基于插層熔噴非織造材料的綜合分析及預(yù)測(cè)研究

林子榆，李 濤，黃海燕

（廣州華商學(xué)院 廣州 增城 511300）

0 引言

熔噴非織造材料是口罩生產(chǎn)的重要原材料，具有很好的過(guò)濾性能，其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外企業(yè)的廣泛關(guān)注。在熔噴非織造材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，3D 熔噴聚丙烯材料厚度越薄，試樣孔隙率越高，透氣性越好，但抗壓性能越差[1]。在高速高溫氣流中，不利于熔體均勻牽伸，從而伴隨超細(xì)纖維的產(chǎn)生，甚至?xí)霈F(xiàn)纖維直徑差異較大的情況[2]。水駐極、電暈駐極熔噴非織造材料表面都能產(chǎn)生正負(fù)電荷，且呈隨機(jī)分布[3]。所以，由于熔噴非織造材料纖維非常細(xì)，在使用過(guò)程中經(jīng)常因?yàn)閴嚎s回彈性差而導(dǎo)致其性能得不到保障。因此，科學(xué)家們創(chuàng)造出插層熔噴法，即通過(guò)在聚丙烯（PP）熔噴制備過(guò)程中將滌綸（PET）短纖等纖維插入熔噴纖維流，制備出了“Z型”結(jié)構(gòu)的插層熔噴非織造材料。

插層熔噴非織造材料制備工藝參數(shù)較多，參數(shù)之間還存在交互影響，加上插層氣流之后更為復(fù)雜，因此，通過(guò)工藝參數(shù)（接收距離和熱空氣速度）決定結(jié)構(gòu)變量（厚度、孔隙率、壓縮回彈性），而由結(jié)構(gòu)變量決定最終產(chǎn)品性能（過(guò)濾阻力、過(guò)濾效率、透氣性）的研究也變得較為復(fù)雜。

1 插層熔噴非織造材料工藝原理

常見(jiàn)的熔噴非織造布的生產(chǎn)過(guò)程一般是聚合物的喂入—熔融后擠出—原料的過(guò)濾—原料的計(jì)量—噴絲—成網(wǎng)—卷取—后加工—產(chǎn)品[4]；是利用聚丙烯熔噴制備過(guò)程中將滌綸短纖等纖維插入熔噴纖維流，將熔體進(jìn)行有效的牽伸及冷卻，最終形成網(wǎng)簾進(jìn)行加固，成為聚丙烯熔噴非織造布。

1.1 基于結(jié)構(gòu)變量、產(chǎn)品性能綜合分析

1.1.1 皮爾遜相關(guān)性分析

判斷插層率對(duì)結(jié)構(gòu)變量的哪一個(gè)因素影響更為顯著，如表1所示。壓縮回彈性率的相關(guān)系數(shù)為0.01，說(shuō)明插層率對(duì)壓縮回彈性率的影響更為顯著。

表1 結(jié)構(gòu)變量和插層率的相關(guān)性分析

表2（續(xù)）

判斷插層率對(duì)產(chǎn)品性能的哪一個(gè)因素影響更為顯著：可以從表2中看出過(guò)濾阻力的相關(guān)系數(shù)為0.248，為三者最小值，說(shuō)明插層率對(duì)過(guò)濾阻力的影響更為顯著。

表2 產(chǎn)品性能和插層率的相關(guān)性分析

1.1.2t檢驗(yàn)配對(duì)

通過(guò)將插層前后的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)變量、產(chǎn)品性能的各變量進(jìn)行對(duì)比，為插層率是否造成結(jié)構(gòu)變量和產(chǎn)品性能的變化作依據(jù)。

通過(guò)在GraphPad 建立配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，比較數(shù)據(jù)之間的差異關(guān)系，從圖1可以看出厚度、孔隙率、過(guò)濾阻力、過(guò)濾效率和透氣率的數(shù)值在未插層到插層后出現(xiàn)了顯著的變化趨勢(shì)，而壓縮回彈性率在未插層到插層后并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的變化趨勢(shì)。

