RSM法協(xié)同正交試驗優(yōu)化棉型化漢麻織物的制備工藝

孔令蘋　王大偉　孫丹　亢福行

摘 要：為充分開發(fā)漢麻的應用價值并獲得較柔軟的棉型化漢麻織物，通過進一步優(yōu)化選擇性氧化漢麻織物制備工藝方案，在單因素方案和正交試驗設計的基礎上協(xié)同利用BBD試驗和RSM分析法，以活潑率作為響應值，回歸分析高碘酸鈉用量、氧化時間、氧化溫度各自變量因素及其交互作用影響。結果表明：正交設計和RSM法優(yōu)化結果一致，柔軟棉型化漢麻織物制備的最佳工藝為：高碘酸鈉13 g/L，氧化時間1.5 h，氧化溫度50 ℃。優(yōu)化結果合理可行，在此優(yōu)化條件下，棉型化漢麻織物活潑率增大、強力損失小、親水性變好。

關鍵詞：棉型化；漢麻；RSM法；柔軟性；活潑率

中圖分類號：TS121.9 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2023）06-0028-08

漢麻是中國的一種傳統(tǒng)植物，屬于天然纖維素纖維中開發(fā)較早的類別之一，漢麻植物纖維素主要由β-D-六環(huán)葡萄糖組成。由糖苷鍵形成的微晶的分子結構將使?jié)h麻纖維具有更高的楊氏模量和聚合度［1-3］，所以漢麻類纖維織物相對棉類織物柔軟性欠佳，手感較差，硬度較高［4-7］，因此優(yōu)化漢麻織物柔軟性，獲得棉型化產品具有比較重要的意義。近年來，對環(huán)保和生命健康的關注與日俱增，隨著國家“碳中和”口號的提出，漢麻纖維因具備降噪、不易電荷積聚、防紫外線輻射等特性，有著很廣闊的發(fā)展?jié)摿Γ?-9］，因而被冠以 “天然纖維之王”的美稱［10-11］。隨著人們對漢麻纖維的關注度和研究的逐漸提高，目前的研究主要集中在脫膠、棉型化和漢麻精細化加工等方面［12-14］。

由于Response surface method（RSM）分析方法集成了實驗設計和數學建模優(yōu)化，因此可以以較少的實驗和較低的時間成本對實驗參數進行全面分析和研究［15］，它將非線性函數或隱函數擬合為二次多項式函數［16］，其局限性在于設計的實驗點應包括最佳實驗條件；而正交試驗可以從全面試驗中挑選出均勻分散具有代表性的特征點來試驗［18］。在綜合試驗設計中RSM法和正交試驗設計被廣泛使用，但在實際應用中，將兩者結合起來或采用多種優(yōu)化設計方法對工藝參數進行研究的情況并不多見，本文創(chuàng)新性采用RSM法協(xié)同正交試驗，通過單因素和正交試驗選取包含最佳試驗點的參數，再通過RSM法建模來優(yōu)化篩選棉型化漢麻織物工藝方案，提高結果可信度，此研究對推動漢麻織物進一步綜合利用開發(fā)棉型化和柔軟性高價值化提供工藝參考。

1 試 驗

1.1 試驗材料及儀器

織物：漢麻織物（市售，1/1平紋，106×72根/10 cm，743.8 g/m2）

試劑：高碘酸鈉（分析純，天津市大茂化學試劑廠），無水乙醇（分析純，天津科密歐化學試劑有限公司），去離子水（實驗室自制）。

儀器：BS110S天平（北京多利斯天平有限公司），YG031Q型頂破強力（溫州百恩儀器有限公司），WHL-25A臺式電熱恒溫干燥箱（天津市態(tài)斯特儀器公司有限公司），YG821風格儀（萊州電子儀器有限公司），HHS-4S電子恒溫不銹鋼水浴鍋（紹興市億納儀器制造有限公司），YG（B） 871C型毛細管效應測定儀（紹興力必信儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 原料預處理

