袁少琦 張純宇 戴 偉 徐 紅
(新疆大學,新疆烏魯木齊, 830046)
新疆是我國棉花的主產(chǎn)區(qū),2018年新疆棉花產(chǎn)量占全國當年產(chǎn)量的83.8%[1],2020年新疆棉花產(chǎn)量516.1萬t,占全國總產(chǎn)量的87.3%。同時,新疆機采棉技術也在快速普及,目前機采棉大約占80%,但機采棉的纖維品質(zhì)相比較于進口棉還有一定的差距[2]。從各方面尋求改善新疆棉花品質(zhì)的途徑,對提升新疆棉花產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力顯得極為迫切。
在棉花加工過程中,軋花車間通常沒有采取密封措施,車間溫濕度隨室外空氣變化波動。新疆機采棉加工時間一般從10月10號左右開始,到12月份或者次年1月份結(jié)束,在這期間隨著室外溫度的波動,軋花車間的溫度一般在25 ℃~-10 ℃左右。中國纖維檢驗局[3]在實驗室對5 ℃~40 ℃棉纖維回潮率與相對濕度、溫度的關系做過模擬研究,結(jié)果顯示棉花回潮率隨溫度下降呈上升趨勢。鑒于新疆地區(qū)棉花軋花季節(jié)低溫氣候的特點,系統(tǒng)研究軋花環(huán)境溫濕度對棉花初加工質(zhì)量的影響,對于改進和提升新疆棉花品質(zhì)具有重要的意義。
新疆昌吉州瑪納斯縣某軋花廠,從2020年10月10號到2020年12月10號,對該廠皮清后打包前的機采棉進行采樣,并記錄取棉口對應的溫濕度以及棉樣回潮率,采樣期間取棉口溫度范圍在16.4 ℃~-8.1 ℃。軋花廠取樣結(jié)束后,將棉樣送回紡織廠實驗室,在標準溫濕度狀態(tài)下平衡24 h以上,在標準狀況下,采用USTER HVI1000型大容量棉纖維測試儀檢測相關質(zhì)量指標。
本試驗皮棉取棉口在鋸齒皮清機之后、皮棉滑道之前的管道檢查口。棉花初加工工藝流程:喂棉→重雜物清理→一道籽棉烘干→鈴殼清理→一道復式籽棉清理→二道籽棉烘干→二道復式籽棉清理→復式鋸齒軋花→氣流皮清→鋸齒皮清→皮棉滑道(加濕)→取樣、打包。
在GB 1103.1—2012《棉花 第1部分:鋸齒加工細絨棉》中,細絨棉質(zhì)量指標包括品級、長度、馬克隆值、回潮率、含雜率、斷裂比強度、長度整齊度指數(shù)及色澤特征等[4]。本研究選擇棉花上半部平均長度Len、長度整齊度指數(shù)Unf、短纖維指數(shù)SFI、斷裂比強度Str、斷裂伸長率Elg等5項指標作為研究對象。有關軋花環(huán)境溫度t、相對濕度φ、棉花回潮率W及棉花質(zhì)量試驗數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 軋花環(huán)境溫濕度與測試棉花質(zhì)量指標
在棉花加工過程中回潮率對棉花加工質(zhì)量有較大的影響,實際上棉花回潮率與環(huán)境溫濕度密切相關,撇開環(huán)境溫度,僅研究棉花回潮率對棉花加工質(zhì)量的影響具有一定的片面性。由于在一定環(huán)境條件下,空氣相對濕度是受溫度制約,即在溫度、相對濕度與回潮率三者的變化中溫度是自變量。我們以溫度為對象,首先分析研究其對環(huán)境相對濕度及棉花回潮率的影響,在此基礎上研究溫度對棉花長度和強度指標的影響。
根據(jù)我們所采集的不同環(huán)境溫度對應的相對濕度、棉纖維回潮率及纖維長度和強度指標的統(tǒng)計結(jié)果,通過Python軟件進行一元高次函數(shù)回歸分析,該方法是研究1個因變量與1個或多個自變量間多項式的回歸分析方法,根據(jù)變化趨勢,選擇適當?shù)亩囗検诫A數(shù),得到回歸方程式與擬合曲線,可以通過增加自變量階數(shù)進行盡可能的逼近,并通過相關系數(shù)(r)判斷它們之間的相關性程度,如式(1)所示。
