張保國 冉翔濤 周 碩 邵佳蕊 楊仁杰

（1.中國纖維質(zhì)量監(jiān)測中心，北京，100007；2.德州市纖維檢驗所，山東德州，253000）

棉花纖維的馬克隆值、長度和強(qiáng)度是反映棉花內(nèi)在質(zhì)量的重要指標(biāo)，與紡織成品質(zhì)量、成紗工藝有著密不可分的關(guān)系，是棉花貿(mào)易中重要的結(jié)價依據(jù)。我國目前棉花檢驗中全面使用大容量纖維測試儀（High Volume Instrument，HVI）進(jìn)行檢驗，為滿足檢測結(jié)果的溯源性，保證全國棉花實驗室測試水平的一致性、準(zhǔn)確性及再現(xiàn)性，降低試驗結(jié)果偏移及誤差，在檢測樣品過程中均使用棉花檢驗校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)樣品（HVI 標(biāo)準(zhǔn)樣品）對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和期間核查。

標(biāo)準(zhǔn)樣品總體使用量大，是各實驗室進(jìn)行檢驗的前提和基礎(chǔ)。目前HVI 標(biāo)準(zhǔn)樣品還依賴進(jìn)口，國產(chǎn)的標(biāo)樣正在研制中。研制國產(chǎn)標(biāo)樣將降低購買成本和時間成本，為構(gòu)建我國棉花檢驗技術(shù)體系提供支撐，促進(jìn)棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。本研究針對HVI 標(biāo)準(zhǔn)樣品中的馬克隆值標(biāo)準(zhǔn)樣品及長度/強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)樣品，根據(jù)我國原棉質(zhì)量特點(diǎn)，優(yōu)化原料選取，合理設(shè)計專門加工工藝，并嚴(yán)格按照GB/T 15000.3—2008《標(biāo)準(zhǔn)樣品工作導(dǎo)則（3）標(biāo)準(zhǔn)樣品 定值的一般原則和統(tǒng)計方法》的要求開展均勻性測試。

1 標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制步驟

標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制過程與控制實施流程圖見圖1［1］。根據(jù)研制步驟，標(biāo)準(zhǔn)樣品制備完成后，首先進(jìn)行均勻性評估，在均勻性評估通過后，進(jìn)行穩(wěn)定性評估和定值測試及不確定度評估。以下主要介紹棉花檢驗校準(zhǔn)用馬克隆值標(biāo)準(zhǔn)樣品、長度/強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)樣品的制作和均勻性評估。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)樣品研制過程與控制實施流程圖

2 標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備

標(biāo)準(zhǔn)樣品的值是由特性值及其特性值的不確定度組成。本研究制備的馬克隆值標(biāo)準(zhǔn)樣品有3種不同等級：A 級（3.7~4.2）、B1 級（3.5~3.6）、B2 級（4.3~4.9），包含馬克隆值一個物理指標(biāo)，每個標(biāo)準(zhǔn)樣品質(zhì)量約為250 g，其擴(kuò)展不確定度范圍為0.10。

所制備的長度/強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)樣品有3 種不同等級：25 mm級（25.9 mm以下）、26 mm級（26.0 mm~26.9 mm）和28 mm 級（28.0 mm~28.9 mm），包含馬克隆值、上半部平均長度（單位mm）、長度整齊度、斷裂比強(qiáng)度（單位cN/tex）4 個物理指標(biāo)，每個標(biāo)準(zhǔn)樣品質(zhì)量約為1 000 g。各指標(biāo)的擴(kuò)展不確定度（k=2）滿足以下要求：馬克隆值指標(biāo)不確定度范圍為0.10；上半部平均長度指標(biāo)不確定度范圍為0.41 mm；長度整齊度指標(biāo)不確定度范圍為1.20；斷裂比強(qiáng)度指標(biāo)不確定度范圍為1.50 cN/tex。

