利用正交試驗設(shè)計探討紡織纖維微波烘干效率的影響因素

1 引言

目前，在紡織品成分分析中，檢測實驗室普遍采用熱風烘箱法，對紡織纖維進行烘干，雖然結(jié)果穩(wěn)定、可靠，但是烘干過程時間長，效率低，不能滿足紡織品纖維成分的快速定量分析。而微波干燥技術(shù)具有環(huán)保高效的特點，因微波對水分子的作用效果顯著，能提高烘干效率，快速烘干纖維，縮短檢測周期，滿足快速檢測的需要。

采用微波干燥技術(shù)，需探討紡織纖維微波烘干效率的影響因素，從而實現(xiàn)紡織纖維的快速烘干。而正交試驗設(shè)計則是利用正交表科學(xué)地安排與分析多因素多水平試驗的方法，因此，本文利用正交設(shè)計，對紡織纖維微波烘干效率的影響因素進行研究。

本文將以羊毛纖維為試驗對象，以干燥時間、熱風溫度、微波功率三因素，以各自三個不同水平，利用正交試驗設(shè)計進行統(tǒng)計分析，并以粘纖纖維進行結(jié)果驗證試驗，探討影響烘干效率各因素的主次順序，并在此基礎(chǔ)上提出了試驗的最優(yōu)方案。

2 試驗

2.1 方法與標準

參照GB/T 9995—1997、GB/T 2910—2009標準進行試驗。

2.2 試樣

分別選取標準GB 7568.1《紡織品 色牢度試驗 毛標準貼襯織物規(guī)格》、GB 7565《紡織品 色牢度試驗 棉和粘纖標準貼襯織物規(guī)格》中羊毛、粘纖纖維貼襯織物作為試樣。

2.3 儀器

微波熱風聯(lián)合烘干箱：型號為YN-2KW微波紅外調(diào)頻干燥箱；最高溫度108℃，電壓380V，微波頻率（2450±50）MHz，功率0～2kW，功率可調(diào)，時間可調(diào)，溫度可調(diào)。該設(shè)備在微波干燥過程中，可同時伴有熱風作用，由廣州越能工業(yè)微波設(shè)備有限公司制造。

2.4 條件

實驗室標準溫濕度，溫度：20℃～22℃，相對濕度：64%～67%。

2.5 試驗方案及試驗過程

（1）試驗對象

為了便于試驗烘干效果，選用吸水性較好的羊毛纖維標準貼襯共9份樣品用于烘干試驗，每份1g左右。試驗前樣品在傳統(tǒng)熱風干燥箱中充分烘干后，準確稱取試驗前樣品干重M0。之后樣品的含水率模擬日常檢測工作，選用三級水進行充分潤濕，分別在20℃水浴鍋中劇烈振蕩40min，后置于真空抽濾裝置抽濾，以備烘干試驗。

（2） 確定試驗結(jié)果評價指標

以試驗前、后兩次稱重質(zhì)量的差異率△M為評價指標，ΔM的值越小越好。其中ΔM的計算公式如下：

式中：ΔM——質(zhì)量差異率，%；M0——試驗前樣品干重，g；M1——微波烘干試驗后樣品質(zhì)量，g；

（3）選用因素及水平

根據(jù)專業(yè)知識以及設(shè)備的實際條件，確定各因素的水平，為了避免人為因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，各因素水平按“隨機化”的方法分別填入表1的因素水平表中。

表1 三因素三水平表

（4）正交試驗設(shè)計方案

選用正交表L9（34），如表2所示。正交中各列上的數(shù)字1、2、3分別是該列因素在各個試驗中的水平數(shù)，對應(yīng)著表1。因此，正交表中的每一行對應(yīng)著一個試驗方案，即各因素的水平組合，如A1B1C1表示：時間8分鐘，溫度85℃，功率1.6kW。

（5）試樣按試驗方案條件烘干及稱重

以表2中各試驗方案所代表的條件，各試樣分別進行微波烘干試驗后，快速拿出置于干燥器中冷卻30min后進行稱重M1。

表2 正交試驗設(shè)計方案

3 試驗結(jié)果及分析

將試驗結(jié)果及分析匯總于表3中。

從表3可以看出，各因素的極差是不相等的，說明各因素的水平改變對試驗結(jié)果的影響是不相等的，極差越大，表示該因素的水平變化，會導(dǎo)致結(jié)果評價指標在數(shù)值上有更大的變化。所以，極差最大的那一個因素，就是因素的水平對試驗結(jié)果影響最大的因素，也就是最主要的因素。從表3可以看出RA＞RB＞RC，說明各因素從主到次的順序為：時間，溫度，功率。

由于各因素優(yōu)水平的確定與試驗指標有關(guān)，而評價指標質(zhì)量差異率△M越小越好，因此，應(yīng)選擇每個因素的Ki中最小的值所對應(yīng)的水平：即（A）時間因素：K3＜K2＜K1；（B）溫度因素：K2＜K3＜K1；（C）功率因素：K2＜K3＜K1。所以優(yōu)方案為A3B2C2，即時間10分鐘、溫度95℃、功率2.0kW。由于均是各因素水平的最大值，說明在試驗條件范圍內(nèi)，時間越長，溫度越高，功率越大，對微波烘干速率就越有利。

4 驗證試驗

為了驗證設(shè)備及試驗條件的再現(xiàn)性和可靠性，則應(yīng)以優(yōu)方案的試驗條件，即時間10分鐘、溫度95℃、功率2.0kW，以及表3中使得ΔM第二小的方案的試驗條件，即時間10分鐘、溫度90℃、功率2.0kW，分別進行試驗。若ΔM（A3B2C2）＜ΔM（A3B3C2），即可認為A3B2C2是真正的優(yōu)方案。

這里采用吸水性較好的羊毛和粘纖分別做驗證試驗。每組樣品各5個，試驗前樣品同樣在傳統(tǒng)熱風干燥箱中充分烘干后，準確稱取試驗前樣品干重M0，之后樣品用三級水進行充分潤濕，并分別在20℃水浴鍋中劇烈振蕩40min，后置于真空抽濾裝置抽濾，分別以選定的試驗條件進行微波烘干試驗，結(jié)果見表4。

表3 試驗結(jié)果及分析

表4 驗證試驗結(jié)果

從表4可以看出，方案A3B2C2的試驗條件所得的質(zhì)量差異率均小于方案A3B3C2，說明方案A3B2C2的試驗條件為優(yōu)方案。

5 結(jié)論

（1）正交試驗表明，干燥時間、熱風溫度、微波功率均是影響紡織纖維微波烘干效率的三因素，各因素從主到次的順序為：干燥時間、熱風溫度、微波功率。

（2）在各因素水平的試驗條件范圍內(nèi)，最優(yōu)的微波熱風烘干試驗條件為：時間10分鐘，溫度95℃，功率2.0kW。

（3）試驗結(jié)果表明該微波熱風聯(lián)合烘干箱可作為傳統(tǒng)熱風烘箱的有效完善，用于實驗室紡織品成分分析的快速烘干。試驗單次烘干時間較傳統(tǒng)熱風烘箱法縮短至少1.5小時以上。

（4）后續(xù)可利用單純105℃的熱風條件，在優(yōu)方案的基礎(chǔ)上將試樣烘干至恒重，即滿足GB/T 9995—1997中連續(xù)兩次稱重質(zhì)量的差異率≤0.1%的要求。