滌棉窗簾阻燃后整理的參數(shù)優(yōu)化

毛 倩,周 捷,李 健,馬秋瑞

(西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著人們生活水平以及安全意識的提高,室內(nèi)紡織品的功能性、安全性受到越來越多的關(guān)注[1]。在室內(nèi)裝飾紡織品中,窗簾占比較大[2],其中滌棉織物使用較多。目前，國內(nèi)許多學(xué)者對窗簾裝飾性[3-4]、遮光性[5]、抗紫外線[6]以及自動(dòng)智能性[7-8]進(jìn)行了研究,而對于窗簾的后整理阻燃研究甚少。窗簾一旦起火,極易迅速蔓延并產(chǎn)生大量的有害氣體[9],因此提高窗簾的阻燃性意義重大。

窗簾織物阻燃后整理的綜合加工成本,是纖維本體阻燃的35%[10],且涂層阻燃后整理因方法簡單、適用性強(qiáng),從而成為工業(yè)生產(chǎn)上的主要技術(shù)手段。為提高窗簾的阻燃性,鄭雪瑩等[11]研究了織物的緯紗含量以及組織結(jié)構(gòu)對面料的阻燃影響,程浩南[12]探討了復(fù)合交織工藝對織物的阻燃影響,MICULE等[13]通過研究阻燃涂料來提高窗簾等織物的阻燃性。此外,李珂等[2]通過正交試驗(yàn),研究浸軋工藝參數(shù)對滌綸窗簾的阻燃影響,但各因素水平對窗簾阻燃性影響的主次順序分析較少。

本文運(yùn)用正交層次分析法,建立層次分析法(AHP)模型,通過計(jì)算三因素三水平對阻燃指標(biāo)極限氧指數(shù)(LOI)的影響權(quán)重,評估三因素對滌棉窗簾阻燃性的影響,得到最優(yōu)刮涂后整理工藝參數(shù)組合方案。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和儀器

(1) 材料 滌棉混紡織物(常用窗簾面料, 幅寬180 cm, 平紋織物, 經(jīng)密:394根/10 cm, 緯密:343根/10 cm，經(jīng)緯細(xì)度:30S×30S,T/C:80/20);無鹵環(huán)保水溶性阻燃膠TC-0731F (東莞市潮德阻燃材料公司, pH值:7.0～8.0,玻璃化溫度:2～5 ℃,烘焙時(shí)間:1.5～3 min,烘焙溫度:160～180 ℃)。

(2) 儀器 織物輥涂兩用試驗(yàn)機(jī)(白云博瑞轉(zhuǎn)股制造有限公司);RC-LDX連續(xù)式定型烘干機(jī)(靖江市華夏科技有限公司);HC-2型氧指數(shù)測定儀(北京鑫生卓銳科技有限公司)。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以刮涂壓強(qiáng)(A)、烘焙時(shí)間(B)和烘焙溫度(C)為因素,設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)見表1。

表 1 正交試驗(yàn)

試驗(yàn)水平范圍依據(jù)阻燃膠廠家(東莞市潮德阻燃材料公司)提供的應(yīng)用工藝說明。水平差值的設(shè)定依據(jù)如下：

(1) 刮涂壓強(qiáng)控制試樣的阻燃膠涂覆量。為研究不同涂覆量對試樣阻燃性的影響,基于輥涂兩用試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)選擇范圍以及文獻(xiàn)[14],將刮涂壓強(qiáng)定為0.15～0.25 MPa。水平1的數(shù)值最小,表示試樣的阻燃膠涂覆量最大,水平3的數(shù)值最大,則表示試樣的阻燃膠涂覆量最小,各水平之間形成等差數(shù)列。

(2) 通過查閱文獻(xiàn)[2,15-16],烘焙時(shí)間對織物阻燃性的影響較小,因此設(shè)定水平1與水平2之間相差1 min,水平2與水平3之間相差0.5 min。在對比差值不同時(shí)，研究試樣阻燃性與烘焙時(shí)間之間的曲線趨勢變化規(guī)律。

(3) 阻燃膠對溫度較為敏感,基于廠家(東莞市潮德阻燃材料公司)提供的應(yīng)用工藝說明,最高烘焙溫度不得超過180 ℃。溫度過高會(huì)破壞阻燃膠成分,從而降低阻燃效果。為了研究烘焙溫度對試樣阻燃性的顯著影響,將水平1與水平2設(shè)定為相對較低的溫度,差值為5 ℃,水平3設(shè)定為最高值。

1.3 試樣制備與測定

制備9個(gè)尺寸為30 cm×15 cm經(jīng)緯向的標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣進(jìn)行涂層整理前需要經(jīng)過拉幅定形,選取面料中心位置作為試樣，確?？椢锉砻娴钠秸c潔凈,且無抽絲現(xiàn)象。

基于GB/T5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》,將10 cm×5 cm經(jīng)緯向阻燃整理試樣放入氧指數(shù)測定儀器的玻璃煙囪中,不斷調(diào)節(jié)氧氮的混合比例,觀察并記錄阻燃整理試樣燃燒的最低含氧體積百分比,從而得到極限氧指數(shù)。極限氧指數(shù)越大,說明織物阻燃性越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)直觀分析