參考麻類精煉工藝對漢麻織物試樣進行預處理，放于低濃度NaOH、Na2SiO3和洗滌劑的混合溶液中進行攪拌浸泡一段時間，該步驟可以通過堿膨脹提高漢麻纖維的反應可及性，提高后續(xù)選擇性氧化漢麻織物的醛基含量［19］，然后清水洗滌數次，以去除織物表面殘留的漿料、污漬、化學試劑等。

1.2.2 棉型化漢麻織物的制備

剪裁一定規(guī)格大小的漢麻織物試樣，稱取所需質量的高碘酸鈉，并將其放入棕色錐形瓶中，加入裁剪好的漢麻織物試樣，按照試驗所需的不同溫度不同時間條件下進行持續(xù)氧化反應，制得棉型化漢麻織物。

1.2.3 單因素試驗

1.2.3.1 高碘酸鈉用量的考察

氧化時間0.5 h，氧化溫度40 ℃，其他條件固定的前提下，考察高碘酸鈉用量0、6、13、20、27 g/L分別對漢麻織物柔軟性的影響。

1.2.3.2 氧化時間的考察

高碘酸鈉13 g/L，氧化溫度40 ℃，其他條件固定的前提下，考察氧化時間0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 h分別對漢麻織物柔軟性的影響。

1.2.3.3 氧化溫度的考察

高碘酸鈉13 g/L，氧化時間0.5 h，其他條件固定的前提下，考察氧化溫度20、30、40、50、60 ℃分別對漢麻織物柔軟性的影響。

1.2.4 正交試驗

選擇性氧化漢麻織物柔軟性的因素主要取決于NaIO4用量，氧化時間t，氧化溫度T，在單因素試驗基礎上采用L9（34）正交表進行試驗。

1.2.5 RSM試驗

在單因素試驗的基礎上，以高碘酸鈉用量、氧化時間和氧化溫度作為考察因素，以表征柔軟性的活潑率作為響應指標，采用Box-Behnken設計（BBD）響應面試驗設計法來篩選考察因素的最優(yōu)組合條件。

1.3 測試方法

1.3.1 活潑率測試

采用YG821風格儀，將漢麻織物試樣蓋上實驗印泥，按照印泥縫線對折彎成弓狀，夾入下夾鉗中，帶有傳感器的壓頭從弓頂下壓傳導入電腦數據，得到活潑率數值，每個樣品測量3次取平均值［20］。

1.3.2 頂破強力測試

根據GB/T19976－2005《紡織品 頂破強力測試 鋼球法》使用YG031Q型頂破強力儀試驗，按照式（1）計算紡織品強力保留率。

R/%=F1/F0×100（1）

式中：R為強力保留率；F0為初始樣品的頂破強力；F1為整理后試樣的頂破強力。

1.3.3 芯吸測試

用YG（B） 871C型毛細管效應測定儀測定漢麻織物處理前后的芯吸高度，樣品尺寸為25 mm×200 mm，測試液溫度為25 ℃，測試時間為30 min。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 高碘酸鈉用量對漢麻織物柔軟性影響分析

高碘酸鈉用量對漢麻織物活潑率的影響見表1，由表1數據可知，活潑率隨高碘酸鈉用量先升高再下降，在13 g/L時達到最大，因此選擇6、13、20 g/L3個水平進行正交試驗和響應面優(yōu)化設計分析。

2.1.2 氧化時間對漢麻織物柔軟性影響分析

表2為氧化時間對漢麻織物活潑率的影響，可知活潑率受氧化時間影響不明顯，綜合考量，選擇0.5、1.5、2.5 h ３個水平進行正交試驗和響應面優(yōu)化設計分析。

2.1.3 氧化溫度對漢麻柔軟性影響分析

表3為氧化溫度對漢麻織物活潑率的影響，可知活潑率隨氧化溫度的升高先增大再下降，在50 ℃時活潑率達到較高水平，綜合各種因素，選擇40、50、60 ℃ 3個水平進行正交試驗和響應面優(yōu)化設計分析。

2.2 正交試驗分析

表4為選擇性氧化漢麻制備因素水平表，本試驗在單因素考查的基礎上采用L9（34）正交表，按表5進行9次試驗，以活潑率作為響應指標，測定結果見表5。由表5可知各因素的影響順序C>B>A，最優(yōu)水平為NaIO4用量13 g/L，氧化溫度50 ℃，氧化時間1.5 h。

