熱壓工藝對(duì)滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力的影響及優(yōu)化控制

鄭 幃 劉倩男 莊旭品 汪曉銀*

（1天津工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，天津 300387）

（2天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387）

水污染以及淡水資源匱乏都是當(dāng)今全球面臨的主要問(wèn)題之一[1]。膜分離技術(shù)在水處理方面具有高效率、低能耗、自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢(shì)，是緩解淡水資源短缺的有效途徑[2-3]。

目前，微濾、超濾、納濾以及反滲透技術(shù)在我國(guó)水凈化、水處理領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用，相應(yīng)分離膜的研發(fā)也得到了快速發(fā)展[4-7]。納濾膜和反滲透膜等分離膜被廣泛應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)通常包括一層極薄的皮質(zhì)層、聚合物多孔支撐層和織物支撐層。皮層通常為聚酰胺薄膜脫鹽層，其功能是保留溶質(zhì)，多孔支撐層為膜提供了一定的強(qiáng)度，通常是由聚砜或聚醚砜等聚合物在相分離過(guò)程中產(chǎn)生的，底層的織物層可以是機(jī)織物、針織物或非織造布，主要為膜提供高強(qiáng)度的機(jī)械支撐[8-9]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜的機(jī)械強(qiáng)度不足時(shí)，膜在運(yùn)行過(guò)程中的變形對(duì)膜的結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響[10-11]。理想的分離膜支撐體應(yīng)具有均勻光滑的表面、合適的孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)性能，這是評(píng)價(jià)反滲透膜支撐體性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)[10,12-14]。

濕法非織造技術(shù)所制備的非織造布表面平整均勻，力學(xué)性能優(yōu)異，具有各向同性，被廣泛應(yīng)用于分離膜支撐體[15-16]。在濕法成網(wǎng)過(guò)程中，通常將低熔點(diǎn)纖維與高熔點(diǎn)纖維混合分散在水介質(zhì)中形成纖維懸浮液并輸送到成網(wǎng)機(jī)構(gòu)，纖維在濕態(tài)下成網(wǎng)并烘干。濕法技術(shù)突破了傳統(tǒng)的紡織原理，該技術(shù)無(wú)需對(duì)纖維原料進(jìn)行反復(fù)加工，大大降低了能耗，節(jié)省了人力物力。然而，濕法技術(shù)所形成的非織造布纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度較低，纖維網(wǎng)通常是疏松的。因此，需要對(duì)濕法非織造布進(jìn)行物理或化學(xué)處理，以克服這些缺點(diǎn)，提高其力學(xué)性能[17]。熱壓粘合工藝是提高濕法非織造布機(jī)械性能的一種有效方法。通過(guò)熱壓輥或熱壓板對(duì)非織造布進(jìn)行加熱加壓，低熔點(diǎn)纖維在壓力和溫度的聯(lián)合作用下逐漸軟化熔融，在纖維間流動(dòng)和擴(kuò)散，冷卻后，纖維被粘接，從而提升了纖維間的結(jié)合力，非織造布的機(jī)械性能也會(huì)隨之提升[18-19]。

非織造材料的力學(xué)性能不僅受到濕法成網(wǎng)均勻性的影響，還受到熱壓溫度、時(shí)間和壓力等不同熱壓參數(shù)的影響。上述三種工藝參數(shù)的配合調(diào)整對(duì)非織造布材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有顯著影響，如果僅采用全試驗(yàn)設(shè)計(jì)，顯然加重了實(shí)驗(yàn)難度。因此本文選擇正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

1 滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力的熱壓工藝影響實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)中非織造材料制備所用纖維：常規(guī)滌綸纖維（PET-260），0.5 D*3 mm，熔點(diǎn)260℃，寶泓新材料有限公司（廣州，中國(guó)）；低熔點(diǎn)滌綸纖維（PET UDY），1.6 D*5 mm，熔點(diǎn)180℃,東麗（中國(guó)）投資有限公司；聚氧乙烯（PEO），500 kDa，阿拉丁試劑有限公司（上海，中國(guó)）。

實(shí)驗(yàn)中非織造材料制備所用儀器：纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器，AT-XW，山東安尼麥特儀器（中國(guó)）；濕法成型器，山東安尼麥特儀器（中國(guó)）；平板熱壓機(jī)，PCH-600DG，天津恒創(chuàng)科技（中國(guó)）；磁力攪拌器，78-1，山東魯華電熱儀器（中國(guó)）；萬(wàn)能強(qiáng)力測(cè)試儀，YG028，溫州方圓儀器（中國(guó)）；數(shù)字測(cè)厚儀，YG141LA,萊州市電子儀器（中國(guó)）。

