王府梅++++金敬業(yè)

摘要：

首先簡要介紹了目前國際測量棉、毛纖維長度的三大儀器，分析指出了各自的主要優(yōu)缺點(diǎn)。其次介紹了中國首創(chuàng)的隨機(jī)須叢影像法纖維長度測量儀，在與現(xiàn)有儀器測試結(jié)果對(duì)比的基礎(chǔ)上，總結(jié)出新儀器優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：纖維長度；隨機(jī)須叢；光電測量

1 引言

纖維長度測量存在兩方面難度，一是棉、毛、麻、絹等短纖維幾何尺寸小，在測量中難以被有效地控制和識(shí)別；二是天然纖維長度離散性大，作為長度信息組成部分的長度分布曲線和離散指標(biāo)更難測量。由于長度是棉纖維首要性能，是毛、麻纖維僅次于細(xì)度的重要性能，故長度測量一直是紡織科技的研究重點(diǎn)。

2 現(xiàn)有纖維長度測量儀器

近年，國內(nèi)手工測量技術(shù)人員日漸稀缺，羅拉式長度分析儀、手排長度等依賴手工技術(shù)的測量方法正在逐步退出應(yīng)用，多數(shù)單位在使用下述自動(dòng)化測量系統(tǒng)。

（1）HVI檢測系統(tǒng)

HVI（全稱High volume instrument），是20世紀(jì)80年代初研制出的一種棉纖維性能全面檢測儀，包括長度、馬克隆值、強(qiáng)度、色澤、雜質(zhì)等，是國際棉花貿(mào)易和大規(guī)模棉花收儲(chǔ)中分級(jí)定價(jià)的常用檢測設(shè)備，新國標(biāo)GB 1103-2012《棉花 細(xì)絨棉》就采用的此系統(tǒng)[1]。

HVI系統(tǒng)的重要功能——長度檢測采用了1940年K. L. Hertel等人提出的照影機(jī)原理，如圖1所示[2]。將10g左右原棉放入圓筒形取樣器，在壓力作用下棉纖維略微凸出到取樣器圓孔外，如圖2所示；直線形夾鉗沿圓筒外壁轉(zhuǎn)動(dòng)，夾取露出圓孔的纖維，再經(jīng)毛刷梳理成為可測試樣——須叢，見圖3。須叢被送入光電檢測區(qū)域[3]，光線透過寬約2mm的狹縫照在須叢上，須叢的纖維軸向垂直于狹縫，須叢與狹縫相對(duì)運(yùn)動(dòng)中須叢的透射光和入射光信號(hào)分別被處理裝置接收，并根據(jù)Lambert-Beer定律換算成每一透射光對(duì)應(yīng)的纖維量，從而獲得須叢不同橫截面上的纖維量，稱作須叢曲線，如圖4所示 。然后，由須叢曲線求出纖維平均長度，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出16mm以下的短絨率等指標(biāo)。

HVI系統(tǒng)不能直接測試棉纖維的短絨率、長度離散性指標(biāo)和長度分布圖。原因有：①由光信號(hào)換算纖維量時(shí)未考慮眾多纖維表面的反射和纖維內(nèi)部的光散射作用，普遍認(rèn)為HVI測得信號(hào)僅僅是與須叢各橫截面纖維量有關(guān)的量[4，5]，并不能完全代表須叢橫截面厚度和質(zhì)量；②HVI不能測試須叢起始線到3.81mm范圍的須叢質(zhì)量；③理論不完善，Hertel等人曾推導(dǎo)出須叢曲線與纖維長度根數(shù)頻率密度曲線的兩次微分關(guān)系[2]，但是，后續(xù)研究實(shí)踐證明其結(jié)果誤差很大，有學(xué)者指出只有在“理想棉條”截面上取樣Hertel理論才能成立[6-11]。此外，還有學(xué)者指出用HVI取樣法，長度大的纖維被夾到的概率大等。

（2）AFIS檢測系統(tǒng)

AFIS（全稱為Advanced fiber information system），目前，被很多單位用于快速檢測棉纖維長度分布的完整信息[12]。在AFIS檢測系統(tǒng)，首先將0.5g棉花散纖維扯松，手工揉搓成長約30cm的棉條，喂入儀器，經(jīng)內(nèi)置的開松和梳理機(jī)構(gòu)處理，將纖維分離成單根狀態(tài)；纖維在高速氣流的牽伸和引導(dǎo)下通過狹長的紅外光電檢測區(qū)域，見圖5，測量每根纖維通過光電窗口耗費(fèi)的時(shí)長和速度，換算為單纖維長度?？傆?jì)測量3000根后，按一定組距分成若干長度組，得到長度根數(shù)頻率n（l）直方圖。進(jìn)而由n（l）計(jì)算纖維的質(zhì)量頻率分布和質(zhì)量加權(quán)平均長度、品質(zhì)長度、短絨率等指標(biāo)。

