机采棉轧花加工对棉纤维性能影响的定量分析

原文刊自：2020年9月

第48卷（总第587期）

摘 要

探讨机采棉轧花加工对棉纤维性能影响。选取新陆中 35 品种，在 MY171 和 MY98 两种典型的 机采棉轧花加工生产线进行试验，采用 HVI 及 AFIS 仪器对棉纤维性能进行测试，对比两种轧花生产线所得棉 纤维性能，定量分析了轧花加工中每道工序对棉纤维的损伤程度。结果表明：轧花机加工后对棉纤维均有损伤， 棉纤维的长度和整齐度均大幅下降，短纤指数大幅升高；MY98 比 MY171 轧花生产线加工所得纤维的质量略 优。认为：以此定量分析结果为参考依据，可合理选择轧花生产线并调整加工工序，以提高轧花加工所得棉纤维 的质量。

关键词

轧花加工；生产线；新陆中 35；机采棉；HVI；AFIS；棉纤维性能；定量分析

棉花产业在新疆国民经济中具有举足轻重 的地位。新疆已成为中国最具发展实力的新型 棉花产业区域。棉花种植业已成为植棉区农民 脱贫致富的主要途径。棉花产业是为社会提供 就业机会的主要平台，该产业的大力发展也是财 政收入的重要支柱。棉花产业的工业价值高、产 业联动性强，棉花及棉花制成品的生产、加工、储 运、贸易等事关国计民生。

根据国家统计局报告，2019 年全国棉花总产 量为 589 万 t，比 2018 年减产 21. 28 万 t。2018 年 新疆棉花总产量为 511. 09 万 t，占全国总产量的 83. 75%。因此，新疆棉花质量对全国棉花质量 及棉制品质量具有重要的影响。

在棉花加工过程中，虽然不同轧花机的工作 原理基本相同，但轧花加工的不同机械工艺参数对棉纤维品质的影响较大。本文对比两种典型 轧花工艺，从籽棉清理到皮棉清理过程中各机台 加工后的纤维品质变化，选用 USTER HVI 1000 型大容量棉花测试仪（简称 HVI）测试分析棉花 长度、强力、马克隆值、颜色和杂质等指标，采用 USTER AFIS PRO2 型单纤维测试仪（简称 AF⁃ IS）分析单纤维的杂质、棉结和长度变化，定量化 分析每道工序对棉纤维的损伤程度，为合理调整 轧花生产线和加工工序，最终达到提高棉纤维质 量的目标提供参考。

1 试验方法及数据处理

1. 1 试验采样

通过对南北疆多地的机 采棉轧花厂进行调研，选取库尔勒地区的 29 团轧 花厂进行试验样品的加工及采样。该厂轧花设 备保养及维护良好，同时具备 MY171 及 MY98 两 条轧花生产线，为目前新疆机采棉轧花加工的典 型代表。该厂可配合将单个品种的籽棉进行单独 堆垛并完成试验加工。选定新陆中 35作为试验品 种。对所抽取的各样品的籽棉堆、各道数清理后 棉堆以及皮棉分别测试回潮率，以确保无异常，加 工样品后进行取样，保证基本试验样品的一致性。

1. 2 样品测试

棉花样品处理：通过两组数据对加工所得棉 纤维进行测试。根据 HVI 以及 AFIS 的测试要求，测试样品中含有棉籽将会影响测试，由于 籽棉以及轧花机前的工序无法去除棉籽，我们采 用手工剥除棉籽的方法进行试验准备。在测试 样品前，需将棉花样品放入平恒框内，单个棉样 的质量不低于 350 g，在温度 25 ℃、相对湿度 65% 的环境下平恒 24 h 后等待测试。

HVI 及 AFIS 测试：对 HVI 的各个测试模块 进行校准。HVI 由马克隆模块、长度/强度模块、 颜色/杂质模块和控制模块等 4 个独立的模块组 成，为防止异常值等各方面因素，每道工 序 样 品 测 5 次 ，每 次 所 需 棉 样 65 g 左 右 ，共 325 g。对 于 AFIS 测试，首先将原棉样品进行开松，样品在 上述环境中平衡 24 h 后，均匀成条后进行测试， 每道工序样品测试 5 次。

