混料均勻設(shè)計(jì)在毛紗上漿中的應(yīng)用

鄭偉鋒，張 斌，1b，，王 璐，1b，趙國(guó)英，楊自治，胡曉峰

（1.東華大學(xué)a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.海瀾集團(tuán)有限公司，江蘇 江陰 214426）

隨著生活水平的提高，人們對(duì)服用面料的性能與風(fēng)格提出了越來(lái)越高的要求.作為高檔服用面料的毛紡織品也面臨著更新?lián)Q代的挑戰(zhàn)，已從粗獷、保暖型向輕薄、舒適型轉(zhuǎn)變.用單紗取代傳統(tǒng)的股線可使產(chǎn)品輕薄，由于單經(jīng)單緯毛織物中紗線橫截面纖維根數(shù)少、強(qiáng)力低，在織造過(guò)程中不耐摩擦，經(jīng)常斷頭，加上毛紗有大量毛羽，使織造變得困難.毛紗上漿是解決單紗難以織造的有效方法之一[1].由于毛紗的特殊性，給上漿和漿料的選擇提出了特定的要求[2]，所以尋找適合毛紗上漿的漿料和工藝配方成為毛紗上漿的關(guān)鍵之一.

目前漿料市場(chǎng)尚無(wú)針對(duì)毛紗上漿的漿料，只能沿用傳統(tǒng)的棉用漿料，因此當(dāng)前要解決毛紗上漿，適宜的漿料配方顯得相當(dāng)重要.在傳統(tǒng)的3種漿料中，聚乙烯醇（PVA）對(duì)各種纖維均具有良好的黏附性，漿液黏度穩(wěn)定，漿膜具有強(qiáng)度高、彈性好、耐磨等特點(diǎn)，但在漿紗時(shí)存在分絞困難，漿液易結(jié)皮、起泡等缺陷；變性淀粉漿料成膜性好，可以有效貼伏毛羽，但漿膜粗糙硬脆，黏度不穩(wěn)定；聚丙烯酸類漿料對(duì)纖維有優(yōu)異的黏附性能，但其存在吸濕再黏性，用量不宜過(guò)多[3].3種漿料的不同配比，對(duì)漿紗質(zhì)量的影響很大.混料均勻設(shè)計(jì)適用于多因素、多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)場(chǎng)合，試驗(yàn)次數(shù)等于因素的水平數(shù)，可大幅度減少試驗(yàn)次數(shù).本文采用混料均勻設(shè)計(jì)方法，對(duì)以上3種漿料不同的配方比例進(jìn)行上漿，探求毛紗上漿的合理漿料配方.

1 試 驗(yàn)

1.1 主要原料和儀器設(shè)備

紗線：19.2tex 92%羊毛和8%滌綸混紡紗.漿料：PVA-1799，氧化淀粉，聚丙烯酰胺漿料（含固率為25.6%）.

主要儀器設(shè)備：電子天平，GA392型全電子式單紗上漿機(jī)，自制調(diào)漿機(jī)，水銀溫度計(jì).

1.2 上漿

調(diào)制含固率為5%的漿液500mL，采用全電子式單紗上漿機(jī)對(duì)92%羊毛和8%滌綸混紡19.2tex單紗進(jìn)行上漿，漿紗速度為60m／min，上漿溫度為85℃，烘房溫度為80℃.

1.3 漿紗性能測(cè)試

將毛紗在相對(duì)濕度為（65±2）%和溫度為（20±2）℃的恒溫恒濕條件下處理48h后，測(cè)試其性能.在YG 061型電子單紗強(qiáng)力儀上測(cè)試紗線強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率，夾口間距為500mm，拉伸速度為500m／min，樣本容量為30.在Y 731型抱合力儀上測(cè)試紗線耐磨性，紗線靜止張力為50cN，不放壓片，磨片空載往返速率為143次／min，樣本容量為30.在YG 172型毛羽儀上測(cè)試紗線毛羽，片段長(zhǎng)度為10m，測(cè)試速度為30m／min，測(cè)試3mm以上毛羽，取10次測(cè)量的平均值.

2 混料均勻設(shè)計(jì)

2.1 原理

均勻設(shè)計(jì)法[4]是我國(guó)數(shù)學(xué)家方開(kāi)泰等將數(shù)論和多元設(shè)計(jì)相結(jié)合，在正交設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造出的一種新的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法.其顯著的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)量較正交設(shè)計(jì)明顯減少，尤其適合多因素水平的試驗(yàn).均勻設(shè)計(jì)與常用的正交設(shè)計(jì)“均勻分布，整齊可比”的特點(diǎn)不同，只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)的均勻散布，能用較少的試驗(yàn)點(diǎn)獲得最多的信息.

