折光率法在蠶絲精練中的應用

殷 英, 李楚楚, 沈一峰, 周 青, 姜建堂, 雷 斌, 梁 輝, 張金珍

(1.浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院),杭州 310018; 2.浙江理工大學紹興柯橋研究院,浙江 紹興 312000;3.達利絲綢(浙江)有限公司,浙江 紹興 312500)

蠶絲主要由絲素和絲膠組成,為了方便后續(xù)的染色加工,需要經(jīng)過精練工藝除去絲膠。常用的精練方法有連桶堿精法,即在桶中完成一次精練后,通過補加堿和精練劑繼續(xù)用于精練。工藝流程為浸泡→初練→復練→熱水洗→出水,其中精練脫膠的重要工序是初練,初練的脫膠率一般在20%～25%[1]。工廠為了節(jié)約物料和提高加工效率,通常以浸泡桶、初練桶、復練桶為一組,采用翻桶工藝進行加工,即新桶首先作為復練桶,然后再依次作為初練桶和浸泡桶。隨著絲膠的脫落,精練桶中的絲膠質量濃度會越來越大。一般初練桶連續(xù)4～6次后,由于絲膠質量濃度過高,蠶絲的脫膠率會大幅度下降,無法滿足品質要求,則需排掉廢液,重新?lián)Q桶。

目前,測定蠶絲脫膠率的標準為FZ/T 40004—2009《蠶絲含膠率試驗方法》,該方法準確度高,但需要3～4 h,耗時較長,無法及時反饋以指導實際生產(chǎn)。有學者研究了顯色法,期望通過特定的試劑使蠶絲發(fā)生顏色變化,從而快速判斷脫膠率。如?，摰萚2]采用染料染色法,將脫膠率不同的蠶絲染色,然后制成標準色板,通過顏色的比對來判斷脫膠率。張顯華等[3]采用苦味酸—胭脂紅染色脫膠率不同的蠶絲,絲膠脫凈為黃色,未脫凈的為紅色。但神勇等[4]利用氨基酸—重氮鹽偶合反應來推算蠶絲脫膠率。然而顯色法也存在判斷時間長、視覺判斷誤差等問題,在實際生產(chǎn)過程中,技術人員仍然是通過眼看手摸的經(jīng)驗來判斷蠶絲脫膠率和連桶次數(shù)。

折光率也叫折光指數(shù),是物質重要的物理常數(shù)之一。有研究報道,當溫度恒定時折光率與物質的濃度呈極顯著的線性正相關[5-7]。折光率法簡單便捷,在精細化工[8]、食品檢測[9]等領域都有著非常廣泛的應用,然而在蠶絲精練領域鮮有報道。本文采用線性回歸分析的方法建立了絲膠、純堿、精練劑質量濃度和折光率的線性回歸模型,并探究了蠶絲精練液折光率和脫膠率的關系,以期通過折光率快速判斷脫膠率和連桶次數(shù),這對于實際生產(chǎn)有一定的指導意義。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

材料:SHJ-A-01純堿(湖北雙環(huán)科技股份有限公司)、AR617蠶絲精練劑(泰興中紡興泰新材料有限公司),TF-125S蠶絲精練劑(浙江傳化股份有限公司),蠶絲素縐緞19姆米生坯、蠶絲斜紋綢16姆米生坯、蠶絲素縐緞14姆米生坯、絲膠粉(達利絲綢(浙江)有限公司)。

儀器:高溫高壓染色小樣機(佛山亞力諾精密機械制造有限公司),量程0～32%的MDS-FNW55數(shù)字折光儀(邁德施(上海)分析儀器有限公司)。

1.2 方 法

1.2.1 絲膠液的制備

取適量蠶絲生坯放入高溫高壓染色杯中,浴比60︰1,在125 ℃條件下精練1 h。染色杯中精練液反復使用多次,直至精練液變稠或脫膠后的蠶絲手感明顯變硬。每次精練完后取出蠶絲,收集精練液。將收集的精練液放入50 ℃烘箱中除水濃縮,采用烘干稱重法,得到質量濃度為50 g/L的絲膠溶液,然后按表1配制成不同質量濃度備用。

