運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化竹漿纖維非織造布水刺工藝參數(shù)

1. 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 武漢紡織大學(xué)紡織工程與科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070

運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化竹漿纖維非織造布水刺工藝參數(shù)

舒服華1楊慧芳2

1. 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 武漢紡織大學(xué)紡織工程與科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070

水刺法生產(chǎn)竹漿纖維非織造布既環(huán)保，又能滿足人們對(duì)天然纖維產(chǎn)品的追求。水刺工藝參數(shù)對(duì)非織造布性能有重要的影響。運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)竹漿纖維非織造布水刺工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了最佳工藝參數(shù)組合：水刺頭數(shù)9.0個(gè)，水刺距離10.000 mm，輸網(wǎng)速度40.00 mm/min。此時(shí)，原纖化指數(shù)為4.0。

竹漿纖維，非織造布，水刺，響應(yīng)面，工藝參數(shù)，優(yōu)化

水刺工藝是生產(chǎn)非織造布較為先進(jìn)的工藝，它與針刺工藝類似，不同的是水刺工藝用水流代替刺針，即以高壓微細(xì)水流噴射到一層或多層纖維網(wǎng)上，使纖維纏結(jié)在一起，并通過黏接、加固而形成具備一定強(qiáng)力的非織造布。水刺工藝最大的特點(diǎn)是不損傷纖維，所得制品外觀比其他非織造材料更接近傳統(tǒng)紡織品。水刺非織造布的性能優(yōu)良，手感柔軟、蓬松，吸濕性強(qiáng)，對(duì)油脂等有機(jī)污染物有一定吸收效果，在醫(yī)療、衛(wèi)生、家居、新型電子、航空航天等領(lǐng)域廣泛使用。

竹在我國的種植范圍廣，它的生長速度快，再生能力強(qiáng)，對(duì)其進(jìn)行砍伐對(duì)環(huán)境的不良影響小。因此，可以說竹漿纖維是一種經(jīng)濟(jì)且綠色環(huán)保的纖維，用于制備非織造布具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。竹漿纖維屬于黏膠型纖維，其單纖細(xì)度細(xì)，多孔洞，遇水易膨脹，因此竹漿纖維非織造布一般采用水刺工藝進(jìn)行制備。采用水刺工藝，竹漿纖維易發(fā)生原纖化，這有利于提高非織造布的柔軟性和豐滿度，還能有效提高產(chǎn)品的吸水性。利用水刺工藝制備竹漿纖維非織造布，其工藝參數(shù)對(duì)原纖化效果有十分關(guān)鍵的作用，而優(yōu)化工藝參數(shù)又是工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)控制的關(guān)鍵。

響應(yīng)面法是常用的簡便、有效的優(yōu)化方法之一，它運(yùn)用多項(xiàng)式擬合來研究因變量與自變量之間的關(guān)系，然后對(duì)擬合的多項(xiàng)式進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得待優(yōu)化問題的解決方案。該方法最大的特點(diǎn)是能將因變量與自變量的變化規(guī)律直觀地呈現(xiàn)出來，使抽象、復(fù)雜的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題形象化、直觀化。本文運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)竹漿纖維非織造布水刺工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為竹漿纖維水刺非織造布的生產(chǎn)提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

材料：竹漿纖維，湖北冠森竹纖維制品有限公司，長度38.000 mm，線密度1.56 dtex。設(shè)備：TJ-2600水刺機(jī)，青島東佳紡機(jī)(集團(tuán))有限公司。儀器：XSP- 2CA(Y)光學(xué)顯微鏡，上海光學(xué)儀器廠。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以水刺頭數(shù)(A)、水刺距離(B)、輸網(wǎng)速度(C)為優(yōu)化對(duì)象，分別設(shè)3個(gè)水平，以竹漿纖維原纖化指數(shù)(Y)為優(yōu)化目標(biāo)(原纖化指數(shù)定義為原纖長度之和與定長之比)，設(shè)計(jì)Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)[1-2]。水刺頭壓力設(shè)為恒定，1號(hào)水刺頭壓力為3.5 MPa，其他水刺頭壓力為3.0 MPa(如果設(shè)有水刺頭)，試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1，水刺頭配置設(shè)計(jì)見表2。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用平網(wǎng)水刺工藝，加工流程：纖維原料輸入→開松、混合→梳理→交叉鋪網(wǎng)→牽伸→預(yù)濕→水刺加固[3-4]。

