雙須光電法與手排法測試羊絨長度對比

王 喻，戴千惠，陳麗君，蘇 健，王府梅,3

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620； 2.通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201319； 3.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

長度與細(xì)度是評價山羊絨纖維品質(zhì)的2個主要指標(biāo)[1]。在細(xì)度一定的情況下，長度不同，羊絨纖維的用途與價格也不同，較短的纖維應(yīng)用于粗紡毛衫，較長的纖維則用于精紡呢絨。

目前，公認(rèn)的羊絨長度測試方法是GB 18267—2013《山羊絨》中規(guī)定的手排法，該方法可用于羊絨、兔毛、馬海毛等散絨毛纖維的長度及短絨率的測量。由熟練技工將纖維反復(fù)手扯整理平直后，排列于黑絨板上，形成纖維一端平齊且從長到短均勻排列的手排圖；再將手排圖的邊緣曲線描在透明坐標(biāo)紙上獲得拜氏圖，進(jìn)而由拜氏圖計算羊絨纖維的長度指標(biāo)。該方法費時費力，對技術(shù)工人的手工技術(shù)要求很高[2]。

近年出現(xiàn)的光電法羊絨纖維長度測量方法，依據(jù)FZ/T 20028—2015《分梳山羊絨 纖維長度和長度分布的測定 光電法》[3]，采用1940年Hertal發(fā)明的照影機(jī)原理[4-5]，硬件方案與棉纖維的HVI測試系統(tǒng)類似。其測試方法為將20 g羊絨試樣混合均勻后放入方形容器，蓋上具有數(shù)排圓孔的上蓋并施加一定的壓力，用夾子取露出上蓋圓孔的纖維，梳理去除未被夾持的浮游纖維后，將夾持的隨機(jī)須叢放入光電檢測器；讓一個線光源與隨機(jī)須叢相對運(yùn)動，測試須叢透光量與位置的關(guān)系曲線，根據(jù)該曲線計算各項長度指標(biāo)[6]。該測量方法具有制樣快，不受人工制樣因素影響的優(yōu)點，但是，普及率較低。主要存在問題有：①制樣時羊絨須叢上的浮游纖維未被清除干凈；②纖維在自然卷曲狀態(tài)下測量，在此高度卷曲狀態(tài)下測試，須叢的長度信息與羊絨卷曲大小高度相關(guān)，會產(chǎn)生很大的誤差；③這種隨機(jī)須叢與纖維長度分布的理論關(guān)系未知，無法給出長度分布信息；④實踐證明對于棉纖維長度測試，HVI系統(tǒng)的原理方法不適合測試短絨率和長度離散性指標(biāo)；⑤測量從離開須叢夾持線3.8 mm開始，丟失了很多短絨信息。

經(jīng)過數(shù)年研究，本文開發(fā)出一種能用于木棉、棉、羊毛纖維長度測量的新方法——雙須光電法(簡稱雙須法)[7-9]，該方法能夠較快速且準(zhǔn)確測量纖維的長度分布信息[10]。將雙須光電法應(yīng)用于羊絨纖維的長度測量，采用散羊絨纖維的雙端隨機(jī)須叢制樣方法和信號處理技術(shù)，實際測試的纖維量約為手排法的10倍。

本文通過實驗，對比分析雙須光電法和手排法測試的長度指標(biāo)和長度分布曲線，分析雙須法測量羊絨纖維長度的可行性及準(zhǔn)確性，以及存在的缺陷或需要改進(jìn)之處。

1 實驗設(shè)計

羊絨的高卷曲性是其優(yōu)良的特性，但也給羊絨儀器化檢測帶來極大的困難；不同狀態(tài)下羊絨纖維的伸直情況如圖1所示?？梢钥闯?，F(xiàn)Z/T 20028—2015測量法與手排法的差異。圖2為光電法羊絨纖維的伸直狀態(tài)，即為圖1(a)纖維的狀態(tài)，其存在很多不同尺度的卷曲[11]，有波長2～4 mm的小卷曲，也有波長6～8 mm的三維大卷曲和環(huán)狀卷曲(轉(zhuǎn)了1圈或半圈，自然狀態(tài)長度不增加)。而圖1(b)纖維是手排法的纖維伸直狀態(tài)，羊絨經(jīng)過手扯反復(fù)整理后環(huán)形卷曲和大卷曲已經(jīng)不復(fù)存在，再抽拔排列在具有摩擦力的黑絨板上，使得黑絨板上的纖維無法回縮，僅存在一些小卷曲。

