任振国，崔玉梅，魏龙霞，梁琼雯，陈丽瑶
（新疆大学，新疆 乌鲁木齐 ８３００４６）
【摘要】 应用“热风－微波”组合方式干燥籽棉，探讨热风温度、微波功率和处理转换点籽棉回潮率等因素对干燥速率、能耗和纤维品质的影响。结果表明，“热风－微波”联合干燥方式的干燥速率大大高于热风干燥，能耗明显低于热风干燥，纤维强力损失低于微波干燥；当处理回潮率为２０％的高含水籽棉时，组合方式的最佳工艺为：第一阶段用１００℃热风温度干燥籽棉至１６％的回潮率，第二阶段用２１０Ｗ微波功率干燥籽棉至最适合于轧花加工的含水值。
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关键词 籽棉；“热风－微波”组合干燥；干燥速率；能耗；纤维品质
Doi：10.3969/j.issn.2095-0101.2015.03.008
中图分类号： Ｓ375 文献标识码： A 文章编号： 2095-0101（2015）03-0023-04
收稿日期：２０１５－0２－５
基金项目：２０１４年新疆大学“大学生创新训练计划”项目，编号：ＸＪＵ－ＸＲＴ－１４１５２
作者简介：任振国（１９９１．５－ ），男，河南人，新疆大学纺织与服装学院在读本科生，主要从事纺织加工研究。
通讯作者：崔玉梅，女，副教授。
０ 引 言
目前，国内生产的轧花机其籽棉回潮适应范围在６．５％～８．５％之间，在此范围，纤维既有一定的强度， 又能保持弹性， 可以确保轧花过程的顺利。但是，多数付轧的籽棉往往在收购时回潮率都大于８．５％。例如，新疆北疆地区机采棉采摘时水分很高，达到１６％以上，其中大量的铃壳、棉叶等杂质必须经过二次烘干才能清除掉；而长江两岸地区，每年加工季节也有两个月的环境相对湿度达 ９０％～１００％，籽棉需要经过烘燥后轧花，得到的皮棉也回潮严重，回潮率往往超过９.0％。因此，含水高的籽棉和皮棉都必须将其烘干或晾晒到合适的回潮率才可付轧或纺纱。目前，新疆的机采棉种植已逐渐发展形成规模，合理科学地使用籽棉干燥系统， 就显得尤为突出和重要。
籽棉干燥最经济的办法是晴天晾晒的自然干燥法，但无法满足新疆机采棉规模化、集约化生产的要求。热风干燥是目前棉花加工过程中采用的主要方法，它以空气为介质，利用流动的热空气将籽棉的水分蒸发、吸收和带走，从而达到烘干的目的。但热风干燥是一种外部加热的干燥方式，湿物料是由表及里的干燥，干燥过程不能均衡、连续地进行，会出现物料外干内湿等干燥不均匀现象。热风干燥的效率与热风温度有关，空气的温度越高，则烘干效率越高；但温度过高会损伤纤维品质，热风温度达到１３０℃以上，将会损伤籽棉纤维的蜡质层，为此对含水率过高的籽棉要采用多道烘干处理，从而增加了加工时间和生产成本。
微波干燥与传统干燥不同，它是通过被加热体内部偶极分子高频往复运动产生的内摩擦热使被加热物料温度升高，物料内外同时加热，同时升温，故加热速度快且均匀，并且具有杀菌作用。微波干燥成本比热风干燥高，单纯微波干燥是不经济的。热风干燥是从表面向内部干燥，物料的温度梯度与水分转移的方向相反，而微波干燥是从内部加热，温度梯度与水分转移的方向相同；二者结合，可以达到既缩短时间，又降低成本的目的。本研究采用“热风－微波”组合干燥方式对籽棉去湿，探索具有纤维低损伤、低能耗和高效率的籽棉干燥工艺，为寻求一种新型籽棉干燥模式做有益探索。