2.3 響應面分析法優(yōu)化制備工藝

2.3.1 響應面設計試驗（BBD）及結果

采用BBD試驗設計法，以高碘酸鈉用量、氧化時間、氧化溫度作為自變量，以選擇性氧化后漢麻織物試樣的活潑率為響應值，BBD實驗設計因子和水平見表6，BBD試驗設計方案及其響應值結果見表7，由表7可知試驗運行了17次方案。

2.3.2 以BBD試驗為基礎的響應面方差分析

利用Design Expert11軟件，輸入各組試驗的各個因素水平和相應的響應值結果，對試驗結果進行響應面分析，并對各影響因素水平進行方差分析，結果見表8。

表8為模型方差分析見，可知模型中的F值為8.39，P值為0.0052<0.05，表明該模型是顯著的。從F值的大小可以判斷出各因素對活潑率影響的顯著性，C為顯著影響因素，對活潑率的影響程度為C>A>B，即高碘酸鈉用量是重要變量，其次是氧化溫度，再次是氧化時間，這與正交試驗的結果相一致。失擬檢驗的概率值P為0.0537，0.05<P<0.1，雖然失擬檢驗結果不顯著，但相對不是很理想。由于失擬分析結果顯示為不顯著，因此該二次方模型可以準確地描述實際活潑率。通過隨機分布預測活潑率和實際活潑率的點結果見圖1。

二次方模型預測活潑率和試驗活潑率點陣如圖1所示，所有的點都散落在直線附近，這表明預測活潑率和實際活潑率值吻合度較高。所建立的模型能很好反映試驗數據，回歸方程擬合度良好，試驗誤差?。?7］，利用統(tǒng)計分析程序對17個試驗點進行二次回歸擬合，得到響應面回歸模型方程如下：

LP=66.84+1.34A+0.01B-4.6C+0.455AB-0.9625AC+2.89BC-5.3A2-1.08B2-0.222C2

2.4 因素等高線圖和響應曲面圖分析

用Design Experts11對響應值活潑率模型進行分析，繪制產生交互作用兩因素間的等高線圖和響應曲面圖。已知等高線形狀反映了兩個因素間的交互作用，等高線為橢圓形或馬鞍形表明因素間的交互作用越明顯，登高線為圓形，表明因素間的交互作用不顯著；響應曲面坡度代表著因素水平變化對響應值影響的敏感程度，越陡表示變化影響越敏感［14］。

2.4.1 高點酸鈉用量和氧化時間的交互作用

由圖2（a）可以看出為橢圓形等高線，表明高碘酸鈉用量和氧化時間對響應值活潑率有較強的交互作用。當高碘酸鈉用量11～15 g/L，氧化時間在0.5～2.5 h時，漢麻織物能夠獲得較高的活潑率。當高碘酸鈉用量在13 g/L時，最接近最佳點。圖2（b）的響應曲面圖可以看出，隨著高碘酸鈉用量的增加和氧化時間延長，活潑率先變大再變小。

從曲面弧度可以看出，高碘酸鈉用量要比氧化時間對活潑率影響大。當高點酸鈉用量固定時，隨著時間的延長，漢麻織物的活潑率變化不顯著，從充分反應角度考慮，氧化時間選擇1.5 h。

2.4.2 高點酸鈉用量和氧化溫度的交互作用

由圖3（a）可以看出，等高線的形狀為彎曲線，表明高碘酸鈉用量和氧化溫度對響應值活潑率有一定的交互作用，當氧化溫度小于60 ℃時，等高線線密度較密。由圖3（b）可以看出，當高碘酸鈉用量固定時，隨著氧化溫度的增大，活潑率是逐漸減小的。因此，考慮到能耗經濟和充分反應等方面的因素，氧化溫度選擇50 ℃。

