戴千惠，王 喻，陳麗君，徐廣標(biāo)，王府梅,b

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

羊絨纖維的長度及其分布特性是評價(jià)羊絨品質(zhì)的重要指標(biāo)，直接影響紗線的性能、織物的品質(zhì)及其售價(jià)，也是纖維貿(mào)易、原料選配、制定紡紗工藝及產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要依據(jù)[1]。

現(xiàn)有的羊絨纖維測長方法主要是手排法。2014年開始實(shí)施的GB 18267—2013《山羊絨》[2]明確規(guī)定了各類山羊絨的顏色分類、標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備方法，以及纖維平均長度、長度變異系數(shù)、短絨率等主要長度指標(biāo)的計(jì)算公式。然而手排法耗時(shí)長、工作量大、效率低，易受測試人員主觀因素的影響，且目前技術(shù)工人流動性大、用工成本高，因此，使用儀器化檢測方法快速準(zhǔn)確測得羊絨纖維的長度迫在眉睫。

2016年頒布的紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 20028—2015《分梳山羊絨纖維長度和長度分布的測定 光電法》[3]，其基本原理是棉纖維長度測試中運(yùn)用的Hertle照相機(jī)原理[4]。目前測試羊絨長度的代表性儀器是德國Textechno公司生產(chǎn)的Fibrotest纖維長度分布測試儀和意大利生產(chǎn)的Classfiber測試儀。該類儀器主要由制樣裝置、纖維透光信號測量系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分析軟件3部分組成[5]，具有取樣量大、測試效率高、操作簡單、不易受測試人員影響的優(yōu)點(diǎn)，但一直未得到推廣。這主要是由于該測試方法存在明顯缺陷，比如：取樣不理想，1根纖維可能同時(shí)被多個(gè)梳齒鉤掛[6]，而該測試方法所依據(jù)的Hertel照影機(jī)原理認(rèn)為每根纖維僅被1個(gè)梳齒鉤掛，棉纖維長度測試數(shù)十年的應(yīng)用實(shí)踐證明，由該方法獲得的長度變異指標(biāo)及短絨率沒有應(yīng)用價(jià)值；制樣時(shí)毛刷輥只在須叢表面刷1次，須叢內(nèi)部和夾持線附近的浮游纖維還尚未清理干凈；該系統(tǒng)在距須叢夾持線3.8～60 mm區(qū)間測試[5]，使得傳感器不能測量完整的須叢，導(dǎo)致待測須叢中長度不在3.8～60 mm的纖維數(shù)據(jù)丟失，直接影響纖維短絨率、根數(shù)平均長度等指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

Uster公司開發(fā)了Almeter羊絨長度檢測儀，其原理和應(yīng)用詳見GB/T 21293—2007《纖維長度及其分布參數(shù)的測定 阿爾米特法》[7]。但實(shí)際中很少有相關(guān)公司和單位采用該類儀器檢測羊絨長度，主要是由于該檢測儀采用的電容傳感器靈敏度很低，而羊絨纖維長度試驗(yàn)測量值與標(biāo)準(zhǔn)測量值的允差小于2 mm，并且羊絨梳理所用梳片的間距為5 mm，導(dǎo)致理論上應(yīng)該一端平齊的羊絨試樣實(shí)際排齊端的最大差異為5 mm[8]。

羊絨光電法和Almeter法還存在一個(gè)共同缺陷，即針對卷曲度不同的纖維，用統(tǒng)一的卷曲修正系數(shù)給出長度指標(biāo)。對比光電法制得的仍處于自然卷曲狀態(tài)的羊絨(見圖1)與手排法中羊絨的伸直狀態(tài)(見圖2)可以看出，現(xiàn)有儀器制樣與手排法制樣存在差異，因此用統(tǒng)一的卷曲修正系數(shù)將導(dǎo)致不同卷曲度或不同品質(zhì)羊絨的長度測試結(jié)果出現(xiàn)誤差。此外，現(xiàn)有儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高，中小型工廠難以承受。

