響應(yīng)面分析法優(yōu)化聚丙烯無紡布抗靜電接枝工藝

苗 苗，劉 超，王曉旭，王 迎，魏春艷

（1.大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧大連 116034；2.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116034）

聚丙烯（PP）無紡布對人體無毒副作用，廣泛應(yīng)用在紡織和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域［1-3］。PP 分子不含親水性基團且結(jié)晶度高，易產(chǎn)生靜電且難以逸散［4-5］，會造成火災(zāi)甚至爆炸等危害。因此，對PP 無紡布進行抗靜電改性十分必要。

本實驗采用響應(yīng)面分析法對紫外光輻射接枝PP無紡布的工藝進行分析和預(yù)測。以摩擦電壓為響應(yīng)值，分析接枝單體質(zhì)量分數(shù)、光引發(fā)劑濃度和紫外光照時間對摩擦電壓的影響，確定最優(yōu)工藝并驗證該優(yōu)化算法的可行性。

1 實驗

1.1 材料與儀器

PP 無紡布（25 g/m2，大連瑞光無紡布集團有限公司），丙烯酸（AA，化學(xué)純，天津市光復(fù)晶系化工研究所），二苯甲酮（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠），無水乙醇（分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司），去離子水（實驗室自制）。PTT-A+200 電子天平（福州華志科學(xué)儀器有限公司），702-6 電熱恒溫鼓風干燥箱（大連實驗設(shè)備廠），UVA CUBE 100 紫外光固化箱（Honle UV Technology 公司），織物摩擦式靜電測試儀（萊州市電子儀器有限公司）。

1.2 實驗方法

用無水乙醇浸泡PP 無紡布并超聲清洗30 min，去除生產(chǎn)、運輸過程中的雜質(zhì)和油污，80 ℃烘干至恒重，冷卻并測量摩擦電壓。在避光處將丙烯酸和二苯甲酮配制成溶液，將PP 無紡布浸泡其中一定時間，并在UV 燈下固化。取出后用去離子水清洗，80 ℃烘干至恒重，冷卻并測量摩擦電壓。

1.3 測試

試樣準備：將丙綸無紡布放入50 ℃烘箱中烘干，隨機取80 mm×40 mm 的試樣16 塊，在（20±2）℃、相對濕度（35±5）%的環(huán)境下放置24 h，不得污損?？椢锏燃壱笕绫?所示。

表1 摩擦帶電電壓技術(shù)要求

抗靜電性能：GB/T 12703.5—2010《紡織品靜電性能的評定第5部分：摩擦帶電電壓》［6］進行測試。

1.4 響應(yīng)面實驗

運用Box-Behnken 設(shè)計原理，選取A丙烯酸質(zhì)量分數(shù)5%～15%，B光引發(fā)劑濃度0.04～0.06 mol/L，C紫外光照時間15～25 min 為實驗因素，每個因素選取3個水平，編碼公式如下：

由編碼公式可知，當A=5、10、15 時，X1=-1、0、1；同理，當B=0.04、0.05、0.06 時，X2=-1、0、1；當C=15、20、25時，X3=-1、0、1。本實驗各因素水平如表2所示。

表2 實驗因素水平

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面建模及實驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken 軟件設(shè)計了3 因素3 水平共17組實驗，以摩擦電壓（Y）為響應(yīng)值，其中5 次中心點實驗用于估計實驗誤差。實驗設(shè)計方案和結(jié)果見表3。

表3 實驗設(shè)計方案和結(jié)果表

2.2 模型回歸分析

利用Design-Expert V8.0.6 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，建立二次多項式回歸方程Y=2 264.20-79.50X1-30.38X2-32.13X3+19.75X1X2-52.75X1X3+12.00X2X3+419.90X12+101.15X22+85.15X32。式中：正項系數(shù)代表該因素值增加會增大響應(yīng)值，負項系數(shù)代表該因素值增加會降低響應(yīng)值。

2.3 模型方差分析

從表4 可知：（1）模型F值（25.68）足夠大，P值小于0.000 1，表明模型回歸顯著，預(yù)測公式可以準確反映變量與響應(yīng)值之間的關(guān)系。（2）失擬項P=0.816 1，表示回歸方程的失擬項檢驗不顯著，說明未知因素對實驗結(jié)果干擾很小，擬合檢驗顯著，該方程的擬合度良好，能較好地反映丙烯酸質(zhì)量分數(shù)、光引發(fā)劑濃度、光照時間與摩擦電壓的關(guān)系，因此所得回歸方程能較好地預(yù)測摩擦電壓隨參數(shù)的變化規(guī)律。（3）丙烯酸質(zhì)量分數(shù)（X1）P=0.009 7 小于 0.05，對摩擦電壓影響顯著；X1X2、X1X3、X2X3的P值均較大，說明兩兩因素的交互作用相對較小；的P值均小于 0.05，說明實驗因子與影響值不是呈單一的線性關(guān)系。（4）本回歸模型R2=0.970 6，實測值與預(yù)測值相關(guān)性較高，說明用該模型對摩擦電壓進行分析和預(yù)測合理。

