气流仪检验马克隆值
一 气流仪的发展过程及马克隆值的变迁
       马克隆气流仪本来是一种用气流方法测定机械轴或孔的直径的仪器.1947年,美国的W.S.Smith对气流仪进行了改装,把机械测头改为纤维试样筒,研制了纤维气流仪.它采集了许多陆地棉样品,测定了称重法细度( μg/in)和气流仪读数,并以气流仪转子流量计的浮子高度为自变量,以称重法细度为因变量,计算出线性回归方程式,制定了线性刻度,其单位为μg/in,这种仪器的商业名称就是Micronaire,中文译为马克隆.       

       1950年美国农业部又采集了许多陆地棉和亚洲棉,通过试验,计算了浮子高度与称重法细度的二次回归方程式,制定了非线性刻度.该刻度一直沿用至今.它起初仅用于陆地棉和粗绒棉,长绒棉用不同的刻度.       

       随着对纤维气流仪理论的深入研究,知道了气流仪读数并不单纯反映纤维细度,而是细度和成熟度的综合反映,许多学者把条流仪读数称为细度X成熟度.从物理上讲,气流仪读数反映了纤维的透气性,是纤维比表面积(纤维表面积/纤维体积)的函数.为了回避气流仪在定义上的分歧意见,美国以Micronaire这种仪器的商业名称作为量的名称和单位名称,用它们取代细度( μg/in).       

       现在国际上无论陆地棉,亚洲棉(粗绒棉),海岛棉(长绒棉)都采用同一马克隆刻度.严格地说,大家也不再将马克隆值当作细度,但习惯上有的还将它称为细度. 
1961年,美国制定了ASTM D1448《棉纤维马克隆值试验方法标准》.由于马克隆值这一指标对棉纺工艺很有使用价值,试验速度快,仪器的稳定性很好,因此美国农业部在1966年把马克隆值作为美国棉花的正式检验项目.在所有棉纤维物理性能试验仪器中,气流仪是第一种进入棉花分级室,并在业务检验中得到实际应用的仪器.由于马克隆值检验效果好,以后很快扩大到世界各国,使得马克隆仪成为当今数量最多的棉纤维性能检验仪器.1972年,马克隆值试验方法已制定为国际标准,即ISO 2403—1972《棉纤维马克隆值的测定》. 

       现在美国习惯上将Micronair简称为mike.

二 气流仪读数与细度,成熟度的理论关系
(一)成熟度比与线密度
       我国目前用成熟度系数(K)表示棉花成熟度.国际上用成熟度比(M)和成熟纤维百分率(Pm)表示棉花成熟度. 
       成熟度比的定义是:胞壁增厚度对选定等于0.577的标准增厚之比,即:

式中:M----成熟度比;
          λ---胞壁增厚度.
       设H表示棉纤维单位长度的质量,即纤维量,也就是线密度;标准增厚度情况下的纤维量H.称为标准纤维量.因为胞壁厚度乘以纤维长度与密度就是纤维量,因此式(4.3.1)也可以表示为:

1 标准胞壁增厚度
       棉纤维干涸后,横断面呈不规则腰圆形,很难直接测出其外径,中腔直径及壁厚等.通常是以其周长复原成一个圆形,如图4.3.1进行理论计算.
所谓胞壁增厚度是指胞壁面积填充程度,
即λ=S1/S---------------(4.3.3)得
    S1=n/4(D2-d2)-------------(4.3.4) 
    S=(n/4)D2-----------(4.3.5)

于是
       λ=1-(d/D)2------------(4.3.6)
而d=D-2δ,所以(d/D)2=(1-2δ/D)2=(1-m)2
其中
       m=2δ/D--------------(4.3.7)
于是
       λ=2m-m2------------(4.3.8)
式中:m称为径壁比.一般成熟的棉纤维,径壁比m=0.35,代入式(4.3.8)得:
λ=0.577
这就是为什么标准增厚度选定为λ=0.577的原因.

2 成熟度比,成熟纤维百分率
       英国的Peirce和Lord研究总结出:棉花纤维量H(即纤维单位长度的质量)与棉纤维中正常纤维含量n1和死纤维含量n2之间,存在以下线性关系:

并定义:具有标准纤维量HS的棉纤维,正常纤维含量n1=67%,死纤维含量n2=7%,即 
    HS=0.9370(67-7)+135.2.将它和式(4.3.9)代入式(4.3.2),
整理后得:
      

式中:M----成熟度比;
        n1---正常纤维含量,%
        n2---死纤维含量,%
式(4.3.10)就是ISO 4912[[棉纤维----成熟度测定----显微镜法]]和GB/T 13777---1992[[棉纤维成熟度试验方法 显微镜法]]标准中计算成熟度比的公式.       
从式(4.3.10)可以看出,
全部为正常纤维时,n1=100,n2=0,此时M=1.2.
全部为死纤维时,n1=0,n2=100,此时M=0.2.
一般成熟的棉纤维,因λ=0.577,所以M=1.当M<0.8时,则识为是未成熟的纤维. 