筆者課題組經(jīng)多年研究研發(fā)了一種新型雙端隨機(jī)須叢光電法測長方法，該方法已用于棉、羊毛長度[1]的檢測，但由于不同種類纖維的表征指標(biāo)(纖維的卷曲、長度、顏色、鱗片、粗細(xì)等)不同，因此該方法還不能直接用于檢測羊絨的長度，需結(jié)合羊絨纖維的特性改進(jìn)算法，同時(shí)為了使測試流程科學(xué)省工還需補(bǔ)充完善控制分析軟件的操作方法和功能。其原始的制樣方法是：用現(xiàn)有的引伸器(相當(dāng)于紡紗機(jī)的羅拉)初步制作隨機(jī)分布的纖維生條；用夾持器隨機(jī)夾取纖維條的任一橫截面(見圖3)，梳去夾持器兩側(cè)的浮游纖維，制得雙端隨機(jī)須叢試樣；用自制的測量須叢透光信號的高精度數(shù)碼儀器獲得雙端隨機(jī)須叢透光圖。筆者課題組還推導(dǎo)出該檢測方法的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵算法：(1)隨機(jī)須叢線密度曲線F(l)與纖維長度l分布曲線的理論關(guān)系pw(l)=lF''(l)[9]；(2)考慮纖維吸光和光散射特性的Wu-Wang面密度計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)須叢曲線計(jì)算方法[10]；(3)纖維長度頻率分布曲線的離散型算法[11]。

本文基于以上基礎(chǔ)理論、技術(shù)和硬件的支持，研究開發(fā)羊絨長度的儀器化檢測方法，需解決分梳羊絨雙端隨機(jī)須叢制樣與信號獲取、信號分析參數(shù)選擇、控制分析軟件設(shè)計(jì)3方面問題。

1 羊絨雙端隨機(jī)須叢的制樣與信號獲取

1.1 雙端隨機(jī)須叢的初步制作

纖維制樣是整個(gè)檢測方法的基礎(chǔ)，由于羊絨纖

維具有超高卷曲，不能采用現(xiàn)有的引伸器制作纖維條。參照GB 18267—2013《山羊絨》中抽取小樣的方法，利用自主設(shè)計(jì)的夾持器制作雙端隨機(jī)須叢。具體操作[6]如下：將參照《山羊絨》標(biāo)準(zhǔn)方法抽取的羊絨散纖維混合均勻，鋪放在25 cm×20 cm的試樣盒中，然后蓋上開有22孔的上蓋(見圖4(a))；用鑷子從每一孔中夾取一束纖維(約5 mg)，雙手食指和拇指將被鑷子夾持過的一段纖維手扯至平行伸直后，放入專用夾持器中，再從下一孔中夾取一束纖維并重復(fù)上述操作。纖維鋪放均勻，且匯集到夾持器的纖維總質(zhì)量為20～50 mg、寬度達(dá)4～5 cm后，閉合夾持器，用專用排梳去除夾持器兩側(cè)未被夾持的浮游纖維。雙端隨機(jī)須叢的初步制作工具及方法如圖4所示。

1.2 高溫消除羊絨纖維的大卷曲

初步制得的羊絨須叢中的纖維卷曲度遠(yuǎn)大于手排法制得的纖維，由于不同羊絨的卷曲度差異較大，若用該類試樣測量會導(dǎo)致纖維長度嚴(yán)重依賴于卷曲度，因此，需要消除夾持器上兩側(cè)纖維在摩檫力作用下能夠伸直的卷曲。具體方法為：用專用毛刷梳直夾持器一側(cè)纖維的同時(shí)，在毛刷后緊跟條形恒溫(150 ℃)夾板(見圖5)，使毛刷和夾板同速運(yùn)動，利用二者和須叢產(chǎn)生的摩擦力梳直并固定纖維的伸直狀態(tài)，使雙端隨機(jī)須叢中纖維的伸直狀態(tài)接近手排法制得的纖維狀態(tài)(見圖7)。

1.3 雙端隨機(jī)須叢透光信號的獲取

采用載樣器將雙端隨機(jī)須叢試樣移入課題組研制的光電檢測器(見圖6)，用計(jì)算機(jī)控制光電檢測器測量雙端隨機(jī)須叢，得到透光數(shù)字信息(見圖7)，然后由每一點(diǎn)的透光率計(jì)算該點(diǎn)面密度以及須叢任一橫截面的纖維量與位置的關(guān)系曲線(簡稱須叢曲線)[10]，進(jìn)而計(jì)算纖維的長度分布曲線和指標(biāo)。

2 信號分析參數(shù)的選擇

本文信號分析的技術(shù)路線是：采用Wu-Wang面密度算法[10]根據(jù)須叢透光信號計(jì)算面密度矩陣，然后計(jì)算并繪制須叢的線密度曲線[9]，最后用離散型算法[11]計(jì)算長度頻率分布曲線和長度指標(biāo)。具體實(shí)施需要解決以下兩大問題。

