马克隆值的介绍以及测量

马克隆是英文Micronaire的音译，马克隆值是反映棉花纤维细度与成熟度的综合指标，是棉纤维重要的内在质量指标之一，与棉纤维的使用价值关系密切。马克隆值分为A、B、C三级，B级为标准级。A级取值范围为3.7—4.2，品质最好；B级取值范围为3.5—3.6和4.3－4.9 ； C级取值范围为3.4及以下和5.0及以上，品质最差。具体测量方法是采用一个气流仪来测定恒定重量的棉花纤维在被压成固定体积后的透气性，并以该刻度数值表示，数值越大，表示棉纤维越粗，成熟度越高。

马克隆值与成纱质量有密切的关系。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，染色性差。所以只有马克隆值适中的棉花，才能兼顾两方面，获得较全面的经济效益。

马克隆值与成纱质量的关系，不能一概而论，与成纱纱支的粗细密切相关低支纱高马克隆值纤维堆成纱质量好，细支纱特别是特细支纱要求比较低得好，纱支粗单位截面纤维根数多，纤维的强力直接影响成纱强力，纱支细单位截面纤维根数少，纤维的根数直接影响成纱强力。

马克隆值级是一个细度指标范围，原来的单位10^-6克/英寸，由于测试的不稳定性，现在的马克隆值作为无量纲值处理。

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。他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，许多学者把气流仪读数称为细度×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，用他们取代细度(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 2403一1972《棉纤维马克隆值的测定》。

现在美国习惯上将Micronaire 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的标准增厚度之比，即：
M=λ/0.577 ………………(4.3.1)
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：
M=H/Hs ………………(4.3.2)
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=л/4(D2-d2) ………………(4.3.4)
S=(л/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：
H=0.9370(n1-n2)+135.2 ……………(4.3.9)
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：
M=(n1-n2)/200+0.70 ……………(4.3.10)
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，全部为正常纤维或成熟纤维时，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，则认为是未成熟的纤维。
成熟纤维百分率由下式计算：
Pm =n/N×100 …………………………………(4.3.11)
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：
Pm=(M-0.2)×(1.565-0.471M)×100 …………………………………(4.3.12)
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，由苛仁纳( Kozeny )公式得：
ΔP=KQS02 …………………………………(4.3.14)
式中：K----比例系数；
ΔΡ---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；
S0----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：
ΔΡ=k1S02 …………………………………(4.3.15)
当压差ΔΡ固定时，流量：
Q=k2/S02 …………………………………(4.3.16)
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，当取固定的流量Q时，通过压差ΔΡ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ΔΡ时，通过流量Q的测量可以测出纤维的比表面积S0。
所谓纤维的比表面积是指纤维的表面积与其体积的比值。设纤维的表面积为SU,扣除中腔后的体积为V，则对单位长度的纤维，有：
S0=Su/V=лD/［(л/4)(D2-d2)］=4D/(D2-d2)
设纤维的密度为r，则单位长度的纤维量：
H=л(D2-d2)r/4
上两式相乘得：
SOH=лDr=aD
对标准增厚度的纤维，纤维量为HS，标准增厚度λ=0.577。由式 (4.3.6)得：

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