2.1 原料選取

標(biāo)準(zhǔn)樣品關(guān)鍵屬性是其規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值具有足夠的均勻性和穩(wěn)定性［2］，需要選取均勻性較好的原料進(jìn)行制備。進(jìn)口的美國HVI 標(biāo)準(zhǔn)樣品使用采購的成包皮棉作為標(biāo)樣原料，而我國棉花具有品種眾多、小規(guī)模種植、混級加工等特點(diǎn)，相關(guān)測試數(shù)據(jù)表明我國皮棉棉包包內(nèi)物理指標(biāo)不確定度較大，均勻性較差［3］，從成品棉包中直接選取數(shù)值符合要求的標(biāo)樣原料難度較大，因此本研究采用單一品種棉花的手摘籽棉作為標(biāo)樣原料。

2.2 籽棉采集

按照所制備的馬克隆值標(biāo)準(zhǔn)樣品和長度/強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)樣品的物理指標(biāo)在6 個不同地塊種植籽棉，并滿足以下要求：一是地塊的種植品種單一，種子純度高；二是地塊土地平整且土壤、澆灌條件一致，可單次采摘籽棉3 t 以上。籽棉原料單一，生長條件相同，且有足夠的產(chǎn)量，可最大程度提高產(chǎn)出棉花的均勻性和一致性。

2.3 原料加工前處理

嚴(yán)格對標(biāo)樣原料籽棉進(jìn)行質(zhì)量把控：籽棉的回潮率過高，棉纖維與所附雜物之間的摩擦力以及纖維與加工機(jī)械面之間的摩擦力都會增大，會造成棉纖維清雜效率降低，同時纖維剛性降低，纖維之間會發(fā)生更多纏繞、扭曲現(xiàn)象，致使皮棉中產(chǎn)生較多的棉結(jié)、棉索，降低棉花質(zhì)量。籽棉的回潮率過低，易造成棉纖維斷裂、短纖維含量高、長度整齊度下降、長度均勻度降低。加工經(jīng)驗和相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明，籽棉的回潮率控制在6.95%~8.70%時，鋸齒軋花機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)最正常，纖維損傷低，皮棉產(chǎn)量高、品質(zhì)好［4-6］。

為控制籽棉的回潮率，將籽棉在加工車間地面上層層平鋪，形成一個厚薄均勻的長方形籽棉大垛。由專業(yè)的技術(shù)人員指導(dǎo)，按照同一方向不斷翻動籽棉，在常溫環(huán)境下放置12 h 以上，使其達(dá)到吸濕放濕平衡，調(diào)控回潮率在6.95%~8.70%的范圍內(nèi)。進(jìn)行3 遍籽棉混勻［7］，仔細(xì)挑揀去除其中的粗大雜質(zhì)和異性纖維，使籽棉達(dá)到最佳的加工狀態(tài)。

2.4 加工工藝優(yōu)化

將籽棉加工成符合要求的標(biāo)樣皮棉原料，除了從原料源頭進(jìn)行質(zhì)量把控，還需要進(jìn)行加工工藝優(yōu)化，改進(jìn)的加工工藝流程圖見圖2。

圖2 加工工藝流程圖

加工工藝增加了一遍籽棉清理和一遍皮棉清理。增加的籽棉清理工序，可以提高軋花的質(zhì)量，減少落棉損失，改變籽棉組成成分比例，提高籽棉群體成熟度系數(shù)，這是籽棉加工質(zhì)量保證的基礎(chǔ)；增加的皮棉清理工序能更有效地清除軋花后棉纖維中的雜質(zhì)與疵點(diǎn)，改善其外觀形態(tài)。同時，調(diào)整加工速度，相比于傳統(tǒng)加工方式，本項目標(biāo)樣原料籽棉在軋花時減少喂花量、降低喂花速度，其喂花量和喂花速度大約是正常值的1/4，從而提高軋花的精細(xì)程度。此外，控制加工程序標(biāo)準(zhǔn)化，保證每種等級的標(biāo)樣原料在同一種加工方式下完成，加工前后需及時清理所有設(shè)備，以確保單一品種標(biāo)樣原料加工獨(dú)立性。通過這一系列措施，可提高棉纖維的潔凈度、均勻度，從而提升標(biāo)樣原料的均勻性。