1.2 滌綸濕法非織造材料制備

滌綸濕法非織造材料通過(guò)現(xiàn)代濕法造紙工藝和熱壓技術(shù)制備得到。首先，在纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器的槽桶內(nèi)中加入2 250 mL水、2 mL 0.5% PEO分散劑以及6:4比例的1.507 g PET-260纖維和1.005 g PET UDY纖維，啟動(dòng)解離器分散纖維以形成纖維懸浮液。然后，將懸浮液倒入紙頁(yè)成型器的容器中以排干絕大部分水形成濕的纖維網(wǎng)，將濕纖網(wǎng)在100°C下干燥10 min形成滌綸濕法非織造材料。最后，通過(guò)平板熱壓機(jī)對(duì)滌綸濕法非織造材料進(jìn)行熱壓粘合從而獲得滌綸濕法非織造薄膜。

1.3 熱壓參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3.1 控制因素

本文通過(guò)濕法成網(wǎng)-熱壓工藝制備滌綸濕法非織造材料，探究熱壓工藝參數(shù)對(duì)非織造材料性能的影響。將熱壓工藝參數(shù)（熱壓溫度、熱壓壓力以及熱壓時(shí)間）作為控制因素，探究熱壓工藝參數(shù)對(duì)非織造材料的斷裂強(qiáng)力的影響及優(yōu)化熱壓工藝條件。經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定了熱壓工藝參數(shù)的范圍。其中，熱壓溫度：205℃，210℃，215℃；熱壓壓力15 Pa，16 Pa，17 Pa；熱壓時(shí)間20 s，30 s，40 s。

1.3.2 正交試驗(yàn)表

根據(jù)控制因素的取值，設(shè)計(jì)了熱壓溫度、熱壓壓力以及熱壓時(shí)間的三因素三水平L9（34）的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體情況見(jiàn)表1。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

依據(jù)正交試驗(yàn)表制備滌綸非織造材料，測(cè)量其斷裂強(qiáng)力。為了使數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)研究交互作用的效應(yīng)，需在同一組控制因素下重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，依次將9次正交試驗(yàn)的熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時(shí)間、斷裂強(qiáng)力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列出，見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.4 滌綸濕法非織造材料的形貌表征

滌綸濕法非織造材料的斷裂強(qiáng)力采用萬(wàn)能強(qiáng)力測(cè)試儀進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。圖1為滌綸濕法非制造材料熱壓前后的掃描電鏡圖，其中a,b,c,d分別表示滌綸濕法非織造材料熱壓前表面、熱壓前橫截面、熱壓后表面、熱壓后橫截面。給出這些電鏡圖目的是觀察熱壓之前和之后的非織造材料表面和橫截面的變化情況。如圖1（a,b），在熱壓之前纖維相互纏繞，并且排列松散無(wú)序，滌綸濕法非織造材料的整體結(jié)構(gòu)是多空且疏松的；圖1（c,d），熱壓后的滌綸濕法非織造材料的整體結(jié)構(gòu)變得緊密且孔隙減小。

圖1 滌綸濕法非織造材料的掃描電鏡圖

2 滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力的影響工藝分析

2.1 交互性方差分析基本理論

交互性方差分析需要假定在不同水平組合下樣本相互獨(dú)立[20],且Xijk～N(μijk,σ2)，i,j,k=1,2,3。其中i,j,k分別表示為熱壓溫度、熱壓壓力以及熱壓時(shí)間的水平。記為

稱μ為一般平均，αi為熱壓溫度的第i個(gè)水平的效應(yīng)，βj為熱壓壓力的第j個(gè)水平的效應(yīng)，γk為熱壓時(shí)間的第k個(gè)水平的效應(yīng)，顯然滿足關(guān)系式[20]

若μijk≠μ+αi+βj+γk，則μijk-μ-αi-βjγk=τij+λjk+ωik+θijk，其中，τij為熱壓溫度的第i個(gè)水平與熱壓壓力的第j個(gè)水平的交互效應(yīng)；λjk為熱壓壓力的第j個(gè)水平與熱壓時(shí)間的第k個(gè)水平的交互效應(yīng)；ωik為熱壓溫度的第i個(gè)水平與熱壓時(shí)間的第k個(gè)水平的交互效應(yīng)；θijk為熱壓溫度的第i個(gè)水平與熱壓壓力的第j個(gè)水平以及熱壓時(shí)間的第k個(gè)水平的交互效應(yīng)，則數(shù)學(xué)模型如下：