在刮涂后整理正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行織物的阻燃性指標(biāo)LOI測試,得出各組合設(shè)計(jì)方案的LOI,結(jié)果見表2。試樣1～9號分別為A1B1C1;A1B2C2;A1B3C3;A2B2C3;A2B3C1;A2B1C2;A3B3C2;A3B1C3;A3B2C1。

表 2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表 3 LOI數(shù)據(jù)分析

從表3可以看出，(1) 就試樣阻燃指標(biāo)LOI而言,RC>RA>RB,表示影響試樣阻燃性因素的主次順序?yàn)楹姹簻囟?刮涂壓強(qiáng)>烘焙時(shí)間。說明烘焙溫度是影響試樣LOI的主要因素;刮涂壓強(qiáng)對試樣LOI影響較大,是次要影響因素;烘焙時(shí)間對試樣LOI有影響,但較小。(2) 從織物的阻燃效果來講,LOI越大,織物阻燃性越好。由于A1>A2>A3,B3=B2>B1,C1>C2>C3,因此A1(刮涂壓強(qiáng)0.15 MPa)、B2(烘焙時(shí)間2.5 min)，B3(烘焙時(shí)間3 min)、C1(烘焙溫度160 ℃)水平最優(yōu)。(3) 對于烘焙時(shí)間因素,水平2與水平3的阻燃效果相同。為節(jié)約時(shí)間,選擇B2(烘焙時(shí)間2.5 min)。因此，該試樣阻燃刮涂后整理最優(yōu)工藝組合為A1B2C1。

試樣LOI隨因素水平變化規(guī)律如圖1所示。圖1中，虛線表示對應(yīng)的擬合曲線。

圖 1 LOI隨因素水平變化規(guī)律Fig.1 LOI changes with factor level

從圖1可以看出，烘焙時(shí)間曲線較為平緩,表明烘焙時(shí)間對試樣的阻燃性影響較小。刮涂壓強(qiáng)與烘焙溫度曲線變化幅度較大,但烘焙溫度曲線變化幅度最大。

從烘焙時(shí)間曲線趨勢來看,試樣的LOI隨烘焙時(shí)間的增長而緩慢增加,水平1與水平2之間呈緩慢遞增趨勢,水平2與水平3之間則為水平直線。因?yàn)樗?與水平2的差值較大,水平2與水平3的差值較小,這種現(xiàn)象反映出烘焙時(shí)間對試樣的LOI影響較小。

從刮涂壓強(qiáng)曲線趨勢來看,試樣的LOI隨刮涂壓強(qiáng)的增大而逐漸減小,說明織物的阻燃膠涂覆量越大,織物阻燃性越好。在一定范圍內(nèi),其冪函數(shù)關(guān)系曲線y=34.141x0.087,擬合優(yōu)度為93.12%。水平1與水平2之間的曲線比水平2與水平3之間的曲線傾斜度大,說明試樣的涂覆量達(dá)到一定數(shù)值后,其對試樣阻燃性的影響也越來越小,在實(shí)際生產(chǎn)中，可以依據(jù)這一規(guī)律合理確定阻燃膠的涂覆量。

從烘焙溫度曲線趨勢來看,試樣的LOI隨烘焙時(shí)間的增大而快速減小,在一定范圍內(nèi),LOI與烘焙溫度呈y=35.286x0.144的冪函數(shù)關(guān)系,其擬合優(yōu)度為90.69%。水平1與水平2之間的曲線比水平2與水平3之間的曲線傾斜度大,說明此阻燃膠對溫度較敏感,高溫會(huì)使其分解并降低阻燃效果。在阻燃后整理過程中宜選擇低溫烘焙。

綜上所述,阻燃膠的刮涂后整理最佳工藝組合為刮涂壓強(qiáng)0.15 MPa,烘焙時(shí)間2.5 min,烘焙溫度160 ℃。

2.2 層次分析

根據(jù)文獻(xiàn)[18-20] AHP 模型中的層次分析模型與計(jì)算方法, 建立的正交試驗(yàn) AHP 模型，如圖2所示。

圖 2 正交試驗(yàn)AHP模型Fig.2 AHP model of orthogonal test

模型第1層織物L(fēng)OI為試驗(yàn)考核指標(biāo)層，第2層刮涂壓強(qiáng)、烘焙時(shí)間、烘焙溫度為因素層，第3層為水平層。計(jì)算A(水平層對試樣影響效應(yīng)矩陣)、AS(水平標(biāo)準(zhǔn)影響效應(yīng)矩陣)、C(因素對試樣的影響權(quán)重矩陣),進(jìn)而得出因素的三水平對試驗(yàn)指標(biāo)的影響權(quán)重矩陣ω=ASCT,評估三因素對LOI的影響程度,驗(yàn)證正交試驗(yàn)直觀分析的結(jié)論。

首先, 以試樣的 LOI 為第1層考核指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算, 令Mij=Kij, 得到水平層對試驗(yàn)影響效應(yīng)矩陣A。

(1)

建立水平標(biāo)準(zhǔn)影響效應(yīng)矩陣AS。

令

記

(2)

(3)

建立因素對試驗(yàn)的影響權(quán)重矩陣C,R為各因素的極差。

(4)

建立因素的各水平對試驗(yàn)指標(biāo)的影響權(quán)重矩陣ω=ASCT.

