熱壓工藝對滌綸濕法非織造材料斷裂強力的影響及優化控制

鄭 幃 劉倩男 莊旭品 汪曉銀*

（1天津工業大學數學科學學院，天津 300387）

（2天津工業大學紡織科學與工程學院，天津 300387）

水污染以及淡水資源匱乏都是當今全球面臨的主要問題之一[1]。膜分離技術在水處理方面具有高效率、低能耗、自動化程度高的優勢，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在我國水凈化、水處理領域得到了大規模應用，相應分離膜的研發也得到了快速發展[4-7]。納濾膜和反滲透膜等分離膜被廣泛應用于海水淡化領域，其結構通常包括一層極薄的皮質層、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，多孔支撐層為膜提供了一定的強度，通常是由聚砜或聚醚砜等聚合物在相分離過程中產生的，底層的織物層可以是機織物、針織物或非織造布，主要為膜提供高強度的機械支撐[8-9]。研究發現，當膜的機械強度不足時，膜在運行過程中的變形對膜的結構和性能有顯著影響[10-11]。理想的分離膜支撐體應具有均勻光滑的表面、合適的孔隙結構和優良的力學性能，這是評價反滲透膜支撐體性能優劣的重要指標[10,12-14]。

濕法非織造技術所制備的非織造布表面平整均勻，力學性能優異，具有各向同性，被廣泛應用于分離膜支撐體[15-16]。在濕法成網過程中，通常將低熔點纖維與高熔點纖維混合分散在水介質中形成纖維懸浮液并輸送到成網機構，纖維在濕態下成網并烘干。濕法技術突破了傳統的紡織原理，該技術無需對纖維原料進行反復加工，大大降低了能耗，節省了人力物力。然而，濕法技術所形成的非織造布纖維間的粘結強度較低，纖維網通常是疏松的。因此，需要對濕法非織造布進行物理或化學處理，以克服這些缺點，提高其力學性能[17]。熱壓粘合工藝是提高濕法非織造布機械性能的一種有效方法。通過熱壓輥或熱壓板對非織造布進行加熱加壓，低熔點纖維在壓力和溫度的聯合作用下逐漸軟化熔融，在纖維間流動和擴散，冷卻后，纖維被粘接，從而提升了纖維間的結合力，非織造布的機械性能也會隨之提升[18-19]。

非織造材料的力學性能不僅受到濕法成網均勻性的影響，還受到熱壓溫度、時間和壓力等不同熱壓參數的影響。上述三種工藝參數的配合調整對非織造布材料的結構和力學性能有顯著影響，如果僅采用全試驗設計，顯然加重了實驗難度。因此本文選擇正交試驗設計進行實驗，簡化實驗過程。

1 滌綸濕法非織造材料斷裂強力的熱壓工藝影響實驗

1.1 實驗試劑與儀器

實驗中非織造材料制備所用纖維：常規滌綸纖維（PET-260），0.5 D*3 mm，熔點260℃，寶泓新材料有限公司（廣州，中國）；低熔點滌綸纖維（PET UDY），1.6 D*5 mm，熔點180℃,東麗（中國）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）。

實驗中非織造材料制備所用儀器：纖維標準解離器，AT-XW，山東安尼麥特儀器（中國）；濕法成型器，山東安尼麥特儀器（中國）；平板熱壓機，PCH-600DG，天津恒創科技（中國）；磁力攪拌器，78-1，山東魯華電熱儀器（中國）；萬能強力測試儀，YG028，溫州方圓儀器（中國）；數字測厚儀，YG141LA,萊州市電子儀器（中國）。

1.2 滌綸濕法非織造材料制備

滌綸濕法非織造材料通過現代濕法造紙工藝和熱壓技術制備得到。首先，在纖維標準解離器的槽桶內中加入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，將懸浮液倒入紙頁成型器的容器中以排干絕大部分水形成濕的纖維網，將濕纖網在100°C下干燥10 min形成滌綸濕法非織造材料。最后，通過平板熱壓機對滌綸濕法非織造材料進行熱壓粘合從而獲得滌綸濕法非織造薄膜。

