Акустический прибор для определения тонины шерстяного волокна

DOI:

Мировое производство шерсти сократилось с 1,3 до 1 миллиона тонн и в настоящее время составляет лишь 1 % мирового производства волокна. На мировом рынке шерсти доминирует тонкая и мягкая шерсть мериноса, производимая в основном в Австралии и Новой Зеландии. Эта шерсть чаще всего используется и перерабатывается в мировой текстильной промышленности для производства высококачественного швейного текстиля. Шерсть, полученная в Европе, менее мягкая и грубая. Годовое производство шерсти в странах ЕС составляет более 200 тысяч тонн. Подсчитано, что основная его часть, около 160 тысяч метрических тонн выбрасывается и вообще не перерабатывается (Løvbak Berg, L., I. Grimstad Klepp, A. Schytte Sigaard, J. Broda, M. Rom and K. Kobiela-Mendrek, 2022). С шерстью часто обращаются как с отходами, создающими проблемы, и она приносит фермерам расходы, а не потенциальный доход. Вместо того, чтобы использовать шерсть, ее без необходимости хранят, закапывают или сжигают (Kicińska-Jakubowska, A. et al., 2023). Для полной реализации ценного сырья, возникает необходимость в разработке системы сертификации шерстяного волокна на основе своевременной классификации сырья по качественным признакам на основе усовершенствования методов и средств измерений для точной, надёжной, достоверной оценки свойств.

Качество шерсти варьируется в зависимости от двух основных факторов: тонины и среднеквадратического отклонения по тонине. Одним из основных технологических показателей овечьей шерсти является её тонина (в отечественной терминологии) или средний диаметр (в международной практике). Другими качественными факторами являются прочность, длина, загрязняющие вещества, однородность и цвет. Высококачественная шерсть обычно используется для производства одежды. Низкокачественная шерсть используется при производстве обивки, одеяла и ковров (Тимошенко Н.К., Разгонов Н.Т., Баженова И.А. и Пелиховская Т.Н., 2013; Валиева З.Ф., Хамраева С.А. и Лайшева Э.Т., 2018).

Тонина определяет различное производственное назначение шерсти и лежит в основе различий по прядильной способности. Именно технологическая ценность шерсти, в значительной степени определяемая тониной, положена в основу большинства классификаций и стандартов, разработанных в разных странах мира. Классификация, являясь основой для разработки национальных стандартов, определяет и правила подготовки шерсти для продажи и переработки (Белик Н.И., 2018).

Обозначение тонины волокон шерсти производится в качествах и пришло в отечественную терминологию от разработанной в XIX веке в Англии брэдфордской классификации шерсти. Сущность этой классификации основывается на технической возможности выработки из одного английского фунта (453,6 g) топса (гребенной ленты) разного количества мотков пряжи. В действительности брэдфордская система выражения прядильных свойств шерсти лежала в основе большинства существующих в мире систем классификаций ее тонины. Однако, в отличие от них, по брэдфордской системе прядильные качества определяли прямым путем – по количеству мотков пряжи (определенной длины), которые можно получить из единицы массы мытого и чесаного волокна (топса) по определенной системе прядения. Определить показатель можно было либо непосредственной переработкой шерсти в пряжу, либо экспертно, причем при особом и большом опыте оценки шерсти. В конечном итоге именно технологическая ценность шерсти, в значительной степени определяемая тониной, положена в основу большинства классификаций и стандартов, разработанных в разных странах мира (Разумеев К.Э., Пашин Е.Л. и Плеханов А.Ф., 2013). То есть брэдфордскую систему классификации следует принимать только как систему деления шерсти по тонине при ее визуальной оценке в условно принятых понятиях «качества». Разрабатывались и другие системы классификации – по составу морфологических типов волокон и по породе овец, по качеству, происхождению, особенностям качества, производственному назначению. Н.К. Тимошенко, Е.Н. Рябинина, Н.Т. Разгонов (Тимошенко Н.К., Рябинина Е.Н. и Разгонов Н.Т., 2000) приводят классификации шерсти различных стран, которые возникли позднее брэдфордской и имели, почти исключительно, национальное значение. Все эти классификации имеют несколько общих определяющих признаков, сближающих их с брэдфордской: – основываются на тонине; – не имеют цифровые нормативы тонины в микрометрах; – определяются субъективной оценкой и требуют практического опыта; предполагают связь экспертной и объективной оценки тонины путем определения средней величины диаметров в микрометрах (Valieva Z.F., Akhmedov A.A., Ochilov T.A., Ubaydullayeva D.X. and Korabayev Sh.A., 2021). Тонина шерсти зависит от породы, условий кормления и содержания, пола животных, их возраста и индивидуальных особенностей. У молодняка шерсть тоньше, чем у взрослых овец. С возрастом шерсть грубеет, а после 5–6-летнего возраста в связи с ослаблением жизненных функций организма шерсть утоняется. У маток шерсть тоньше, чем у баранов1 (Caldwell J.P., Mastronarde D.N., Woods, J.L. and Bryson W.G., 2005). Тонина лежит в основе деления рунной основной и пожелтевшей однородной шерсти на сорта при ее класси-ровке и промышленной сортировке. Тонина определяет различное производственное назначение шерсти и лежит в основе различий по прядильной способности.