由文獻(xiàn)[5]可知，在配方均勻設(shè)計(jì)中，各因素水平數(shù)都相同，每個(gè)配方的因素（自變量）取值（即配方數(shù)據(jù)）之和等于1.如用X1，X2，…，Xn表示混料（配方）系統(tǒng)中n種成分各自所占的百分比，混料條件可表示為

由于在混料均勻設(shè)計(jì)回歸模型中自變量之和為1，故自變量的個(gè)數(shù)比因素?cái)?shù)少1.在選定自變量和因變量后，對(duì)于某一個(gè)因變量，都可選用自選變量法或逐步回歸分析法，建立配方線性回歸、二次回歸或三次回歸模型.單個(gè)因變量的最優(yōu)解（最大值或最小值）可直接據(jù)自變量范圍求出，多個(gè)因變量可根據(jù)各因變量的重要性，賦予權(quán)重，由各變量的回歸模型，求出綜合最優(yōu)解.

2.2 均勻配方表的確定

根據(jù)配方中的組分?jǐn)?shù)m和試驗(yàn)數(shù)n，選擇合適的等水平均勻設(shè)計(jì)表Un（nl）或U＊n（nl），這里要求均勻設(shè)計(jì)表所能安排的因素?cái)?shù)s≥m，且一般情況下，n≥3s，然后根據(jù)均勻表的使用表[6]，選擇相應(yīng)的m－1列進(jìn)行變換.

用qji表示所選均勻表列中的第i列（i＝1，2，…，n）個(gè)數(shù)，對(duì)這些數(shù)進(jìn)行如下?lián)Q算：Cji＝2qji－1／2n，j＝1，2，…，m－1.

將｛Cji｝轉(zhuǎn)換成｛Xji｝，計(jì)算式為

于是｛Xji｝就給出了對(duì)應(yīng)n，m的混料均勻設(shè)計(jì)，并用代號(hào)UMn（nm）或U（nm）表示.本文選用（153）來(lái)安排試驗(yàn)，具體如表1所示.

表1 （153）均勻試驗(yàn)表Table 1 Table of U1＊5（153）uniform experiment

表1 （153）均勻試驗(yàn)表Table 1 Table of U1＊5（153）uniform experiment

試驗(yàn)序號(hào) C1 C2氧化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)X1／%PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)X2／%聚丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)X3／%1 1／30 13／30 81.7 10.3 8.0 2 3／30 27／30 68.4 3.2 28.4 3 5／30 9／30 59.2 28.6 12.2 4 7／30 23／30 51.7 11.3 37.0 5 9／30 5／30 45.2 45.6 9.2 6 11／30 19／30 39.4 22.2 38.4 7 13／30 1／30 34.2 63.6 2.2 8 15／30 15／30 29.3 35.4 35.3 9 17／30 29／30 24.7 2.5 72.8 10 19／30 11／30 20.4 50.4 29.2

續(xù) 表

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)15組試驗(yàn)的漿紗分別測(cè)試斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、耐磨性、毛羽指標(biāo)，結(jié)果如表2所示.

表2 漿紗性能指標(biāo)Table 2 The properties of sized yarns

3.1 漿紗斷裂強(qiáng)力的分析

混料均勻設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)分析的計(jì)算量大，需要相應(yīng)的軟件和方法進(jìn)行分析.根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，二次多項(xiàng)式回歸模型是最恰當(dāng)?shù)幕貧w函數(shù)模型.

自變量氧化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（X1）、PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)（X2）與 聚 丙 烯 酰 胺 質(zhì) 量 分 數(shù) （X3）中，因 為X1＋X2＋X3＝1，在已知其中兩個(gè)因素的水平時(shí)，另一個(gè)因素的水平也就得到限定.試驗(yàn)選擇X1與X2對(duì)漿紗斷裂強(qiáng)力進(jìn)行二次回歸.本文采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行分析，通過(guò)逐步分析，得出X1·X2對(duì)漿紗斷裂強(qiáng)力的影響是顯著的.所得回歸方程為Y1＝131.079＋52.249X1·X2，復(fù)相關(guān)系數(shù)R＝0.96.方差分析表見(jiàn)表3所示，F(xiàn)＝154.757＞F0.05（1，13），表明二次回歸方程有顯著的意義.氧化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用（X1·X2）與漿紗斷裂強(qiáng)力之間的關(guān)系如圖1所示.

