羽绒清洁度检测方法研究进展

文/黄宗雄

1 引言

随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，绿色、健康、安全的羽绒制品正受到越来越多消费者的重视。近几年羽绒服正在逐渐成为时尚新热点，羽绒制品也逐渐成为冬季消费市场的主力军。因此，羽绒原料的各项理化性能测试对于保障消费者安全和权益显得至关重要。羽绒清洁度是羽绒检验项目中的一项重要指标，它反映了羽绒中残留的杂质、灰尘以及游离物的含量[1]。清洁度不合格的羽绒及其制成品会引起哮喘和皮肤过敏，严重危害人体健康。在2018年南京市质监局组织的儿童羽绒服抽查和广州市质监局组织的对羽绒服装产品的监督抽查中就发现了多批次的清洁度不合格项[2]。

加大对羽绒制品的监督抽查和检测力度，有利于保障羽绒制品质量和保护消费者的权益。通常来说，羽绒生产加工企业在羽绒制品生产过程中也会对羽绒原料进行内部质量控制和洗涤，通过测定水洗后溶液的清洁度初步判断羽绒原料是否符合生产加工标准以及是否需要改进工艺流程。国内涉及羽绒清洁度检测的标准主要有GB/T 10288—2016 《羽绒羽毛检验方法》[3]，CNS 13982-9—2011《羽毛及羽绒试验法-第9部分：悬浮浊度测试法》，中国羽绒工业协会制定的TB/T CFDIA 001—2016《羽绒分级标准》以及纺织协会制定的FZ/T 80001—2002《水洗羽绒羽毛试验方法》[4]。国际上涉及羽绒清洁度检验的标准有国际羽毛局2019年颁布的《IDFB测试规则》[5]、欧洲标准EN1164：1999《羽绒羽毛试验方法-水状提取物清洁度的确定》[6]以及日本标准JIS L1903—2017《羽绒羽毛检验方法标准》[7]，有关羽绒产品检测的中国标准和国际标准之间的详细对比情况可参考之前的文献[8]。国际国内标准中测试羽绒清洁度普遍采用的都是透明度计目视法，在《IDFB测试规则》中有提到采用浊度计测试的方法。

2 羽绒清洁度检测方法简介

早在上世纪40年代，美国纽约州立实验室就开展了羽绒羽毛清洁度的相关研究和测试[9]。根据《纽约州床上用品法》的规定和规则[10]，用于枕头、床罩、垫子以及床上用品和家具的羽绒羽毛在被出售之前必须经过正确清洗以保证清洁度满足要求。羽绒原料在清洗前后测试的项目主要有游离氨和混合氨、耗氧量、氯化物。在最初的清洁度测试中，清洁度包含的内容比现在清洁度测试（水洗清洁度）要更加丰富。除了以上物质外，羽绒羽毛中的灰尘量也是评估羽绒和羽毛质量的重要指标[11]。羽绒和羽毛中粉尘根据溶解度分为水溶性粉尘和飘浮粉尘，通过在水洗溶液中加入表面活性剂等添加剂物质可将羽绒羽毛中的部分灰尘去除。与此同时，羽绒中的残脂率以及微生物含量也是羽绒卫生和清洁度所要考察的重要指标。早在 1981 年意大利就要求对羽绒制品进行微生物检测，2001 年欧盟率先发布了《羽毛羽绒卫生和清洁度要求》并提出了微生物指标要求[12]。

不同文献中羽绒清洁度的含义有很大的区别，本文接下来要讲的清洁度专指根据国际羽绒协会推荐的通过洗涤羽绒后测试水洗溶液浊度（透明度）的水洗清洁度。羽绒清洁度检验主要有以下4种方法：透明度计目视检测法、浊度测试法、光敏电阻法和分光光度计法。透明度计目视检测法和浊度测试法已经被用于羽绒检测标准中，而光敏电阻测试电压法和分光光度计法目前还未见相关标准的报道。

