混料均勻設計在毛紗上漿中的應用

鄭偉鋒，張 斌，1b，，王 璐，1b，趙國英，楊自治，胡曉峰

（1.東華大學a.紡織學院；b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；2.海瀾集團有限公司，江蘇 江陰 214426）

隨著生活水平的提高，人們對服用面料的性能與風格提出了越來越高的要求.作為高檔服用面料的毛紡織品也面臨著更新換代的挑戰，已從粗獷、保暖型向輕薄、舒適型轉變.用單紗取代傳統的股線可使產品輕薄，由于單經單緯毛織物中紗線橫截面纖維根數少、強力低，在織造過程中不耐摩擦，經常斷頭，加上毛紗有大量毛羽，使織造變得困難.毛紗上漿是解決單紗難以織造的有效方法之一[1].由于毛紗的特殊性，給上漿和漿料的選擇提出了特定的要求[2]，所以尋找適合毛紗上漿的漿料和工藝配方成為毛紗上漿的關鍵之一.

目前漿料市場尚無針對毛紗上漿的漿料，只能沿用傳統的棉用漿料，因此當前要解決毛紗上漿，適宜的漿料配方顯得相當重要.在傳統的3種漿料中，聚乙烯醇（PVA）對各種纖維均具有良好的黏附性，漿液黏度穩定，漿膜具有強度高、彈性好、耐磨等特點，但在漿紗時存在分絞困難，漿液易結皮、起泡等缺陷；變性淀粉漿料成膜性好，可以有效貼伏毛羽，但漿膜粗糙硬脆，黏度不穩定；聚丙烯酸類漿料對纖維有優異的黏附性能，但其存在吸濕再黏性，用量不宜過多[3].3種漿料的不同配比，對漿紗質量的影響很大.混料均勻設計適用于多因素、多水平的試驗設計場合，試驗次數等于因素的水平數，可大幅度減少試驗次數.本文采用混料均勻設計方法，對以上3種漿料不同的配方比例進行上漿，探求毛紗上漿的合理漿料配方.

1 試 驗

1.1 主要原料和儀器設備

紗線：19.2tex 92%羊毛和8%滌綸混紡紗.漿料：PVA-1799，氧化淀粉，聚丙烯酰胺漿料（含固率為25.6%）.

主要儀器設備：電子天平，GA392型全電子式單紗上漿機，自制調漿機，水銀溫度計.

1.2 上漿

調制含固率為5%的漿液500mL，采用全電子式單紗上漿機對92%羊毛和8%滌綸混紡19.2tex單紗進行上漿，漿紗速度為60m／min，上漿溫度為85℃，烘房溫度為80℃.

1.3 漿紗性能測試

將毛紗在相對濕度為（65±2）%和溫度為（20±2）℃的恒溫恒濕條件下處理48h后，測試其性能.在YG 061型電子單紗強力儀上測試紗線強力和斷裂伸長率，夾口間距為500mm，拉伸速度為500m／min，樣本容量為30.在Y 731型抱合力儀上測試紗線耐磨性，紗線靜止張力為50cN，不放壓片，磨片空載往返速率為143次／min，樣本容量為30.在YG 172型毛羽儀上測試紗線毛羽，片段長度為10m，測試速度為30m／min，測試3mm以上毛羽，取10次測量的平均值.

2 混料均勻設計

2.1 原理

均勻設計法[4]是我國數學家方開泰等將數論和多元設計相結合，在正交設計的基礎上，創造出的一種新的試驗設計方法.其顯著的優點是試驗量較正交設計明顯減少，尤其適合多因素水平的試驗.均勻設計與常用的正交設計“均勻分布，整齊可比”的特點不同，只考慮試驗點在試驗范圍內的均勻散布，能用較少的試驗點獲得最多的信息.

由文獻[5]可知，在配方均勻設計中，各因素水平數都相同，每個配方的因素（自變量）取值（即配方數據）之和等于1.如用X1，X2，…，Xn表示混料（配方）系統中n種成分各自所占的百分比，混料條件可表示為

由于在混料均勻設計回歸模型中自變量之和為1，故自變量的個數比因素數少1.在選定自變量和因變量后，對于某一個因變量，都可選用自選變量法或逐步回歸分析法，建立配方線性回歸、二次回歸或三次回歸模型.單個因變量的最優解（最大值或最小值）可直接據自變量范圍求出，多個因變量可根據各因變量的重要性，賦予權重，由各變量的回歸模型，求出綜合最優解.