１ 实验部分
１．１ 材料
籽棉试样采自新疆五家渠地区的细绒棉。
１．２ 仪器
１０１型电热鼓风干燥箱、ＥＭ７２０ＫＧ１－ＰＷ型美的微波炉、Ｙ（Ｂ）８０２Ｎ型八蓝恒温烘箱、ＹＧ０１１型束纤维强力仪、ＰＬ－２０３型电子分析天平（感量０．０１ｇ）、分样筛等。
１．３ 方法
１．３．１ 试样制备
每个实验方案取３个重量为５０ｇ±０．０１ｇ的籽棉试样，测试其初始回潮率，测试方法参照国家标准《原棉回潮率试验方法烘箱法（ＧＢ/Ｔ ６１０２．１－２００６）》。将籽棉调湿到实验方案所设定的烘前回潮率，并放到密封袋中保存。
籽棉试样均匀加湿比较困难，本研究借助分样筛加湿，具体方法为：将热水均匀喷洒到试样上，然后将试样均匀平铺在分样筛的三层筛网上，在筛底倒入开水用热蒸汽对籽棉加湿，直到试样均匀吸湿（一般要经过８～１０ｈ）。取出加湿后的籽棉称重，对含湿量过多的试样要晾晒去湿，直到试样达到所设定的回潮率。
１．３．２ 热风干燥实验
将调湿后的籽棉试样，均匀平铺于干燥网上，置于热风干燥箱内，在设定的温度（分别为３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃、９０℃和１００℃）下进行烘燥处理。在干燥过程中每隔一定的时间快速取样称重，直到试样达到所设定的重量（回潮率）。
１．３．３ 微波干燥实验
分别用７０Ｗ、２１０Ｗ、３５０Ｗ、５６０Ｗ和７００Ｗ的微波功率处理调湿后的籽棉试样，每隔一定的时间快速取样称重（时间间隔由籽棉干燥速率的大小而定），直到试样达到所设定的重量（回潮率）。
１．３．４ “热风－微波”组合干燥实验
选取微波功率、热风温度和转换点籽棉回潮率3个因素，以干燥速率，能耗为试验指标，进行3因素3水平的正交试验，实验设计选用Ｌ９（３４）正交表，通过极差分析法确定最优的工艺方案。
１．３．５ 棉纤维强伸性能测定
依据国家标准《ＧＢ/Ｔ ６１０１－８５ 棉纤维断裂强力试验方法——束纤维法》测试干燥处理前后的棉纤维强力，每个试样测试５个纤维束，计算平均纤维断裂强力（ｃＮ）和断裂伸长率（％）。
１．３．６ 籽棉干燥处理前后的回潮率设定
国内轧花初加工最适宜的籽棉回潮率为６．５％～８．５％，由此将单一干燥方式下处理后的籽棉回潮率设置为１０.0％；组合干燥法设置为８．５％；干燥处理前的回潮率设置为１５.0％～２０.0％。
２ 结果与分析
２．１ 热风干燥
在不同热风温度下处理三种高含水籽棉至回潮率为１０％，所耗用的时间见图１。显然，热风温度越高，籽棉去湿所耗用的时间越少，干燥效率越高。热风温度低于７０℃时，提高热风温度，干燥效率增加较明显，高于７０℃时，热风温度对干燥效率影响不明显。
高热风温度可以缩短物料的干燥时间，实现高效率干燥，但温度过高会损伤纤维品质。早期的棉花干燥温度建议不超过 ９３．３℃（Ｂｅｎｎｅｔｔ １９３２），美国农业部要求在任何情况下，干燥系统各部位的温度都不能超过１７６．６７℃。本研究测试了高含水籽棉在各种热风温度下的纤维强力，见图２。图中显示，热风温度在１００℃以下时，籽棉纤维强力损失在３.0％以内，热风温度在１００℃以上时，强力损失超过７.0％。所以，热风温度设置在１００℃以下，有利于保持纤维品质。
综合考虑籽棉干燥效率、能耗和保持纤维品质，本研究选择热风温度因子的３个水平值为８０℃、９０℃和１００℃。
