響應(yīng)面法優(yōu)化納米纖維紙基材料熱壓工藝的研究

修慧娟，李金寶，楊國鑫，強丹丹

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安　710021；2.齊魯工業(yè)大學(xué) 制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，山東 濟南　250353)

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響應(yīng)面法優(yōu)化納米纖維紙基材料熱壓工藝的研究

修慧娟1，2，李金寶1，楊國鑫1，強丹丹1

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710021；2.齊魯工業(yè)大學(xué) 制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，山東 濟南250353)

摘要：采用響應(yīng)面法中的Box-Behnken中心組合設(shè)計(BBD)，研究了微纖化纖維素納米紙基材料生產(chǎn)中熱壓工序的最佳工藝條件，并考察了熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓次數(shù)3個因素對紙基材料抗張強度的影響，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)回歸模型.實驗結(jié)果表明：各因素對紙基材料抗張強度的影響顯著性順序為熱壓溫度>熱壓壓力>熱壓次數(shù)；優(yōu)化后的工藝條件為：熱壓溫度145 ℃，熱壓壓力0.45 MPa，熱壓次數(shù)5次，納米紙基材料的抗張指數(shù)為86.29 N·m/g，與模型的預(yù)測值基本相符.

關(guān)鍵詞：納米纖維紙基材料；微纖化纖維素; 熱壓; 響應(yīng)面法；強度性能

0引言

微纖化纖維素是一種具有納米尺度的新型纖維素纖維，具有強度高、剛度大、重量輕、可生物降解和可再生等特點，在先進復(fù)合材料中的應(yīng)用前景極為廣闊[1-6].但是經(jīng)過濕法成形所獲得的微纖化纖維素納米紙基材料結(jié)構(gòu)疏松，物理強度較低.需經(jīng)過一定的熱壓處理，使紙頁緊度上升，結(jié)構(gòu)致密，并使得部分微細纖維軟化甚至熔化將纖維黏接到一起形成穩(wěn)固的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，從而賦予微纖化纖維素納米紙基材料更優(yōu)良的強度性能[7-9].因此，熱壓是微纖化纖維素紙基材料生產(chǎn)至關(guān)重要的工序.

響應(yīng)面分析法是一種對多因素實驗進行優(yōu)化分析的實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理方法[10-12].可以在整個考察區(qū)域內(nèi)對各因素進行優(yōu)化組合，將復(fù)雜未知的函數(shù)關(guān)系在小區(qū)域內(nèi)用簡單的一次或二次多項式模型來擬合各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系，通過回歸方程和方差分析以尋求最優(yōu)工藝條件，得到最優(yōu)的響應(yīng)值.

本實驗是在前期的研究基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法分析熱壓溫度、熱壓次數(shù)、熱壓壓力等對納米纖維素紙基材料強度性能的影響，確定熱壓的最優(yōu)工藝參數(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為微纖化纖維素納米紙基材料的生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo).

1實驗部分

1.1實驗原料與設(shè)備

MFC，購自日本大賽璐株式會社，產(chǎn)品型號Celish KY-100G；日本KRK公司DCS-041PT型PFI磨漿機；上海新阿波隆數(shù)控設(shè)備公司DP-2003型熱壓機；瑞典L&W公司062/969921抗張強度測試儀.

1.2實驗方法

1.2.1納米纖維紙基材料的制備

實驗制備納米纖維紙基材料的定量為30 g/m2.取適量PFI磨解(20 000 r)處理后的微纖化纖維素，稀釋至質(zhì)量百分比濃度為1%，并經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)漿樣疏解器充分分散，采用圖1所示裝置抽濾成形，所用網(wǎng)布為200目不銹鋼網(wǎng).濕樣在適當(dāng)溫度下烘干，經(jīng)熱壓機在不同條件下熱壓后測定物理性能.

圖1　納米纖維紙基材料成形裝置示意圖

1.2.2響應(yīng)面法優(yōu)化實驗設(shè)計

根據(jù)前期單因素實驗結(jié)果，采用響應(yīng)面設(shè)計中的中心組合BBD設(shè)計(Box-Behnken)進行實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理.選取熱壓溫度、熱壓時間和熱壓壓力3個因子為自變量，分別以X1、X2、X3表示，其中熱壓時間以恒定輥速下的熱壓次數(shù)來表示.納米纖維紙基材料的抗張指數(shù)作為響應(yīng)值Y.實驗因素和水平編碼如表1所示.

表1　響應(yīng)面因素編碼及水平表

1.2.3物理性能檢測

熱壓后紙基材料的抗張指數(shù)采用L&W公司062/969921抗張強度測試儀按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12914-2008進行測定[13].