2.1 光學(xué)參數(shù)的選擇

由Wu-Wang面密度算法可知，纖維的面密度系數(shù)與各種纖維的光學(xué)參數(shù)R∞(纖維無窮厚時(shí)的反射率)有關(guān)，而R∞與纖維的組成物質(zhì)(涉及纖維的品種、顏色、鱗片、粗細(xì)等)有關(guān)。因此當(dāng)不同種羊絨纖維有明顯的顏色差異時(shí)，應(yīng)選擇對應(yīng)的R∞，否則無法獲得準(zhǔn)確的纖維面密度系數(shù)，還會影響測試精度。常見的羊絨原料分為白絨、青絨、紫絨3類，且各樣品的顏色深淺明顯有別。分別采集12種不同種類、不同顏色的羊絨樣品，依次編號為1～12，用Datacolor 800型分光測色儀測得各樣品的光學(xué)參數(shù)R∞(見表1)，光學(xué)參數(shù)R∞取值范圍為0～100%。

表1 不同顏色羊絨樣品的光學(xué)參數(shù)R∞

在每次分析須叢透光信號之前，需要將待測試樣的顏色與羊絨比色卡進(jìn)行對比，選擇與比色卡中顏色最接近的樣品的光學(xué)參數(shù)，或選擇與比色卡中顏色最接近的2種樣品的光學(xué)參數(shù)，用插值法計(jì)算得到該試樣的光學(xué)參數(shù)。

2.2 保證誤差率條件下的應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)

由于羊絨須叢是隨機(jī)抽樣制得的，測試結(jié)果會有所波動，為減小這種隨機(jī)誤差，需制取多個(gè)須叢試樣，測試并求取平均值。目前，很多隨機(jī)抽樣試驗(yàn)的測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試驗(yàn)次數(shù)，如采用手排法測量羊絨長度時(shí)規(guī)定至少2人進(jìn)行試驗(yàn)并求取求平均值；當(dāng)2人測試結(jié)果(根數(shù)平均長度)差異大于2 mm時(shí)，3個(gè)人進(jìn)行試驗(yàn)并求取平均值。同理，為使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確，也需研究應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)。

相比批量樣品中的纖維數(shù)量來說，須叢試樣的數(shù)量是非常少的，因此可視纖維總體是無限的，根據(jù)式(1)[12]計(jì)算應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)。

(1)

式中：n為保證誤差率時(shí)應(yīng)測的須叢個(gè)數(shù)；tα為顯著性水平α?xí)rt分布的臨界值；C為同種纖維各須叢間根數(shù)長度的變異系數(shù)(%)；d為保證誤差率(%)，紡織領(lǐng)域一般取5%。

為確定應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)，需通過試驗(yàn)獲取不同種類羊絨纖維各須叢間根數(shù)長度的變異系數(shù)。隨機(jī)選取5個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，分別編號為1#、2#、3#、4#和5#，各樣品分別制取6個(gè)雙端隨機(jī)須叢，以6個(gè)須叢所得根數(shù)長度的平均值作為該樣品的根數(shù)長度值。

各樣品6個(gè)須叢間的根數(shù)長度平均值、根數(shù)長度變異系數(shù)和保證誤差率為5%時(shí)應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)如表2所示。當(dāng)顯著性水平α=0.05，n=6時(shí)，查表得tα為2.45。

表2 保證誤差率為5%時(shí)不同種類羊絨纖維樣品的長度指標(biāo)

從表2可看出，當(dāng)α=0.05且保證誤差率為5%時(shí)，不同種類羊絨纖維的根數(shù)長度變異系數(shù)差別較大，應(yīng)測須從個(gè)數(shù)向上取整最大為8、最小為3。這說明不同批次羊絨的長度離散性存在差異。長度離散性大小與該批次羊絨生產(chǎn)加工中的很多因素有關(guān)，如羊種的均一性、剪絨或抓絨時(shí)間的均一性、絨毛分梳時(shí)不同原料的混并等。

若采用統(tǒng)一的須叢測試個(gè)數(shù)，保證誤差率為5%時(shí)，至少需要制作8個(gè)須叢，這對只需制作3個(gè)須叢就可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的樣品而言無疑增大了工作量。為提高工作效率，筆者課題組研究確定羊絨長度測試方案，即采用統(tǒng)一的保證誤差率但不要求各類羊絨試樣采用相同的應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)。對于任一種類羊絨，先取最小須叢個(gè)數(shù)3進(jìn)行制樣與檢測，若測得的結(jié)果能夠滿足保證誤差率為5%的要求，則測試結(jié)束；若測得的應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)不能滿足保證誤差率的要求，則增加須叢，直至達(dá)到保證誤差率要求為止。因此，本文為使測量工作量最小且能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在羊絨儀器化測試方法中增加了添加須叢個(gè)數(shù)和剔除不規(guī)范須叢的功能。