（3）Almeter檢測儀

Almeter FL100型長度檢測儀包含自動(dòng)制樣器和檢測器兩臺(tái)設(shè)備。利用自動(dòng)取樣器將纖維條制成一端平齊的纖維束，將纖維束放在載樣塑料薄膜上，纖維束和薄膜一起勻速通過窄條狀平板電容式傳感器，測量纖維束不同橫截面處的電容量，即可換算出長度截面質(zhì)量累積曲線，據(jù)此算出長度質(zhì)量分布直方圖和各項(xiàng)長度指標(biāo)[13]。

該檢測儀只適用于毛條、毛型粗紗等半成品中的纖維長度測量，在羊毛領(lǐng)域Almeter已經(jīng)很大程度上取代了梳片式長度分析儀。但由于電容式傳感器的尺寸受限，不適合測量比較短的棉纖維和高卷曲、較高彈性的羊絨等纖維。

3 雙須影像法毛纖維長度測量儀

現(xiàn)有長度測量儀器的共同缺陷是機(jī)械、電氣部分非常龐大、復(fù)雜，成本高，功能和精度受限，應(yīng)用纖維品種單一。經(jīng)過數(shù)年努力，我團(tuán)隊(duì)發(fā)明的隨機(jī)須叢影像法纖維長度測量方法終于結(jié)出第一顆果實(shí)——雙須影像法毛纖維長度測量儀，正在研制棉型和羊絨專用長度測量儀。雙須影像法毛纖維長度測量儀包括制樣器、光電檢測器、控制分析電腦三部分硬件，后兩部分硬件聯(lián)機(jī)運(yùn)行。

（1）制樣器。對(duì)于常見的毛條試樣，用夾鉗隨機(jī)夾持毛條任意橫截面，見圖6。以專用工具梳去夾鉗二側(cè)的浮游纖維，獲得雙端隨機(jī)須叢，見圖7，夾持線二側(cè)須叢相當(dāng)于紡紗牽伸區(qū)的羅拉握持纖維。

散毛試樣和散羊絨試樣有另外的專用制樣器。

（2）光電檢測器。光電檢測器的外殼尺寸63×38×18cm3，重量13kg。用專用工具將雙端須叢移至光電檢測器的載樣臺(tái)上，電腦控制光電檢測器的線光源及信號(hào)檢測部件沿須叢軸向運(yùn)動(dòng)，測得雙端隨機(jī)須叢平面上每一點(diǎn)（25×25?m2）的透光信號(hào)。光電檢測器的長度分辨率25?m，纖維厚度最小檢測量0.8dtex。

（3）控制分析電腦。電腦控制光電檢測器獲取須叢透光信號(hào)以后，進(jìn)行如下兩步分析：

第一步，采用我們的3項(xiàng)發(fā)明專利等技術(shù)，考慮纖維吸光、反光和光散射性能，計(jì)算出須叢各橫截面的相對(duì)纖維量，即須叢的相對(duì)線密度曲線F（L），見圖8。第二步，用我們推導(dǎo)出的理論關(guān)系和另外4項(xiàng)發(fā)明專利，由須叢的相對(duì)線密度曲線 F（L） ，分析出纖維長度的重量頻率分布曲線和各項(xiàng)長度指標(biāo)。

測試結(jié)果被存入電腦硬盤，可以按試樣名、測試日期、測試人員等信息查詢和調(diào)用。實(shí)際上，圖8所示的須叢相對(duì)線密度曲線比現(xiàn)有長度指標(biāo)和分布曲線具有更直接、定量的應(yīng)用價(jià)值。須叢線密度曲線恒等于紡紗羅拉握持纖維線密度曲線，該曲線與羅拉隔距結(jié)合就能預(yù)測紡紗牽伸區(qū)的浮游纖維量，見圖9。眾所周知浮游纖維量是紡紗質(zhì)量的決定性原料因素，因?yàn)闊o法獲得至今沒有運(yùn)用這類曲線，并且不知該曲線與纖維長度分布曲線的理論關(guān)系。圖8曲線可定量指導(dǎo)配毛工藝，曲線越直說明配毛越好，混合毛的須叢線密度曲線可由各成分的須叢線密度曲線和占比定量計(jì)算。圖8曲線也可定量指導(dǎo)紡紗羅拉隔距設(shè)計(jì)，羅拉隔距越大圖9黃色區(qū)域顯示的浮游纖維量越大，會(huì)導(dǎo)致紗質(zhì)量越差，但是，羅拉隔距越大又會(huì)使拉斷纖維越多，二者如何取舍，基于圖8做出的圖9能顯示直接、定量的效果。endprint