現(xiàn)假設(shè)檢驗(yàn)為：

2.2 影響工藝分析

為了更好的分析控制因素以及它們之間的交互作用對(duì)非織造材料斷裂強(qiáng)力的影響，選擇運(yùn)用熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時(shí)間、熱壓溫度*熱壓壓力、熱壓溫度*熱壓時(shí)間、熱壓壓力*熱壓時(shí)間以及熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間的方差分析對(duì)滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 熱壓參數(shù)對(duì)斷裂強(qiáng)力的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

表2中第一次檢驗(yàn)結(jié)果表示全因素檢驗(yàn)結(jié)果，第二次檢驗(yàn)結(jié)果表示去掉“熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”交互的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。表2的第一次檢驗(yàn)結(jié)果表明：“熱壓溫度”、“熱壓時(shí)間”、“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時(shí)間”以及“熱壓壓力*熱壓時(shí)間”，它們的P值均小于0.05，所以這些因素均對(duì)滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力具有顯著性影響；“熱壓壓力”的P值大于0.05，因此“熱壓壓力”對(duì)濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力沒(méi)有顯著性影響；“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”的F值為0，P值計(jì)算不出，無(wú)法說(shuō)明“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”對(duì)斷裂強(qiáng)力是否有影響。

表2中第一次檢驗(yàn)結(jié)果還能說(shuō)明它們對(duì)斷裂強(qiáng)力有顯著性影響因素的主次效應(yīng)。從表2中可知，“熱壓溫度”對(duì)應(yīng)的F值為22.44，“熱壓壓力”對(duì)應(yīng)的F值為2.41，“熱壓時(shí)間”對(duì)應(yīng)的F值為6.02，“熱壓溫度*熱壓壓力”對(duì)應(yīng)的F值為5.69，“熱壓溫度*熱壓時(shí)間”對(duì)應(yīng)的F值為3.89，“熱壓壓力*熱壓時(shí)間”對(duì)應(yīng)的F值為13.9。F值越大就越說(shuō)明影響就越重要，因此主效應(yīng)排序依次是“熱壓溫度”、“熱壓壓力*熱壓時(shí)間”、“熱壓時(shí)間”、“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時(shí)間”、“熱壓壓力”。

“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”的F值、P值出現(xiàn)異常的情況，選擇利用SAS軟件檢驗(yàn)“熱壓溫度”、“熱壓壓力”、“熱壓時(shí)間”三者之間的相關(guān)性，結(jié)果表明：“熱壓溫度*熱壓壓力”與“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”、“熱壓時(shí)間*熱壓壓力”與“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”、“熱壓溫度*熱壓時(shí)間”與“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”這三對(duì)之間是相關(guān)的。因此，“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”可以由“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時(shí)間”、“熱壓時(shí)間*熱壓壓力”表示，故“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”可以忽略。去掉“熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時(shí)間”重新檢驗(yàn)，得到最終的檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2的第二次檢驗(yàn)結(jié)果。

表2的第二次檢驗(yàn)結(jié)果表明：“熱壓溫度”、“熱壓時(shí)間”、“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時(shí)間”以及“熱壓壓力*熱壓時(shí)間”F值均是無(wú)窮大，P值均小于0.000 1，小于0.05，因此“熱壓溫度”、“熱壓時(shí)間”、“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時(shí)間”以及“熱壓壓力*熱壓時(shí)間”均對(duì)濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力有顯著性影響。

3 滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力的熱壓工藝優(yōu)化控制

3.1 正交回歸設(shè)計(jì)基本理論

正交回歸設(shè)計(jì)是指試驗(yàn)方案的結(jié)構(gòu)矩陣具有正交性的回歸設(shè)計(jì)，是在正交設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，可建立方程。其突出優(yōu)點(diǎn)是用很少的處理組合得出完全試驗(yàn)相同項(xiàng)數(shù)的回歸模型，計(jì)算過(guò)程極為簡(jiǎn)單并已消除了回歸系數(shù)之間的相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)性質(zhì)得到了明顯改善。

對(duì)于正交回歸模型，其中包括常數(shù)項(xiàng)、線性項(xiàng)、線性交互作用項(xiàng)及二次項(xiàng)，在該文中將熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時(shí)間作為自變量。需要說(shuō)明的是，由影響工藝分析發(fā)現(xiàn)，熱壓壓力對(duì)濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力沒(méi)有顯著影響，因此這里不考慮熱壓壓力以及熱壓壓力自身的交互，但是由于熱壓溫度、熱壓時(shí)間對(duì)其有顯著性影響，這里認(rèn)為熱壓溫度和熱壓壓力的交互、熱壓時(shí)間和熱壓壓力的交互是有影響的，因此得出二次正交回歸模型為：

