史書偉 向天明 劉偉剛 秦建鋒 陳 凈

（1.中華全國(guó)供銷合作總社鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州，450004；2.石河子纖維檢驗(yàn)所，新疆石河子，832000；3.石河子大學(xué)，新疆石河子，832000）

新疆是我國(guó)的主產(chǎn)棉區(qū)，其棉花產(chǎn)量占到全國(guó)近70%［1］。目前新疆棉區(qū)棉花加工工藝及設(shè)備均是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的，生產(chǎn)的皮棉在數(shù)量和質(zhì)量上高于全國(guó)平均水平，但相比進(jìn)口棉的質(zhì)量還存在一定的差距［2］。因此，如何提高新疆棉區(qū)皮棉加工質(zhì)量，保證棉農(nóng)收入水平持續(xù)提高，是當(dāng)前和未來一段時(shí)間需要著力解決的重要問題。

棉花是吸濕性物質(zhì)，在棉花加工過程中，回潮率的大小對(duì)皮棉加工質(zhì)量有較大的影響。相關(guān)研究表明：棉花回潮率大時(shí)，棉纖維的強(qiáng)力提高，剛度降低，摩擦因數(shù)增大，其后果是清棉效率降低，軋花工作效率降低［3-4］；由于棉纖維變軟，在外力作用下，纖維之間更多地纏繞、扭曲，致使棉纖維中產(chǎn)生較多的棉結(jié)、索絲，直接影響皮棉的質(zhì)量［5-6］。反之，棉花回潮率過低，剛性增大，在外力作用下容易折斷，棉纖維長(zhǎng)度減短，使皮棉的整齊度下降，皮棉含絨率增加［7-9］。谷國(guó)富［10］對(duì)新疆機(jī)采棉在不同工藝環(huán)節(jié)棉花品質(zhì)變化進(jìn)行了研究，得出隨著加工工藝的推進(jìn)，棉花反射率、黃色深度上升，棉纖維長(zhǎng)度下降。梁后軍等［11］研究了新疆機(jī)采棉加工過程中棉纖維長(zhǎng)度、短纖維含量隨加工工序的變化情況，得出現(xiàn)行鋸齒加工系統(tǒng)對(duì)纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度及短纖維指數(shù)的絕對(duì)值或相對(duì)值影響不大，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看其變化顯著。BYLER R K［12］通過對(duì)比美國(guó)陸地棉加濕前后棉花加工質(zhì)量的變化，得出回潮率對(duì)棉花加工質(zhì)量影響顯著。

目前針對(duì)新疆機(jī)采棉加工，尤其是軋花環(huán)節(jié)，不同回潮率對(duì)皮棉加工質(zhì)量的影響與最適宜的軋花回潮率研究尚未見報(bào)道。為此，本文基于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師某軋花廠皮棉公檢數(shù)據(jù)，忽略加工工藝參數(shù)變化對(duì)皮棉加工質(zhì)量的影響，統(tǒng)計(jì)分析直接受棉花加工過程影響的棉纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及斷裂比強(qiáng)度隨回潮率的變化趨勢(shì)，并討論各指標(biāo)變化的原因，為軋花回潮率參數(shù)的選取及棉花加工工藝優(yōu)化提供支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取2018年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師某軋花廠鋸齒機(jī)采細(xì)絨棉生產(chǎn)線整個(gè)軋季的皮棉公檢數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來自中國(guó)纖維質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心。檢驗(yàn)單位為石河子纖維檢驗(yàn)所，檢驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1103.1—2012《棉花 第1部分：鋸齒加工細(xì)絨棉》。

1.2棉花回潮率特性

棉花加工主要目的是將籽棉變成皮棉，其加工環(huán)節(jié)主要依次包括喂花、一道籽棉干燥、一道籽棉清理、二道籽棉干燥、二道籽棉清理、軋花、皮棉清理和打包。棉花加工過程中，由于各加工環(huán)節(jié)之間棉花的輸運(yùn)方式為氣力輸送，棉花在與大量的空氣混和輸運(yùn)過程中，在沒有人為干預(yù)下，其回潮率會(huì)隨著加工進(jìn)行而改變。棉花回潮率的改變受環(huán)境因素的影響，環(huán)境相對(duì)濕度大，則棉花回潮率有可能增加，反之則相反。在新疆棉區(qū)，由于其干旱少雨的氣候條件，棉花加工過程中其回潮率逐漸降低，實(shí)際生產(chǎn)過程中，軋花和打包之間的回潮率風(fēng)運(yùn)損失在1.5%左右。一天之內(nèi)，隨著環(huán)境濕度的變化，棉花回潮率會(huì)相應(yīng)的改變。另外，各個(gè)加工環(huán)節(jié)在整個(gè)加工工藝中作用不同，結(jié)合棉纖維物理特性，每個(gè)加工環(huán)節(jié)所最適宜的棉花回潮率也不盡相同。而整個(gè)軋花工藝中，主要影響皮棉加工質(zhì)量的是軋花環(huán)節(jié)。