2.2 均勻配方表的確定

根據配方中的組分數m和試驗數n，選擇合適的等水平均勻設計表Un（nl）或U＊n（nl），這里要求均勻設計表所能安排的因素數s≥m，且一般情況下，n≥3s，然后根據均勻表的使用表[6]，選擇相應的m－1列進行變換.

用qji表示所選均勻表列中的第i列（i＝1，2，…，n）個數，對這些數進行如下換算：Cji＝2qji－1／2n，j＝1，2，…，m－1.

將｛Cji｝轉換成｛Xji｝，計算式為

于是｛Xji｝就給出了對應n，m的混料均勻設計，并用代號UMn（nm）或U（nm）表示.本文選用（153）來安排試驗，具體如表1所示.

表1 （153）均勻試驗表Table 1 Table of U1＊5（153）uniform experiment

表1 （153）均勻試驗表Table 1 Table of U1＊5（153）uniform experiment

試驗序號 C1 C2氧化淀粉質量分數X1／%PVA質量分數X2／%聚丙烯酰胺質量分數X3／%1 1／30 13／30 81.7 10.3 8.0 2 3／30 27／30 68.4 3.2 28.4 3 5／30 9／30 59.2 28.6 12.2 4 7／30 23／30 51.7 11.3 37.0 5 9／30 5／30 45.2 45.6 9.2 6 11／30 19／30 39.4 22.2 38.4 7 13／30 1／30 34.2 63.6 2.2 8 15／30 15／30 29.3 35.4 35.3 9 17／30 29／30 24.7 2.5 72.8 10 19／30 11／30 20.4 50.4 29.2

續 表

3 試驗結果及分析

對15組試驗的漿紗分別測試斷裂強力、斷裂伸長率、耐磨性、毛羽指標，結果如表2所示.

表2 漿紗性能指標Table 2 The properties of sized yarns

3.1 漿紗斷裂強力的分析

混料均勻設計的缺點是數據分析的計算量大，需要相應的軟件和方法進行分析.根據文獻[7]可知，二次多項式回歸模型是最恰當的回歸函數模型.

自變量氧化淀粉質量分數（X1）、PVA質量分數（X2）與 聚 丙 烯 酰 胺 質 量 分 數 （X3）中，因 為X1＋X2＋X3＝1，在已知其中兩個因素的水平時，另一個因素的水平也就得到限定.試驗選擇X1與X2對漿紗斷裂強力進行二次回歸.本文采用SPSS 16.0軟件進行分析，通過逐步分析，得出X1·X2對漿紗斷裂強力的影響是顯著的.所得回歸方程為Y1＝131.079＋52.249X1·X2，復相關系數R＝0.96.方差分析表見表3所示，F＝154.757＞F0.05（1，13），表明二次回歸方程有顯著的意義.氧化淀粉質量分數與PVA質量分數的交互作用（X1·X2）與漿紗斷裂強力之間的關系如圖1所示.

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance table

圖1 氧化淀粉和PVA交互作用與漿紗斷裂強力之間的關系Fig.1 Correlation of oxidized starch and PVA and its relation with sized yarns'breaking strength

從圖1可以看出，漿紗斷裂強力與氧化淀粉質量分數和PVA質量分數乘積接近線性關系，這表明漿紗斷裂強力與氧化淀粉和PVA的質量分數都有關系.

3.2 漿紗耐磨性的分析

對配方組分與漿紗耐磨性進行二次多項式逐步回歸分析，得出PVA質量分數對漿紗的耐磨性影響較大.所得PVA質量分數與漿紗耐磨次數的回歸方程為Y2＝397.347X2－997.198X22＋720.347X32.PVA質量分數與漿紗耐磨次數的關系如圖2所示.