1. 3 数据处理方法

首先，将所有试样经 HVI 及 AFIS 测得的纤 维指标，按轧花机械和清理道数两组变量进行分 组，使用 Grubbs 进行异常值检测，显著性水平为 0. 05，排除异常值，再统计分析，得到以下分析结 果和结论。

2 结果与分析

1996 年正式进行机采棉 技术试验，经过 5 年探索出从种植、采收、加工的 整体模式，随后逐渐在全疆进行机采棉体系的推 广。虽然机采棉采收及加工效率有所提高，但 近年来新疆棉花质量的逐渐下降有目共睹。通 过田野调研，部分轧花厂技术人员认为，机采棉 品种、采收及加工整体的配合性是影响棉花质量 的重要因素。通过对机采棉典型轧花生产线的 每道加工机械后进行取样试验，探究机采棉轧花 加工合理的工艺道数。一般机采棉轧花加工清 理工序包含以下 8 道：先是籽棉清理 4 道，再是轧 花清理 1 道，最后是皮棉清理 3 道。在 MY171 及 MY98 生产线的每一道加工后都有取样窗口，可对每个清理道数 后的棉纤维进行取样 。但MY171 轧花生产线的籽棉 3 道清理和籽棉 4 道清理之间为闭合式，故 MY171 轧花生产线的籽棉 3 道清理无样品。

2. 1 HVI 测试分析 

2. 1. 1 长度及马克隆值指标分析

HVI 测试纤维的上半部分平均长度如图 1 所 示。棉纤维的长度在轧花生产线中基本为下降 趋势，MY98 加工的纤维则从 30. 48 mm 减小到 28. 87 mm，减小了 1. 61 mm，MY171 轧花机加工 后纤维长度从 30. 95 mm 减小到 29. 02 mm，减少 了 1. 93 mm。参照 GB1103—2012《棉花细绒棉》 标准，两者均从长度分级中下降一个等级。清理 道数对长度的影响见图 1。

图1中，横坐标数字 1 为进厂籽棉，2 为籽棉 清理 1 道，3 为籽棉清理 2 道，4 为籽棉清理 3 道，5 为籽棉清理 4 道，6 为轧花清理，7 为皮棉清理 1 道，8 为皮棉清理 2 道，9 为皮棉清理 3 道。全文图 1~图 8 中横坐标数字解释相同。

如图 1 所示，MY171 不同道数籽棉清理所得 的纤维长度指标有波动，分析原因可能是由于人 工去除棉籽时对棉纤维造成的影响。两种轧花 工序所加工棉纤维均在长度标准级 28 mm 以上， 属于长度分级中的正常范围。

长度整齐度是反映棉纤维长度分布的集中 性与离散性的指标，良好的纤维整齐度对纺纱生 产和成纱质量有利。清理道数对长度整齐度的 影响见图 2。

如图 2 所示，长度整齐度随着轧花道数的增 加而逐渐降低。在轧花加工后，长度整齐度明显 降低，MY171 轧花机加工后的棉纤维长度整齐度 从 86. 47% 降低至 81. 75%；MY98 轧花机加工所 得则从 85. 51% 降低至 82. 03%。两条生产线都 是从高等档次降低至中等档次。从进场籽棉至 最终的皮棉，两者分别下降了 4. 72% 和 3. 48%， 棉纤维长度整齐度均在 82% 左右，根据长度整齐 度指数分档，属于中等档次。

棉纤维中短纤维含量直接会影响到纺纱过 程中落棉情况、纱线断头率以及成纱质量。短纤 维含量越高，落棉增加，生产效率降低，导致成本 增加；另外，短纤维含量过高，会在牵伸时出现过 多的浮游纤维，使得纱线条干均匀度变差。本文 短纤指标选取的是经过 HVI 测试所得的短纤指 数，HVI 中的短纤指数指标是 USTER 的计算值。清理道数对短纤指数的影响见图 3。