1.3 研究方法

GB 1103.1—2012規(guī)定了棉花加工中細(xì)絨棉的質(zhì)量要求包括品級(jí)、長(zhǎng)度、馬克隆值、回潮率、含雜率、斷裂比強(qiáng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及色特征等［13］。品級(jí)、馬克隆值及色特征等受棉花的成熟度、色澤、棉花纖維細(xì)度等棉花加工前固有特性影響，其不完全受棉花加工過程的影響。與棉纖維質(zhì)量密切相關(guān)的長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及斷裂比強(qiáng)度等指標(biāo)均主要受棉花加工過程的影響，故把這3個(gè)指標(biāo)作為分析對(duì)象。

為更好研究棉花回潮率對(duì)皮棉加工質(zhì)量的影響，首先對(duì)該廠整個(gè)軋季皮棉（打包機(jī)處皮棉）回潮率的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中總樣本數(shù)為114 356個(gè)，皮棉回潮率統(tǒng)計(jì)結(jié)果：中位數(shù)5.000%，平均值4.966%，最小值3.500%，最大值8.400%，極差4.900%，標(biāo)準(zhǔn)差0.623，變異系數(shù)0.126。

由統(tǒng)計(jì)可知皮棉回潮率分布在3.5%～8.4%之間，將樣本數(shù)據(jù)按照0.2%等間隔分成26組，其分布頻率直方圖如圖1所示。

圖1 皮棉回潮率直方圖

由皮棉統(tǒng)計(jì)值及頻率直方圖可以看出，皮棉回潮率均值在5%左右，皮棉回潮率90%的概率分布在4%～6%之間。根據(jù)皮棉回潮率統(tǒng)計(jì)值，實(shí)際軋花回潮率平均值在6.5%左右，分布范圍5.5%～7.5%之間。皮棉回潮率在3.5%～8.4%之間，由于7.9%～8.4%之間時(shí)對(duì)應(yīng)的樣本值較少，為保證樣本的代表性，打包皮棉回潮率在7.9%～8.4%的不包括在本次統(tǒng)計(jì)分析之內(nèi)。將3.5%～7.8%之間的打包皮棉回潮率間隔0.1%，對(duì)長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及斷裂比強(qiáng)度做相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)皮棉加工相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)隨皮棉回潮率的變化趨勢(shì)，選取皮棉回潮率在3.5%～7%，采用一元多項(xiàng)式回歸分析棉纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及斷裂比強(qiáng)度與回潮率的關(guān)系，該方法是研究1個(gè)因變量與1個(gè)或多個(gè)自變量間多項(xiàng)式的回歸分析方法，可通過增加自變量階數(shù)進(jìn)行盡可能的逼近［14］。

2 不同回潮率對(duì)應(yīng)皮棉質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，棉纖維的中位數(shù)為29.000 mm，平均長(zhǎng)度為28.990 mm，最小值為26.700 mm，最大值為32.100 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.509。皮棉回潮率的變化對(duì)棉纖維長(zhǎng)度的影響較為顯著（P<0.05），且隨著打包皮棉回潮率的增加，棉纖維長(zhǎng)度基本呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)皮棉回潮率高于7%時(shí)，棉纖維長(zhǎng)度隨著皮棉回潮率的提高呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，并且有一定的下降趨勢(shì)。棉纖維長(zhǎng)度整齊度指數(shù)的中位數(shù)為82.200%，平均值為82.141%，最小值為76.200%，最大值為85.900%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.797。皮棉回潮率的變化對(duì)長(zhǎng)度整齊度指數(shù)的影響較為顯著（P<0.05），且隨著皮棉回潮率的增加，棉纖維長(zhǎng)度整齊度指數(shù)基本呈上升趨勢(shì)，當(dāng)回潮率高于7%時(shí)，波動(dòng)增加，但總體仍呈上升趨勢(shì)。棉纖維斷裂比強(qiáng)度的中位數(shù)為28.600 cN/tex，平均值為28.623 cN/tex，最小值為22.300 cN/tex，最大值為35.400 cN/tex，標(biāo)準(zhǔn)差為1.148。皮棉回潮率的變化對(duì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度的影響較為顯著（P<0.05），且隨著皮棉回潮率的增加，棉纖維斷裂比強(qiáng)度基本呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)皮棉回潮率高于7%時(shí)，棉纖維斷裂比強(qiáng)度隨著皮棉回潮率的提高呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。

