浅析HVI、罗拉仪、AFIS测试棉纤维长度及短纤率指标

摘要:对相同样品,同一测试人员,分别用HVI、罗拉仪、AFIS三种仪器,测试样品的长度和短纤率指标,从测试原理、纤维状态、试样数量等方面分析三种仪器测试结果的关系。

关键词:HVI;罗拉仪;AFIS;长度指标;短纤率

棉纤维长度的测试是不可能涵盖全部纤维的,长度指标不能反映棉纤维的全貌,所以不同的测试方法给出了不同的长度指标,其物理意义也不尽相同。目前棉纤维长度测试的主要仪器有:HVI大容量测试仪、罗拉式长度分析仪、AFIS单纤维测试仪等。为了理解这些仪器测试棉纤维的长度指标,设计了测试方案如下文。

1测试样品

为避免因样品中纤维分布不均匀造成测试结果的差异,选用了纤维分布均匀的6个标准样品。

2标准依据

GB/T 20392―2006 《HVI棉纤维物理性能试验方法》;GB/T 6098.1―2006《棉纤维长度试验方法 第1部分 罗拉式长度分析仪》;AFIS单纤维测试仪的操作规程。

3测试仪器

HVI大容量测试仪;罗拉式长度分析仪;AFIS单纤维测试仪。

4测试要求

测试样品要在二级国家标准大气的环境中[即温度(20±2)℃,湿度(65±3)%]连续平衡24 h以上;由一个测试人员完成全部的测试;测试仪器需在校准正常的条件下进行样品的测试。

5测试结果及分析

5.1测试结果

对以上样品的长度指标测试结果汇总后的统计分析见表1、表2、表3。

对试验数据采用单向分组组内观察值数目相等资料的方差分析方法来比较处理间的差异显著性,可以得出如下结论:

对长度的分析结果:①几种测试方法测试的结果之间存在极显著差异;②用SSR法进行多重比较,结果表明,处理采用HVI测试得到的纤维长度和采用罗拉法测试得到的纤维长度之间差异不显著,处理4和处理1与处理2及处理3之间差异极显著;处理2与处理3之间差异极显著。对短纤率的分析结果:①处理之间存在极显著差异;②用SSR法进行多重比较,结果表明,处理3与其他处理间存在极显著差异,处理1、处理2、处理4之间无显著差异。

5.2原因分析

5.2.1测试原理

(1)HVI大容量测试仪测试长度原理:用梳子随机夹取一定数量的棉纤维,通过光线照射由光学系统测量出纤维长度与纤维量的分布,并经光电转换后将纤维长度与纤维量的分布绘制出精确的照影曲线,这种分布与纤维排成一端平齐的长度分布之间有一定的数学关系。根据赫脱尔(Hertel)的纤维长度照影仪的理论,图解出平均长度、上半部平均长度、短纤率指数。所以精确的照影曲线以及图解的分析决定着各项长度结果。赫脱尔(Hertel)的纤维长度照影仪图解理论如下:

由于纤维束从端部到根部的分布是由稀疏到密集,当光学系统对纤维束从端部到根部进行照射时,随着纤维稀密的变化得到了纤维根数与纤维长度分布的直方图,当直方图的组距无限变小,使直方图上边缘线成为一条光滑的曲线,如图1所示。其中,横坐标代表纤维长度,纵坐标代表纤维根数。

要通过纤维束中纤维的分布,求得纤维长度的各项指标,而纤维长度的指标是通过纤维的重量加权得到的,所以我们要对直方图进行转化,使图形建立在长度与纤维量的关系上,当认为纤维束中棉纤维的线密度、密度均为一致时,对纤维长度与根数的分布图进行积分使其图形转化为纤维长度与纤维量的对应关系。

对图1进行积分,以纵坐标为底边使各根纤维与底边垂直,并从下到上纤维由长到短均匀排列,得到纤维长度与根数累积分布图(如图2),其中横坐标代表纤维长度,纵坐标代表纤维长度的累积根数。再对图2进行积分,即纤维长度与根数累积分布曲线的二次积分,得到棉纤维的照影仪曲线纤维长度与纤维量的累积分布图(如图3),其中,横坐标代表纤维长度,纵坐标代表纤维量的累积。