通過以上工序，籽棉制作為成包皮棉，皮棉經(jīng)過稱重，分裝為給定質(zhì)量的最小單元，即每個馬克隆值標(biāo)準(zhǔn)樣品250 g，每個長度/強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)樣品1 000 g，這樣便完成了標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備。

3 標(biāo)準(zhǔn)樣品的均勻性評估

3.1 測試條件要求

在制備好的標(biāo)準(zhǔn)樣品中，抽取樣品用于均勻性檢驗、穩(wěn)定性檢驗、測試定值。根據(jù)GB/T 15000.3—2008，均勻性檢驗中的抽樣數(shù)量為10個到30 個。選取各等級測試樣品數(shù)量：馬克隆值標(biāo)準(zhǔn)樣品30 個，長度/強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)樣品25 個。將選取的測試樣品編號后，進(jìn)行測試。

均勻性評估中的測量應(yīng)在重復(fù)性條件下進(jìn)行。在均勻性檢驗具體操作中，選擇一名檢驗人員，操作同一臺HVI 儀器，測試環(huán)境為溫度（20±2）℃，相對濕度（65±3）%。HVI 儀器在測試前使用校準(zhǔn)棉樣進(jìn)行校準(zhǔn)，使用驗證棉樣進(jìn)行校準(zhǔn)檢查，全過程執(zhí)行《HVI 大容量棉花纖維測試儀校準(zhǔn)規(guī)范》（2014 版）。校準(zhǔn)棉樣、驗證棉樣、試驗樣品測試前均需放置在透氣性好的專用樣品筐中，在規(guī)定溫濕度條件下平衡48 h。平衡前樣品要預(yù)調(diào)濕，保證測試前樣品回潮率達(dá)到6.75%~8.25%。

3.2 測試順序及次數(shù)

馬克隆值樣品測試時，由HVI 馬克隆值模塊測試得出數(shù)據(jù)；長度/強(qiáng)度樣品測試時，由HVI 長強(qiáng)模塊兩把梳子測試的平均值作為測試數(shù)據(jù)。馬克隆值測試樣品和長度/強(qiáng)度測試樣品均各測試3 輪，每輪測試1 次，每輪測試的順序應(yīng)隨機(jī)調(diào)整。

3.3 測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)GB/T 15000.3—2008 的均勻性檢驗要求，結(jié)合項目實際情況，采用單因素方差分析法，通過判斷組間方差和組內(nèi)方差確定各組測量值之間有無系統(tǒng)性差異，若兩者的比值小于統(tǒng)計檢驗的臨界值，則可以認(rèn)為樣品均勻性良好。

通過計算出的檢驗值F，查表找出組間自由度v1、組內(nèi)自由度v2、顯著性水平α=0.05 對應(yīng)的顯 著 性 臨界 值F(v1，v2，0.05)。比 較F與F(v1，v2，0.05)，若F小 于F(v1，v2，0.05)，說 明 在95%的 置 信 區(qū) 間 內(nèi)，樣 品單元無明顯差異，均勻性良好［8］。

3.4 測試結(jié)果分析

按照以上方法，對3 種不同等級的馬克隆值測試樣品進(jìn)行分析，均勻性評估的方差分析表見表1~3。查表可得臨界值F（30，60，0.05）=1.65，以上3種馬克隆值測試樣品的F值均小于臨界值F，可認(rèn)為30 個樣品馬克隆值無明顯差異，在95%置信概率下樣品間一致均勻，均勻性檢驗通過。

表1 A 級馬克隆值測試樣品均勻性評估

表2 B1 級馬克隆值測試樣品均勻性評估

表3 B2 級馬克隆值測試樣品均勻性評估

對3 種不同等級的長度/強(qiáng)度值測試樣品進(jìn)行分析，均勻性研究的方差分析見表4~表6。例如表4，查表可得臨界值F（24，60，0.05）=1.70，各參數(shù)F值均小于臨界值F，可認(rèn)為在95%置信概率下樣品一致均勻，均勻性檢驗通過。同樣，26 mm級、28 mm 級長度/強(qiáng)度值測試樣品的均勻性也通過檢驗。