3 回潮率與皮棉加工質(zhì)量指標(biāo)關(guān)系分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，當(dāng)回潮率高于7%時(shí)，棉纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及斷裂比強(qiáng)度出現(xiàn)較大的波動(dòng)，可見過高的回潮率不適宜用于指導(dǎo)加工生產(chǎn)，故回潮率與皮棉加工質(zhì)量的關(guān)系分析只針對(duì)回潮率在低于7%的情況。

3.1 回潮率與棉纖維長(zhǎng)度關(guān)系

根據(jù)不同回潮率對(duì)應(yīng)棉纖維長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過Origin軟件進(jìn)行回潮率和棉纖維長(zhǎng)度的一元高次函數(shù)的回歸分析，根據(jù)變化趨勢(shì)中出現(xiàn)的兩個(gè)波峰和兩個(gè)波谷，選擇多項(xiàng)式階數(shù)為3，分析見式（1），并擬合出二者的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

式中：x為皮棉回潮率；y1為棉纖維長(zhǎng)度。

圖2 皮棉回潮率與棉纖維長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

在給定的顯著性水平0.05下，F(xiàn)檢驗(yàn)顯著，并且調(diào)整的多重判定系數(shù)為0.905，接近1，可判斷所建立的模型可靠程度較高。由擬合數(shù)學(xué)模型（1）可知，皮棉回潮率由4%增加到7%，棉纖維長(zhǎng)度由28.915 mm增加到29.236 mm，增加了0.321 mm，回潮率每增加1%，棉纖維長(zhǎng)度平均增加0.107 mm。對(duì)于該軋花廠的統(tǒng)計(jì)值可知，皮棉回潮率平均4.966%，皮棉回潮率90%的概率分布范圍為4%～6%，棉纖維平均長(zhǎng)度為28.990 mm。所有設(shè)備參數(shù)均不調(diào)整情況下，在軋花前烘干后對(duì)籽棉調(diào)濕，調(diào)整籽棉回潮率為8.5%左右（成包皮棉回潮率在7%左右），則打包皮棉棉纖維長(zhǎng)度均可達(dá)到29.236 mm，皮棉等級(jí)均在3級(jí)以上。

3.2 回潮率與棉纖維長(zhǎng)度整齊度指數(shù)關(guān)系

根據(jù)不同回潮率對(duì)應(yīng)的棉纖維長(zhǎng)度整齊度指數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過Origin軟件進(jìn)行回潮率和棉纖維長(zhǎng)度整齊度指數(shù)的一元高次函數(shù)的回歸分析，根據(jù)變化趨勢(shì)中出現(xiàn)的兩個(gè)波峰和兩個(gè)波谷，選擇多項(xiàng)式階數(shù)為3，分析見式（2），并擬合出二者的關(guān)系曲線圖，如圖3所示。

式中：x為皮棉回潮率；y2為棉纖維長(zhǎng)度整齊度指數(shù)。

圖3 皮棉回潮率與棉纖維長(zhǎng)度整齊度指數(shù)的關(guān)系曲線

在給定的顯著性水平0.05下，F(xiàn)檢驗(yàn)顯著，并且調(diào)整的多重判定系數(shù)為0.953，接近1，可判斷所建立模型的可靠程度較高。由式（2）可知，皮棉回潮率由4%增加到7%，棉纖維長(zhǎng)度整齊度指數(shù)由81.933%增加到82.471%，增加了0.538%，回潮率每增加1%，長(zhǎng)度整齊度指數(shù)增加0.179%。

3.3 回潮率與棉纖維斷裂比強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)不同回潮率對(duì)應(yīng)的棉纖維斷裂比強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過Origin軟件進(jìn)行回潮率和棉纖維斷裂比強(qiáng)度的一元高次函數(shù)的回歸分析，根據(jù)變化趨勢(shì)中出現(xiàn)的3個(gè)波峰和3個(gè)波谷，選擇多項(xiàng)式階數(shù)為4，分析見式（3），并擬合出二者的關(guān)系曲線圖，如圖4所示。