式中:r值的絕對值介于0~1之間。r越接近于1,表示兩個變量之間的相關程度就越強;越接近于0,表示兩個變量之間的相關程度就越弱。一般|r|取值與相關程度規(guī)定如下。|r|取值范圍分別為0~0.19、0.20~0.39、0.40~0.69、0.70~0.89、0.90~1.00時,|r|的意義依次表示為極低相關、低度相關、中度相關、高度相關、極高相關。
根據(jù)纖維吸濕機理,棉纖維在吸濕或放濕過程中,從棉纖維表面到內(nèi)部存在著水分子蒸汽壓力的勢能差。當吸濕時,水汽壓力的勢能外高內(nèi)低;當放濕時,水汽壓力內(nèi)高外低。棉纖維含濕包含兩部分,一部分為表面含濕,另一部分為內(nèi)部含濕。當溫度較高時,水分子活力強,棉纖維吸濕過程中更容易進入纖維內(nèi)部,吸濕平衡時間較短,纖維表面不易積聚水分;當溫度過低時,水分活力降低,棉纖維吸濕能力較差,纖維內(nèi)部幾乎很難吸收水分,纖維表面容易積聚水分,此時纖維的含濕表面部分較多。這種現(xiàn)象在新疆冬季軋花過程中表現(xiàn)比較突出,低溫高濕環(huán)境,棉纖維吸濕困難,棉花表面潮濕,影響軋花質(zhì)量。
溫度與棉花上半部平均長度的回歸方程如式(2)所示,兩者關系的擬合曲線如圖1所示。
式中:Len為棉花上半部平均長度(mm);t為棉纖維所處環(huán)境溫度(℃)。
在給定的顯著性水平0.05下,r為0.767,屬于高度相關。由圖1可以看出,溫度在-8.1 ℃~16.4 ℃時,棉花上半部平均長度先增加后減小。
圖1 環(huán)境溫度與棉花上半部平均長度的關系
當溫度下降到0 ℃附近及以下時,棉花處于高濕狀態(tài),雖然棉纖維本身強度增加,但同時纖維的基部與棉籽的結(jié)合力也增大,軋花困難[5],另外由于低溫使得棉纖維柔曲性減小、脆性增加,尤其是-5 ℃以下可能還存在冰晶破裂刺傷纖維等,導致棉花上半部平均長度減小;當環(huán)境溫度在-8.1 ℃時,此時由于冰凍、潮濕等原因,棉纖維的物理機械性能都很差,纖維纏結(jié)、機械撕扯導致棉花上半部平均長度最??;當溫度在3 ℃~10 ℃時,環(huán)境相對濕度處于正常范圍時,棉花上半部平均長度較大;當溫度在16.4 ℃時,環(huán)境相對濕度較低,由于環(huán)境干燥,棉纖維表面干脆,加之軋花速度的增加會損傷纖維,上半部平均長度整體減小。
溫度與棉花長度整齊度指數(shù)的回歸方程如式(3)所示,兩者關系的擬合曲線如圖2所示。
式中:Unf為棉花長度整齊度指數(shù)(%);t為棉纖維所處環(huán)境溫度(℃)。
在給定的顯著性水平0.05下,r為0.615,屬于中度相關。由圖2可以看出,當溫度在-8.1 ℃~16.4 ℃時,棉花長度整齊度指數(shù)的變化也是先增加后減小。
圖2 環(huán)境溫度與棉花長度整齊度指數(shù)的關系
當溫度在-8.1 ℃附近時,環(huán)境相對濕度處于潮濕,而且棉纖維可能有冰晶,導致棉花長度整齊度指數(shù)減??;當溫度在16.4 ℃時,環(huán)境相對濕度低,由于干燥,纖維表面干脆,加之較快的軋花速度,長度整齊度指數(shù)減小。需要說明的是,當溫度在7 ℃和16.4 ℃附近時,出現(xiàn)個別點離回歸曲線較遠的現(xiàn)象,查閱該數(shù)據(jù)對應的軋花速度,發(fā)現(xiàn)此時軋花速度較該時間段的平均速度高,這可能是導致該處數(shù)據(jù)低、離散性大的原因。
溫度與棉花短纖維指數(shù)的回歸方程式如式(4)所示,兩者關系的擬合曲線如圖3所示。
式中:SFI為棉花短纖維指數(shù)(%);t為棉纖維所處環(huán)境溫度(℃)。
在給定的顯著性水平0.05下,r為0.551,屬于中度相關。由圖3可以看出,溫度在0 ℃左右是一個轉(zhuǎn)折點,在0 ℃以下,隨著溫度的降低,短纖維指數(shù)迅速增加,尤其是-8.1 ℃這個點,增加十分明顯,這除了低溫潮濕產(chǎn)生的纏結(jié)以及低溫使得棉纖維柔曲性減小、脆性增加的因素外,還可能存在冰晶破裂產(chǎn)生的刺傷纖維;在0 ℃以上,短纖維指數(shù)隨溫度的增加緩慢增加,這主要是由于軋花速度的提升引起的,但是當溫度上升到10 ℃以上時,進入干燥區(qū),此時棉纖維強度隨纖維回潮率的降低而降低也是一個因素。
