文/李浩 周萬懷 梁后軍 徐守東 劉從九 周森鑫 常郝

1 引言

新疆是我國(guó)重要的棉花生產(chǎn)基地，近年來機(jī)采棉在新疆已經(jīng)得到大面積的推廣。據(jù)相關(guān)報(bào)道機(jī)采棉種植面積已占全疆棉花種植面積的80%左右[1]。雖然使用機(jī)器采摘棉花極大地提高了棉花的采收效率，但是也導(dǎo)致一些新問題，尤其是機(jī)采棉含雜質(zhì)率遠(yuǎn)高于人工采摘的棉花，因而機(jī)采棉加工過程中需要更多的雜質(zhì)清理工序和更高的雜質(zhì)清理強(qiáng)度。這就導(dǎo)致了機(jī)采棉加工過程中棉纖維品質(zhì)受損現(xiàn)象較為突出，如短纖率升高等[2-3]。棉纖維斷裂比強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率是棉纖維性能的兩個(gè)主要質(zhì)量指標(biāo)，它們與成紗和織物的強(qiáng)伸度、彈性和紡織工序的斷頭率顯著相關(guān)[4]，為此，本文選取南疆和北疆兩個(gè)棉花產(chǎn)區(qū)，并分別在這兩個(gè)產(chǎn)區(qū)各選取兩個(gè)軋花廠為試驗(yàn)場(chǎng)地，以機(jī)采棉加工工藝的各工序?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)機(jī)采棉加工全過程中各環(huán)節(jié)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，所得成果，為我國(guó)機(jī)采棉加工工藝的改進(jìn)，提升機(jī)采棉加工品質(zhì)提供一定的參考。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)樣品

經(jīng)過前期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以及調(diào)研分析，基于地理位置（地域涵蓋全面性）、加工設(shè)備完整性（四道籽清和三道皮清）和代表性等因素，所選取樣點(diǎn)包括南疆和北疆各兩個(gè)點(diǎn)，共4個(gè)點(diǎn)，分別為：石河子8師149團(tuán)、奎屯7師125團(tuán)、庫爾勒2師29團(tuán)、阿拉爾1師13團(tuán)；每個(gè)取樣點(diǎn)選擇一個(gè)生產(chǎn)工藝比較完備的加工廠，每個(gè)加工廠選取5個(gè)棉模，分別在生產(chǎn)線上設(shè)置9個(gè)取樣點(diǎn)、每個(gè)棉模對(duì)應(yīng)的每個(gè)取樣點(diǎn)重復(fù)取樣6次，每個(gè)廠區(qū)總計(jì)樣品量270個(gè)，共1080個(gè)。每個(gè)籽棉樣品質(zhì)量≥1.5kg、每個(gè)皮棉樣品質(zhì)量≥0.3kg。

2.2 試驗(yàn)儀器

主要儀器：瑞士伍斯特公司生產(chǎn)的大容量棉花纖維檢測(cè)儀（HVI）。USTERRHVI 1000則是全球公認(rèn)的棉花分級(jí)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器[4,6,10]，每個(gè)樣品平均測(cè)試用時(shí)≤1min，可以測(cè)試棉纖維的長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、馬克隆值等多個(gè)指標(biāo)，工作溫度（20±2）℃，工作濕度（65±3）%。

2.3 數(shù)據(jù)檢測(cè)

根據(jù)機(jī)采棉加工的實(shí)際流程，對(duì)所抽取的籽棉樣品均進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試軋，每份樣品試軋1kg，并保留試軋雜質(zhì)、棉籽和皮棉；試軋機(jī)選用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定且通過纖維檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)當(dāng)年檢定的鋸齒衣分試軋機(jī)，同一廠區(qū)的籽棉樣品使用同一臺(tái)試軋機(jī)試軋。對(duì)于皮棉樣品，供HVI檢測(cè)分析的樣品為100g，其余備用。樣品稱量采用HZY-B（美國(guó)華志）高精度天平，量程3200g、精度0.01g。依據(jù)《HVI 1000大容量棉纖維測(cè)試儀操作規(guī)程》將預(yù)平衡達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的樣品進(jìn)行測(cè)試，分別記錄各樣品的斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