2結(jié)果與討論

2.1回歸模型方差分析

表2列出了熱壓實驗方案和結(jié)果，采用Design Expert 8.0對實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，建立紙基材料抗張指數(shù)Y對自變量X1、X2、X3的多元二次回歸方程：

Y=-563.23+6.20x1+288.05x2+7.82x3-

表2　響應(yīng)面法優(yōu)化熱壓工藝實驗方案及結(jié)果

由表3方差分析可知，二次模型F回歸=31.02，P<0.000 1，說明此二次多項式回歸模型高度顯著；對二次多項式進行失擬性分析，P失擬=0.088 4>0.05，表明模型失擬不顯著，可以用此模型對納米纖維素紙的熱壓工藝進行優(yōu)化.該二次模型的確定系數(shù)R2值為0.975 5，校正后R2值為0.944 1，說明模型的擬合程度較好，可以用此模型對納米纖維素紙熱壓工藝參數(shù)進行分析和預(yù)測.

由二次多項式回歸方程的顯著性檢驗可以看出：一次項中熱壓溫度、熱壓壓力對響應(yīng)值有極顯著影響(P<0.05)，熱壓次數(shù)對響應(yīng)值影響較為顯著(P<0.1)；二次項中熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓次數(shù)對響應(yīng)值有極顯著影響(P<0.05).綜合考慮三個自變量對響應(yīng)值的影響，得出其對納米纖維素紙抗張指數(shù)的影響順序依次為：熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓次數(shù).剔除二次多項式中影響不顯著的因素，得到優(yōu)化后的二次多項式回歸方程為：

Y=-563.23+6.20X1+288.05X2+7.82X3-

表3　回歸模型方差分析及其系數(shù)顯著性檢驗

注：一般P>0.1被認為結(jié)果差異不顯著;P≤0.05認為結(jié)果差異顯著;P<0.000 1被認為結(jié)果差異極其顯著.

2.2響應(yīng)面分析

將熱壓溫度、熱壓壓力以及熱壓次數(shù)中的某個因素置為零水平，響應(yīng)值抗張指數(shù)對應(yīng)其他兩個因素在三維空間形成的相應(yīng)曲面和等高線可以較直觀的反應(yīng)各因素及其之間的交互作用.實驗各因素之間的相應(yīng)曲面和對應(yīng)的等高線如圖2～4所示.

圖2為熱壓溫度在零水平，即在熱壓溫度為150 ℃的條件下熱壓次數(shù)與熱壓壓力的響應(yīng)曲面和等高線，該圖反映熱壓次數(shù)與熱壓壓力以及其交互作用對納米纖維素紙基材料的抗張指數(shù)的影響.熱壓次數(shù)不變，隨著壓力不斷增加，紙基材料的抗張指數(shù)先增大后降低，在壓力為0.5 MPa時達到最高值.主要原因是熱壓壓力的增大會使纖維間結(jié)合越來越緊密, 在熱與壓力作用下軟化的微細纖維對纖維間的粘結(jié)狀況也就越來越好，因此抗張指數(shù)表現(xiàn)為不斷增加.但同時紙張緊度上升，而且會逐漸喪失紙基材料原有的纖維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，致使其在承受外力作用時分散應(yīng)力的能力越來越弱，當(dāng)壓力超過一定值時，表現(xiàn)為紙張的抗張強度下降[14].

從圖2中曲線變化可知，熱壓壓力是納米纖維紙基材料抗張指數(shù)的顯著影響因素，而熱壓次數(shù)的影響并不明顯，熱壓壓力與熱壓次數(shù)的交互作用較強.當(dāng)熱壓壓力為0.5 MPa時，隨著熱壓次數(shù)的增加，抗張指數(shù)基本不變.這是因為當(dāng)熱壓壓力不變時，多次熱壓對納米纖維素紙基材料的緊度提升幅度有限.從圖2中還可以看出熱壓壓力較熱壓次數(shù)對紙基材料的抗張指數(shù)影響顯著.

圖2　熱壓次數(shù)與熱壓壓力對抗張指數(shù)的影響

圖3為熱壓壓力在零水平，即在壓力為0.5 MPa的條件下,熱壓次數(shù)與熱壓溫度的響應(yīng)曲面和等高線，該圖反映熱壓次數(shù)和熱壓溫度以及其交互作用對納米纖維紙基材料抗張指數(shù)的影響.從圖3中可以看出，隨著熱壓溫度的增加，納米纖維紙基材料的抗張指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.當(dāng)溫度從120 ℃上升到150 ℃時，納米纖維素紙的抗張指數(shù)稍有增加，繼續(xù)升高熱壓溫度，抗張指數(shù)開始急劇下降.其原因為隨著熱壓溫度不斷升高，材料表面的微細纖維發(fā)生軟化, 并在壓力作用下與內(nèi)部纖維及相互之間產(chǎn)生粘結(jié)而逐漸提高了材料的抗張強度[15].但超過150 ℃后, 紙基材料則變成類似于透明的塑料薄膜, 失去了原有的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)特征.此時受到外力作用，原有的因網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生形變而相互牽拉、擴散紙張應(yīng)力分布來平衡外力的能力已不具備，應(yīng)力集中則紙基材料更容易斷裂, 從而出現(xiàn)當(dāng)溫度超過一定值時抗張指數(shù)隨溫度升高不增反降的現(xiàn)象.在熱壓溫度恒定時，熱壓次數(shù)增加所帶來的抗張指數(shù)變化趨勢較平緩，說明熱壓溫度的影響更顯著.