В зоотехнике тонину шерсти определяют органолептическим, экспертным методом, сравнивая с различными видами эталонов. Сущность метода заключается в установлении тонины волокон, составляющих штапель, путем их просмотра. При просмотре штапель зажимают в продольном направлении между указательным и большим пальцами правой и левой рук и раздвигают так, чтобы между пальцами образовалась сетка волокон. Тонину устанавливают также сравнением с планшетом тонины или стандартными образцами. Планшет тонины шерсти представляет собой серию эталонных (стандартных) образцов тонины шерсти 70, 64, 60 и 58 качеств, заключенных в прозрачную коробку из плек-сигласа2 .

В производственных условиях тонину шерсти определяют органолептическим методом, для чего из разных участков руна отбирают 3–5 штапелей. Каждый поочередно берут большим и указательным пальцами обеих рук за концы, расправляют до образования сетки и просматривают для определения тонины волокон, равномерности по тонине. При определении класса тонины однородной шерсти иногда (при разногласиях и др.) пользуются эталонными образцами шерсти. Для более точного определения тонины шерсти пользуются лабораторным методом, при котором диаметр поперечного сечения шерстного волокна определяют под микроскопом или ланаметром и выражают в микрометрах2.

Согласно ГОСТ 30702-2000 торговая сельскохозяйственно-промышленная классификация мытой и немытой шерсти всех наименований осуществляется в зависимости от групп тонины, где однородную шерсть делят на: тонкую, полутонкую, полугрубую, грубую; неоднородную полугрубую и грубую шерсть в зависимости от наименования (породы овец) и средней тонины волокон делят на группы: первую, вторую, третью, четвертую (Hamraeva S.A., Laysheva E.T. and Valiyeva Z.F., 2019).

Шерсть однородную, неоднородную всех групп тонины и наименований рунную основную и пожелтевшую делят по тонине, длине, прочности, засоренности, цвету (Рыклин Д.Б., 2017).

По мнению Разгонова Н.Т. проблема заключается в том, что сертификация такого неоднородного сырья, каким является шерсть, может осуществляться только при надлежащем метрологическом обеспечении как средств измерения (СИ), так и методик выполнения измерений (МВИ). Метрологическое обеспечение измерений и сертификация шерстяного сырья заключаются в строгом соблюдении требований, предъявляемых к качеству измерений (Разгонов Н.Т., 2004).

Ряд устройств, таких как микрометр и микрометрический суппорт, доступны для измерения толщины, в долях метра, различных тонких материалов. В подходящих материалах, возможны измерения порядка 0,01 мм (Cottle D.J. and Baxter B.P., 2015).

Характерная особенность кроссбредной шерсти – ее однородность, штапельно-косичное строение руна, белый с блеском цвет, мягкость, упругость, эластичность, средняя и крупная извитость, длина 11–15 см, тонина 58–50 качества и ниже. В работе (Cottle D.J. and Baxter B.P., 2015) отмечено, что основная масса рун (51,1– 55,5) обеих групп имели шерсть тониной 56 качества.