2.4 差異分析

方差分析[5,9]（ANOVA）又稱為“變異數(shù)分析”，是基于F檢驗(yàn)，用于檢驗(yàn)兩個(gè)及以上樣本差異性的重要統(tǒng)計(jì)方法。檢驗(yàn)結(jié)果中有兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)：F和P，F(xiàn)越小、P越大表明無顯著差異，反之差異顯著。

主要理論基礎(chǔ)：

本研究使用ANOVA分析主要加工工序前后棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化情況。假設(shè)工序p1執(zhí)行前棉花樣品的斷裂比強(qiáng)度（或斷裂伸長(zhǎng)率）為，x1={x11，x12，x13……x1n}，工序p1執(zhí)行后棉花樣品的斷裂比強(qiáng)度（或斷裂伸長(zhǎng)率）為x2={x21，x22，x23……x2n}，通過ANOVA分析和之間的差異顯著性，以確定相關(guān)工序?qū)γ蘩w維斷裂比強(qiáng)度（或斷裂伸長(zhǎng)率）影響效果是否顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 棉纖維斷裂比強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率

棉纖維斷裂比強(qiáng)度是與試樣拉伸至斷時(shí)加于它的最大負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的比強(qiáng)度，以未受應(yīng)變?cè)嚇用繂挝痪€密度所受的力表示，單位為厘牛頓/特克斯(cN/tex)，常用克力/特克斯(gf/tex)表示[4,6-8]。棉纖維斷裂比強(qiáng)度是表示纖維抵抗拉伸能力的指標(biāo)之一。棉纖維斷裂比強(qiáng)度與棉花成熟度、生長(zhǎng)條件、品種等有關(guān)，一般來說，成熟度越好，原棉纖維越粗，強(qiáng)度越高。棉纖維斷裂伸長(zhǎng)率是指棉纖維拉伸至斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率，以斷裂伸長(zhǎng)與未拉伸前長(zhǎng)度之比的百分?jǐn)?shù)表示[4，6-8]。棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率與成紗和織物的強(qiáng)伸度、彈性和紡織工序的斷頭率顯著相關(guān)，因此，研究機(jī)采棉加工過程對(duì)斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響具有十分重要的意義。

3.2 棉纖維斷裂比強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率總體檢測(cè)結(jié)果與分析

各取樣點(diǎn)的加工設(shè)備主體相近，通過總體檢測(cè)結(jié)果分析能夠體現(xiàn)該類加工設(shè)備加工過程中棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化整體趨勢(shì)，檢測(cè)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 斷裂比強(qiáng)度隨加工工序整體變化趨勢(shì)

圖2 斷裂伸長(zhǎng)率隨加工工序整體變化趨勢(shì)

圖1和圖2中所示棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)各取樣點(diǎn)所有樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，每個(gè)取樣點(diǎn)總體樣品量為120個(gè)（4廠區(qū)數(shù)×5棉模數(shù)×6每個(gè)棉模每道工序取樣數(shù)），由此可見該統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有較普遍和較強(qiáng)的代表性。根據(jù)圖可見，經(jīng)過各加工工序的處理，棉纖維的斷裂比強(qiáng)度整體上呈下降趨勢(shì)，棉纖維斷裂伸長(zhǎng)率整體上呈上升趨勢(shì)，說明加工過程對(duì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的確有影響。對(duì)比棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化，可以看出棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率之間存在一定的相關(guān)性。圖1中棉纖維斷裂比強(qiáng)度的變化不是隨加工工序穩(wěn)步減少的，棉纖維斷裂伸長(zhǎng)率的變化也不是隨著加工工序穩(wěn)步上升，而是中間均存在波動(dòng)現(xiàn)象。進(jìn)一步深入分析各加工環(huán)節(jié)前后棉花樣品棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率差異顯著性，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)ANOVA分析原理，當(dāng)F≥1、P≤0.05時(shí)，兩者在95%的置信水平下差異顯著，否則無顯著差異[9]。由此可見，整個(gè)加工過程對(duì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響顯著。

表1 各加工環(huán)節(jié)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率方差分析（ANOVA）

3.3 各廠各加工環(huán)節(jié)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率結(jié)果與分析

分別針對(duì)各個(gè)加工廠，經(jīng)各加工環(huán)節(jié)處理后棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 各加工廠斷裂比強(qiáng)度隨加工工序變化趨勢(shì)

圖4 各加工廠斷裂伸長(zhǎng)率隨加工工序變化趨勢(shì)