2.1 透明度计目视检测法

透明度计目视检测法是羽绒清洁度检验中用得最多的方法。该方法测试过程如下：将制备好的羽绒水洗溶液倒入透明度计容器中使得容器中水位慢慢升高，从圆筒顶部向下观察透明度计底部的十字线，直至其消失。再控制透明度计底部出水软管缓慢放出样液，直至看清黑色十字线为止并记录此时液面在圆筒上的刻度，该刻度数值（单位为mm）即为该样品的清洁度。该方法检验时，检验人员需要对透明度计底部十字线进行观察，因此周围光照环境以及人眼的状态会直接导致检测结果的偏差，影响检测的准确性。为了提高测试的准确性和重现性，让透明度计在周围保持稳定的光线环境下测试是很有必要的。图1是光补偿羽绒清洁度测试仪的结构示意图，通过调节光源亮度使得每次测试的外界光源条件都保持一致，从而降低因环境光线变化而导致的检测数据偏差。此外，由于透明度计的高度较高，而托盘较小，使得透明度计稳定性较差，使用过程中很容易发生倾倒甚至摔碎。因此，人们开发了不易倾倒的透明度计[13]。

图1 光补偿羽绒清洁度测试仪示意图[14]

2.2 浊度测试法

浊度，又称浑浊度，是用来表示悬浮颗粒存在时溶液的透明程度。水中悬浮颗粒越多、溶液越模糊，浊度越高。浊度计可分为散射光型浊度计和透射光型浊度计，和透射光相比，散射光具有更高的灵敏度，溶液中微小的浊度变化都能被探测到。散射型浊度仪在使用过程中需用标准物质去校正，当使用福尔马肼校正时，1mg/mL的福尔马肼悬浮溶液所构成的浊度称为一个散射浊度单位，单位为 NTU。当光线的波长和粒子大小接近时，光和粒子之间主要发生散射作用，在某一方向上的散射光的光强如公式（1）[15]所示：

其中，I0为入射光强度；N为颗粒数目；θ为入射光和散射光角度，是颗粒的体积；r为吸收系数；λ是入射光波长。如果固定方向（如θ 等于90˚）和距离，散射光强如公式（2）所示[15]：

其中，A表示微粒的表面积，KM表示散射参数，N表示微粒数量，I0表示入射光强，在表面积和光强一定的情况下，散射光和颗粒数量正相关。以上就是散射型浊度计的测试原理。

浊度测试法是国际羽绒羽毛局在2019版《IDFB测试规则》中推荐用来测定清洁度的。通过自动浊度测试仪来完成浊度的测试，图2A是美国雷曼Lamotte浊度仪实物图。测试过程如下：将制备好的样液（约10 mL）装入特定的测试瓶并放入浊度测试仪中，点击测试按钮仪器自动测试并给出NTU数值。

图2 浊度计实物图（A）和不同浊度范围的线性度（B）[15]

2.3 光敏电阻法

光敏电阻法测量原理如下：光源发出强度相同的光束，在经过装有不同清洁度（透明度）溶液的测量导管后被光敏电阻接收，光敏电阻感受光信号后由于电阻变化使得光敏电阻两端的电压值发生改变，根据电压值和透明度计目视检测法测定得到的清洁度数值建立一一对应关系[16]。后续清洁度测试只需要在之前的测试条件下测定光敏电阻两端的电压值并查询之前建立的电压—清洁度关系表就可快速获得当前的羽绒清洁度。图3是一种基于光敏电阻的羽绒清洁度快速检测方法示意图，通过PLC能够自动判断测量导管中水洗溶液的清洁度是否达到要求并自动调节羽绒清洗机清洗的次数，可实现清洗次数的自动优化。在羽绒制品生产加工企业中有着广泛的应用前景。

图3 光敏电阻法测定清洁度示意图[17]

2.4 分光光度计法

分光光度计法通过测定被测物在特定波长或波长范围内的吸光度对物质进行定性定量分析。该方法具有快速简单、操作方便、灵敏度高等优点，是光谱分析中最常用的方法之一。分光光度计仪器示意图如图4A所示，将该方法引入到羽绒清洁度的测定，其依据的原理如下：不同清洁度的羽绒水洗溶液对光的吸收是不一样的，将不同清洁度的羽绒水洗溶液和吸光度数值建立相关的数学模型并模拟出相应的曲线关系。后续只需在之前的测试条件下测定羽绒水洗溶液的吸光度数值就可直接换算得到清洁度数据[18]。

图4 分光光度计实物图（A）和传统分光光度计法示意图（B）[19]