式中：x為皮棉回潮率；y3為棉纖維斷裂比強(qiáng)度。

圖4 皮棉回潮率與棉纖維斷裂比強(qiáng)度的關(guān)系曲線

在給定的顯著性水平0.05下，F(xiàn)檢驗(yàn)顯著，并且調(diào)整的多重判定系數(shù)為0.947，接近1，可判斷所建立的模型可靠程度較高。由式（3）可知，皮棉回潮率由4%增加到7%，棉纖維斷裂比強(qiáng)度由28.430 cN/tex增加到29.242 cN/tex，增加了0.812 cN/tex，回潮率每增加1%，棉纖維斷裂比強(qiáng)度平均增加0.271 cN/tex。

4 結(jié)果分析

結(jié)果表明，當(dāng)皮棉回潮率低于7%時(shí)，隨著回潮率的增加，皮棉加工質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)提高；當(dāng)皮棉回潮率高于7%時(shí)，隨著回潮率的增加，皮棉加工質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，呈現(xiàn)不可控的狀態(tài)。研究表明，棉花加工過程中，軋花為對(duì)皮棉質(zhì)量影響最大的環(huán)節(jié)［15］，故從軋花過程分析回潮率對(duì)皮棉加工質(zhì)量的影響。軋花過程中，籽棉在軋花機(jī)中箱內(nèi)形成一定密度的籽棉卷，通過鋸齒勾拉實(shí)現(xiàn)棉纖維與棉籽的分離，棉纖維受到鋸齒的勾拉力、棉纖維與棉籽之間的附著力、纖維之間的摩擦力及棉花與墻板之間的摩擦力。國(guó)外相關(guān)研究表明，回潮率在3%～15%之間時(shí)，隨著回潮率的增加，棉纖維強(qiáng)力增加；回潮率在3%～11%之間時(shí)，棉纖維與棉籽的附著力隨回潮率的增加相對(duì)恒定；當(dāng)回潮率增加時(shí)，棉纖維之間的摩擦力增加。

由此分析，當(dāng)回潮率低于7%時(shí)，棉纖維的強(qiáng)力隨回潮率的增加而增加，棉纖維與棉籽的附著力恒定，棉纖維之間及棉纖維與設(shè)備表面的摩擦力較低，鋸齒對(duì)纖維的勾拉過程中，摩擦力對(duì)皮棉加工質(zhì)量影響較小，棉纖維的強(qiáng)力為皮棉加工質(zhì)量的主導(dǎo)因素。因此，當(dāng)回潮率低于7%時(shí)，隨著回潮率的增加，皮棉加工質(zhì)量呈上升趨勢(shì)；當(dāng)回潮率高于7%時(shí)，雖然隨回潮率的增加，棉纖維強(qiáng)力增加，但棉纖維之間及棉纖維與設(shè)備表面的摩擦力增加。摩擦力增加會(huì)影響設(shè)備喂花量的平穩(wěn)性，喂花量將出現(xiàn)較大的波動(dòng)，此時(shí)籽棉卷的密度將會(huì)時(shí)高時(shí)低。籽棉卷密度較低時(shí)，棉纖維強(qiáng)力為主導(dǎo)因素，故回潮率較高時(shí)，皮棉加工質(zhì)量較好；籽棉卷密度較高時(shí)，摩擦力為主導(dǎo)因素，此時(shí)摩擦力大于或接近棉纖維強(qiáng)力，一部分纖維將不會(huì)從纖維根部脫離棉籽，所需的勾拉力增加，這樣棉纖維長(zhǎng)度降低，長(zhǎng)度整齊度指數(shù)降低，斷裂比強(qiáng)度受損。

5 結(jié)論

（1）回潮率對(duì)皮棉加工質(zhì)量的影響較為顯著。當(dāng)皮棉回潮率低于7%時(shí)（對(duì)應(yīng)籽棉回潮率低于8.5%），隨著皮棉回潮率的增加，棉纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及斷裂比強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)，進(jìn)而棉花加工質(zhì)量提高。

（2）最適宜軋花的籽棉回潮率為8.5%，籽棉回潮率過高或過低均影響皮棉加工質(zhì)量。

（3）目前新疆棉區(qū)機(jī)采棉加工工藝中，為達(dá)到清理效果，采用兩道烘干，通常實(shí)際軋花環(huán)節(jié)的籽棉回潮率（6.5%左右）相比最適宜籽棉回潮率偏低。為提高棉花加工質(zhì)量，在棉花加工工藝的二道籽棉清理后和軋花前增加籽棉加濕裝置，實(shí)時(shí)調(diào)控軋花前籽棉回潮率為8.5%。這樣既能保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，又保證軋花廠的經(jīng)濟(jì)效益。