從圖2可以看出，漿紗耐磨性隨著PVA質量分數的增加先上升后下降，最后又上升.可能因為隨著PVA質量分數的逐漸增大，漿膜完整性越來越好，進而漿紗耐磨次數增加明顯；當PVA質量分數增大到一定程度，可能由于PVA與氧化淀粉的混溶性差，PVA的成膜性能降低，漿紗耐磨次數有下降趨勢；隨著PVA質量分數的繼續增加，漿膜越來越完整、柔軟，所以漿紗耐磨性又呈現上升趨勢.

圖2 PVA質量分數和漿紗耐磨次數之間的關系Fig.2 Relationship between PVA mass fraction and sized yarns'times of abrasion resistance

3.3 漿紗毛羽的分析

對配方組分與漿紗毛羽值進行二次多項式逐步回歸分析，得出漿紗毛羽的回歸方程Y3＝139.611－180.787X1－349.221X2＋121.249X21＋231.029X22＋260.873X1·X2，復相關系數R＝0.949.方差分析表如表4所示，F＝16.312＞F0.05（5，9），表明二次回歸方程有顯著的意義.PVA質量分數與漿紗毛羽的關系如圖3所示.

表4 方差分析表Table 4 Analysis of variance table

由圖3可以看出，PVA質量分數和漿紗毛羽之間有明顯規律，隨著PVA質量分數的增加，漿紗毛羽逐漸減少.這可能是由于PVA相對分子質量大，漿液黏度大，容易形成被覆上漿，對毛紗表面的毛羽被覆效果較好，且試驗采用單紗上漿方式，不存在干分絞工序，再生毛羽增加不多.但在實際生產中大多采用片紗上漿，在對漿紗進行干分絞時，由于PVA內聚力過大而產生再生毛羽，導致毛羽增多.因此在求最佳配方時，為了使再生毛羽盡量少，限制PVA質量分數在40%以下.由表1和2可知，氧化淀粉質量分數和漿紗毛羽之間的規律不明顯，所以未對其做進一步研究.

圖3 PVA質量分數與漿紗毛羽的關系Fig.3 Relationship between PVA mass fraction and sized yarns' hairiness

3.4 最佳配方的選擇

在織造過程中需優先考慮漿紗的耐磨性、毛羽，其次是漿紗斷裂強力.運用此原則，確定出耐磨次數最高時PVA質量分數X2＝29.1%，此時要使毛羽數最少，得出氧化淀粉質量分數X1＝43.2%.將X1和X2分別代入漿紗斷裂強力、耐磨、毛羽的回歸方程，得到此時漿紗斷裂強力為137.65cN，耐磨次數為48.9次，毛羽為24.8根／10m.由此可見，當氧化淀粉質量分數約為43%、PVA質量分數約為29%、聚丙烯酰胺質量分數約為28%時試樣漿紗質量最好.

4 結 語

（1）根據羊毛纖維的特殊性，本文選擇氧化淀粉、PVA和聚丙烯酰胺漿料按合適比例組成配方漿料，可滿足實際織造的要求.

（2）采用混料均勻設計方法，以漿紗耐磨性和毛羽為指標，對漿液中氧化淀粉、PVA和聚丙烯酰胺漿料進行配比優化，可大大減少試驗量，而且取得良好的優選效果.

（3）運用二次多項式逐步回歸模型對試驗數據進行分析，分別求出漿紗斷裂強力、耐磨和毛羽的回歸方程.通過綜合分析得出試樣毛紗上漿最優漿料配方為氧化淀粉質量分數約為43%、PVA質量分數約為29%，聚丙烯酰胺質量分數約為28%.

參 考 文 獻

[1]吳俊.毛紗上漿是提高輕薄毛紡織物質量的重要途徑[J].上海毛麻科技，2001，37（1）：27-28.

[2]工鴻博，高衛東.毛紗上漿若干問題的探討[J].天津紡織科技，2000（4）：16-18.

[3]周永元.紡織漿料學[M].北京：中國紡織出版社，2004：257-355.

[4]方開泰.均勻設計與均勻設計表[M].北京：科學出版社，1994：64-67.

[5]DENG W L， WANG J L.Uniform design of mixture experiments with constraints[J].Journal of East China Normal University：Natural Science，2002（2）：26-32.

[6]李云雁，胡傳榮.試驗設計與數據處理[M].2版.北京：化學工業出版社，2008：151-152.

[7]馮李文.均勻設計法及其在新產品開發中的應用[J].川化，2005（2）：18-23.