其中，δl(l=0,1,…,7)表示回歸系數(shù)；x1,x2,x3分別表示熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時(shí)間；兩者的乘積表示其交互效應(yīng)，比如：x1,x2表示熱壓溫度和熱壓壓力的交互效應(yīng)；ε表示誤差。用y表示斷裂強(qiáng)力。

3.2 最優(yōu)熱壓工藝控制點(diǎn)的計(jì)算

運(yùn)用SAS軟件，建立了正交回歸方程，并對(duì)模型和回歸系數(shù)進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，詳見(jiàn)表3。

表3 斷裂強(qiáng)力的二次正交回歸方程

表3第一次計(jì)算結(jié)果表示初步的二次正交回歸方程，第二次計(jì)算結(jié)果表示最終的二次正交回歸方程。表3的第一次計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的系數(shù)為0，而t值以及它的概率均沒(méi)有顯示，這是由于它可以由其他的因素表示出來(lái)，即

該方程表明它與其他各個(gè)因素都存在著相關(guān)性。因此，需要重新調(diào)整模型，不考慮熱壓壓力、熱壓溫度與熱壓時(shí)間之間的交互、熱壓壓力與自身的交互以及熱壓溫度，熱壓壓力和熱壓時(shí)間三者之間的交互，得到新的二次正交回歸模型（見(jiàn)表3的第二次計(jì)算結(jié)果）。

為了進(jìn)一步優(yōu)化滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力，這里給出優(yōu)化模型（目標(biāo)函數(shù)和約束條件）來(lái)求解最佳控制點(diǎn)以及滌綸濕法非織造材料的最大斷裂強(qiáng)力。具體模型如下所示：

利用LINGO軟件求解，得到x1=206.55℃，x2=15.17??Pa，x3=48.63??s，y=80.87??N，即在熱壓溫度為206.55℃，熱壓壓力為15.17 Pa，熱壓時(shí)間為48.63 s時(shí)，材料最大斷裂強(qiáng)力為80.87 N。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論結(jié)果的正確性，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先，在纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器的槽桶內(nèi)中加入2250 mL水、2 mL 0.5% PEO分散劑以及6:4比例的1.507 g PET-260纖維和1.005 g PET UDY纖維，啟動(dòng)解離器分散纖維以形成纖維懸浮液。其次，將懸浮液倒入紙頁(yè)成型器的容器中以排干絕大部分水形成濕的纖維網(wǎng)，將濕纖網(wǎng)在100°C下干燥10 min形成滌綸濕法非織造材料。然后，通過(guò)平板熱壓機(jī)在x1=206.55 ℃ ，x2=15.17??Pa，x3=48.63??s，y=80.87??N條件下對(duì)滌綸濕法非織造材料進(jìn)行熱壓粘合從而獲得滌綸濕法非織造薄膜。運(yùn)用萬(wàn)能強(qiáng)力測(cè)試儀上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)并記錄斷裂強(qiáng)力值。

經(jīng)過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)，可以得到滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力為78.9 N。然而理論求得的滌綸濕法非織造材料最大斷裂強(qiáng)力為80.87 N，兩者數(shù)值差距很小，誤差大約在2%左右。顯示斷裂強(qiáng)力的優(yōu)化控制合理有效。

4 結(jié)論與討論

在對(duì)滌綸濕法非織造材料斷裂強(qiáng)力建立二次正交回歸方程之前，需要利用正交試驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并做方差分析。根據(jù)方差分析的結(jié)果建立二次正交回歸方程，并將正交回歸方程作為求解最佳工藝條件的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)優(yōu)化求解得到最佳控制工藝點(diǎn)。這種研究思路和方法可以為其他材料制備提供參考。

運(yùn)用方差分析研究因素對(duì)因變量的影響，因素之間的交互作用是非常重要的。因此需要做重復(fù)實(shí)驗(yàn)研究它們之間的交互作用。交互作用可以為建立正交二次回歸提供參考，從而減少回歸自變量個(gè)數(shù)，降低模型建立的難度。

尋找最佳工藝條件，也可以嘗試用其他方法，如更高次數(shù)的回歸。但這需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求也隨之提高。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不變的情況下，選擇其他非線性回歸也是一個(gè)嘗試，如對(duì)數(shù)線性回歸、半對(duì)數(shù)線性回歸等。

對(duì)濕法非制造材料斷裂強(qiáng)力進(jìn)行優(yōu)化控制，是為了得到斷裂強(qiáng)力最好的滌綸濕法非織造材料，這有利于在此基礎(chǔ)上制備性能更好的膜，使得制備非織造材料的質(zhì)量達(dá)到最佳，以便在紡織行業(yè)得到更好的應(yīng)用。