表1 三種溶液的折光率

1.2.2 折光率的測定

使用數(shù)字折光儀測試之前,先用去離子水進行校準。將不同質量濃度絲膠溶液分成A、B、C三組,每組約1～3 mL,裝入一次性5 mL離心管中。A組溶液放置在裝有自來水的燒杯中搖晃冷卻至常溫,溫度為(25±2) ℃,B組和C組通過水浴鍋保溫,溫度分別為(30±2) ℃和(40±2) ℃。然后用一次性吸管吸取少量待測液,固定滴入8滴至折光儀的盛液區(qū),按讀數(shù)鍵,重復5次,取平均值。

1.2.3 實驗數(shù)據(jù)處理

一元線性回歸模型,如下式所示:

Y=α+βx

(1)

式中:α、β為常數(shù);x為絲膠、純堿或精練劑的質量濃度。

多元線性回歸模型,如下式所示:

Y=β0+β1x1+β2x2+β3x3

(2)

式中:β0、β1、β2、β3為常數(shù);x1、x2、x3分別為絲膠、純堿和精練劑的質量濃度。

根據(jù)以上兩類線性回歸模型,實驗所得數(shù)據(jù)借助SPSS統(tǒng)計分析軟件進行線性擬合和參數(shù)計算,擬合程度采用R2進行評價,R2值介于[0,1],越接近于1表示擬合程度越好。

1.2.4 精練液中含固量測定

取適量精練液于錫紙盒中,120 ℃烘干至恒重。根據(jù)下式計算蠶絲精練液的含固量:

C=(W2-W1)/V

(3)

式中:C為含固量,g/L;W1為錫紙盒的質量,g;W2為烘干后蠶絲精練液和錫紙盒的質量,g;V為烘干前精練液的體積,L。

重復3次,取平均值。

1.2.5 蠶絲脫膠率的計算

根據(jù)下式計算脫膠率:

P/%=[(M0-M1)/M0)]×100

(4)

式中:P為脫膠率,%;M0為脫膠前干重,g;M1為脫膠后干重,g。

2 結果與分析

2.1 三種溶液的一元線性回歸模型

蠶絲精練的主要助劑是純堿和精練劑,常溫下分別測定絲膠、純堿、精練劑不同濃度的折光率。由表1可見,三種溶液的折光率都隨著溶液質量濃度的增大呈正向變化,但是純堿和精練劑的折光率出現(xiàn)了分段情況,當純堿質量濃度小于3 g/L、精練劑質量濃度小于11 g/L時,溶液的折光率為0。同時對比不同廠家的蠶絲精練劑,均呈現(xiàn)相同的規(guī)律,質量濃度一致時,折光率僅相差0.1。以溶液質量濃度為自變量、折光率為因變量,對三種溶液進行一元線性擬合,擬合曲線如圖1所示,擬合結果如表2所示。三種溶液的擬合優(yōu)度R2都大于0.990,說明絲膠、純堿、精練劑的質量濃度與折光率有著非常好的線性關系,線性回歸模型吻合度高。

圖1 三種溶液線性擬合曲線

表2 三種溶液的一元線性擬合結果

2.2 混合溶液的多元線性回歸模型

蠶絲精練液是絲膠、純堿、精練劑的混合溶液,對于多個自變量間的線性關系,宜采用多元線性回歸分析法[10-11]。本文按表3配制25組絲膠混合液并測定折光率,擬合結果如表4所示。由表4可知,絲膠、純堿、精練劑的顯著性都小于0.05,隨機誤差非常小,假設結果可接受,說明絲膠、純堿和精練劑都對混合液的折光率有明顯影響。擬合后的多元線性回歸方程為Y=0.117x1+0.123x2+0.029x3-0.13,其擬合優(yōu)度R2等于0.998,說明多元線性回歸方程擬合程度高。

2.3 精練液線性模型的選擇

按照工廠工藝,初練桶每次純堿的補加量為0.1～2 g/L,精練劑的補加量為0.1～3 g/L。隨著精練桶連桶次數(shù)的增加,除了絲膠質量濃度逐漸增大外,純堿和精練劑的質量濃度也在增大,理論上可以通過記錄助劑的補加量計算出精練液中各助劑的質量濃度,但實際上這個計算是十分困難的。因為蠶絲進入和離開初練桶時會帶入和帶走大量水和助劑,同時絲膠還會和助劑發(fā)生反應。