按試驗(yàn)設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)制備竹漿纖維水刺非織造布樣品，從中抽取竹漿纖維試樣，然后在XSP-2CA(Y)光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，并計(jì)數(shù)竹漿纖維上0.276 mm長度范圍內(nèi)的原纖根數(shù)。每份樣品取10根竹漿纖維進(jìn)行測(cè)量，取其平均值作為最終值，折算為原纖化指數(shù)(Y)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

表2 水刺頭配置設(shè)計(jì)

注：“1”表示配置有水刺頭；“0”表示不配置水刺頭

表3 試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)分析

2.1二次回歸方程

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)原纖化指數(shù)(Y)與水刺頭數(shù)(A)、水刺距離(B)、輸網(wǎng)速度(C)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到擬合函數(shù)：

Y= -10.697 500+4.622 500A-0.412 400B- 0.085 225C-0.003 500AB-0.008 375AC+ 0.003 975BC-0.241 700A2+0.004 930B2- 0.000 821C2

(1)

根據(jù)函數(shù)(1)中一次項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值，可判斷竹漿纖維非織造布水刺工藝參數(shù)對(duì)原纖化指數(shù)的影響程度，3個(gè)工藝參數(shù)的影響程度由大到小的順序?yàn)樗填^數(shù)、水刺距離、輸網(wǎng)速度。

2.2方差分析

表4 方差分析結(jié)果

2.3工藝參數(shù)優(yōu)化

以原纖化指數(shù)(Y)最大為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)3個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化結(jié)果：水刺頭數(shù)(A)=8.8個(gè)(實(shí)際取9.0)，水刺距離(B)=10.000 mm，輸網(wǎng)速度(C)=40.00 mm/min。此時(shí)，原纖化指數(shù)(Y)=4.0，優(yōu)化結(jié)果的可信度為0.631。

2.4響應(yīng)面分析

響應(yīng)面可以直觀反映自變量(即工藝參數(shù))對(duì)因變量(即原纖化指數(shù))的影響程度。圖1～圖3所示為3個(gè)自變量中1個(gè)取0水平時(shí)另外2個(gè)對(duì)因變量的響應(yīng)面。圖1反映了水刺頭數(shù)和水刺距離對(duì)原纖化指數(shù)的影響，可以看出，水刺頭數(shù)越少，水刺距離越大，則原纖化指數(shù)越小。圖2反映了水刺頭數(shù)和輸網(wǎng)速度對(duì)原纖化指數(shù)的影響，可以看出，水刺頭數(shù)越少，輸網(wǎng)速度越小，則原纖化指數(shù)越小。圖3反映了水刺距離和輸網(wǎng)速度對(duì)原纖化指數(shù)的影響，可以看出，水刺距離越大，輸網(wǎng)速度越小，則原纖化指數(shù)越小。

圖1 水刺頭數(shù)與水刺距離對(duì)原纖化指數(shù)的響應(yīng)面

圖2 水刺頭數(shù)與輸網(wǎng)速度對(duì)原纖化指數(shù)的響應(yīng)面

圖3 水刺距離與輸網(wǎng)速度對(duì)原纖化指數(shù)的響應(yīng)面

2.3交互項(xiàng)分析

交互項(xiàng)分析的目的是判斷自變量交互項(xiàng)對(duì)自變量的影響程度，其方法是分析響應(yīng)面底部的線條狀況，即等高線分布。等高線反映自變量交互項(xiàng)對(duì)因變量的影響程度。等高線為圓形時(shí)，自變量交互項(xiàng)對(duì)因變量的影響程度最大，其次是等高線為橢圓形時(shí)，再次是等高線為封閉曲線時(shí)，當(dāng)?shù)雀呔€為非封閉曲線時(shí)影響程度最小。等高線的疏密也可反映自變量交互項(xiàng)對(duì)因變量的影響程度，等高線越密，影響程度越大；反之，影響程度越小[5-6]。