圖1 不同狀態(tài)下羊絨纖維的伸直情況

圖2 光電法羊絨須叢整體

雙須法使纖維的伸直狀態(tài)與手排法中纖維的伸直狀態(tài)一致，盡可能消除纖維卷曲特性帶來的誤差影響，同時在制樣過程中確保隨機(jī)取樣20次以上[12-14]。

選取通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司(SGS)提供的9種不同長度、不同顏色的羊絨樣品，依次編號為1#～9#，羊絨纖維的顏色特征為：1#～4#為自然白色，5#為青白相間色，6#～9#為紫棕相間色。

SGS檢測中心按GB 18267—2013以手排法測試了9種樣品的長度，用作基準(zhǔn)來考核雙須法的精確度。手排法測試結(jié)果包括拜氏圖、根數(shù)平均長度、短絨率(長度小于15 mm的纖維含量)。由拜氏圖信息可換算得到纖維的根數(shù)頻率分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 長度指標(biāo)的正確性考查

對各個試樣分別制作6個雙端須叢，用雙須光電法測量系統(tǒng)得到6個須叢平均須叢曲線，進(jìn)而求得其根數(shù)平均長度、短絨率、長度頻率分布曲線。同時，分別計算了各個須叢的長度指標(biāo)，進(jìn)而獲得每種纖維6個須叢根數(shù)平均長度的變異系數(shù)和極差。

手排法與雙須法纖維長度指標(biāo)測試結(jié)果對比如表1、2所示。其中差值是雙須法所測得的結(jié)果與手排法所測結(jié)果的差值。

表1 根數(shù)平均長度測試結(jié)果對比

表2 短絨率測試結(jié)果對比 %

由表1可以看出，手排法與雙須法測試的平均長度差值<2 mm的樣品占66.7%，說明2種方法測試的根數(shù)平均長度基本一致。但是，也有3個樣品的平均長度差值在2～4 mm之間，從雙須法各個須叢平均長度的變異系數(shù)和極差可以判定雙須法取6個須叢的平均測試結(jié)果穩(wěn)定；用T檢驗法來檢驗雙須法相對于手排法的差值顯著性，取顯著性α=0.01，由t分布表查得當(dāng)自由度n為6時，T統(tǒng)計檢驗量為3.355 4；經(jīng)計算，根數(shù)平均長度的T檢驗統(tǒng)計量為2.562 7，而短絨率的T檢驗統(tǒng)計量為2.995 7，從2組數(shù)據(jù)最終對比結(jié)果看出，根數(shù)平均長度和短絨率的T統(tǒng)計檢驗量均小于3.355 4，故認(rèn)為這2種方法測試的根數(shù)平均長度與短絨率基本一致，差值不顯著；因此，認(rèn)為平均長度差值源于手排法取樣量少和手排誤差引起的隨機(jī)性差異。

在現(xiàn)有手排法羊絨長度測量中，不提供長度頻率分布，所以，短絨率成為除細(xì)度與平均長度外最為重要的指標(biāo)，短絨率影響纖維后續(xù)的生產(chǎn)加工工藝，所以通過測試并計算纖維的短絨率極為重要。表2中短絨率的差值較大，主要來自隨機(jī)誤差。短絨率指標(biāo)不能準(zhǔn)確地反映纖維長度情況，例如10.0 mm和14.5 mm長度纖維的差異在短絨率中不能體現(xiàn)，而14.8 mm和15.2 mm長度的纖維差異在短絨率中被過分放大，因此應(yīng)該用纖維長度分布圖表示實際情況。