1.3 熱壓參數設計

1.3.1 控制因素

本文通過濕法成網-熱壓工藝制備滌綸濕法非織造材料，探究熱壓工藝參數對非織造材料性能的影響。將熱壓工藝參數（熱壓溫度、熱壓壓力以及熱壓時間）作為控制因素，探究熱壓工藝參數對非織造材料的斷裂強力的影響及優化熱壓工藝條件。經過多次的反復實驗，確定了熱壓工藝參數的范圍。其中，熱壓溫度：205℃，210℃，215℃；熱壓壓力15 Pa，16 Pa，17 Pa；熱壓時間20 s，30 s，40 s。

1.3.2 正交試驗表

根據控制因素的取值，設計了熱壓溫度、熱壓壓力以及熱壓時間的三因素三水平L9（34）的正交試驗。正交試驗設計的具體情況見表1。

1.3.3 實驗數據

依據正交試驗表制備滌綸非織造材料，測量其斷裂強力。為了使數據具有準確性和可靠性，同時研究交互作用的效應，需在同一組控制因素下重復三次實驗，依次將9次正交試驗的熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時間、斷裂強力的實驗數據列出，見表1。

表1 正交試驗的實驗數據

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力采用萬能強力測試儀進行拉伸實驗。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，并且排列松散無序，滌綸濕法非織造材料的整體結構是多空且疏松的；圖1（c,d），熱壓后的滌綸濕法非織造材料的整體結構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間的水平。記為

稱μ為一般平均，αi為熱壓溫度的第i個水平的效應，βj為熱壓壓力的第j個水平的效應，γk為熱壓時間的第k個水平的效應，顯然滿足關系式[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個水平與熱壓壓力的第j個水平的交互效應；λjk為熱壓壓力的第j個水平與熱壓時間的第k個水平的交互效應；ωik為熱壓溫度的第i個水平與熱壓時間的第k個水平的交互效應；θijk為熱壓溫度的第i個水平與熱壓壓力的第j個水平以及熱壓時間的第k個水平的交互效應，則數學模型如下：

現假設檢驗為：

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非織造材料斷裂強力的影響，選擇運用熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時間、熱壓溫度*熱壓壓力、熱壓溫度*熱壓時間、熱壓壓力*熱壓時間以及熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間的方差分析對滌綸濕法非織造材料斷裂強力進行顯著性檢驗，檢驗結果見表2。

表2 熱壓參數對斷裂強力的顯著性檢驗結果

表2中第一次檢驗結果表示全因素檢驗結果，第二次檢驗結果表示去掉“熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”交互的顯著性檢驗結果。表2的第一次檢驗結果表明：“熱壓溫度”、“熱壓時間”、“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時間”以及“熱壓壓力*熱壓時間”，它們的P值均小于0.05，所以這些因素均對滌綸濕法非織造材料斷裂強力具有顯著性影響；“熱壓壓力”的P值大于0.05，因此“熱壓壓力”對濕法非織造材料斷裂強力沒有顯著性影響；“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”的F值為0，P值計算不出，無法說明“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”對斷裂強力是否有影響。

表2中第一次檢驗結果還能說明它們對斷裂強力有顯著性影響因素的主次效應。從表2中可知，“熱壓溫度”對應的F值為22.44，“熱壓壓力”對應的F值為2.41，“熱壓時間”對應的F值為6.02，“熱壓溫度*熱壓壓力”對應的F值為5.69，“熱壓溫度*熱壓時間”對應的F值為3.89，“熱壓壓力*熱壓時間”對應的F值為13.9。F值越大就越說明影響就越重要，因此主效應排序依次是“熱壓溫度”、“熱壓壓力*熱壓時間”、“熱壓時間”、“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時間”、“熱壓壓力”。

“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”的F值、P值出現異常的情況，選擇利用SAS軟件檢驗“熱壓溫度”、“熱壓壓力”、“熱壓時間”三者之間的相關性，結果表明：“熱壓溫度*熱壓壓力”與“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”、“熱壓時間*熱壓壓力”與“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”、“熱壓溫度*熱壓時間”與“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”這三對之間是相關的。因此，“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”可以由“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時間”、“熱壓時間*熱壓壓力”表示，故“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”可以忽略。去掉“熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓壓力*熱壓時間”重新檢驗，得到最終的檢驗結果見表2的第二次檢驗結果。