成熟纤维百分率由下式计算:

式中:Pm----成熟纤维百分率,%
        n---成熟纤维根数:
        N---试样纤维总根数.

成熟度比与成熟纤维百分率有如下关系;

或
    M=1.762 -? ? ?

(二)气流仪测试马克隆值基本原理
       用气流仪测试棉花的马克隆值时,由苛仁钠(Kozeny)公式得:

式中:K---比例系数;
        P---气流仪中纤维塞两端气流压力差;
        Q---流过纤维塞的气流流量;
        SO---样筒中纤维的比表面积.
从式(4.3.14)看出;
当流量Q固定时,压差;

当压差△P固定时,流量;

式中:K1,K2为比例系数.

       当试样体积一定,试样质量一定,试验时的温湿度条件一定,并按规定的操作方法操作时,K1,K2为常数.从式(4.3.15)看,当取固定的△P的测量可以测出纤维的比表面积S0.从式(4.3.16)看,当取固定的△P时,通过流量Q的测量可以测出纤维的比表面积S0.       

       所谓纤维的比面积是指纤维的表面积与体积的比值.设纤维的表面积SU,扣除中腔后的体积为V,则对单位长度的纤维,有; 
[center]S0=Su/V=Nd/[(n/4) (D2-d2)]=4D/(D2-d2)[/center]
设纤维的密度为r,则单位长度的纤维量;

上两式相乘得:
SOH=nDr=Ad

对标准增厚的纤维,纤维量为HS,标准增厚度λ=0.577.由式(4.3.6)得;
0.577=1-(d/D)2
所以,此时d=0.65D,于是;
HS=n(D2-d2)r/4=0.106 n D2r=ΒD2
所以,
(SOH)2/HS=K3
即:
SOH=(K3HS)/H2,由式(4.3.2)有H=MHS
故,

式

       (4.3.17)表明,棉纤维的比表面积的平方与其细度(H)和成熟度比(M)的乘积成反比.因此,可以根据式(4.3.15)或式(4.3.16),利用气流仪测试棉纤维的比表面积,再根据式(4.3.17),间接地测试棉纤维的马克隆值(棉纤维细度和成熟度的综合反映). 

将式(4.3.17)代入(4.3.16)得:
Q=K2/S02=K2HM/K3=KHM
即:

同样,

       式(4.3.18)表明,定压式气流式,通过纤维塞的流量与HM成正比.
       式(4.3.19)表明,,定流量气流仪,纤维塞两端的压差与棉纤维的HM成反比.

三 马克隆值与成纱质量和纺纱工艺的关系
       要纺制一定粗细的纱线,使纱线具有一定的强力,以承受工艺中的各种应赋予纺织品必要的使用性能,纱线横截面内必具有一定的最低根数的纤维.所以,粗纤维纺粗纱,细纤维纺细纱.在其它条件相同的情况下,纤维越细,成纱强力越高,条干均匀度越好.但是,纤维越细,在加工过程中越容易扭结和折断,容易形成棉结.       

       成熟度高的棉纤维强力好,能经受加工和清棉机械打击,易清除杂质,不易产生棉结和索丝,成品制成率高.成熟度差的棉纤维,则容易形成较多的有害疵点,成品制成率也低.成熟度高的棉纤维,成纱强力高,条干均匀度也较好.但过成熟的棉纤维,抱合力差,成纱强力和条干均匀度反而不好.成熟度高的棉纤维,吸色性好,织物染色均匀.       

       马克隆值是棉花细度和成熟度的综合反映.因此,它与成纱质量和纺纱工艺都有密切的关系.马克隆值高的棉纤维能经受机械打击,易清除杂质,成纱条干均匀,外观光洁,疵点少,成品的制成率高.但马克隆值过高,会影响成纱强力.马克隆值过低的棉纤维,往往成熟度差,容易产生有害疵点,染色性能差.所以,只有马克隆值适中的棉花,才能兼顾两个方面,获得较全面的经济效果.美国农业部的纺纱试验和中外纺纱厂的使用经验均表明,马克隆值低,会产生较多的清钢落棉,纱线外观恶化,但能提高纱线强力和可纺支数,反之,会引起棉纱抱合力的下降,增加棉纱断头,降低了细纱可纺支数,但能降低落棉量,改善纱线外观.所以,国际上将马克隆值介于3.5~4.9之间的棉花,作为正常马克隆值棉花.特别是马克隆值在3.7~4.2范围的棉花,从价格上还要加价.这也就是新标准中,将3.7~4.2马克隆值的棉花定为A级,而3.5以下和5.0以上的定为C级的原因, 数据与形态见附图: 

四 国外马克隆值指标的情况
       马克隆值指标能比较全面地说明棉花同纺纱工艺和产品质量的关系.而且马克隆仪具有使用简便,容易维修,费用低和效率高的优点,所以美国农业部将马克隆值作为美国陆地棉的质量考核指标,成为与品级,长度并列的指标.