圖3 環(huán)境溫度與棉花短纖維指數(shù)的關系
溫度與棉花斷裂比強度的回歸方程式如式(5)所示,兩者關系的擬合曲線如圖4所示。
式中:Str為棉花斷裂比強度(cN/tex);t為棉纖維所處環(huán)境溫度(℃)。
在給定的顯著性水平0.05下,r為0.620,屬于中度相關。由圖4可以看出,溫度在-8.1 ℃~16.4 ℃時,棉花斷裂比強度隨溫度增加而增加。
圖4 環(huán)境溫度與棉花斷裂比強度的關系
當溫度低于3 ℃時,環(huán)境相對濕度高,基本大于75%,棉纖維間容易纏結(jié),而且纖維的基部與棉籽的結(jié)合力也增大,軋花困難;當溫度下降到更低時,棉纖維中會出現(xiàn)冰晶,刺傷纖維,導致纖維的斷裂比強度最低。當溫度在3 ℃~10 ℃時,環(huán)境相對濕度在正常范圍,回潮率隨溫度的增加波動不大,所以棉纖維的斷裂比強度在增加。當溫度高于10 ℃時,一方面由于棉纖維的柔曲性及脆性改善使得棉花損傷減小,另一方面因環(huán)境相對濕度變低,纖維回潮率降低以及軋花速度的提升,使得棉纖維強力變差,幾個因素綜合作用,棉纖維斷裂比強度呈現(xiàn)較小的波動狀態(tài)。
溫度與棉花斷裂伸長率的回歸方程如式(6)所示,兩者關系的擬合曲線如圖5所示。
式中:Elg為棉花斷裂伸長率(%);t為棉纖維所處環(huán)境溫度(℃)。
在給定的顯著性水平0.05下,r為0.562,屬于中度相關。由圖5可以看出,當溫度在-8.1 ℃~16.4 ℃時,棉纖維斷裂伸長率整體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。
圖5 環(huán)境溫度與棉纖維斷裂伸長率的關系
當溫度低于3 ℃時,環(huán)境相對濕度較高,棉纖維回潮率較高,纖維間的纏結(jié),使得棉纖維斷裂伸長率較?。划敎囟仍? ℃~10 ℃時,環(huán)境相對濕度在正常范圍,所以棉纖維斷裂伸長率增加;當溫度大于10 ℃時,環(huán)境相對濕度較低(在40%左右),棉纖維回潮率較低,棉纖維干脆導致斷裂伸長率減小。當溫度在15 ℃附近時,出現(xiàn)一個散點離回歸曲線較遠,查閱該數(shù)據(jù)對應的軋花速度,發(fā)現(xiàn)此時軋花速度高于該時間段的平均速度,因此這可能是導致該處數(shù)據(jù)偏低的原因。
(1)在整個軋花季節(jié),隨著溫度的升高,可根據(jù)環(huán)境的相對濕度將軋花時間粗略分為潮濕區(qū)(75%以上)、正常區(qū)(50%~75%)和干燥區(qū)(50%以下)。
(2)當溫度低于3 ℃后,處于潮濕區(qū)。此時雖然空氣潮濕,但含濕量卻很低,雖然測得的棉纖維回潮率在全年最高,但棉纖維實際吸濕較少,附著在棉纖維表面的水分較多,棉纖維表面發(fā)潮,加上低溫帶來的纖維脆性增加等原因,十分不利于生產(chǎn)加工,因此該時段加工的棉纖維長度和強度指標最低。
(3)當溫度在3 ℃~10 ℃時,相對濕度正常,纖維脆性變小,棉纖維的長度和強度指標呈現(xiàn)上升趨勢。
(4)當溫度高于10 ℃時,環(huán)境處于干燥狀態(tài),軋花過程中放濕量較大,導致纖維回潮率偏低,雖然棉纖維的脆性減小、柔曲性增加有利于軋花,但低的回潮率加上較高的軋花速度,導致棉纖維斷裂比強度呈現(xiàn)較小的波動,其他長度和強度指標有下降趨勢。
(5)因為受棉花不一致性、現(xiàn)場取樣車速、環(huán)境溫濕度、烘干量等因素隨機變化的影響,上述研究結(jié)果相關性仍有一定局限性,但總體上還是可以看出它們之間的變化趨勢及規(guī)律,對新疆棉花加工工藝的改進和優(yōu)化有一定參考價值。采取控制軋花環(huán)境溫濕度或選擇合適的溫濕度時間點軋花,有利于提升棉花長度和強度質(zhì)量指標。