表2的第二次檢驗結果表明：“熱壓溫度”、“熱壓時間”、“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時間”以及“熱壓壓力*熱壓時間”F值均是無窮大，P值均小于0.000 1，小于0.05，因此“熱壓溫度”、“熱壓時間”、“熱壓溫度*熱壓壓力”、“熱壓溫度*熱壓時間”以及“熱壓壓力*熱壓時間”均對濕法非織造材料斷裂強力有顯著性影響。

3 滌綸濕法非織造材料斷裂強力的熱壓工藝優化控制

3.1 正交回歸設計基本理論

正交回歸設計是指試驗方案的結構矩陣具有正交性的回歸設計，是在正交設計基礎上發展起來的，可建立方程。其突出優點是用很少的處理組合得出完全試驗相同項數的回歸模型，計算過程極為簡單并已消除了回歸系數之間的相關性，統計性質得到了明顯改善。

對于正交回歸模型，其中包括常數項、線性項、線性交互作用項及二次項，在該文中將熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時間作為自變量。需要說明的是，由影響工藝分析發現，熱壓壓力對濕法非織造材料斷裂強力沒有顯著影響，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、熱壓時間對其有顯著性影響，這里認為熱壓溫度和熱壓壓力的交互、熱壓時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；x1,x2,x3分別表示熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時間；兩者的乘積表示其交互效應，比如：x1,x2表示熱壓溫度和熱壓壓力的交互效應；ε表示誤差。用y表示斷裂強力。

3.2 最優熱壓工藝控制點的計算

運用SAS軟件，建立了正交回歸方程，并對模型和回歸系數進行了顯著性檢驗，詳見表3。

表3 斷裂強力的二次正交回歸方程

表3第一次計算結果表示初步的二次正交回歸方程，第二次計算結果表示最終的二次正交回歸方程。表3的第一次計算結果發現，對應的系數為0，而t值以及它的概率均沒有顯示，這是由于它可以由其他的因素表示出來，即

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

為了進一步優化滌綸濕法非織造材料斷裂強力，這里給出優化模型（目標函數和約束條件）來求解最佳控制點以及滌綸濕法非織造材料的最大斷裂強力。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，熱壓時間為48.63 s時，材料最大斷裂強力為80.87 N。

3.3 實驗驗證

為了驗證理論結果的正確性，本文進行了實驗驗證。首先，在纖維標準解離器的槽桶內中加入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，將懸浮液倒入紙頁成型器的容器中以排干絕大部分水形成濕的纖維網，將濕纖網在100°C下干燥10 min形成滌綸濕法非織造材料。然后，通過平板熱壓機在x1=206.55 ℃ ，x2=15.17??Pa，x3=48.63??s，y=80.87??N條件下對滌綸濕法非織造材料進行熱壓粘合從而獲得滌綸濕法非織造薄膜。運用萬能強力測試儀上進行拉伸實驗并記錄斷裂強力值。

經過上述的實驗，可以得到滌綸濕法非織造材料斷裂強力為78.9 N。然而理論求得的滌綸濕法非織造材料最大斷裂強力為80.87 N，兩者數值差距很小，誤差大約在2%左右。顯示斷裂強力的優化控制合理有效。

4 結論與討論

在對滌綸濕法非織造材料斷裂強力建立二次正交回歸方程之前，需要利用正交試驗得到的實驗數據并做方差分析。根據方差分析的結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函數，通過優化求解得到最佳控制工藝點。這種研究思路和方法可以為其他材料制備提供參考。

運用方差分析研究因素對因變量的影響，因素之間的交互作用是非常重要的。因此需要做重復實驗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數，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，如更高次數的回歸。但這需要更多的實驗數據，對實驗的要求也隨之提高。在實驗數據不變的情況下，選擇其他非線性回歸也是一個嘗試，如對數線性回歸、半對數線性回歸等。

對濕法非制造材料斷裂強力進行優化控制，是為了得到斷裂強力最好的滌綸濕法非織造材料，這有利于在此基礎上制備性能更好的膜，使得制備非織造材料的質量達到最佳，以便在紡織行業得到更好的應用。