有可能因靜電問題影響皮棉的加工質(zhì)量。

2.2 棉結、雜質(zhì)、黃度和反射率

表2為車間不同溫濕度和軋花機的實際轉速。表3、表4 分別為各取樣方案對應各工序棉纖維的外觀指標。其中棉樣的雜質(zhì)、反射率和黃度指標利用USTER HVI 大容量纖維檢測儀檢測，棉樣的棉結用USTER AFIS?PRO2 型檢測儀檢測。因為車間溫濕度和加工機器內(nèi)溫濕度差值小，故本部分研究按車間溫濕度進行。

表2 車間不同溫濕度和軋花機轉速

表3 不同車間溫濕度軋花機轉速下棉花棉結雜質(zhì)試驗結果

表4 不同車間溫濕度軋花機轉速下棉花反射率和黃度試驗結果

2.2.1各工序棉結指標分析

結合表2、表3 可以看出，隨著工藝道數(shù)增加，棉結數(shù)一直在增加，但不同溫濕度條件下增加幅度不同。溫度11.8 ℃時棉結增長率較大，主要原因是此時車間相對濕度偏低，平均值不到45%，機器內(nèi)40%左右，棉纖維回潮率也是全年最低，干燥的環(huán)境及偏低的纖維回潮率容易產(chǎn)生靜電，加上此時軋花機轉速在最高點，機械作用較強。而在0 ℃以下棉結增長率也較大，主要原因是此時車間相對濕度偏高，棉纖維處于吸濕狀態(tài)，摩擦因數(shù)大，容易糾纏。在-8.4 ℃時棉結增長率最大，盡管此時車速最低，但因為車間相對濕度全年最高，不適宜的溫濕度環(huán)境使得此時棉花處于“外濕內(nèi)干”狀態(tài)，因而纏繞問題十分嚴重，車間停臺率也是全年最高。

為了進一步研究溫度對每個工序棉結的影響程度，對不同溫度下各工序棉結增長率分析如圖1 所示。

圖1 不同溫度下各工序棉結增長率

首先從圖1 中可以看出籽清工序和軋花工序環(huán)境溫濕度對棉結的影響較大，0 ℃以下鋸齒皮清工序受環(huán)境溫度的影響也比較大，環(huán)境溫濕度在氣流皮清工序中對棉結影響較??；其次從圖1（a）線可以看出，隨著溫度的降低，籽清工序的棉結增長率呈現(xiàn)出降低趨勢，主要是因為：車間溫度高時往往是軋花早期，此時雖然棉籽、棉葉比較潮濕，籽棉纖維的基部與棉籽的連接力也增大，軋花困難，纖維容易糾纏，易生成棉結，但考慮后工序放濕的緣故，烘棉溫度低；相反在低溫時，由于籽棉的自然放濕加上烘棉溫度高，棉纖維干燥，利于除雜，就會減少棉結的產(chǎn)生。從圖1（b）線與圖1（d）線中可以看出隨著溫度的降低，軋花工序和鋸齒皮清工序的棉結增長率是在上升的，主要是因為：低溫時，環(huán)境潮濕，回潮率升高，棉纖維處于吸濕狀態(tài)，纖維表面潮濕，在機械外力的作用下容易產(chǎn)生棉結索絲［9?12］。其中軋花工序在11.8 ℃時的棉結增長率較高是因為此時的相對濕度低、環(huán)境較干燥，造成纖維回潮率低、易產(chǎn)生靜電，導致棉結增多。從圖1（c）線中可以看出氣流皮清工序的棉結增長基本不受溫濕度影響。

2.2.2各工序雜質(zhì)指標分析

從表3 可以看出，58%～76%的雜質(zhì)清除在籽清工序完成的，隨著工藝道數(shù)的增加，各工序雜質(zhì)粒數(shù)一直在減少。從車間溫濕度上來看，隨著溫度的降低，相對濕度的增大，總清雜效率是在增加的，從78.3%增加到86.5%。數(shù)據(jù)顯示溫度越低清雜效果越好，這與我們理解的一般規(guī)律不同，一般情況是隨著環(huán)境溫度的降低、相對濕度的增加除雜效果會下降，尤其在溫度達到0 ℃以下時，但觀察表1 中的烘棉溫度，我們發(fā)現(xiàn)該廠烘棉溫度是隨車間溫度的降低而增加的，因此我們認為烘棉溫度是影響清雜效果的主要因素，環(huán)境溫濕度是次要影響因素。

不同溫度下各工序雜質(zhì)減少率分析如圖2所示。

圖2 不同溫度下各工序雜質(zhì)減少率

首先從圖2 中可以看出，影響清雜效果的主要是籽清工序。其次從圖2（a）線可以看出隨著溫度降低，籽清工序的雜質(zhì)減少率是在逐步上升的，主要原因是：隨著車間溫度的降低，烘棉溫度的升高，棉纖維表面比較干燥，利于除雜。從圖2（b）線可以看出隨著溫度的降低，軋花工序的雜質(zhì)減少率是在逐漸降低的，雖較籽清工序幅度較小，但仍可以看出軋花工序的清雜效果是受溫度影響的。其主要原因是：溫度降低，環(huán)境相對濕度增加，纖維處于吸濕狀態(tài)，表面潮濕，不利于除雜。從圖2（c）線與圖2（d）線可以看出氣流皮清工序和鋸齒皮清工序的清雜效果受溫濕度影響較小，主要原因是：經(jīng)過軋花之后，皮棉的雜質(zhì)含量本身就比較少，所以這兩道工序的清雜效果主要屬于試驗誤差而產(chǎn)生的波動。

