溫濕環(huán)境下棉織物的抗皺性能變化規(guī)律及其預測模型

姚金波，王志意，董 敏，姜會鈺，唐秀琴

（1.武漢紡織大學 生物質(zhì)纖維及生態(tài)染整湖北省重點實驗室，武漢430200；2.武漢紡織大學 湖北省服裝信息化工程技術研究中心，武漢430200）

棉纖維主要成分是纖維素，是由β-葡萄糖苷鍵與脫水D-六環(huán)葡萄糖所組成的線性多糖，分子組成為（C6H12O5）n，是自然界中重要的天然纖維素材料[1-4]。棉織物因具有柔軟保暖、吸濕透氣等優(yōu)良特性而廣受消費者的喜愛，但棉織物易起皺變形，嚴重影響了棉織物的服用性能，也給消費者帶來諸多不便，因此，常需進行防皺整理加工，以賦予織物一定的保形性能。

在保形抗皺的長期研究過程中，學者們主要從棉纖維微觀分子結構（無定形區(qū)）出發(fā)，通過促進整理劑與棉纖維大分子間的共價交聯(lián)，減少纖維發(fā)生形變時因氫鍵斷裂而導致的蠕變和不可恢復形變[5-10]。雖然從抗皺整理的角度出發(fā)直接解決了已產(chǎn)生或將產(chǎn)生的褶皺問題，達到了抗皺的目的，但卻對織物在不同應用環(huán)境條件下產(chǎn)生褶皺的原因未做更多研究。因此，從棉織物的應用環(huán)境和整理加工出發(fā)，研究在不同應用環(huán)境下棉織物的保形性變化規(guī)律具有重要意義。

濕、熱環(huán)境是棉織物應用的主要環(huán)境，也是導致織物保形性變差的重要原因之一。當纖維處于高濕環(huán)境時，水分子進入到纖維無定形區(qū)，破壞分子鏈段間的氫鍵，減弱纖維分子間的氫鍵結合力，而且大量水分子的進入促使纖維發(fā)生溶脹，使纖維大分子間的內(nèi)聚力進一步減小，導致纖維分子鏈段間易于相對滑移，引起纖維變形。此時，如果該變形能夠維持一定的時間，則纖維大分子鏈段間會重構新的氫鍵，使形變暫時穩(wěn)定，這也是棉織物形成折皺的根本原因。此外，纖維含濕量越大，則導熱系數(shù)越大，在受熱時向纖維內(nèi)部傳遞的熱能越多，會促進纖維大分子鏈段熱運動，甚至纖維的聚集態(tài)結構和形態(tài)結構也會產(chǎn)生一些變化，從而使纖維的保形能力進一步惡化[11-12]。

一般地，對于熱塑性纖維，熱作用在纖維外觀形態(tài)上最主要表現(xiàn)為熱收縮，是纖維內(nèi)部應力釋放和解取向共同作用的結果[13-18]。但對于親水性的棉纖維，水分子恰恰起到了增塑作用，顯然濕、熱的共同作用使得棉纖維易于產(chǎn)生變形。另外，在低溫環(huán)境下，棉纖維大分子鏈段被“凍結”，而纖維內(nèi)部水分冰晶化時體積增大，會引起纖維表面形態(tài)變化，但當溫度再度恢復到常溫時，纖維內(nèi)部被冰晶脹大的孔洞和縫隙將會被保留，進而影響纖維的結構和性能[19-23]。

因此，明確濕、熱協(xié)同環(huán)境對棉織物保形能力的影響規(guī)律，并預測抗皺性能失效條件，顯然能夠有針對性地改進樹脂抗皺整理工藝、指導消費者合理使用抗皺棉制品。對此，本文在探究濕、熱環(huán)境對棉織物保形性影響規(guī)律的基礎上，建立抗皺棉織物在不同溫、濕度條件下的折皺回復性能預測模型。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

原料：經(jīng)液氨絲光、熒光增白處理后的白色純棉平紋機織布，經(jīng)緯密度為160根/（10 cm）×72根/（10 cm），山東魯泰紡織股份有限公司產(chǎn)品；低甲醛樹脂DM-3510、催化劑C-8，均為廣東德美精細化工股份有限公司產(chǎn)品。