如图 3 所示，棉纤维经过轧花机的加工后，短 纤指数急剧上升，使用 MY171 加工所得棉纤维短 纤指数从 9. 22% 上升到 21. 96%；MY98生产线从 11. 03% 上升到 21. 96%。

马克隆值是反映细度及成熟度的综合指标，马克隆值过低则成熟度差，易产生有害疵点且染 色性能差，过高又会影响成纱强力。纤维表 面的粗糙程度与表面物质会影响马克隆值的测 试值。清理道数对马克隆值的影响见图 4。

如图 4 所示，在两条生产线中，通过不同加工道数后，纤维马克隆值呈现波动状态。原因可能 在于纤维表面物质的变化，以及通过机械力作用 后纤维表面粗糙程度有所变化，从而导致马克隆 值在整个加工过程中的波动。对于相同品种的棉 纤维在机械力作用下，成熟度和细度总体基本一 致，但马克隆值却有波动。因此可推测马克隆值 指标作为评判棉纤维质量指标的问题有待讨论。

2. 1. 2 杂质及颜色级指标分析

棉花在两种轧花加工生产线加工后所得棉 纤维的杂质情况如图 5 所示。杂质面积在加工过 程中明显下降，且两条轧花加工线对棉纤维的杂 质面积影响差距较小。

如图 5 所示，棉纤维经过两种不同的轧花加 工后，杂质粒数都显著减少。在整体清理加工过 程中，MY98 生产线杂质粒数由 57 个降至 12 个， MY171 生产线杂质粒数由 55 个降至 16 个。

叶屑等级是指 HVI 使用计算机图像处理技 术测量棉花中夹带的杂质含量（颗粒数）和面积 百分率；叶屑是指包含叶片、破籽、带纤维籽屑以及凡是与棉纤维反射率和黄度不同颜色的斑点。清理道数对叶屑等级的影响见图 6。

如图 6 所示，棉纤维的叶屑等级随着清理道 数的增加，由以 5 级为主体逐渐下降至以 2 级为主体，由结果可知，两个轧花机加工出的棉纤维叶屑等级基本相同。

棉纤维的反射率是评定棉花等级的重要依 据，与棉纤维的成熟度有关。清理道数对反射率 及黄度的影响见图 7。

如图 7 所示，反射率随着清理道数的增加总 体也在呈现上升的趋势，MY98 的样品反射率从 74. 2% 上升到了 80. 1%，MY171 棉纤维样品反 射率从 74% 上升到了 79. 6%，两种轧花机械分别 上升了 5. 9% 和 5. 6% 的数值。棉纤维的黄色深 度和反射率共同决定了其颜色级，使用 MY171 加工和 MY98 加工所得棉纤维的黄度在前 5 道加 工时上升明显，MY98 生产线样品在皮棉清理 2 道和 3 道时黄度增长，最终的棉纤维黄度为 8. 64， MY171 最终所得棉纤维黄度为 8. 51。

表 1 和表 2 分别为 MY171 和 MY98 清理道数 对颜色级的影响。

从表 1 和表 2 可以看出，棉纤维的颜色级随 着清理道数的增加，颜色级为 21、31 级别的棉纤 维的比例逐渐上升，而颜色级为 41 的棉纤维的比 例在减小，最后轧花完成后颜色级为 41 的棉纤维 只 剩 下 1%。而 颜 色 级 为 51 的 棉 纤 维 使 用 MY171 生产线加工后被全部清除；使用 MY98 轧 花机加工的则在第 1 道籽棉清理后颜色级为 51 的棉纤维被全部清除。

2. 1. 3 强伸性能指标分析

棉纤维的强伸性能指标见图 8。

如图 8 所示，两条生产线的断裂比强度基本 都在 27 cN/tex 附近波动，此原因可能是轧花加 工过程中，轧花机为锯齿及锯片的加工形式，加 工过程相对粗糙，并不是每个纤维在机械加工中 都受到机械力作用，最终导致测试的断裂比强度 不断波动。纤维随着籽棉清理、轧花加工以及皮棉清理等工序的机械力作用，棉纤维断裂伸长率 呈现逐步减小的趋势。使用 MY98 轧花加工生 产线的棉纤维，在轧花机后棉纤维的断裂伸长率 下降较少，从 10. 9% 降低到 10. 1%。而 MY171 籽棉清理对纤维的断裂伸长率影响大，后续加工 对断裂伸长率的影响较小，总体上断裂伸长度从 11. 5% 降至 10. 1%。