(5)

結(jié)果顯示，因素C對試樣LOI影響權(quán)重最大,即烘焙溫度是影響試樣阻燃性的首要因素;因素B對試樣LOI影響權(quán)重最小,即烘焙時(shí)間對試樣阻燃性的影響最小。因素A對試樣LOI影響的最大權(quán)重為0.122 1,此時(shí)因素A的水平為1;因素B對試樣LOI影響的最大權(quán)重為0.025 8,此時(shí)因素B的水平為2或3,在阻燃效果相同的情況下,為了節(jié)約時(shí)間選擇水平2;因素C對試樣LOI影響的最大權(quán)重為0.211 5,此時(shí)因素C的水平為1。綜上所述,阻燃刮涂后整理的最優(yōu)工藝組合為A1B2C1。計(jì)算所得結(jié)論與前述正交試驗(yàn)直觀分析一致,驗(yàn)證了刮涂后整理優(yōu)化工藝組合的正確性與合理性。

2.3 結(jié)果對比分析

運(yùn)用正交層次分析法,分析阻燃后整理工藝參數(shù), 計(jì)算三因素對試樣阻燃性影響的權(quán)重, 并確定阻燃后整理最優(yōu)工藝組合方案。 在此之前,也有研究人員對阻燃后整理工藝參數(shù)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[21]對滌棉織物進(jìn)行的后整理工藝研究,其采用浸軋后整理方法,控制試驗(yàn)四因素,并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素分析,最終得到的凹凸性函數(shù)曲線,與本文得到的單調(diào)性函數(shù)曲線不同。主要原因:(1)文獻(xiàn)[21]采用的數(shù)學(xué)模型為單因素模型,樣本總體較大,更能細(xì)致準(zhǔn)確地反應(yīng)出單因素對試樣阻燃性的影響,但無法分析四因素之間的相互作用關(guān)系。本文采用正交層次分析模型,分別計(jì)算出三因素三水平的影響權(quán)重,進(jìn)而綜合考慮三因素對試樣阻燃性的影響,但在反映單因素與試樣阻燃性的趨勢關(guān)系上稍顯不足;(2)選用的阻燃劑成分對烘焙溫度較敏感,其烘焙溫度不能超過180 ℃,因此因素水平的選取范圍以及樣本空間比文獻(xiàn)[21]更小,造成試驗(yàn)結(jié)論的差異。

在一定水平范圍內(nèi),文獻(xiàn)[21]的試驗(yàn)結(jié)果與本文相同。烘焙時(shí)間對試樣阻燃性指標(biāo)的影響權(quán)重較小,烘焙溫度對試樣阻燃性指標(biāo)的影響權(quán)重較大,與文獻(xiàn)[2,22]的試驗(yàn)結(jié)論相同。(1)假定烘焙溫度與刮涂壓強(qiáng)都處于最優(yōu)水平。阻燃劑分子進(jìn)入織物無定形區(qū)需要一定的時(shí)間,時(shí)間過短,阻燃劑分子與織物接觸反應(yīng)不充分,影響織物阻燃效果。時(shí)間變長,反應(yīng)結(jié)束后,阻燃劑分子處于穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)烘焙時(shí)間的延長對其影響較小,影響織物的斷裂強(qiáng)度和手感;(2)假定烘焙時(shí)間與刮涂壓強(qiáng)都處于最優(yōu)水平。阻燃劑與織物纖維之間的成膜,以及阻燃劑成分之間的相互作用都需要合適的溫度,溫度過低時(shí),織物纖維的孔隙較小,阻燃劑分子無法進(jìn)入纖維內(nèi)部,從而影響阻燃效果。隨著溫度的升高,阻燃劑分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇且織物纖維的孔隙增大,阻燃劑能夠在纖維內(nèi)部與表面同時(shí)成膜。溫度過高則會(huì)導(dǎo)致阻燃劑成分的分解,以及織物纖維的收縮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞,因此烘焙溫度的變化極易引起阻燃效果的差異。在選擇烘焙溫度時(shí),應(yīng)充分考慮阻燃劑以及織物的物理性質(zhì)。

3 結(jié) 論

(1) 滌棉窗簾的阻燃性隨刮涂壓強(qiáng)的增大而減小,即阻燃膠涂覆量越大,織物阻燃性越好;隨烘焙時(shí)間的增加而增大;隨烘焙溫度的增高而減小。

(2) 烘焙溫度是影響滌棉窗簾極限氧指數(shù)的主要因素;刮涂壓強(qiáng)對其極限氧指數(shù)的影響較大,是次要影響因素;但烘焙時(shí)間對滌棉窗簾極限氧指數(shù)的影響較小。

(3) 滌棉窗簾的涂層阻燃后整理最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B2C1,即刮涂壓強(qiáng)0.15 MPa,烘焙時(shí)間2.5 min,烘焙溫度160 ℃。