儀器：PMT-350型連續(xù)式浸軋拉幅定型機，廈門瑞比精密機械有限公司產(chǎn)品；YG541E型激光織物折皺彈性測試儀，寧波紡織儀器廠產(chǎn)品；ZY/GDJS-400L型高低溫環(huán)境試驗箱，無錫中亞環(huán)境實驗設備有限公司產(chǎn)品；折皺回復角測試支架，按照GB/T 3819-1997《紡織品/織物折痕回復性的測定/回復角法》標準自制。

1.2 試樣制備

選用DM-3510低甲醛樹脂整理劑，以浸軋—烘燥—焙烘工藝，對棉織物進行抗皺整理，選取5組抗皺效果差異較大的布樣作為分析試樣，研究溫濕環(huán)境對織物保形性的影響。5組織物保形特征如表1所示。

表1 5組試樣的保形特征Tab.1 Conformal characteristics of five groups of samples

1.3 實驗方法

調(diào)節(jié)高低溫環(huán)境試驗箱的溫、濕度，達到實驗設計的水平，將5組試樣放入環(huán)境試驗箱中平衡2 h后，按照GB/T3819-1997《紡織品/織物折痕回復性的測定/回復角法》中的織物折皺回復性垂直測定方法，測試對應條件下試樣的折皺回復角。

2 結果與討論

2.1 溫度對棉織物保形性的影響

不同濕度條件下的試樣折皺回復角隨溫度變化的情況如圖1所示，其擬合方程如表2所示。

由圖1可見，在一定濕度下，試樣的折皺回復角在常溫25℃附近最大，高于常溫時，則會隨著溫度升高而減小；低于常溫時，則會隨著溫度降低而減小。從下降趨勢來看，試樣在低溫條件下受到的影響比高溫時嚴重。這是因為在低溫環(huán)境下，棉纖維分子鏈節(jié)和鏈段被“凍結”，變形或位移的大分子鏈段難以通過熱運動的方式恢復到原狀，即表現(xiàn)為折皺回復角降低；而且當溫度低于0℃時，除大分子鏈段的變形難以恢復之外，纖維內(nèi)部水分冰晶化導致體積增大，進而引起纖維聚集態(tài)結構和形態(tài)結構變化，最終使回復角進一步降低，這種現(xiàn)象會隨著環(huán)境濕度增加而加劇。當溫度較高時，纖維大分子鏈段熱運動加劇，纖維變形能力增強，而對應地因變形而帶來的內(nèi)應力也易于消除，最終表現(xiàn)為易于形成折皺且難以自由回復原狀。這種現(xiàn)象也隨著環(huán)境濕度的增加而有所增加，很顯然水分子會加強變形或位移后的大分子鏈段之間所建立的新的氫鍵聯(lián)系，結果使織物形成相對穩(wěn)定的皺褶，即折皺恢復能力降低。

從圖1中曲線的斜率變化也可以看出，樹脂整理越強烈即DP等級、折皺回復角越高的試樣受溫度影響的變化幅度也越大，且濕度增加時其變化幅度也會稍有增加。這種現(xiàn)象可能與樹脂整理劑在纖維內(nèi)部的可及度及其均勻性有關。在樹脂整理過程中，樹脂對棉纖維內(nèi)部無定形區(qū)的可及區(qū)域是有限的，其僅能進入充分膨化的無定形區(qū)域，當可及區(qū)域交聯(lián)夠充分時，織物則獲得高折皺回復角，但當溫度與濕度產(chǎn)生變化時，受前文作用機制的控制，來自不可及區(qū)域（即未交聯(lián)無定形區(qū)域）的影響將會顯現(xiàn)出來，使得折皺回復角出現(xiàn)較大幅度的下降。由此可以推測，提高樹脂整理劑對棉纖維無定形區(qū)域的可及度是提高抗皺整理織物耐溫、濕度穩(wěn)定性的重要途徑之一。

圖1 不同濕度條件下試樣折皺回復角隨溫度變化的曲線Fig.1 Change curves of crease recovery angle of fabric with temperature under different humidity conditions