Анализ показывает, что, хотя основные характеристики волокна/руна, которые в настоящее время влияют на ценообразование и торговлю мериносовой шерстью, можно легко и точно измерить, еще предстоит проделать значительную работу по увязыванию измерений шерсти с прогнозированием характеристик как при обработке, так и при ее обработке. в конечном продукте. Коммерческое значение физических свойств сырой шерсти суммировано в таблице 1. Средний диаметр волокна на сегодняшний день является наиболее важным физическим свойством, влияющим на производительность обработки, свойства ткани, потребительскую оценку и цену за килограмм. Некоторые физические свойства имеют большое значение на ранних и/или поздних стадиях об- работки, тогда как другие имеют меньшее значение в зависимости от определенного конечного использования, для которого предназначено волокно. Эти физические свойства напрямую влияют на скорость обработки, выход продукции, количество отходов, качество пряжи, эффективность крашения, визуальные характеристики, характеристики ручек, свойства ткани, стоимость продукта и привлекательность для покупателя. Коттл и Бакстер (Cottle D.J., and Baxter B.P., 2015) рассмотрели требования к испытаниям важных физических свойств шерсти.

Учитывая выше сказанное, целью данного исследования является обеспечение точного и надёжного определения качественных показателей шерстяных волокон на основание усовершенствования метода измерения его среднего диаметра (тонины), для обеспечения правильной и своевременной классификации сырья.

Методы и средства исследований

В настоящее время актуальное значение приобрела проблема создания приборов для оценки качественных характеристик шерстяных волокон, основанными на

Таблица 1 – Важность свойств шерсти для обработки шерсти

Table 1 – Importance of wool properties for wool processing

Характеристики	Значение обработки	Важность очистки и обработки поверхности	Значение для производства пряжи и тканей
Средний диаметр волокна	Влияет на линейную плотность, равномерность пряжи, поверхностную плотность ткани, колючесть и мягкость ткани	****	****
Длина	Основной вклад в высокое качество пряжи	***	***
Производительность стирки	Измеряет количество чистого волокна	****	***
Количественное содержание пороков и сорных примесей	Влияет на производительность чесания, а также повышает изысканность и качество ткани	***	**
Разрывная нагрузка	Влияет на механические характеристики пряжи и готовой продукции	***	****
Извитость волокна	Влияет на прочность, равномерность по линейной плотности пряжи, свойства ткани	**	**

Примечание: ****самое важное; ***главный; **вторичный.

неразрушающих методах контроля и диагностики качества. Важным показателем при сортировке шерсти является показатель среднего диаметра волокна (тонина), который является основным критерием оценки его прядильной способности и используется при установлении цены.

Акустический прибор ПАМ-1 для измерения показателя микронейр хлопкового волокна может быть использован для измерения диаметра шерстяных волокон (Ахмедов А., Валиева З.Ф. и Махкамова Ш.Ф., 2020; Valieva, Z.F. et al., 2020). Унифицированный акустический прибор ПАМ-1 для определения качественных показателей хлопкового волокна (рисунок 1).

стую пробу происходит потеря энергии за счет трения о поверхность волокна, что приводит к изменению амплитуды звуковых колебаний и сдвигу фаз звуковых волн.

Как известно, давление амплитуды плоской звуковой волны вдоль оси ОХ, совпадающей с направлением распространения волны изменяется по формуле:

P = P o e j (1)

где P₀ – давление звуковых колебаний перед пробой волокна; l – толщина слоя волокнистой пробы; j – постоянная распространения, определяется формулой:

J = a + fii,              (2)

1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – рабочая камера;

4 – плунжер; 5 – микрофон; 6 – измерительный блок

Рисунок 1 – Акустический прибор ПАМ-1

Figure 1 – Acoustic device PAM-1

где α – коэффициент затухания звуковых колебаний; β – волновое число; i – комплексное число.

В данной работе рассматривается принцип измерения по затуханию звуковых волн.

Поэтому изучается связь выходного сигнала от параметра волокна.

Как показано в работе (Valieva, Z.F. et al., 2020), в области низких частот звуковых колебаний наблюдается зависимость затухания акустических колебаний от параметров волокна.

a =

1 - £

£

kS 0 f ,

Звуковые колебания, возбуждаемые с помощью генератора 1 и излучателя 2, направляются в рабочую камеру прибора 3, в которую помещается проба для испытаний. Прошедшие через пробу волокна звуковые волны преобразуются в электрический сигнал с помощью микрофона, установленного внутри плунжера 4. Величина сигнала пропорциональна амплитуде давления звуковых колебаний. Величина выходного сигнала измеряется блоком измерения и индикации (Valieva, Z.F. et al., 2020).