2.5 以BBD試驗為基礎的響應面最優(yōu)方案預測

用Design Experts11軟件對響應值活潑率模型分析得出最優(yōu)方案預測，如圖4最優(yōu)方案預測圖4所示。

由于氧化時間和氧化溫度的交互作用不明顯，暫不做分析。通過對比發(fā)現分析結果與最優(yōu)預測圖相一致。

2.5 整理前后漢麻織物試樣性能對比

測定整理前后漢麻織物的活潑率和頂破強力進行對比分析，結果見表9。

由表9可以看出，經RSM法協(xié)同正交試驗優(yōu)化的漢麻織物活潑率明顯升高，表明漢麻織物手感上變得更加柔軟活絡，強力保留率略有下降，芯吸性有所提高。

3 結 論

本試驗以活潑率作為評價指標，針對NaIO4用量、氧化時間、氧化溫度 3個因素進行單因素考察，正交試驗篩選出相關因素的最佳水平，并在此基礎上基于BBD實驗設計原理，建立活潑率為響應值的工藝數學模型進行RSM試驗優(yōu)化，通過Design Expert軟件分析3個因素及交互作用對活潑率的影響，得到了優(yōu)化工藝方案為：高碘酸鈉13 g/L，氧化時間1.5 h，氧化溫度50 ℃，優(yōu)化結果與正交試驗結果一致，兩種試驗方法的結合使優(yōu)化結果更具代表性和說服力。和未處理原樣對比，該工藝條件下的活潑率指標較好，手感更柔軟活絡，彈性好，成品棉型化較好，并且強力損傷較小，親水性較好，表明該設計優(yōu)化分析工藝模型具有一定的指導意義。

參考文獻：

［1］葉劍新.長短亞麻針織物加工及性能研究［D］.上海：東華大學，2009.

YE Jianxin. Study on Processing and Properties of Line and Linen Tow Knitted Fabrics［D］. Shanghai： Donghua University， 2009.

［2］魏帥男.納米銀溶膠的制備以及對亞麻的功能整理［D］.上海：東華大學，2017.

WEI Shuainan. Synthesis of Nanometer Solvercolloid and Functional Finishing to Linen［D］. Shanghai： Donghua University， 2017.

［3］蘭紅艷，張延輝.麻類纖維的性能及其應用［J］.上海毛麻科技，2009（3）：1-5.

LAN Hongyan， ZHANG Yanhui. Performance and application of bast fiber［J］. Shanghai Wool & Jute Journal， 2009（3）： 1-5.

［4］鞠金星，季英超.大麻紗線的柔軟整理［J］.毛紡科技，2012，40（6）：44-46.

JU Jinxing， JI Yingchao. Softness finishing of hemp yarn［J］. Wool Textile Journal， 2012， 40（6）： 44-46.

［5］鞠金星，王寶權，呂站逵，等.大麻紗線的堿改性柔軟整理［J］.大連工業(yè)大學學報，2012，31（3）：211-214.

JU Jinxing， WANG Baoquan， LU Zhankui， et al. Alkali modification and softening finish of hemp yarn［J］. Journal of Dalian Polytechnic University， 2012，31（3）：211-214.

［6］黃翠蓉，鐘安華，王寶根.大麻織物的堿改性柔軟整理［J］.印染，2004（8）：18-20.

HUANG Cuirong， ZHONG Anhua， WANG Baogen. Alkali modification and softing finish of hemp cloth［J］. China Dyeing & Finishing， 2004（8）： 18-20.

［7］姚穆.紡織材料學［M］.3版.北京：中國紡織出版社，2009.

YAO Mu. Textile Materials［M］. Third Edition. Beijing： China Textile & Apparel Press， 2009.

［8］賈麗華，陳朝暉，高潔.亞麻纖維及應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

JIA Lihua， CHEN Zhaohui， GAO Jie. Flax Fiber and Its Application［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2007.

［9］N.P.Ingle，張子濤，紀晉敏.大麻：未來最有前途的纖維素纖維［J］.國外紡織技術，2001（1）：7.

N.P. Ingle，ZHANG Zitao， JI Jinmin. Cannabis： The most promising cellulose fiber in the future［J］. Textile Technology Overseas， 2001（1）： 7.

