第三节 纤维的长度

纤维的长度是其外部形态的主要特征之一。各种纺织加工用的纤维中，天然纤维的长度根据其种类的不同，具有各自的长度分布；化学短纤维通常是根据所模仿的天然纤维的平均长度进行等长切断或异长度牵切的，而化纤长丝则不进行切断。一般来说，能够满足纺织加工使用性能要求的纤维，其长度L与纤维直径D之比为10²～10⁵，具体数值范围见表2-4。

纤维长度在纺织加工工艺上的重要性仅次于纤维细度，它影响织物和纱线的品质，而且是确定纺纱系统及工艺参数的重要因素。表2-5为主要纤维品种的纤维长度范围。

一、纤维长度分布与指标

各种纤维在自然伸展状态都有不同程度的弯曲或卷缩，它的投影长度为自然长度。纤维在充分伸直状态下两端之间的距离，称为伸直长度，即纤维伸直但不伸长时的长度，也即一般所指的纤维长度。纤维自然长度与纤维伸直长度之比，称为纤维的伸直度。

天然短纤维及部分拉断化学纤维的长短不齐形成一定的长度分布，纤维长度因纤维种类不同和各自测量方法不同而不同。在实用中根据统计或物理意义有许多不同的纤维长度指标，但根据纤维长度指标的共性表达意义，可归纳为纤维长度集中性指标和离散性指标两类。集中性指标表示纤维长度的平均性质，离散性指标表示纤维长度不匀情况。长度分布图有三种形式，即长度频率分布、长度一次累积频率分布和长度二次累积频率分布，三者之间存在有一定数学关系。频率分布又可分为两大类，一类以根数为单位计量的，称为纤维长度计数频率分布和纤维长度计数累积频率分布；另一类以重量为单位进行计量的，称为纤维长度计重频率分布和纤维长度计重累积频率分布。相应的长度指标为计数平均长度、计数长度变异系数和计重平均长度、计重长度变异系数。

（一）纤维长度分布

短纤维的纤维长度都按一定规律分布，各种长度分布的频率密度函数为f（l）（它可以是根数的频率密度函数也可以是重量的频率密度函数）。如图2-3所示，它可以用l₀～l_max内的纤维长度分布曲线来表征，l₀为最短纤维长度，l_max为最长纤维长度，其密度函数的积分分布以分布函数F（l）来表示，则：

而纤维长度l₀～l_max的根数密度一次积分分布函数为：

分布曲线通常为偏态的近高斯分布，或泊松分布。

常规手排法纤维长度实验是在黑绒板上将纤维试样整理成一端平齐、密度均匀并由长到短顺次排列的纤维束，如图2-4所示，则式（2-20）是计数密度分布函数，也可以是计重密度分布函数。

（二）纤维长度的集中性指标

1.纤维加权平均长度 纺织纤维长度的集中性指标，是指一束纤维试样中长度的平均值。根据测试方法不同，可分为计数加权平均长度、计重加权平均长度和调和平均长度等。主要用于毛、麻、绢和化学短纤维。

（1）计数加权平均长度：以纤维计数加权平均所得到的长度值称为计数平均长度，即将对应于某一纤维长度的根数N_l与该长度l（mm）积的和的平均值，此值又称豪特（Hautear）长度，国际上用 H表示。分布如图2-5 所示，且计算公式为：

式中：N——纤维的总根数，根；

n（l）——各长度组的根数，纤维根数密度分布函数；

l_max——最长纤维长度，mm。

在测定中，纤维的逐根测量操作很困难，一般采用分组测量的方法。

（2）计重加权平均长度：纤维计重加权平均长度般由分组称重法测得，此值又称巴布（Barbe）长度，国际上常用B表示，在计算时，用重量的密度分布函数置换式（2-20）中的根数密度分布函数即可，即公式为：

式中：W（l）——各长度组的重量；

W——总重量。

由于短纤维同样根数的重量小于长纤维同样根数的重量，所以计重平均长度恒大于计数平均长度。而且短纤维的比例，计数分布恒大于计重分布。

2.主体长度（L_m）常用纺织纤维长度指标之一，是指一束纤维试样中根数最多或重量最大的一组纤维的长度，称计数或计重主体长度。

3.品质长度（L_p）是用来确定纺纱工艺参数的纺织纤维长度指标，又称右半部平均长度或上半部平均长度，不同测试方法得出的品质长度不同，目前主要指可见光扫描式长度分析仪测得的比平均长度长的那一部分纤维的计数加权平均长度。计重（罗拉式仪器法）主体长度以上平均长度亦称右半部平均长度。

4.跨距长度（span length）它是使用HVI系列数字式照影仪测得的纤维长度指标。该指标的测定是利用伸出梳子的纤维的透光量与纤维层遮光量即纤维相对根数成函数关系的特性来快速测定纤维长度及长度整齐度。跨距长度是指采用梳子随机夹持取样（纤维须丛），纤维由夹持点伸出的长度。所形成的分布是纤维长度计数的二次积分函数，可在照影仪上自动快速测出，并且已成为重要的长度指标。棉纤维常采用的2.5%跨距长度，是指二次积分频率曲线中由最长纤维向短纤维方向累积频率，2.5%处的分界长度以及50%跨距长度，照影仪曲线跨距长度如图2-6所示。