2.2 濕度對棉織物保形性的影響

不同溫度條件下試樣折皺回復角隨濕度變化的情況如圖2所示，其擬合方程如表3所示。

表2 不同濕度條件下試樣折皺回復角隨溫度變化曲線的擬合方程Tab.2 Fitting equations of change curves of crease recovery angle with temperature under different humidity conditions

由圖2可知，試樣在一定溫度下的折皺回復角隨著濕度的升高而發(fā)生不同程度的下降。在圖2（a）的低溫度環(huán)境下，隨著環(huán)境相對濕度的增加，因水分子的結晶化作用，導致折皺回復角的下降幅度增加，且各試樣的變化幅度相近。在圖2（b）、圖2（c）的溫度環(huán)境下，隨著濕度的升高，原布、試樣A兩組試樣折皺回復角隨濕度升高而下降的幅度很小。這是因為原布、試樣A兩組試樣的抗皺整理等級很低，分子間交聯(lián)程度低，織物僅具有很低的折皺回復角，因此，其隨濕度變化的降低幅度較小。與試樣B、C相比，抗皺等級最高的試樣D折皺回復角隨濕度增加時的下降幅度小，這是因為試樣D的纖維大分子間交聯(lián)程度高，高溫下的鏈段回復能力強，因此，表現(xiàn)出較好的耐濕度變化穩(wěn)定性。

圖2 不同溫度條件下試樣折皺回復角隨濕度變化的曲線Fig.2 Change curves of crease recovery angle with humidity under different temperature conditions

表3 不同溫度條件下試樣折皺回復角隨濕度變化曲線的擬合方程Tab.3 Fitting equations of change curves of crease recovery angle with humidity under different temperature conditions

由此可見，濕度對抗皺棉織物的抗皺保形性影響程度低于溫度的影響。

2.3 溫、濕復合環(huán)境下織物保形能力的預測模型

由上述可知，溫度、濕度對棉織物保形性的影響規(guī)律十分復雜，并非是簡單的線性關系。因此，以溫、濕復合環(huán)境下的織物折皺回復角作為因變量，試樣抗皺水平、溫度、濕度作為自變量，并以25℃、相對濕度（RH）60%的標準環(huán)境條件下（以下簡稱標準環(huán)境）測得的折皺回復角表示該試樣的抗皺水平，利用SPSSAU系統(tǒng)建立多元非線性回歸分析預測模型，研究溫、濕復合環(huán)境下棉織物保形能力的預測模型。由于任一函數(shù)關系都可以用多項式逼近，因此，本文采用式（1）中的二次多項式建立模型。

式中：Y為預測環(huán)境下的織物折皺回復角；x1為試樣在標準環(huán)境條件下測得的折皺回復角；x2為預測環(huán)境的溫度；x3為預測環(huán)境的相對濕度。

為方便運算，令x4=x1x2；x5=x1x3；x6=x2x3；x7=x12；x8=x22；x9=x32。則模型（1）轉化為線性模型（2）：

本文選擇5種不同抗皺水平的面料，依據(jù)抗皺整理棉織物的常規(guī)應用環(huán)境特點，分別測試試樣在溫度為0、25、80℃和相對濕度為30%、45%、60%、75%、90%的不同組合條件下的折皺回復角，獲得75組實驗數(shù)據(jù)。其中，60組作為訓練集、15組作為測試集。將訓練集數(shù)據(jù)輸入回歸模型，其結果如表4所示。

表4 線性回歸分析結果Tab.4 Results of linear regression analysis

由表4可知，模型R2為0.990，表明所有自變量可以解釋Y99.0%的變異量，且模型通過F檢驗（F=564.143，p=0.000＜0.05），說明x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9中至少有1項對Y產(chǎn)生影響關系。但是，由于多數(shù)自變量的方差膨脹因素VIF值大于10，說明選定的9個自變量間存在較強的多重共線性問題。因此，進一步采用逐步回歸分析法進行解析，結果如表5所示。