由圖3、圖4可發(fā)現(xiàn)：各加工廠棉纖維斷裂比強(qiáng)度隨著加工工序的不斷推進(jìn)總體呈遞減趨勢(shì)，但都不是嚴(yán)格逐步下降，而是均存在一定的波動(dòng)。各加工廠棉纖維斷裂伸長(zhǎng)率隨著加工工序的不斷推進(jìn)總體呈上升趨勢(shì)，但都不是嚴(yán)格逐步上升，而是均存在一定的波動(dòng)。進(jìn)一步深入分析各加工環(huán)節(jié)前后棉花樣品棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率差異顯著性，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)ANOVA分析原理，由表2可見，各廠整個(gè)加工環(huán)節(jié)對(duì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度影響效果均顯著（1~9），各廠在整個(gè)加工過程對(duì)棉纖斷裂伸長(zhǎng)率均有影響，對(duì)于大部分廠區(qū)（除庫爾勒2師29團(tuán)外）影響效果顯著。

4 結(jié)論

本文通過圖表和方差分析等方法，對(duì)機(jī)采棉加工全過程中各個(gè)環(huán)節(jié)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

1）現(xiàn)行主流鋸齒加工工藝整體對(duì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有一定的影響，并且影響顯著。因此，有必要研究原棉的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)與加工工藝過程的關(guān)系，并進(jìn)而改進(jìn)加工過程，從而提升棉纖維的品質(zhì)，我們將在后續(xù)的工作中就此開展深入研究。

2）隨著加工工序的推進(jìn)棉纖維斷裂比強(qiáng)度大體上呈遞減趨勢(shì)，棉纖維斷裂伸長(zhǎng)率則大體上呈遞增趨勢(shì)，從而驗(yàn)證棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率之間存在密切相關(guān)性。可能原因是棉纖維斷裂比強(qiáng)度高時(shí)，其剛性大，則斷裂伸長(zhǎng)小，反之，斷裂比強(qiáng)度低時(shí)，其剛性小，則斷裂伸長(zhǎng)大。

3）隨著加工工序的推進(jìn)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)并不是嚴(yán)格遞增和遞減的，中間均存在波動(dòng)。主要有兩個(gè)方面原因：第一，棉花樣品的采集受到棉花加工過程的影響，因?yàn)槊藁ㄔ诩庸み^程中，棉花在管道中是不停流動(dòng)的，因此，很難做到下一道工序采集到的樣本與上一道樣本嚴(yán)格對(duì)應(yīng)；第二，雖然嚴(yán)格按照HVI棉纖維物理性能試驗(yàn)方法檢測(cè)樣品，但仍不可避免地存在著隨機(jī)誤差，從而導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)存在一定波動(dòng)性。

表2 各廠加工環(huán)節(jié)棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率方差分析（ANOVA）

參考文獻(xiàn)：

[1]謝占林.機(jī)采棉主要加工工序?qū)γ藁ㄆ焚|(zhì)指標(biāo)影響程度比較研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2015.

[2]梁后軍,謝睿,周萬懷，等.機(jī)采棉加工過程對(duì)棉纖維長(zhǎng)度及短纖維指數(shù)的影響[J].中國(guó)纖檢，2017(12):127-130.

[3]馬麗蕓，汪軍，李巖，等. 機(jī)采棉軋花皮清道數(shù)對(duì)棉纖維性能影響分析[J].紡織器材，2016，43（7）:12-14.

[4]劉超,趙書林.棉花的主要品質(zhì)指標(biāo)與品級(jí)之間的關(guān)系[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,12(06):45-48.

[5]楊小勇.方差分析法淺析-單因素的方差分析[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013, 11(1):41-43.

[6]張曉軍.HVI測(cè)試棉纖維斷裂比強(qiáng)度的影響因素分析[J].中國(guó)棉花加工，2017,6(04):27-28.

[7]余楠.棉纖維斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率[J].中國(guó)棉花，1995(1):34.

[8]徐守東,吳國(guó)新,劉從九，等.機(jī)采棉加工工藝流程對(duì)棉花含雜率的影響[J].中國(guó)纖檢，2017(11):79-80.

[9]L. Eriksson, J. Trygg, S. Wold. CV-ANOVA for significance testing of PLS and OPLSRmodels[J]. Journal of Chemometrocs, 2008, 22: 594–600.

[10]劉從九，徐守東.棉花檢驗(yàn)理論與務(wù)實(shí)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2016.