3 控制分析軟件的設(shè)計(jì)

控制分析軟件的主要任務(wù)有：控制光電檢測裝置，獲取每一個(gè)雙端隨機(jī)須叢的透光圖像；調(diào)用數(shù)據(jù)庫，將須叢透光圖導(dǎo)入測試系統(tǒng)(即控制分析軟件)，初步處理信息；根據(jù)“應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)”和測試人員的需求選擇增加或刪去須叢；計(jì)算最終結(jié)果得到主要長度指標(biāo)(包括纖維根數(shù)加權(quán)平均長度及短絨率，重量加權(quán)平均長度及短絨率)、須叢曲線和長度分布圖(包括根數(shù)頻率分布圖、重量頻率分布圖、拜氏圖或手排圖)等。實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)的控制分析軟件的執(zhí)行流程如圖8所示。

在試驗(yàn)開始之前，為使測試人員更好地理解并掌握羊絨控制分析軟件的使用流程，本文對操作中較難理解的3點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)解釋說明。

(1)判斷是否繼續(xù)添加須叢。當(dāng)計(jì)算得到的應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)(即推薦須叢個(gè)數(shù))不小于3時(shí)，界面會跳出如圖9所示的對話框詢問測試人員是否繼續(xù)添加須叢，測試人員按“已測須叢個(gè)數(shù)不小于推薦須叢個(gè)數(shù)”的要求進(jìn)行操作，選擇“是”則測試人員需繼續(xù)制作須叢并進(jìn)行測試，選擇“否，生成結(jié)果”則結(jié)束試驗(yàn)，計(jì)算最終結(jié)果如圖10所示。測試人員每添加1個(gè)須叢，測試軟件都會重新計(jì)算應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)，并跳出如圖9所示的對話框。

(2)中斷試驗(yàn)。如果測試人員需中途休息，且當(dāng)進(jìn)行測試的須叢個(gè)數(shù)小于3或應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)時(shí)，測試人員需點(diǎn)擊界面的“保存并關(guān)閉”按鈕，或點(diǎn)擊對話框中的“否，生成結(jié)果”。已經(jīng)導(dǎo)入測試軟件的須叢透光圖會自動保存，下次試驗(yàn)時(shí)可再將圖提取出來，并和后續(xù)制作的須叢一起計(jì)算得到最終測試結(jié)果。

(3)去除不規(guī)范須叢。若發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果異常，可查看已存入測試軟件中的各個(gè)須叢圖像，若確認(rèn)某一須叢屬于不規(guī)范試樣(如梢部纖維彎折、覆蓋異物等)，測試人員可勾選規(guī)范須叢的圖計(jì)算得到最終結(jié)果。

至此，一個(gè)完整的羊絨長度的儀器化檢測方法已逐一實(shí)現(xiàn)。該方法目前還處于不斷改進(jìn)和完善的過程中，但已具備成本低、易操作、效率高及測試結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 語

本文在筆者課題組已有的理論、技術(shù)和硬件基礎(chǔ)上，研究解決了分梳羊絨的雙端隨機(jī)須叢制樣、信號分析參數(shù)選擇、控制分析軟件設(shè)計(jì)3方面的問題，構(gòu)建一個(gè)完整的分梳山羊絨長度儀器化檢測方法。

(1) 分梳羊絨的雙端隨機(jī)須叢制樣：提出隨機(jī)須叢的規(guī)范取樣和制樣方法，用恒溫(150 ℃)夾板消除羊絨纖維的大卷曲，使纖維伸直狀態(tài)與手排法接近。

(2) 儀器化試驗(yàn)參數(shù)的選擇：根據(jù)羊絨的顏色差異選擇對應(yīng)的光學(xué)參數(shù)，根據(jù)同種纖維各個(gè)須叢間的根數(shù)長度變異系數(shù)，計(jì)算保證誤差率為5%時(shí)的應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)。測試軟件從原始檢測方法中只能選擇單一光學(xué)參數(shù)和固定的應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)，發(fā)展到現(xiàn)在可根據(jù)纖維顏色差異選擇不同光學(xué)參數(shù)，以及與所測纖維試樣離散性差異所對應(yīng)的應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)，明顯降低了工作量并提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3) 控制分析軟件的設(shè)計(jì)：研制的新檢測儀更新了所有的顯示界面，添加了推薦應(yīng)測須叢個(gè)數(shù)的功能，最終能顯示更全面的長度指標(biāo)、須叢曲線以及長度分布圖。