表5 逐步回歸分析結果Tab.5 Results of stepwise regression analysis

由表5可知，數(shù)據(jù)經(jīng)逐步回歸處理后，不具有顯著性的自變量x3、x5、x7被移出模型，此時的模型R2為0.989，說明x1、x2、x4、x6、x8、x9可以解釋Y98.9%的變異量，且模型通過F檢驗（F=816.622，p=0.000＜0.05）。但是，模型中仍有個別變量的VIF值大于10，表明逐步回歸后仍存在多重共線性問題。因此，進一步使用嶺回歸解決共線性問題，而后再對模型進行分析，結果如表6所示。

表6 嶺回歸分析結果Tab.6 Results of ridge regression analysis

由表6可知，x4的非標準化系數(shù)為0，且未通過相關性檢驗），將被刪除，其余變量均通過相關性的t檢驗（p＜0.01）。另外，模型R2為0.978，說明最終選擇的自變量x1、x2、x6、x8、x9可以解釋Y97.8%的變異量，且模型通過F檢驗（F=385.220，p=0.000＜0.05）。由此得到最終的回歸模型為：

即：

利用測試組數(shù)據(jù)對該模型進行驗證，結果如表7所示，殘差的標準差為5.295 5。

表7 模型驗證結果Tab.7 Results of model validation

由表7數(shù)據(jù)作殘差散點圖，如圖3所示。

圖3 預測值與真實值的殘差散點圖Fig.3 Scatter plot of residuals between predicted and actual values

由圖3可以看出，散點分布在“0”直線的上下方，殘差絕對值均在3倍標準差以內(nèi)，并無異常點，表明該模型有效，其擬合和預測效果較好。

為進一步說明溫、濕復合環(huán)境對織物保形性的影響程度，可使用因變量Y的全微分公式（5）進行表達：

式（5）中，各變量改變量的系數(shù)代表了折皺回復角改變量隨該變量變化時的變化率。由式（5）可見，試樣的折皺回復角改變量對于標準環(huán)境下的折皺回復角的變化率為正，即隨標準環(huán)境下折皺回復角的增加而增加，顯示出織物耐溫、濕度變化的保形能力與自身獲得的抗皺整理水平密切相關，自身的抗皺水平越高，則在溫、濕度變化時也可以保持高的保形能力。

環(huán)境溫度越高，折皺回復角隨溫度變化的幅度減小，而提高環(huán)境濕度則加劇這一變化，使變化率增大。環(huán)境濕度越高，折皺回復角隨濕度變化的幅度減小，而提高環(huán)境溫度則使得織物折皺回復角的變化率增大?？梢姡瑴囟?、濕度對織物保形性能的交互影響關系十分復雜。本文所建立的預測模型，通過檢驗證實，能夠有效預測溫、濕復合環(huán)境下織物的保形變化情況，且模型公式也體現(xiàn)出溫、濕復合環(huán)境對織物保形性的交互影響特征，反映出的變化規(guī)律與實驗分析結論相一致。

3 結論

（1）溫度、濕度對抗皺整理棉織物的保形性能會產(chǎn)生不同程度影響，與標準條件下相比，高溫或低溫環(huán)境都將使織物抗皺性能下降，單純的濕度變化對抗皺保形性影響較小，但兩者的交互影響卻使得抗皺保形性惡化。這種變化原因主要與抗皺整理劑的可及區(qū)域、不可及的無定形區(qū)域大分子鏈段的熱運動、氫鍵等因素有關，抗皺等級越高的棉織物，在非標準條件下雖具有較好的折皺恢復性，但其降低幅度也較大。

（2）通過非線性回歸分析，得到試樣抗皺水平（標準條件下的折皺回復角）、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度與溫/濕復合環(huán)境下織物的折皺回復角之間關系的預測模型。模型的R2為0.978，且模型通過F檢驗（F=385.220，p=0.000＜0.05），說明模型有意義，模型預測值與真實值的殘差絕對值均在3倍標準差以內(nèi)，證實該模型擬合和預測效果較好。因此，本模型可以以標準條件下的折皺回復角為基礎，預測出經(jīng)軋烘焙工藝整理后的織物在0～80℃溫度區(qū)間和RH30%～90%濕度區(qū)間環(huán)境下的折皺回復角，進而判定織物耐溫、濕度變化的保形穩(wěn)定性。