圖4～圖6所示分別為圖1～圖3所示響應(yīng)面的等高線，可以看出，水刺頭數(shù)與輸網(wǎng)速度交互項(xiàng)的等高線最密，其次是水刺頭數(shù)與水刺距離交互項(xiàng)的等高線，最疏的是水刺距離與輸網(wǎng)速度交互項(xiàng)的等高線。因此，可判斷自變量交互項(xiàng)對(duì)因變量的影響程度由大到小的順序?yàn)锳×C、A×B、B×C。

圖4 Y(A, B)響應(yīng)面(圖1)的等高線

圖5 Y(A, C)響應(yīng)面(圖2)的等高線

圖6 Y(B, C)響應(yīng)面(圖3)的等高線

3 結(jié)語

水刺工藝生產(chǎn)率高，產(chǎn)品性能優(yōu)良，而且與傳統(tǒng)織造工藝生產(chǎn)的紡織品尤其相似，深受用戶青睞，得到了人們的認(rèn)可和廣泛使用。隨著環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的理念深入人心，化學(xué)纖維對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響會(huì)越來越受到人們的關(guān)注，天然纖維因其生態(tài)性和對(duì)人體健康有益而重新受到市場(chǎng)的歡迎，成為人們熱衷和追求的衣著新寵。然而，以棉、羊毛為主的天然纖維畢竟數(shù)量有限，難以滿足人們對(duì)天然纖維產(chǎn)品的需求。竹在我國有悠久的種植歷史，在全國的種植范圍很大，而且竹屬于快生植物，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)開發(fā)、利用，不僅不會(huì)對(duì)植被造成破壞，反而有利于保持生態(tài)平衡，還會(huì)促進(jìn)竹的新陳代謝，更好地生長，對(duì)環(huán)境起到保護(hù)作用。因此，用竹漿纖維生產(chǎn)非織造布，不失為一個(gè)既環(huán)保又能滿足人們對(duì)天然纖維的追求的理想方法。采用水刺工藝生產(chǎn)竹漿纖維非織造布，其工藝參數(shù)對(duì)竹漿纖維的原纖化具有較大的影響。文中運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化竹漿纖維非織造布水刺工藝參數(shù)，得到了最佳工藝參數(shù)組合，即水刺頭數(shù)A=9.0個(gè)，水刺距離B=10.000 mm，輸網(wǎng)速度C=40.00 mm/min，此時(shí)原纖化指數(shù)Y=4.0最大。

[1] 吳欣欣, 劉潔, 鄭慧, 等. 利用Box-Benhken響應(yīng)面法優(yōu)化抗氧化玉米蛋白酶解液的制備工藝[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 34(1): 31-35.

[2] 肖懷秋, 李玉珍, 林親錄, 等. Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化冷榨花生粕酶解制備花生肽工藝[J]. 中國糧油學(xué)報(bào), 2014, 29(10): 106-112.

[3] 韓旭, 嚴(yán)瑩. 竹漿纖維水刺非織造材料工藝及性能研究[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2006, 24(10): 14-17.

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Optimization on spunlacing process parameters of bamboo pulp fiber nonwovens by Box-Behnken response surface method

ShuFuhua1,YangHuifang2

1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;2. School of Textile Engineering and Science, Wuhan Textile University, Wuhan 430074, China

Production of bamboo pulp fiber nonwovens by using spunlacing method is environmentally friendly and can meet people’s pursuit for natural fiber products. Spunlacing process parameters have an important impact on the performance of nonwovens. The Box-Behnken response surface method was used to optimize the spunlacing process parameters of bamboo pulp fiber nonwovens, and the optimum process parameters were obtained: the number of water head was 9.0, the spunlace distance was 10.000 mm, the transmission speed was 40.00 mm/min. Under these conditions, the fibrillation index was 4.0.

bamboo pulp fiber, nonwoven, spunlace, response surface, process parameter, optimization

2017-07-30

舒服華，男，1964年生，副教授，主要從事輕工機(jī)械研究工作

TS171.9

A

1004-7093(2017)10-0013-05