由于梳夹抓取纤维试样时,根部纤维弯曲纠结,这部分不能用于照影曲线的测量。实际曲线测量起始点A离开梳夹的距离为3.81 mm,通过对图3进行图解分析,即可以得到棉纤维的平均长度(ML),上半部平均长度(UHML),16 mm短纤率(IFC)等指标。

a)平均长度(ML):当L=0时,纵坐标的纤维量为100%,从A点作曲线AE的切线与OE相交B点,OB即为平均长度。也就是当L=0时图形右侧包含全部的纤维量,即取全部纤维的平均值。

b)上半部平均长度(UHML):取纵坐标的纤维量为50%时的F点,从F点作曲线AE的切线交于OE于C点,OC即为上半部平均长度。

c)16 mm短纤率(IFC):是指长度小于16 mm纤维的重量占纤维总量的百分比。理论上的图解法为:在OE上取OG=16mm,同时在图2上可以找到L16=16mm时所对应纤维根数N16,同理OB所对应的根数为N,当认为纤维束中棉纤维的线密度均为一致、密度均为一致时,通过下式即可计算出16mm短纤率。

公式(1)为理论上的图解公式,如果要使HVI大容量测试仪的短纤率指数与罗拉长度分析仪的短纤率有较好的一致性,需要我们做进一步的相关试验,从理论上和实际的测试结果中寻找它们之间的相关关系,使其建立在一定的数学模式上。

(2)罗拉长度分析仪测试原理:罗拉长度分析仪测量方法属于分组测量法,先人工将适量的棉纤维排列成一定宽度、一端平齐、长纤维在下、短纤维在上、薄厚均匀的棉束,再将棉束在罗拉长度分析仪上以2mm为组距从短到长对棉纤维束进行长度分组,称量每组棉纤维的重量,其每组长度与重量分布的直方图见图4、图5。通过计算得到棉纤维各项长度指标。计算方法如下:

a)重量平均长度:棉纤维长度分布中,以纤维的重量加权得出的平均长度。其计算公式如下:

式中 :L――质量平均长度,mm;

Lj――第j 组纤维长度的组中值,mm;

Wj――第j 组纤维的质量,mg。

b)短纤率:指棉纤维中短于一定长度界限的短纤维重量占纤维总重量的百分率。其计算公式如下:

式中:R――短纤维率,% ;

i――短纤维界限组顺序数。

(3)AFIS单纤维测试仪测试原理:将棉花整理成(30±1) cm长棉条喂入仪器,经仪器的开松、梳理、除杂,使纤维分离成没有杂质的单纤维,单纤维通过一加速喷管被送至光电传感器,加速喷管使纤维朝近红外光束作完全取向,当单根纤维通过时,引起光散射,散射光和纤维的长度、直径、成熟度有关。测量散射光并将其转换为电压信号,然后再转换为一特性的波形,见图6,纤维产生的矩形波借助于计算机就可以得到纤维长度的各项指标。

5.2.2纤维状态

由于制取纤维束的方法不同,所制得纤维束的状态存在着差异。

(1)HVI大容量测试仪制取纤维束

将10 g左右无序状态的棉花散纤维放入有孔的样品腔内,钢梳在机械传动作用下以一定的速度抓取露出孔外的棉纤维,这样即获得了纤维束。把钢梳上的纤维束取下可以观察到:由于钢梳抓取的是无序排列的棉纤维,且纤维又是挂在钢梳的钢针上,所以棉束的根部端存在着弯钩,纤维并不是整齐排列的,这样对于划定短纤维的界限有一定的难度。图7为样品经HVI梳理后从梳夹上取下的准备进行测试的棉束形态,图8为样品被梳夹夹持的一端即存在纤维弯钩的一端打开后的形态。

(2)罗拉长度分析仪制取纤维束

由试验人员靠手工将试验试样先在手中梳理顺直,再在限制器绒板上排列成长纤维在下、短纤维在上、层次清晰、厚薄均匀、宽度为32 mm、一端整齐的棉束,见图9。在制作棉束的过程中不得丢弃棉纤维。

(3)AFIS单纤维测试仪

将测试样品经过分梳成为单纤维一根一根地进行测量,一般一个样品测量3000根纤维,测试样品量较少,纤维的伸直状态受分梳情况的影响。

5.2.3测试的纤维量

1)HVI大容量测试仪测试的纤维量: 本试验测试的6个HVI样品的重量分别为:0.0422 g、0.03842 g、0.04072 g、0.04122 g、0.03632 g、0.03462 g,可见HVI测试的纤维量约0.42 g左右。

2)罗拉长度分析仪测试的纤维量:细绒棉(30±1)mg,长绒棉(35±1)mg。

3)AFIS单纤维测试仪测试的纤维量:测试3000根纤维。

6结论

由于三种测试仪器在测试原理和取样方法存在差异,长度指标测试结果:罗拉法和HVI之间不存在统计学上的极显著差异,二者与AFIS测试的两种结果存在显著差异,AFIS测试的两种结果之间也存在显著差异。短纤维测试结果:采用AFIS根数法得到的结果与其他方法之间有极显著差异,而HVI、罗拉法和采用AFIS重量法得到的短纤维结果,无显著差异。

(作者单位:中国纤维检验局)