纺纱一致性指数（SCI）是由多个质量指标进 行多元回归所得。由于前道样品存在杂质多等 问题，仅对最后一道样品的 SCI 值进行计算。公 式 为 ：SCI = -414.67+ 2.9× Str - 9.32× Mic + 49.17× Len ( in )+ 4.74 ×Unf + 0.65× Rd + 0.36×(+b )。式 中 ：Str 为 纤 维 断 裂 比 强 度，Mic 为马克隆值，Len（in）为上半部平均长度， Unf 为长度整齐度，Rd 为反射率，（+b）为黄色 深度。

通过 SCI 计算公式得出使用 MY171 轧花机 加工的棉纤维纺纱一致性系数（SCI）为 118. 67， 使用 MY98 轧花机加工的棉纤维纺纱一致性系 数（SCI）为 120. 30。该棉花原料的品种均为新陆 中 35 同时期采收，原棉性质一致，通过不同生产 线加工后，纤维性能有改变导致最终的 SCI 值有 差 异 ，可 知 MY98 生 产 线 对 该 品 种 加 工 相 对 较好。

2. 2 AFIS 数据分析

AFIS 测试单根纤维的指标，而 HVI 测试的 为一束纤维的指标，我们通过 AFIS 的测试结果 进行验证。AFIS 测试本身对样品的洁净度有一定要求 ，仅对生产线最后两道的样品进行测试。AFIS 测试结果中纤维长度变化情况见图 9。

如图 9 所示，纤维长度变化与 HVI 测试的趋势基本一致，HVI 测试的是上半部分平均长度， 而 AFIS 所使用的长度为重量加权的平均长度，两者趋势一致。

通常AFIS测得的短纤率更为准确 ，即 MY98 在最后一道使短纤率由 4. 3% 变为 4. 8%， 而 MY171 则由 4. 0% 变为 4. 3%。AFIS 测试中纤维杂质变化情况见图 10。

如图 10 所示，通过最后一道皮棉清理后，杂质大小及杂质数量都减小，可见皮棉清理对杂质的清理有一定作用。

AFIS 测试中纤维棉结变化情况见图 11。

如图 11 所示，总棉结数、纤维棉结数都在最后一道清理后提高，籽皮棉结数在 MY171 生产 线的加工下有小量降低，而在MY98 生产线升高。因此将棉结数量变化与长度、强伸指标变化 相结合，寻找适当的清理道数及机械打击力度， 提高棉花纤维品质的一项重要工作。

3 结论

通过对比两种轧花生产线加工所得的棉纤 维的物理机械性能，分析从进厂籽棉到皮棉之间 每一道工序对纤维性能的影响，从数据统计结果 可以看出每道工序棉纤维各项性能指标的定量 变化情况。通过试验测试对比的数据性结果可 知，两种轧花生产线在轧花机加工后对棉纤维均 有损伤，棉纤维的长度和整齐度均大幅下降，短 纤指数大幅升高，这说明在棉籽去除的过程中， 机械打击对棉纤维物理机械性能影响很大。基 于限定品种的棉纤维性能的数据测试结果而言， MY98 轧花生产线加工所得纤维要比 MY171 轧花生产线加工所得纤维的质量略优。同时，结合 棉结杂质等指标，不同轧花机械之间对棉花的部 分物理机械性能的影响有差异，可以通过下游纺 纱企业对杂质或长度的要求选取不同的轧花生 产线进行棉纤维的加工。此外，通过数据性结 果，再结合后道用棉企业纺纱厂的实际要求，可 适当调整轧花生产线的工序道数，从而使得加工 所得棉纤维具有更好的物理机械性能。本文为 棉花加工行业提供了更加科学的数据性依据，可以避免因低水平棉花加工企业的重复建设而造成的社会资源浪费、市场秩序混乱等一系列问题。

资料来源：棉纺织技术