5.手扯长度（staple length）在手感目测的检验方法中，用手扯尺量法测得的棉纤维长度称为手扯长度。测定时用手扯的方法整理纤维，并除去丝团、杂质使成为伸直平行、一端平齐的纤维束，在黑绒板上量取平齐端到另一端不露黑绒板处长度即为手扯长度，其度量单位为毫米（mm），以组距1mm的单数值表示，如28mm、29mm等。各国的手扯长度值是不同的，这是根据各使用的仪器长度来定义的。

6.交叉长度（crossover length）计数的纤维长度一次累积曲线由长向短方向累积频率0.5%处或拐折点处的长度L_c称为交叉长度，如图2-4所示。

（三）纤维长度的离散性指标

1.纤维长度的均方差和变异系数 包括计数分布的均方差和变异系数及计重分布的均方差和变异系数。

2.短绒率 计数和计重纤维长度分布曲线中短于一定界限长度（图2-5中L_s）的纤维量与总量的百分数称短绒率，分别称计数短绒率和计重短绒率。界限长度按纤维品种不同而有不同规定，如细绒棉为16mm，长绒棉为20mm，绵羊毛为30mm等。

3.超长纤维与倍长纤维 切断化学短纤维中因设备故障夹入的切断不完全的纤维，长度超过切断长度的纤维称为超长纤维；长度为其名义长度两倍及以上的化学短纤维称为倍长纤维。超长纤维和倍长纤维重量占总重量的百分数分别称为超长纤维率和倍长纤维率。这些纤维在纺纱牵伸中无法正常运动，会造成疵点，影响纤维的可纺性和成品质量。

4.纤维长度整齐度 一般指计数平均长度与计数平均以上平均长度（上半部平均长度）的比值。

二、纺织纤维长度测量方法

近一个半世纪以来，纺织纤维长度测量方法和仪器已发展了40多类100余种，但常规使用的基本上有以下几类。

1.长丝纤维 用测长方法，包括测化纤长丝的长度和蚕茧的可解舒丝长等。但对于成筒的长丝，一般按筒重和丝的线密度计算长度。

2.天然短纤维和化学纤维的切断纤维或牵切拉断纤维

（1）逐根测量法：有人工或螺杆仪器协助逐根伸直测量、铺纤器铺于逆向黑色鼠皮绒布上人工测量、分散平面上投影放大测曲线轨迹长度、气流输送中测遮光时间等。积累一定数据量后按数理统计方法计算计数平均长度、计数长度标准差、变异系数、短绒率、倍长纤维率以及其他指标（主体长度、长度整齐度、交叉长度等）。

（2）成束一端排齐测量法：将纤维样品用人工或仪器运用梳片梳理等方法排成伸直、平行、一端平齐的纤维束后利用压缩测截面面积，或利用电容介电系数法测截面面积，或利用遮光法测截面面积方法，测出计数一次累积（积分）曲线，经电子计算机微分后，求出各种集中性指标和离散性指标。

（3）平行排列测量法：用已整理成伸直、平行、一端平齐的纤维束，从不整齐的一端逐步抽拔出纤维在黑绒板上依次排列成纤维长度排列图（图2-4），利用作图法计算各种长度集中性指标和离散性指标。

（4）分组称重测量法：用已整理成伸直、平行、一端整齐的纤维束，从不整齐的一端，按长度逐步抽取出不同长度的组（利用梳片式仪器、罗拉式仪器或滚车式仪器等），再分别用称重法或反光强度法测量各组的重量，得到计重频率分布曲线，然后按数理统计方法计算各种集中性指标和离散性指标。

（5）计数二次累积曲线测量法：从纤维样块中或均匀纤维条中用梳夹拔取纤维束，使纤维伸直平行后，采用遮光法或切断称重法获得计数的二次累积曲线。按数理统计方法计算集中性指标和离散性指标。

三、纺织纤维长度与工艺的关系

从纺织加工工艺的角度观察，通常纤维长度越长则其加工性能越好，并且纤维长度与纱线品质的关系也十分密切。

在其他条件相同的情况下，纤维越长，且长度整齐度越好，则成纱强力就越高。这是因为在纱线拉伸至断裂的过程中，纱中纤维与纤维之间的抱合力随纤维长度的增大而提高，则纤维与纤维之间的滑脱率则相对减少，这时使纱线拉断的因素是以纤维拉断为主，滑脱次之，这样可使成纱的强度增大，同时在纺纱时断头率相应减小。

在保证成纱具有一定强度的前提下，纤维长度长、整齐度好，则可纺性越高，细纱条干较均匀，成纱表面光洁，毛羽较少；纤维长度短，尤其是长度整齐度很差时，短纤维在牵伸区域不受控制，容易成为浮游纤维，易形成粗细节、大肚纱等疵点，致使纱线条干恶化，成纱品质下降。

纤维长度除了与纺纱质量有关外，同时也是调节或设计各纺纱系统工艺参数的依据之一，在确定各纺纱设备的结构尺寸、各道加工工序的工艺参数（如隔距、捻系数）时，都必须保证其与所用原料的长度相互配合。如在各纺纱工序的机台上，其罗拉隔距随加工纤维的长度的增长而增大；如对成纱强度的要求一样，用长纤维纺纱时，可取较低的捻系数，这样可以提高细纱机产量，同时还可使成纱捻度小、毛羽量少，纱线表面光洁。原料的短绒率是影响成纱条干和制成率的重要因素，原料中的短绒含量越高，则纱线毛羽就越多，产品起球概率也越高；短绒率大的纤维纺成纱的条干也较差，故为了提高细纱强度，改善细纱条干，还必须通过精梳工序去除大量短纤维，提高原料的长度整齐度。