Для проверки возможности измерения диаметра шерстяного волокна проанализируем процесс прохождения звуковых колебаний через пробу шерсти, заключенной в измерительную камеру прибора. При прохождении плоских звуковых волн через волокни-

где ε – пористость пробы волокна, равная отношению объема пор в пробе к общему объему пробы; f – частота звуковых колебаний, Гц; S₀ – удельная поверхность волокна, равная отношению площади боковой поверхности волокон в пробе к их объему, 1/м; k – постоянный коэффициент.

В настоящей работе изучается зависимость тонины шерстяного волокна от затухания звуковых колебаний.

На основание алгоритмов для расчета диаметра шерсти по величине затухания звуковых колебаний на приборе ПАМ-1, приведённых в формулах 4–5, был разработан программный продукт.

39 , 297

d =----------

8 , 3357 - £ nU

I

где d – диаметр шерсти, мкм; U – выходной сигнал прибора ПАМ-1, мВ; 39,297; 8,3357 – градуировочные коэффициенты прибора ПАМ-1 для диапазона диаметра шерсти 35–45 мкм.

Алгоритмы для расчета диаметра шерсти по величине затухания звуковых колебаний на приборе ПАМ-1

определяются по формуле:

27 , 525 d =

7 , 9778 - £ nU

,

где, d – диаметр шерсти, мкм; U – выходной сигнал прибора ПАМ-1, мВ; 27,525; 7,9778 – градуировочные коэффициенты прибора ПАМ-1 для диапазона диаметра шерсти 24–35 мкм.

Результаты исследований

При исследовании зависимости тонины шерстяного волокна от затухания звуковых колебаний была выведена функциональная связь коэффициента затухания звуковых колебаний α с диаметром шерстяного волокна.

Обозначив приведённую зависимость в формуле (3) через Â ,

4 k (1 - ε ) B =

ε

получим

B

α =

d

.

Заменив в формуле (1) давление звуковых колебаний на пропорциональный ему выходной сигнал прибора, получаем следующее выражение:

U = U 0 e ^{- α l} .                (8)

Подставив в формулу (8) выражение (7) для коэффициента затухания и прологарифмируя полученное выражение, получаем:

B-t

£ nU = £ nU -  -

Учитывая допущения, принятые при выводе формулы (7), можно предположить, что между логарифмом выходного сигнала прибора и диаметром шерстяного волокна существует линейная регрессия

- nU = A - A- ,          (io)

0d где A0 = lnU0, A1 = Bl.

Заметим, что из выражения (9), сделав преобразования, можно получить зависимость для диаметра шерстяных волокон:

----= - nU 0 - - nU , d = B — -1 .   (11) d               - n^U

U

Полученная зависимость (11) для диаметра шерстяных волокон позволяет рассчитать его с учетом интенсивности выходного сигнала акустического прибора ПАМ-1, применяемого в качестве эффективного инструментария для экспрессного метода определения сорта хлопка-сырца и хлопкового волокна волн (Valieva Z.F., Laysheva E.T., Akhmedov A.A. and Makhkamova Sh.F., 2020).

Расчет по формуле (11) производится с учетом пористости пробы и длины волокна, частоты звуковых колебаний. Таким образом, реализуется расчетно-экспериментальный метод определения диаметра шерстяных волокон, являющегося важным параметром при подготовке исходных данных для шерстопрядения (Valieva Z.F., Laysheva E.T., Akhmedov A.A. and Makhkamova Sh.F., 2020).

Были расчитаны значения средних квадратичных отклонений при сравнение значений диаметров, полученных экспериментальным и теоретическим путём, приведённых в таблице 2 и которые составляют для диапазона диаметра шерсти от 24–31,8 мкм – 0,267 мкм; для диапазона диаметра шерсти от 36,3– 45 мкм – 0,249 мкм.

Анализ результатов

На основании круговых лабораторных испытаний, проводимых Международной ассоциацией лабораторий по шерстяному текстилю (Interwoollabs), общепринята достоверность измерения среднего диаметра для каждого названного метода (Valieva Z.F., Akhmedov A.A., Ochilov T.A., Ubaydullayeva D.X. and Korabayev Sh.A., 2021; Ахмедов А., Валиева З.Ф. и Махка-мова Ш.Ф., 2020) в сравнение с акустическим способом, которая представлена в таблице 3.