［10］張建春，張華.漢麻纖維的結構性能與加工技術［J］.高分子通報，2008（12）：44-51.

ZHANG Jianchun， ZHANG Hua. Structure and performance of China-hemp fiber and process technology［J］. Polymer Bulletin， 2008（12）： 44-51.

［11］張毅，張瑞成，卓桂容，等.漆酶/超柔軟油精復合處理純大麻織物的性能［J］.印染助劑，2019，36（6）：53-56.

ZHANG Yi， ZHANG Ruicheng， ZHUO Guirong， et al. Properties of pure hemp fabric treated with laccase/super softner［J］. Textile Auxiliaries， 2019， 36 （6）： 53-56.

［12］張金秋，張華，郝新敏，等.大麻纖維高溫煮練時間與脫

膠質量的關系［J］.紡織學報，2006（2）：81-83.

ZHANG Jinqiu， ZHANG Hua， HAO Xinmin， et al. Relationship between high temperature scouring time and degumming quality of hemp fiber［J］. Journal of Textile Research， 2006（2）： 81-83.

［13］張金秋，張建春.精細化加工對大麻纖維理化性能的影響［J］.紡織學報，2009，30（11）：81-87.

ZHANG Jinqiu， ZHANG Jianchun. Effect of refined processing on physicochemical properties of hemp fibers［J］. Journal of Textile Research， 2009，30（11）：81-87.

［14］高俊，王雪燕.響應面分析法優(yōu)化棉針織物金屬配合物低溫漂白工藝［J］.染整技術，2016，38（7）：25-30.

GAOJun， WANG Xueyan. Optimization of cotton knitted bleaching process with low tempetature metal complexes by response surface analysis［J］. Textile Dyeing and Finishing Journal， 2016， 38（7）： 25-30.

［15］胡成旭，侯欣彤，馮永寧，等.響應面法優(yōu)化云芝多糖提取條件的研究［J］.食品工業(yè)科技，2007，28（7）：124-126.

HU Chengxu， HOU Xintong， FENG Yongning， et al. Optimization of extraction conditions of polysaccharide from Coriolus versicolor by response surface methodology［J］. Science and Technology of Food Industry， 2007， 28（7）： 124-126.

［16］解艷彩.基于響應面法的機械結構可靠性靈敏度分析［D］.長春：吉林大學，2008.

XIE Yancai. Base on Response Surface Methodology Mechanical and Structure Reliability Sensitivity Analysis［D］. Changchun： Jilin University， 2008.

［17］任天寶，馬孝琴，徐桂轉，等.響應面法優(yōu)化玉米秸稈蒸汽爆破預處理條件［J］.農業(yè)工程學報，2011，27（9）：282-286.

REN Tianbao， MA Xiaoqin， XU Guizhuan， et al. Optimizing steam explosion pretreatment conditions of corn stalk by response surface methodology［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2011，27（9）：282-286.

［18］羅云云，杜偉鋒，應澤茜，等.響應面法協(xié)同正交試驗設計優(yōu)化薏苡仁多糖提取工藝研究［J］.中華中醫(yī)藥雜志，2019，34（10）：4847-4851.

LUO Yunyun， DU Weifeng， YING Zexi， et al. Optimi-zation of extraction process conditions of coix seed polysaccharide by response surface method and orthogonal design of experiment［J］. Chinese Journal of Traditional Chinese Medicine and Pharmacy， 2019， 34（10）： 4847-4851.

［19］王浩，林紅，陳宇岳.堿預處理對棉纖維選擇性氧化的影響［J］.紡織學報，2008，29（8）：18-22.

WANG Hao， LIN Hong， CHEN Yuyue. Effect of alkali pretreatment on selective oxidation of cotton fibers［J］. Journal of Textile Research， 2008， 29（8）： 18-22.

［20］余序芬.紡織材料實驗技術［M］.北京：中國紡織出版社，2017.

YU Xufen. Experimental Technology for Textile Materials［M］. Beijing： China Textile & Apparel Press， 2017.