圖1 插層率與結(jié)構(gòu)變量、產(chǎn)品性能配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)

1.1.3 多維矩陣尺度

Formatrix

Stress=.02150RSQ=.99954

通過(guò)多維尺度分析，從圖2中可以看出K 壓力指標(biāo)值為0.0215，RSQ=0.99954，說(shuō)明模型擬合很好。

圖2 結(jié)構(gòu)變量之間的多維尺度分析

Formatrix

Stress=.01549RSQ=.99976

通過(guò)多維尺度分析，從圖3可以看出K 壓力指標(biāo)值為0.01549，RSQ=0.99976，說(shuō)明模型擬合很好。從二維感知圖看出每一個(gè)維度都存在著差不多數(shù)量的組別，且右邊維度中的組別分布比較密集，所以在使用這些組別進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)更偏向于準(zhǔn)確值。

圖3 產(chǎn)品性能之間的多維尺度分析

2 基于插層熔噴非織造材料的預(yù)測(cè)研究

2.1 結(jié)構(gòu)變量相關(guān)范圍預(yù)測(cè)——多重插補(bǔ)法

多重插補(bǔ)法是在控制變量的基礎(chǔ)上，以加權(quán)平均的方法將原先沒(méi)有的熱風(fēng)速度的結(jié)構(gòu)變量算出來(lái)，并與源數(shù)據(jù)結(jié)合，以多重插補(bǔ)的方法將數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)，結(jié)果如下：

通過(guò)控制變量，先將沒(méi)有出現(xiàn)的熱風(fēng)速度以均值求得，如熱風(fēng)速度（850、950、1150、1250），公式展示：

在接收距離依次為40、35、30、25、20 前提下的各變量取值：

M=(3.28,2.69,2.00,2.07)

N=(96.77,96.13,96.07,95.44,94.89)

P=(84.61,86.35,90.29,84.54,87.33)

X0=（33.59，42.75，90.29，84.54，87.33）

2.2 工藝參數(shù)與過(guò)濾效率的相關(guān)預(yù)測(cè)——灰色關(guān)聯(lián)度

在進(jìn)行多重插補(bǔ)法的基礎(chǔ)上，將工藝參數(shù)與過(guò)濾效率進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，進(jìn)而得到關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)的變量，并以此為依據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，結(jié)果如表4所示。

表4 工藝參數(shù)與過(guò)濾效率關(guān)聯(lián)度分析

通過(guò)表4判斷關(guān)聯(lián)度的大小，我們能發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)速度比接收距離對(duì)過(guò)濾效率的影響更大，進(jìn)而以熱風(fēng)速度為主、接收距離為輔進(jìn)行篩選。最終，以熱風(fēng)速度為主、接收距離為輔，在表3預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變量的范圍下，以工藝參數(shù)：接收距離23 cm、熱風(fēng)速度為1 250 r/min 為最優(yōu)選項(xiàng)。

表3 多重插補(bǔ)法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變量

2.3 工藝參數(shù)與過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力的相關(guān)預(yù)測(cè)

2.3.1 背景

在口罩生產(chǎn)過(guò)程中，如果可以保證過(guò)濾效率盡可能地高，而過(guò)濾阻力盡可能地低，將可以極大程度保證口罩生產(chǎn)的性能。因此，與過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力有關(guān)的工藝參數(shù)預(yù)測(cè)范圍成為本文的研究方向。

2.3.2 數(shù)據(jù)約束條件篩選

0 ＜L ＜100，0 ＜v ＜20

0 ＜m ＜3，0 ＜P ＜85%

2.3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

第一步：選擇參考序列X0=(X01，X02，X03，X04，X05，X06，X07,X08)；比較序列Xi=(Xi1，Xi2，Xi3，Xi4，Xi5，Xi6，Xi7,Xi8)，其中i=1，2，3，…，n。