表3 混合溶液折光率

表4 絲膠混合液多元線性回歸分析結果

為了選擇合適的線性模型,本文做出兩種假設。假設一:純堿和精練劑對折光率無明顯影響,只需考慮絲膠質量濃度,適用一元線性模型。假設二:純堿和精練劑對折光率有較大影響,除絲膠質量濃度外,還需要考慮純堿和精練劑的質量濃度,適用多元線性模型。本文計算時將精練液的含固量近似等于絲膠含固量,數(shù)據(jù)如表5所示。通過對比兩種假設的折光率偏差,可知假設一的折光率偏差更小,相對更加準確。另外,由表2中絲膠溶液一元線性方程Y=0.116 6x-0.002 7推導可知,假設一中最大折光率偏差為0.1時,其對應的絲膠質量濃度偏差值為0.9 g/L,此質量濃度偏差很小,并不會對蠶絲脫膠率有很大的影響。為簡化計算,本文選擇絲膠溶液一元線性模型較為實用。

表5 生產(chǎn)線上蠶絲精練液折光率

2.4 溫度對絲膠溶液折光率的影響

折光率的大小與溶液性質、光線波長及溶液溫度有關[12],其他條件固定時,溫度升高,折光率會變小[13]。雖然常見的折光率儀都帶有自動調溫功能,但是當溫度較高時,其調溫作用是有限的,故選擇和控制合適的溫度對通過折光率判斷絲膠質量濃度的準確度十分重要。表6和圖2為絲膠溶液在不同溫度下的折光率變化情況,可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的上升,折光率會變小,這是因為絲膠含有大量羥基、羧基、氨基等親水基團,具有很好的水溶性。當溫度升高時,絲膠和水分子一樣會發(fā)生劇烈運動,降低了分子密度,從而使折光率變小。25 ℃和30 ℃的曲線會有部分重合,折光率差值不那么大,但是40 ℃的曲線就出現(xiàn)明顯的平行下移,折光率差值很大。另外,溶液溫度過高,將待測液轉移至折光儀盛液區(qū)時,操作過程中的散熱就大,使得最后盛液區(qū)的溫度下降明顯,溫度穩(wěn)定性非常不好,會出現(xiàn)忽高忽低的情況。從表7的線性擬合結果來看,(25±2) ℃的擬合優(yōu)度R2最高,此溫度下折光率的線性變化規(guī)律最好,因此在測定絲膠溶液折光率時,最好控制溫度在25 ℃左右,即常溫下測定折光率。

圖2 不同溫度絲膠溶液的線性擬合曲線

表7 不同溫度絲膠溶液一元線性回歸模型

2.5 蠶絲精練液折光率與脫膠率的關系探究

絲膠質量濃度是影響蠶絲脫膠率的主要因素,通過折光率可推導出絲膠質量濃度,進一步探究折光率與脫膠率的關系,有利于快速推算蠶絲脫膠率和判斷初練連桶次數(shù)。本文取表5中D6精練液,加入絲膠粉提高溶液質量濃度,繼續(xù)精練。由表8可見,D6和D8的脫膠率較為理想,但當折光率大于5.0之后,脫膠率出現(xiàn)了明顯下降,降至16%左右。從圖3也可明顯看出,D8脫膠效果較好,布面比較干凈,呈黃白色,而D10和D14明顯手感硬,脫膠率低,甚至布面還殘留色素。

表8 蠶絲精練液折光率與脫膠率的關系

蠶絲初練時,由于面料品種不同,一般會連桶4～6次,初練桶每練一次增加的絲膠質量濃度約4～5 g/L。折光率等于5.0時對應的絲膠質量濃度約為43.0 g/L,表5中D6的絲膠質量濃度為32.6 g/L,可推測初練6次后還可以繼續(xù)連桶,減少精練桶廢液排放。

圖3 不同脫膠率的蠶絲織物表面

3 結 論

本文采用數(shù)顯折光儀測定蠶絲精練液及其主要成分的折光率,建立了折光率與各成分質量濃度之間的關系。主要結論如下:

1) 絲膠、純堿、精練劑三種純溶液的質量濃度與折光率有著良好的一元線性關系,R2均大于0.990;由三者組成的絲膠混合液,經(jīng)過多元線性擬合,R2=0.998,擬合程度好。對比發(fā)現(xiàn),絲膠一元線性回歸模型能更加便捷地反映蠶絲精練液折光率的變化規(guī)律,有助于生產(chǎn)過程中對脫膠率的快速檢測。

2) 通過折光率的判斷,可指導生產(chǎn)中精練桶的排放次數(shù),節(jié)能減排。其中,精練液在常溫下的折光率大于5.0后,蠶絲脫膠率過低。

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