To optimize the preparation process of cotton-shaped hemp fabrics with the RSM method and orthogonal tests

KONG Lingping WANG Dawei SUN Dan KANG Fuhang

Abstract： The single fiber length of hemp is short， and the content of hemicellulose and lignin is higher than that of other hemp fibers. There are problems such as difficulty in degumming and poor fiber quality after degumming. The produced hemp yarn has a low count， and the hemp fabric has a rough and hard feel. Due to the rich resources of hemp in Northeast China， the single fiber length and fineness of hemp are similar to those of cotton， and there is no itching sensation compared to other hemp types. In order to make full use of hemp， improve the softness of hemp fabrics， and increase product added value， we conducted optimization research on the processing conditions of cotton shaped hemp fabric.

Firstly， single factor experiment was conducted to investigate the effects of the sodium periodate dosage， oxidation time， and oxidation temperature on fabric softness. Based on this investigation， representative sodium periodate dosage， oxidation time， and oxidation temperature experimental conditions were selected from comprehensive experiments according to orthogonality （evenly dispersed， and comparable in integrity） for orthogonal test analysis at three factors and one level. Because response surface methodology is an optimization method that integrates experimental design and mathematical modeling， it can provide intuitive contour maps and three-dimensional stereograms， and can examine the interaction between influencing factors. This method not only establishes a prediction model， but also tests the adaptability of the model， the significance of the model and coefficients， and the mismatched terms. We further performed analysis of variance and model diagnosis. However， the premise of response surface optimization requires that the experimental points designed should contain the optimal experimental conditions. In order to obtain the optimal results and compensate for this limitation of response surface optimization， we adopted the experimental analysis method of response surface design and orthogonal experimental design using the activity rate as the response value， verifing that the selected experimental conditions are the parameters containing the optimal experimental points orthogonal experimental optimization. Additionally， we used response surface optimization to screen the optimal process parameters for sodium periodate dosage， oxidation time， and oxidation temperature， improving the reliability of the experimental optimization results.

Through comprehensive consideration of the results of single factor tests on fabric softness at three factors： sodium periodate dosage， oxidation time， and oxidation temperature， and three levels of optimal design for orthogonal tests： a sodium periodate dosage of 6， 13 g/L， and 20 g/L were selected; oxidation time： 0.5， 1.5， 2.5 h; oxidation temperature： 40， 50， 60 ℃. With the L9 （34） orthogonal table and the activity rate as the response index， it can be seen that the order of influence of various factors is sodium periodate dosage>oxidation temperature>oxidation time. The optimal level requires a sodium periodate dosage of 13 g/L， oxidation temperature of 50 ℃， and a oxidation time of 1.5 h. A response surface design experiment was conducted on the basis of orthogonal experiments. With Design Expert 11 software， response surface analysis was conducted on the experimental results and variance analysis was conducted on the levels of various influencing factors. It can be seen that the model is significant; the significant degree of influence of various factors on the activity rate is sodium periodate dosage>oxidation temperature>oxidation time， which is consistent with the results of orthogonal experiments. The probability value P of the mismatch test is between 0.05～0.10， being 0.0537， and the mismatch analysis result is not significant. Therefore， the quadratic model can accurately describe the actual activity rate. Analysis of factor contour plots and response surface plots showes that the amount of sodium periodate and oxidation time has a strong interaction on the reactivity of response values; there is a certain interaction between the amount of sodium periodate and oxidation temperature on the response value activity， but the interaction between oxidation time and temperature is not obvious. Through comparison， it is found that the analysis results are consistent with the optimal prediction chart. On this basis， it is found by comparing the reactivity， strength retention， and wicking height of hemp fabrics before and after process optimization that except for slightly lower strength， both the feel and water absorption of the fabrics are improved. The design optimization model has certain significance for improving the added value of hemp fabrics.

Keywords： cotton type; hemp; RSM method; softness; lively rate

收稿日期：20220000 網絡出版日期：20230403

基金項目：黑龍江省省屬高等學?；究蒲袠I(yè)務費科研項目工業(yè)大麻專項（145109509）

作者簡介：孔令蘋（1989—），山東濟寧人，講師，主要從事生態(tài)紡織品方面的研究。