２．２ 微波干燥
微波辐射物料时，物料吸收的微波基本上都能转化为水分的汽化潜热用于蒸发，显然，微波功率越大，物料脱水速率越大，达到同样的物料干燥程度所需时间越短。高含水籽棉的微波辐射的实验结果也符合此规律，见图３。图中显示，２１０Ｗ功率的干燥时间比７０Ｗ明显缩短，采用７００Ｗ功率干燥效率最高。测试微波辐射前后籽棉纤维的强伸性能，结果见图４。相对于未辐射籽棉，微波功率在２１０Ｗ至３５０Ｗ之间时，纤维强力损失在４％以内，用５６０Ｗ辐射时纤维强力损失在６.0％左右，而用７００Ｗ高功率时，纤维强力损失达到在１５.0％以上，且处理过程中闻到异味。兼顾干燥效率、能耗和保持纤维品质，确定微波功率3因子水平为２１０Ｗ、３５０Ｗ和５６０Ｗ。
２．３ “热风－微波”组合干燥
采用的籽棉组合干燥工艺流程为：热风处理→微波处理。采用正交实验优选组合干燥工艺，试验按Ｌ９（３４）正交表进行。每个实验处理设置３个重复，以干燥速率，能耗作为实验结果的判定依据。
２．３．１ 试验方案
采用3因子3水平试验方案（见表１）。通过前期的实验探索，综合考虑干燥转换点回潮率与干燥效率和能耗的关系，以高效率和低能耗为目标，将干燥转换点回潮率（％）因子水平初步设定为１２.0％、１４.0％和１６.0％。
２．３．２ 组合干燥处理方案
将９组试样调试到２０％的高回潮率，其组合干燥法处理方案见表２。
２．３．３ 实验数据及分析
微波－热风组合干燥法处理籽棉的实验结果见表３。
由表３可看出，各因素对干燥效率的影响从主到次排序为Ｃ＞Ａ＞Ｂ，对能耗的影响从主到次排序为Ｃ＞Ｂ＞Ａ，即组合干燥的转换点回潮率对干燥效率和耗能影响最大，热风温度对能耗的影响大于微波功率对能耗的影响，微波功率和热风温度对干燥效率的影响比较接近。有利于提高干燥效率和减少能耗的实验方案为Ａ３Ｂ３Ｃ３，即微波功率５６０Ｗ、热风温度１００℃和转换点回潮率１６.0％。
２．４ 籽棉不同干燥方法的比较
表４列出了热风、微波和组合三种干燥方法的干燥特点。在相同热风温度和微波功率的条件下，３种干燥方式其干燥速度具有明显的差别。用微波处理２０.0％回潮率的籽棉，干燥时间最短，约用１．３min籽棉含水既可达到轧花要求；热风干燥时间最长，约８.0min；“热风－微波”组合方式物料的干燥速度也大大快于单一的热风干燥。微波干燥能耗最低，但对纤维的损伤较大。由此可知“热风－微波”组合干燥是一种高效和经济的干燥方式，可在较短的时间内降低高含水籽棉的水分，且对纤维品质没有较明显影响。
３ 结 语
采用正交实验探索“热风－微波”组合方式干燥高含水籽棉的可行性和最佳的干燥工艺，研究结果如下。
３．１ 采用“热风－微波”组合干燥方法干燥籽棉，其干燥速率比单纯的热风干燥提高了３．５倍以上，而能耗只有热风干燥的３０.0％左右，且处理后的纤维强力高于单纯的微波干燥；“热风－微波”组合干燥是一种高效经济的籽棉干燥方式。
３．２ 对于回潮率２０.0％的高含水籽棉，采用“热风干燥（热风温度１００℃，转换点回潮率１６.0％）→微波干燥（５６０Ｗ功率）”的组合干燥方式处理籽棉到适宜轧花加工的湿度，其不仅干燥效率高和能耗低，而且有利于保持纤维品质。
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