表4 25 mm 級長度/強(qiáng)度值測試樣品均勻性評估

表5 26 mm 級長度/強(qiáng)度值測試樣品均勻性評估

表6 28 mm 級長度/強(qiáng)度值測試樣品均勻性評估

3.5 均勻性引入的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度由均勻性標(biāo)準(zhǔn)不確定度ubb、穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)不確定度us、定值過程引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uchar根據(jù)不確定度傳播率合成。

測試過程中，測試值的波動性引入了均勻性標(biāo)準(zhǔn)不確定度ubb，這是表征標(biāo)準(zhǔn)樣品“有多均勻”的量化指標(biāo)。根據(jù)GB/T 15000.3—2008，均勻性標(biāo)準(zhǔn)不確定度ubb有兩種計算方法，分別見式（1）和式（2），式（1）主要用于均勻性檢驗測試方法重復(fù)性良好時，式（2）主要用于均勻性檢驗測試方法重復(fù)性欠佳時。由于GB/T 15000.3—2008 沒有明確說明如何判斷測試方法重復(fù)性是否欠佳，實際運(yùn)用中，常常以F值的大小作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下，當(dāng)F≥1 時，均勻性檢驗測試方法重復(fù)性良好；當(dāng)F≤1 時，意味著樣品間的差異無法通過檢測方法分辨，此時判斷測試方法的重復(fù)性欠佳。

式中：s12為組間方差；s22為組內(nèi)方差；n為測試次數(shù)；sbb為組間標(biāo)準(zhǔn)偏差；vs22為s22的自由度。

利用以上公式，算出3 個馬克隆值測試樣品的均勻性不確定度分量ubb、3 個長度/強(qiáng)度測試樣品的4 個物理指標(biāo)對應(yīng)的均勻性不確定度分量ubb，根據(jù)后續(xù)穩(wěn)定性評估、定值測試得出的不確定度分量，合成得到測試樣品擴(kuò)展不確定度U（k=2），見表7 和表8。結(jié)果可見，測試樣品的擴(kuò)展不確定度均在給定的范圍以內(nèi)。

表7 馬克隆值測試樣品均勻性不確定度分量

表8 長度/強(qiáng)度測試樣品均勻性不確定度分量

3.6 進(jìn)口標(biāo)樣與國產(chǎn)標(biāo)樣均勻性比對

采用相同的方案對研制的標(biāo)準(zhǔn)樣品與相同等級的進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比對測試，結(jié)果見表9和表10?？梢钥闯觯兄频膰a(chǎn)標(biāo)樣均勻性和進(jìn)口標(biāo)樣相當(dāng)，部分指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口標(biāo)樣。

表9 國產(chǎn)標(biāo)樣與進(jìn)口標(biāo)樣長度/強(qiáng)度值標(biāo)準(zhǔn)偏差比對

表10 國產(chǎn)標(biāo)樣與進(jìn)口標(biāo)樣馬克隆值標(biāo)準(zhǔn)偏差比對

4 結(jié)論

（1）采用單一手摘籽棉作為標(biāo)樣原料，改進(jìn)加工工藝流程，可從源頭控制標(biāo)樣的均勻性。

（2）根據(jù)GB/T 15000.3—2008 規(guī)定，采用單因素方差分析法，對A 級、B1 級、B2 級3 種馬克隆值等級的標(biāo)準(zhǔn)樣品及25 mm 級、26 mm 級、28 mm級的3 種長度/強(qiáng)度等級的標(biāo)準(zhǔn)樣品的均勻性檢驗進(jìn)行評估，數(shù)據(jù)表明：標(biāo)準(zhǔn)樣品各參數(shù)F值均小于臨界值F，可認(rèn)為在95%置信概率下樣品一致均勻，均勻性評估通過。通過計算得出測試樣品的均勻性不確定度分量，與穩(wěn)定性評估、定值測試引入的不確定度分量合成得到擴(kuò)展不確定度，結(jié)果表明：測試樣品的擴(kuò)展不確定度在給定的范圍以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)樣品滿足要求。

（3）與進(jìn)口標(biāo)樣的測試數(shù)據(jù)比對表明，國產(chǎn)標(biāo)樣的均勻性與之相當(dāng)，部分指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口標(biāo)樣。