第二步：對(duì)變量進(jìn)行無(wú)量綱化處理。常用方法有初值法、均值法等。此處運(yùn)用初值法，得到Xi=Xi/Xi1=(Xi1，Xi2，…，Xin)，i=0，1，2，…，m。

第三步：求出差序列、最大差和最小差。差序列為：△0i(k)=|x0(k)－xi(k)|，k=1，2，…，n。

最大差為：M=MaxiMaxk△i(k)

最小差為：m=MiniMink△i(k)

第四步：計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

r(x0(k)，xi(k))=(m+§M)/(△0i(k)+§M)，§∈(0，1),k=1，2，…，n；

i=0，1，2，…，m。其中§為分辨系數(shù)，常取§=0.5。

第五步：求關(guān)聯(lián)度。

r(x0，xi)=；i=0，1，2，…，m。

第六步：分析結(jié)果。若r(x0，xi)＞r(x0，xj)＞r(x0，xk)＞…＞r(x0，xz)，則表示xi優(yōu)于xj，xj優(yōu)于xk，其余依此類(lèi)推。記xi＞xj＞xk＞…＞xz。其中，xi＞xj表示因子xi對(duì)參考序列x0 的灰色關(guān)聯(lián)度大于xj。關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明該組因素與母因素之間的緊密程度越強(qiáng)。

通過(guò)表5最后關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)速度與過(guò)濾效率的關(guān)聯(lián)度最高為0.737，而過(guò)濾阻力與接收距離的關(guān)聯(lián)度最高為0.631。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾效率對(duì)工藝參數(shù)兩者的關(guān)聯(lián)度均高于過(guò)濾阻力的最高關(guān)聯(lián)值。所以我們將以過(guò)濾效率為主變量，過(guò)濾阻力為輔變量進(jìn)行判別工藝參數(shù)準(zhǔn)確值[5]。

表5 過(guò)濾效率與過(guò)濾阻力之間灰色關(guān)聯(lián)度分析

后續(xù)，基于口罩生產(chǎn)法則，過(guò)濾效率盡可能地高和過(guò)濾阻力盡可能地低的背景下，我們將過(guò)濾效率的約束范圍控制在70%以上，過(guò)濾阻力控制在30 Pa 以下，篩選出五組數(shù)據(jù)，分別為：

綜上，如表6所示，采取過(guò)濾效率為主變量、過(guò)濾阻力為輔變量，組號(hào)為74 組的數(shù)據(jù)在工藝參數(shù)：接收距離為20 cm、熱風(fēng)速度為1 200 r/min 為最優(yōu)范圍。

表6 約束條件的數(shù)據(jù)篩選

3 結(jié)論

通過(guò)調(diào)查，將插層前后的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)變量、產(chǎn)品性能進(jìn)行一一對(duì)比，發(fā)現(xiàn)除壓縮回彈性率以外的變量均在插層前后發(fā)生了顯著的變化，為插層率是否造成結(jié)構(gòu)變量和產(chǎn)品性能的變化作依據(jù)。與此同時(shí)，多維尺度分析顯示，結(jié)構(gòu)變量與產(chǎn)品性能的數(shù)據(jù)皆形成擬合效果很好的模型，為數(shù)據(jù)可靠性以及有效性奠定基礎(chǔ)；由于工藝參數(shù)的取值范圍對(duì)產(chǎn)品性能的穩(wěn)定起到相當(dāng)大的作用；在工藝參數(shù)與過(guò)濾效率的關(guān)系中，預(yù)測(cè)工藝參數(shù)為接收距離23 cm、熱風(fēng)速度為1 250 r/min 為最優(yōu)選項(xiàng)。在工藝參數(shù)考慮過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力的關(guān)系中，工藝參數(shù)為接收距離20 cm、熱風(fēng)速度為1 200 r/min 為最優(yōu)選項(xiàng)。