圖3　熱壓次數(shù)與熱壓溫度對抗張指數(shù)的影響

圖4為熱壓次數(shù)在零水平，即在熱壓次數(shù)為5次的條件下,熱壓壓力與熱壓溫度的響應(yīng)曲面和等高線，該圖反映熱壓壓力和熱壓溫度及其交互作用對納米纖維紙基材料抗張指數(shù)的影響.從圖4中曲線變化可以看出，熱壓溫度對納米纖維紙基材料抗張指數(shù)的影響作用較大，表現(xiàn)為曲線變化較陡，等高線密度也較大，即熱壓溫度對納米紙基材料抗張指數(shù)的影響較熱壓壓力更顯著.

圖4　熱壓溫度與熱壓壓力對抗張指數(shù)的影響

2.3熱壓工藝的優(yōu)化確定

由圖2～4響應(yīng)曲面分析可以看出，響應(yīng)值納米纖維紙基材料抗張指數(shù)Y存在最大值.通過Design-expert軟件計算分析，得到納米纖維紙基材料的抗張指數(shù)預(yù)測值最大時的最優(yōu)化條件：熱壓溫度為145.48 ℃，熱壓壓力為0.45 MPa，熱壓次數(shù)為5.56次，抗張指數(shù)的預(yù)測值為87.59 N·m/g.考慮實際實驗操作限制，將實驗條件進行修正.

修正后的實驗條件為：熱壓溫度為145 ℃，熱壓壓力為0.45 MPa，熱壓次數(shù)為5次.在經(jīng)過修正的實驗條件下進行驗證實驗，得到納米纖維素紙的抗張指數(shù)為86.29 N·m/g，與理論預(yù)測值基本吻合，表明模型是合理有效的.

3結(jié)論

(1)利用響應(yīng)面法對高強度納米纖維紙基材料的熱壓工藝條件進行了優(yōu)化，結(jié)果表明：熱壓溫度、熱壓壓力對紙基材料的抗張指數(shù)影響顯著(P<0.05)，熱壓次數(shù)的影響較為顯著(P<0.1).其影響次序為熱壓溫度>熱壓壓力>熱壓次數(shù).

(2)建立了納米纖維紙基材料熱壓工藝的二次多項式回歸模型，模型預(yù)測紙基材料最佳熱壓工藝條件為：熱壓溫度為145 ℃，熱壓壓力為0.45 MPa，熱壓次數(shù)為5次，在此修正條件下進行驗證實驗，得到納米纖維素紙基材料的抗張指數(shù)為86.29 N·m/g，與模型的理論預(yù)測值基本吻合.

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【責(zé)任編輯：陳佳】

Study on hot pressing process of nanofiber paper-based materials based on response surface methodology

XIU Hui-juan1,2, LI Jin-bao1, YANG Guo-xin1, QIANG Dan-dan1

(1.College of Light Industry Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Key Laboratory of Pulp and Paper Science & Technology of Ministry of Education of China, Qilu University of Technology, Jinan 250353, China)

Abstract:The hot pressing process conditions of nanofiber paper-based materials by microfibrillated cellulose based on response surface methodology (RSM) was investigated.The technological parameters such as hot pressing temperature, pressure and number of times were optimized and the related model was established.The results showed that parameters influence on the tensile index of paper-based materials from significant order to hot pressing temperature>pressure>number of times;The optimum hot pressing conditions for nanofiber paper-based materials were as follows:the hot pressing temperature,pressure and number of times were 145 ℃,0.45 MPa and 5 times respectively.The tensile index of paper-based materials under optimized condition was 86.29 N·m/g, which was well agreed with the predicted value.

Key words:nanofiber paper-based materail; microfibrillated cellulose; hot pressing; response surface methodology; tensile strength

*收稿日期:2016-03-28

基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1105); 齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室項目(08031352)；陜西科技大學(xué)博士科研啟動基金項目(BJ13-14)

作者簡介:修慧娟(1977-)，女，山東海陽人，講師，博士，研究方向：生物質(zhì)復(fù)合材料

文章編號：1000-5811(2016)04-0011-05

中圖分類號：TS75

文獻標(biāo)志碼：A