Были расчитаны значения средних квадратичных отклонений при сравнение значений диаметров, полученных экспериментальным и теоретическим путём, приведённых в таблице 4 и которые составляют для диапазона диаметра шерсти от 24–31,8 мкм – 0,267 мкм; для диапазона диаметра шерсти от 36,3–45 мкм – 0,249 мкм.

Выводы

Таким образом, впервые с помощью прибора ПАМ-1 определён средний диаметр (код тонины) шерстяного волокна, который является основным показателем, определяющим в стандартах его качественные градации. По приведённым результатам исследования можно утверждать, что погрешности измерений при определении тонины шерстяных волокон с использо- ванием акустического прибора находятся в установленных пределах и свидетельствуют о целесообразности применения прибора ПАМ-1 для определения геометрических характеристик шерстяного волокна.

J 15

Таблица 2 – Стандартные и расчётные значения диаметра шерсти

Table 2 – Standard and estimated wool diameter values

Разновидность шерстяного волокна/ выходной сигнал, мВ	Диаметр шерстяных волокон, определённых по стандартному методу, мкм	Расчётный диаметр шерстяных волокон, мкм	Разность по значениям диаметров шерсти	Квадрат разности
Верблюжья 1 отбор 934,5	24,0	24,19	0,19	0,0361
Верблюжья 2 отбор 963,5	25,0	24,86	- 0,14	0,0196
Верблюжья 4 отбор 1000,0	25,7	25,72	0,02	0, 0004
Козья тонкая 1150,5	29,6	29,60	0	0
Овечья черная 2 отбор 1138,0	29,7	29,26	- 0,44	0,1936
Козья шерсть 3 отбор 1155,0	30,0	29,73	- 0,27	0,0073
Овечья черная 1 отбор 1233,5	31,7	31,99	0,28	0,0841
Овечья светлая 2 отбор 1240,0	31,8	32,19	0,39	0,1521
Овечья светлая 1 отбор 1375,5	35,3	35,43	0,13	0,0169
Овечья светлая 3 отбор 1413,0	36,3	36,31	0,01	0,0001
Козья шерсть 4 отбор 1513,4	38,9	38,77	- 0,13	0,0169
Верблюжья 3 отбор 1620,0	42,0	41,56	- 0,44	0,1936
Козья грубая 1699,8	43,7	43,79	0,09	0,0081
Козья 5 отбор 1754,0	45,0	45,37	0,37	0,1369

BULLETIN of Vitebsk State Technological University, 2024, № 3 (49)

Таблица 3 – Погрешность измерения тонины (среднего диаметра) шерсти при различных методах оценки

Table 3 – Error in measuring the fineness (average diameter) of wool using various assessment methods

Наименование метода	Погрешность методов ( Р = 0,95)
	22,0 мкм	37, 0 мкм
Оптические методы
Микроскоп	± 0,90	± 1,15
OFDA	± 0,36	± 0,65
LASERSCAN	± 0,32	± 0,70
Метод воздушного потока
AIR-FLOW (постоянное давление)	± 0,45	± 0,90
Акустический метод
ПАМ-1	± 0,45	± 0,33

Таблица 4 – Стандартные и расчётные значения диаметра шерсти

Table 4 – Standard and estimated wool diameter values

Значения выходного сигнала, мВ	Логарифм выходного сигнала	Значения диаметра шерстяных волокон, определённых по стандартному методу, мкм	Расчётное значение диаметра шерстяных волокон, мкм	Разность по значениям диаметров шерсти	Квадрат разности
934,5	6,84	24,0	24,19	0,19	0,0361
963,5	6,87	25,0	24,86	- 0,14	0,0196
1000,0	6,90	25,7	25,72	0,02	0, 0004
1150,5	7,05	29,6	29,60	0	0
1138,0	7,04	29,7	29,26	- 0,44	0,1936
1155,0	7,06	30,0	29,73	- 0,27	0,0073
1233,5	7,012	31,7	31,99	0,28	0,0841
1240,0	7,12	31,8	32,19	0,39	0,1521
1375,5	7,23	35,3	35,43	0,13	0,0169
1413,0	7,25	36,3	36,31	0,01	0,0001
1513,4	7,32	38,9	38,77	- 0,13	0,0169
1620,0	7,39	42,0	41,56	- 0,44	0,1936
1699,8	7,43	43,7	43,79	0,09	0,0081
1754,0	7,47	45,0	45,37	0,37	0,1369