表4 方差分析表

將編碼公式帶入二次多項式回歸方程，可得摩擦電壓關(guān)于實驗因素A、B、C的二次多項式回歸方程Y=16.80A2+1 011 500.00B2+3.41C2+395.00AB-2.11AC+240.00BC-329.37A-1 129.38B-133.57C+8 289.87。

2.4 模型殘差分析

從圖1 可知，響應(yīng)值基本都附著在殘差線上，說明模型符合正態(tài)分布。

圖1 正態(tài)概率分布圖

從圖2、圖3 可看出，內(nèi)部、外部學(xué)生化殘差均分布在±3 內(nèi)，說明不存在非正常數(shù)據(jù)，無隱藏的影響響應(yīng)值的因素，且數(shù)據(jù)點隨機分布，沒有任何趨勢和異常數(shù)據(jù)點，進一步說明模型可靠。因此響應(yīng)面多項式模型能夠有效地模擬各個變量對摩擦電壓的影響。

圖2 內(nèi)部學(xué)生化殘差分布圖

圖3 外部學(xué)生化殘差分布圖

2.5 響應(yīng)面分析

從圖4 等高線的陡緩程度可以得出影響摩擦電壓的主次因素：單體質(zhì)量分數(shù)、光照時間、光引發(fā)劑濃度，與方差分析結(jié)果一致；時間與光引發(fā)劑濃度的交互作用顯著。

圖4 響應(yīng)曲面圖和等高線圖

2.6 模型優(yōu)化

通過響應(yīng)面分析方法，再結(jié)合響應(yīng)面模型，模擬出抗靜電接枝改性的優(yōu)化工藝：單體質(zhì)量分數(shù)為10.48%，光引發(fā)劑濃度為0.051 mol/L，光照20.69 min，預(yù)測優(yōu)化工藝條件下的摩擦電壓Y為2 255.16 V。如圖5 所示，實際值與預(yù)測值是十分接近的，基本在一條直線上。

圖5 實際值與預(yù)測值比較圖

實驗驗證此優(yōu)化工藝，結(jié)果如圖6 所示。原PP 無紡布的摩擦電壓為2 869～3 122 V，改性后的PP-AA摩擦電壓為2 200～2 475 V（明顯變?。?，改性后PP 無紡布達到了C 級摩擦帶電電壓技術(shù)要求。說明響應(yīng)面模型具有一定的可信度，能夠有效地預(yù)測實驗各因素對摩擦電壓的影響。

圖6 改性前后PP 摩擦電壓圖

2.7 各因素對實驗結(jié)果的影響

由圖7 可知，隨著單體質(zhì)量分數(shù)的增加，摩擦電壓先減小后略微增大。這是因為單體質(zhì)量分數(shù)增加，自由基反應(yīng)增多，接枝率增大，PP 無紡布表面親水基團增多，抗靜電性增強，摩擦電壓減小；當單體質(zhì)量分數(shù)達到10.48%后繼續(xù)增加時，單體之間發(fā)生均聚反應(yīng)的概率增大，接枝率降低，導(dǎo)致抗靜電性降低，摩擦電壓增大［7］。隨著光引發(fā)劑濃度的增加，產(chǎn)生的自由基增多，接枝率增大，PP 無紡布表面親水基團增多，抗靜電性增強，摩擦電壓減小；當光引發(fā)劑濃度達到0.051 mol/L 后，繼續(xù)增大濃度，自由基之間相互反應(yīng)的概率增大，使反應(yīng)提前終止，造成PP 無紡布的抗靜電性降低，摩擦電壓增大。光照時間對實驗結(jié)果的影響與光引發(fā)劑濃度的影響類似。

圖7 各因素對摩擦電壓的影響

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面分析法即非線性擬合方法，在正交實驗最佳工藝的基礎(chǔ)上高效優(yōu)化實驗工藝，確定出聚丙烯抗靜電接枝工藝：單體質(zhì)量分數(shù)10.48%，光引發(fā)劑濃度0.051 mol/L，光照20.69 min，此時摩擦電壓為2 255.16 V。該模型的預(yù)測指導(dǎo)性很強，可靠性高。