雙須法與手排法測試結(jié)果的根數(shù)平均長度相關(guān)系數(shù)R為0.862 7，短絨率相關(guān)系數(shù)為0.943 1，因此，2種測試方法的相關(guān)系數(shù)均較高；在差異率方面，2種方法平均長度的差異率φ為0.73%，短絨率差異率為2.91%，差異率計算為：

(1)

式中：φ為雙須法與手排法測得羊絨根數(shù)平均長度的差異率；a為雙須法測得羊絨根數(shù)平均長度,mm，b為手排法測量測得羊絨根數(shù)平均長度,mm。

綜上所述，本文研發(fā)的客觀穩(wěn)定的羊絨測量系統(tǒng)可以完全取代手排長度測量法。

2.2 根數(shù)頻率分布的一致性考查

由雙須光電法羊絨長度測量系統(tǒng)能夠得出纖維長度的根數(shù)頻率分布圖[15-16]。SGS提供的9個試樣的拜氏圖信息可換算得到各試樣的根數(shù)頻率分布圖。以1#試樣為例，手排圖信息如表3所示，根數(shù)頻率分布如圖3所示。其中離散型含義是只在某些點上有信息，例如在長度67和80 mm上有信息，而在長度68～79 mm之間沒有信息。為了與雙須光電法組距為2 mm的頻率分布圖比較，對手排法的離散型分布采用均分方法，表達(dá)式為：

(2)

式中：kn為各長度范圍的纖維含量占總纖維含量百分比,%；Ln為各組在手排圖中占長，均為10 mm。

如圖3(a)所示，長度10～12 mm范圍的纖維在手排圖中占總纖維含量k1=4%；長度51～55 mm范圍的纖維含量占總纖維含量k21=4%，均分到51～52、52～54、54～55 mm各組含量為1%、2%、1%，因此對該數(shù)據(jù)按此法進(jìn)行均分，均分后根數(shù)頻率分布如圖3(b)所示。

表3 1#試樣的手排圖信息 mm

注：Li為每組纖維長度。

圖4 2種方法所測9種試樣的根數(shù)頻率分布對比

圖3 手排法1#試樣的根數(shù)頻率分布

對9種羊絨樣品分別用雙須光電法和手排法測試，并計算得到纖維的根數(shù)頻率分布，如圖4所示。

由圖4可以看出，2種方法測試結(jié)果的分布規(guī)律整體是一致的。例如1#試樣分布較均勻，3#試樣2種方法都顯示出15 mm以下的短絨多，7#試樣20 mm以下的短絨特別多等；2種方法的測試結(jié)果都很一致，且對于隨機(jī)取樣的差異使得2種方法的頻率分布不可能完全重合，即便同一方法測試某試樣2次也會因為取樣的隨機(jī)差異使得2次測試的頻率分布不能完全重合，該現(xiàn)象在羊毛、棉等纖維長度測試時也得到了證實。

1#～9#試樣在各分組處由2種方法測試所得根數(shù)頻率分布之間的差異率如圖5所示。其中2種測試結(jié)果頻率差異率計算公式為：

(3)

式中：ρ為各分組處2種方法根數(shù)頻率分布的差異率，%；m、n分別為雙須叢法與手排法在該組的根數(shù)頻率。

圖5 1#～9#試樣2種方法在各分組處頻率的差異率

由圖5可以看出，各試樣各組的差異率都在0上下波動，說明分布規(guī)律整體一致，各組存在一定隨機(jī)差異，是二者取樣的隨機(jī)波動造成的。

3 結(jié) 論

①對比實驗表明，雙須光電法測試的羊絨根數(shù)平均長度和短絨率都與手排法的測量結(jié)果有較高的相關(guān)性；2種方法所測根數(shù)平均長度相關(guān)系數(shù)為0.862 7，短絨率相關(guān)系數(shù)為0.943 1；且差異率均小于5%；雙須光電法測試的根數(shù)頻率分布與手排法所測根數(shù)頻率分布規(guī)律整體一致。

②雙須光電法的試樣質(zhì)量為0.600～0.900 g，遠(yuǎn)大于手排法試樣質(zhì)量0.090～0.150 g，且測試結(jié)果穩(wěn)定，不受人工技術(shù)和人為因素影響。