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance table

圖1 氧化淀粉和PVA交互作用與漿紗斷裂強(qiáng)力之間的關(guān)系Fig.1 Correlation of oxidized starch and PVA and its relation with sized yarns'breaking strength

從圖1可以看出，漿紗斷裂強(qiáng)力與氧化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)乘積接近線性關(guān)系，這表明漿紗斷裂強(qiáng)力與氧化淀粉和PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有關(guān)系.

3.2 漿紗耐磨性的分析

對(duì)配方組分與漿紗耐磨性進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析，得出PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)漿紗的耐磨性影響較大.所得PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漿紗耐磨次數(shù)的回歸方程為Y2＝397.347X2－997.198X22＋720.347X32.PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漿紗耐磨次數(shù)的關(guān)系如圖2所示.

從圖2可以看出，漿紗耐磨性隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先上升后下降，最后又上升.可能因?yàn)殡S著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增大，漿膜完整性越來(lái)越好，進(jìn)而漿紗耐磨次數(shù)增加明顯；當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定程度，可能由于PVA與氧化淀粉的混溶性差，PVA的成膜性能降低，漿紗耐磨次數(shù)有下降趨勢(shì)；隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，漿膜越來(lái)越完整、柔軟，所以漿紗耐磨性又呈現(xiàn)上升趨勢(shì).

圖2 PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和漿紗耐磨次數(shù)之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between PVA mass fraction and sized yarns'times of abrasion resistance

3.3 漿紗毛羽的分析

對(duì)配方組分與漿紗毛羽值進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析，得出漿紗毛羽的回歸方程Y3＝139.611－180.787X1－349.221X2＋121.249X21＋231.029X22＋260.873X1·X2，復(fù)相關(guān)系數(shù)R＝0.949.方差分析表如表4所示，F(xiàn)＝16.312＞F0.05（5，9），表明二次回歸方程有顯著的意義.PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漿紗毛羽的關(guān)系如圖3所示.

表4 方差分析表Table 4 Analysis of variance table

由圖3可以看出，PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和漿紗毛羽之間有明顯規(guī)律，隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，漿紗毛羽逐漸減少.這可能是由于PVA相對(duì)分子質(zhì)量大，漿液黏度大，容易形成被覆上漿，對(duì)毛紗表面的毛羽被覆效果較好，且試驗(yàn)采用單紗上漿方式，不存在干分絞工序，再生毛羽增加不多.但在實(shí)際生產(chǎn)中大多采用片紗上漿，在對(duì)漿紗進(jìn)行干分絞時(shí)，由于PVA內(nèi)聚力過(guò)大而產(chǎn)生再生毛羽，導(dǎo)致毛羽增多.因此在求最佳配方時(shí)，為了使再生毛羽盡量少，限制PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%以下.由表1和2可知，氧化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和漿紗毛羽之間的規(guī)律不明顯，所以未對(duì)其做進(jìn)一步研究.

圖3 PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漿紗毛羽的關(guān)系Fig.3 Relationship between PVA mass fraction and sized yarns' hairiness

3.4 最佳配方的選擇

在織造過(guò)程中需優(yōu)先考慮漿紗的耐磨性、毛羽，其次是漿紗斷裂強(qiáng)力.運(yùn)用此原則，確定出耐磨次數(shù)最高時(shí)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)X2＝29.1%，此時(shí)要使毛羽數(shù)最少，得出氧化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)X1＝43.2%.將X1和X2分別代入漿紗斷裂強(qiáng)力、耐磨、毛羽的回歸方程，得到此時(shí)漿紗斷裂強(qiáng)力為137.65cN，耐磨次數(shù)為48.9次，毛羽為24.8根／10m.由此可見(jiàn)，當(dāng)氧化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為43%、PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為29%、聚丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為28%時(shí)試樣漿紗質(zhì)量最好.

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）根據(jù)羊毛纖維的特殊性，本文選擇氧化淀粉、PVA和聚丙烯酰胺漿料按合適比例組成配方漿料，可滿足實(shí)際織造的要求.

（2）采用混料均勻設(shè)計(jì)方法，以漿紗耐磨性和毛羽為指標(biāo)，對(duì)漿液中氧化淀粉、PVA和聚丙烯酰胺漿料進(jìn)行配比優(yōu)化，可大大減少試驗(yàn)量，而且取得良好的優(yōu)選效果.

（3）運(yùn)用二次多項(xiàng)式逐步回歸模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別求出漿紗斷裂強(qiáng)力、耐磨和毛羽的回歸方程.通過(guò)綜合分析得出試樣毛紗上漿最優(yōu)漿料配方為氧化淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為43%、PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為29%，聚丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為28%.

參 考 文 獻(xiàn)

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