       在美国,马克隆值同棉花结价有联系.棉农无论将棉花抵押给联邦政府以取得贷款,还是卖给棉商,均需考虑马克隆值,并根据马克隆值的大小,在价格上补扣.马克隆值价差(Micronaire difference)见表4.3.1.

 

       从表中可看出,马克隆值在3.5~4.9范围内为正常马克隆值,价格不加不扣.马克隆值在3.7~4.2范围,要从价格上加价.马克隆值在3.5~4.9以外的,从价格上都要扣减.而且,偏离正常马克隆值越多,扣减的幅度也越大.

       在国际贸易中,也有采用合约对马克隆值进行交接的.如货批的马克隆值与合同不符,就按仲裁机构的仲裁结果,由卖方向买方作经济赔偿.

五 马克隆值的测定方法
       克隆值的测定方法按GB/T6498—1992《棉纤维“马克隆值”试验方法》进行.但就配合GB 1103—1999标准使用,还需注意以下一些情况.

1 马克隆值标样
       马克隆值的测定是建立在一套马克隆值标准棉花标样的基础上的.即要使用马克隆值标准棉花标样标定仪器,由仪器测定试样.

       马克隆值标样可采用“国际校准棉花标准(ICC)”或国家标样.国家标样有两种,分别为:GSBW12002—1996《HVI校准棉花》咎GSBW12003—1996《校准棉花》,这两种标样都可以用作马克隆值标准使用.
 
2 取样方法
       GB1103—1999标准要求的取样方法与GB/T6498—1992标准采用的取样方法是不同的,这一点特别注意.GB/T6498—1992标准强调的是试准确,而GB1103—1999不但强调测试准确,而且强调要给整批棉花马克隆值的离散情况,因此采用了不同的取样方法.
      
       GB/T6498—1992规定,从批样产生试验室样品.试验室样品的份数由批量大小确定:100包及以下取1份,101包~300包,取2份:301包~500包,取3份:500包以上,取4份.试验室样品经过充分混合后,随机抽取马克隆值试样.每个试验室样品测试2个试验试样,每个试样测试1次.当2个试样的测试结果的差值超过0.1马克隆值时,再增试第3个试样.3

       GB1103—1999规定,从批样中随机抽取批样数量的30%,逐样测试马克隆值,即每个马克隆值样品都作为1个试验室样品.然后按GB/T6498—1992标准要求进行测试.这里的主要区别是抽取的30%样品不能合在一起混和

3 马克隆值的修正
       进行马克隆值试验时,要用国际校准棉花标准或国家校准棉花标样,使测试结果到标准水平上,在标准温湿度条件下试验,用校准棉样的测试结果与马克隆值标准的差异应在0.1以内,否则应检查原因.但在非标准温湿度条件下进行试验,试验结果与标准值的差异可能会超过0.1马克隆值.特别在收购现场用气流仪测试马克隆值时,因温湿度条件不满足要求,测试结果往往超差,因此要进行修正.具体做法如下:
(1)将标准棉花标样放在与收购检验棉样相同的环境条件下调湿平衡.
(2)将马克隆仪及其它设备调整到正常的工作状态.
(3)测试校准棉花标样的马克隆值M,标样的标准马克隆值为M0,则修正值
△=M0-M--------------(4.3.20)
在相同的条件下测试收购棉样的马克隆值m,则修正后的马克隆值为:
M0=m+△------------(4.3.21)
(4)m0就作为实际检验结果.为简单起见,最好用马克隆值标准值与收购棉花的马克隆值相接近的校准棉花标样,即选用M0的接近于m0的标样.否则,为求得修正值一般上要用2个或3个不同标准值的校准棉样.

4 平均马克隆值的计算
       试验表明,混合棉的平均马克隆值不等于各成分重量加权的算术平均值,而等于各成分重量加权的调和平均数.
        设有N组数据,m1,m2,-------Mn;相应的权为w1,w2-----Wn则其调和平均值m的计算式是:
       例5包棉花,其重量分别为(kg):82,85,88,90,86,测得马克隆值分别为:3.4,3.6,3.8,4.2,3.9.求平均马克隆值m.解:这里N=5.wi为第I包的重量,wi为相应的马克隆值,代入式(4.3.22)得:
    
       若简单地计算重量加权平均值,平均值为3.79,与上面计算的调和平均值的结果不完全相等.

五 常见棉纱马克隆值指标