3 羽绒清洁度检测方法分析对比

目前，在检测机构和羽绒生产企业中运用最多的清洁度测试方法是透明度计目视检测法，其检测结果显示的是高度值，与国际上羽绒清洁度检测结果高度值是接轨的。浊度计法具有快速高效、灵敏度高的优点，其测试结果表示为XX.xx NTU（浊度单位）。光敏电阻法和分光光度计法已经在有些企业被用于羽绒生产过程中清洁度的快速检验和质量控制。现对以上4种方法进行分析对比。

目前，国内羽绒制品清洁度的检测大部分使用透明度计目测测量。该方法是国际上通用的方法，不仅操作简单，而且能直观反映水洗溶液的清洁程度。然而，该方法也有一定的局限性，由于采用人的感官判断，周围光照强度、观察距离以及检测员的视力都会影响结果的重现性。此外，玻璃管的精度较低，尤其是在羽绒水洗清洁度合格线附近位置，肉眼难以精确判断其数值。在企业生产过程中需要快速检测的方法，透明度计目视检测方法速度慢，大大影响了羽绒的生产和加工效率。洗脱过程是羽绒初加工中极其重要的一环，该过程通过清洗机器配合清洗剂来除去羽绒中的油脂、灰尘以及其他杂质，然而该过程包含了多次循环清洗步骤，工作人员往往是根据自身经验来预先设置洗脱次数，因而常常出现清洗次数过多或过少的情况。因此，为了能够在洗脱过程中就能了解羽绒的清洁度，在洗脱过程中通过光敏电阻法对羽绒清洗液的清洁度实时监测并反馈给控制器，从而实现洗脱过程的自动化调节清洗次数的清洗装置应运而生[20]。

基于光敏电阻的羽绒清洁度测试方法可以很方便地将检测仪器集成到清洗装置中，从而实现边清洗边给出清洁度测试报告，基于分光光度计的方法由于其需要在避光非振动的条件下测试，目前还未看到分光光度计用于羽绒清洗过程中实时动态检测清洁度的相关报道。然而，分光光度计法也有其自身的优势：该方法测定的是透射光的光强，把吸收光和散射光的影响都考虑了进去，在比色皿光程比较长的情况下，测定得到的数值具有良好的稳定性和准确性[21-22]。散射光浊度计测定方法在浊度小于200 NTU时，散射光和浊度成良好的线性（如图2B所示），但是在高浊度情况（光在粒子间会发生多次散射）下，散射光强度和浊度关系变成非线性，当浊度进一步变大后，散射光强反而变小，测量不准确。

4 羽绒清洁度检测方法展望

透明度计目视检测法是羽绒清洁度检验最常用的方法。虽然人们设计了光补偿型羽绒清洁度测试仪通过调节光源亮度使得每次测试的外界光源条件都保持一致，降低了因环境光线变化而导致的检测数据偏差。然而，目视检测法受限于检测人员的观察距离、视力、经验乃至测试当天的精神状态，造成测试结果的重现性较差。浊度法、光敏电阻法和分光光度法虽然采用仪器测试避免了人为因素影响，但是其校准建模过程采用的数据依旧是目视检测法测定得到的数据，因此，这几种方法依旧不能保证测试的准确性。

为了进一步提高测试的准确性和重复性，可以开发新的方法如视觉识别技术来取代人眼测试法。在此基础上，浊度法、光敏电阻法以及分光光度法的校准和建模数据都更加可靠。与此同时，可加大对羽绒清洁度在线检测仪器的开发力度。高灵敏度、高重现性、快速准确的羽绒清洁度自动化检测装置不仅有利于供应商和厂家对羽绒的品质进行质量把控，还可以提高检测机构对羽绒的检测水平，从而确保市场上羽绒制品的品质，为提高我国羽绒产品的国际竞争力，树立中国羽绒产品的绿色安全良好品牌奠定基础。

除了仪器和方法的开发外，科技工作者还可以通过行业协会、校企合作、企业联盟等方式制定高水平高要求的标准，提升产品质量。此外，还需加大国内羽绒标准和国际标准的对标研究并积极参与国际标准的制定，促使我国羽绒制品产业朝着绿色、安全、健康的良性可持续发展方向发展。