4 新儀器與Almeter儀器比較

（1）指標(biāo)數(shù)值對(duì)比

先后從山東南山紡織服飾有限公司和江蘇陽光股份有限公司等單位采集了數(shù)批毛條試樣，采用我們新儀器測試的結(jié)果與廠家采用Almeter FL100型長度儀測試的結(jié)果對(duì)比見圖10?？梢钥闯觯S機(jī)須叢影像法測試的羊毛巴布長度、巴布長度變異系數(shù)、豪特長度、豪特長度變異系數(shù)與現(xiàn)用Almeter儀器的測試結(jié)果有很高的一致性。

（2）長度分布曲線對(duì)比

雙須影像法測試的纖維長度分布曲線與現(xiàn)用Almeter儀器的測試結(jié)果對(duì)比見圖11，試樣1#～8#的羊毛支數(shù)覆蓋64支～120支范圍，圖中分解模型是我們儀器采用的一算法，分解模型就是新儀器的測試結(jié)果。圖11中兩種分布曲線也是高度一致，微小差別是Almeter儀器測試的長度分布曲變化平緩，原因是Almeter儀器的電容傳感器不靈敏，也說明新儀器更加準(zhǔn)確。

5 小結(jié)

新研制的雙須影像法纖維長度測量儀具有如下明顯優(yōu)勢：

（1）原理先進(jìn)，國際首創(chuàng)用隨機(jī)須叢和數(shù)碼光電技術(shù)測量纖維長度，省去了現(xiàn)有儀器復(fù)雜的制樣設(shè)備，使儀器體積小、重量輕；理論嚴(yán)密、試樣包含信息完整，測試結(jié)果全面。

（2）測試精度高，不丟失纖維，試樣中的長短纖維全部按存在的概率被握持；長度分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)用儀器，纖維厚度最小檢測量也足以感知超細(xì)羊毛和山羊絨的每根纖維，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出Almeter、HVI系統(tǒng)。

（3）新儀器具有更實(shí)用、定量的新功能，所測的須叢線密度曲線可定量指導(dǎo)紡紗、配毛工藝，比目前的指標(biāo)和曲線有更具直接、定量的應(yīng)用價(jià)值，也可用于虛擬紡紗等領(lǐng)域，有利于促進(jìn)紡紗工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)向科學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)展。

新儀器面臨的挑戰(zhàn)：（1）不同紡織纖維需要不同的制樣方法和硬件支持，棉和羊毛可能需要從制樣開始完全聯(lián)機(jī)工作的全自動(dòng)儀器；（2）被國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和廣大用戶接受有一個(gè)過程。后續(xù)研發(fā)投入和工作量仍然不小。

參考文獻(xiàn)：

[1] ASTM D5867-05， Standard test methods for measurement of physical properties of cotton fibers by high volume instruments[S]. ASTM International， West Conshohocken， PA. 2005.

[2] Hertel K L. A method of fibre-length analysis using the fibrograph[J]. Textile Research Journal， 1940， 10（12）： 510-520.

[3] Cai， Y. An investigation of the sampling bias of the beard method as used in HVI[J]. Journal of the Textile Institute， 2010，101（11）： 958-966.

[4] Wu M， Wang F. Optical algorithm for calculating the quantity distribution of fiber assembly[J]. Applied Optics， 2016， 55（25）： 7157-7162.

[5] 李汝勤， 劉若華. 照影機(jī)曲線的修正研究 [J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2002，23（1）： 27-28.

[6] Prier， H.W. and Sasser， P.E. The Mathematical Basis of Fiber-Length Analysis from Fibrogram Data[J]. Textile Research Journal， 1972，42（7）： 410-419.

[7] Krowicki， R.S.， Thibodeaux，D.P. and Duckett， K.E. Generating fiber length distribution from the fibrogram[J]. Textile Research Journal， 1996，66（5）： 306-310.

[8] He， X. Rapid measurement of short fiber content on hertel sample[J]. Journal of Donghua University（Eng. Ed.）， 2006，23（1）： 125-132.

[9] Azzouz， B.， Hassen， M.B. and Sakli， F. Generation of Length Distribution， Length Diagram， Fibrogram， and Statistical Characteristics by Weight of Cotton Blends[J]. Modelling and Simulation in Engineering， 2007，56（4）： 1-13.

[10] Azzouz， B.， Hassen， M.B. and Sakli， F. Adjustment of cotton fiber length by the statistical normal distribution： Application to binary blends[J]. Journal of Engineered Fibres and Fabrics， 2008，3（2）： 35-46.

[11] 潘維棟. 照影機(jī)曲線的理論[J]. 華東紡織工學(xué)院學(xué)報(bào).1959，3（3）： 109-116.

[12] ASTM Standard D 5866-95， Standard test methods for neps in cotton fibers （AFIS-N instrument）[S]， Annual Book of ASTM Standards， 2002， 7（1）.

[13] GB/T 21293-2007 纖維長度及其分布參數(shù)的測定方法阿爾米特法[S].

（作者單位：東華大學(xué)）endprint