2.2.3各工序反射率指標分析

從表4 可以看出，隨著工藝道數(shù)的增加，各工序反射率增大，籽清工序反射率增加了5.53%～14.15%，其他工序增加量有限。大約60%～80%的增加值在籽清工序完成。從圖3 中可以看出除籽清工序外，其他3 道工序的反射率增長受溫濕度的影響較小，再結合圖2、圖3 看，在籽清、軋花、氣流皮清工序和鋸齒皮清工序中，反射率的增加趨勢與雜質(zhì)減少趨勢非常相似，說明反射率增加與雜質(zhì)的減少密切相關，與溫濕度、回潮率的變化幾乎沒有直接的關系。

圖3 不同溫度下各工序反射率增長率

2.2.4各工序黃度指標分析

影響黃度的主要因素是：籽棉本身黃度、雜質(zhì)含量、高濕條件下纖維中棉葉、棉籽表皮等上的色素沾染在纖維上以及較高的烘棉溫度。從表4 可以看出，經(jīng)籽清工序后棉花黃度增加了5.3%～8.8%，經(jīng)鋸齒皮清工序后黃度增加了3%～4%，隨著工藝道數(shù)的增加，黃度指標一直在增加，增加了12.7%～15.6%，表明軋花車間溫濕度波動與纖維回潮率的變化對棉纖維的黃度指標幾乎沒有影響。

3 溫度與回潮率對棉結影響的實驗室模擬研究

在實際生產(chǎn)中，籽棉質(zhì)量、軋花機的轉速、烘棉溫度以及纖維的回潮率、車間溫濕度環(huán)境等有很多偶然性與不確定性，在有限的數(shù)據(jù)下探究其規(guī)律時可能存在一定的誤差。為了避免多因素不確定性的影響，切實掌握棉纖維在低溫環(huán)境下受打擊作用棉結的產(chǎn)生情況。我們采用實驗室模擬環(huán)境溫濕度對棉結指標的影響，通過控制單因素變量，進一步印證取樣試驗的結論。

3.1 模擬試驗

從初加工企業(yè)帶回的同批次棉樣中取出150 g，分成15 組，每組10 g。利用Y（B）802N 型八籃恒溫烘箱對棉樣進行烘干，將15 組棉樣分成3 大組，將棉樣回潮率調(diào)成4%、6%以及8%；然后在溫度為-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃的環(huán)境下，利用鋼刷自上而下刷擊、揉搓每組棉樣40 次，最后測試每組棉樣的棉結。

3.2 模擬試驗結果與分析

從圖4 中可以看出，隨著溫度的升高，棉結呈下降趨勢，在低溫區(qū)間-5 ℃～0 ℃棉結變化較大，在0 ℃～10 ℃棉結變化不大，在10 ℃～15 ℃棉結減少比較顯著，這表明在低溫環(huán)境下易產(chǎn)生棉結，適當增加溫度有利于減少棉結的產(chǎn)生；在同一溫度下，回潮率越高棉結越高，當溫度為10 ℃時，回潮率4% 棉樣棉結較回潮率8% 棉樣棉結低37.6%。回潮率高，棉樣纖維含水相對較高，較高的含水使纖維之間易產(chǎn)生黏連，從而引發(fā)棉結的形成，使棉結增多。因此在初加工環(huán)節(jié)中增設烘干塔，并合理調(diào)整車間溫濕度有利于減少棉結的產(chǎn)生，提高軋花質(zhì)量。

圖4 溫度及回潮率與棉結的變化關系

4 結論

（1）棉花初加工過程中受車間溫濕度影響的外觀指標主要是棉結，其次是雜質(zhì)，反射率和黃度受其影響較小。

（2）環(huán)境溫濕度對加工質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在軋花工序和鋸齒皮清工序。車間溫度升高時，相對濕度低，環(huán)境干燥，有利于除雜和降低棉結的產(chǎn)生，但當相對濕度低于45%以后，會產(chǎn)生靜電，棉結有增多的趨勢；相反，車間溫度低時，相對濕度高，環(huán)境潮濕，不利于加工，棉結增長多，除雜效果差。

（3）籽清工序主要受籽棉的初始回潮率和烘干塔溫度的影響，在一定范圍內(nèi)提升烘棉溫度，利于除雜，也能減少棉結的形成。

（4）實驗室模擬試驗表明，在單因素條件下，溫度降低使棉結增加，并且在0 ℃以下棉結增加幅度更大；回潮率升高也使棉結增加。

由本研究可知，棉花初加工環(huán)境溫濕度對棉花初加工質(zhì)量有較大的影響，建議棉花加工廠根據(jù)實際情況采取措施，合理控制棉花初加工車間溫濕度，為提高棉花初加工質(zhì)量創(chuàng)造條件。