甲酸/氯化鋅法莫代爾纖維與棉纖維混合物的試驗參數研究

谷 洋,張 沖,胥義豐,單德佳,高 雷

(遼寧省纖維檢驗局 遼寧省檢驗檢測認證中心,遼寧 沈陽 110004)

莫代爾是一種高濕模量黏膠纖維的再生纖維素纖維,該纖維原料(櫸木木材)取自于大自然又通過自然界的生物降解回歸自然,充分體現了綠色環保和再生的優點[1]。莫代爾纖維具有優良的懸垂性、柔軟性、吸濕透氣性,且具有較好的光澤,可與其他纖維混紡,其混紡面料在服用過程中具有柔軟、爽滑的手感。莫代爾與棉混紡織物既能用于外衣,又能制作內衣,很受消費者青睞[2],二者都屬于纖維素纖維,性質相近,因此準確分析莫代爾纖維與棉混合物的含量很有必要。

莫代爾纖維有多個生產廠商生產不同的產品。蘭精纖維有限公司是主要生產廠商之一,生產常規和超細2種莫代爾纖維。本試驗采用蘭精纖維有限公司的常規莫代爾纖維作為試驗樣品,來探討棉與莫代爾纖維混合物的溶解規律及最優溶解組合。

普遍采用的GB/T 2910.6-2009[3](技術等效ISO 1833-6:2007[4])中規定,甲酸濃度68%,溶解溫度40℃,溶解時間2.5 h,對于某些在40℃下難溶解的化學纖維,在70℃條件下進行試驗。而哪種纖維難以溶解,標準并沒有具體的規定。有學者[5-7]對再生纖維素纖維和棉的混合物做了研究,而棉與莫代爾混合物的甲酸/氯化鋅法試驗的溶解規律,卻并沒有更深一步探討。文中對棉與莫代爾纖維進行較深入的試驗,借助正交設計和方差分析的方法,以更寬的參數范圍來討論棉與莫代爾纖維混合物的溶解規律。

1 材料、儀器和方法

1.1 材料和儀器

材料:常規莫代爾纖維(1.3 dtex、38 mm,蘭精纖維有限公司);一級梳棉胎纖維;甲酸(含量>88%,分析純,西隴科學有限公司);氯化鋅(分析純,天津市瑞金特化學品有限公司)。

儀器:ZWF-110×50水浴恒溫振蕩器(上海智城分析儀器制造有限公司);AL104電子天平(梅特勒-托利多國際貿易有限公司)。

1.2 正交試驗設計

試樣為纖維狀,體積比較大,每克100 ml的浴比難以浸沒,因此每克用150 ml的溶解液,振蕩頻率175次/min。

1.2.1 正交設計的因素與水平

設置溶解溫度(簡稱“A”,單位“℃”)、溶解時間(簡稱“B”,單位“min”)、溶解液甲酸濃度(簡稱“C”,單位“%”)3個因素,正交設計因素與水平見表1。

表1 正交設計因素與水平

1.2.2 試驗計劃的制定

利用SPSS軟件生成2個6水平(因素A、B)、1個5水平(因素C)的混合正交表,有49個試驗條件,其中1組為重復條件,共48組試驗條件,試驗計劃及結果見表2。

表2 正交試驗設計條件及測試結果

1.2.3 測試樣品的制備

每組條件測試2個平行樣品,每個平行樣稱為單樣。一個單樣包括,棉纖維和天絲G100纖維,分別烘至凈干,稱重,計算出該單樣的含棉量(棉干重/總重×100),作為該單樣的含棉量真值。溶解后,剩余纖維干重/試驗前總凈干重×100,作為該單樣的實測含棉量。

1.2.4 目標參數的確定

計算單一樣品的“真值與實測值的最小值/真值與實測值的最大值×100”作為真值與實測值的相似度(下簡稱“相似度”,單位為%),兩個平行樣的平均值,設置為該條件的目標參數。真值與實測值越接近,該參數越接近100%,條件越理想。

1.2.5 最優溶解條件的確定與交互性分析

用SPSS軟件對試驗結果進行主效應方差分析[8],兩兩比較分析,繪制趨勢圖,得出最優條件,試驗確認最優條件,并對結果進行交互性分析,根據交互分析結果,進一步設計試驗方案,繼續探索溶解規律。

2 結果和分析

2.1 正交試驗計劃及結果

按照正交試驗計劃,測試49組條件的相似度檢測結果,見表2,其中序號28和37為重復試驗。其中序號14號條件比較難溶,平行樣品數據不平,補測后仍然有問題。

2.2 單因素方差分析結果

用軟件對檢測結果進行主效應方差分析,結果見表3。可以看出自變量A、B、C對因變量“相似度”的影響,因素A的Sig<0.05,在統計上影響顯著,因素B、C均>0.05,未達到置信概率0.95的統計顯著影響水平。而對于各因素對因變量的影響大小來說是A>C>B。

表3 主效應方差分析結果

2.3 兩兩比較分析結果

對于每個因素的最優值分析,采用SNK模型對“兩兩比較”結果作圖,如圖1、圖2、圖3所示。圖中“估算邊際平均值”只是指剔除其他變量影響時算出的均值,該值越大表示該因素對目標(相似度)越大,因素在該值下相似度越大。從圖1、圖2、圖3可以看出,3個因素對“相似度”的影響都不成線性,并且都成三折線形態,其中因素A、B有2個最大值,因素C有1個最大值。統計推薦最優值,A為60℃,B為65 min,C為68.0%。

圖1 估算邊際均值-溶解溫度圖

圖2 估算邊際均值-溶解時間圖

圖3 估算邊際均值-甲酸濃度圖

統計結果推薦的最優組合,在正交試驗計劃中,沒有包括。在此條件下測試,結果相似度為97.7%,d值0.977。d值<1,表明溶解后的重量大于溶解前的棉重,表示莫代爾并未全部溶解,且不及標準[3]中的d值,該組合并不理想。

2.4 考慮交互作用的方差分析結果

對數據做進一步分析,影響因素都為非線性影響,對數據進行交互性分析,在上述“模型”,除采用“主效應”外,再考慮A×B、B×C、A×C的交互作用,統計結果見表4。

表4 考慮交互作用的方差分析結果

表4結果表明,交互作用大小排序為A>B>A×B>B×C>C>A×C,可以看出因素C與其他因素的交互作用最小,因此固定因素C的最優值68.0%,做A、B的全試驗,需測試36個條件組合,去掉正交試驗中因素C為68.0%的7個條件組合,再測試29個條件,來繼續搜索最優條件組合,為使結果表達更直觀,采用參數組合下,2個平行樣“實測試值-真值”的平均值作為圖的縱坐標,稱為“差值平均值”。

2.5 固定因素C的因素A、B的全試驗結果

從圖4可以看出,溶解的最優條件處在A、B因素下有最優條件組合,對于不同A因素下,差值-因素B的散點圖如圖5～圖10所示。

圖4 因素C在68.0%下,差值-因素A、B結果圖

圖5 在因素C 68%,因素A 30℃下,差值平均值-因素B散點圖

圖6 在因素C 68%,因素A 40℃下,差值平均值-因素B散點圖

圖7 在因素C 68%,因素A 50℃下,差值平均值-因素B散點圖

圖8 在因素C 68%,因素A 60℃下,差值平均值-因素B散點圖

圖9 在因素C 68%,因素A 70℃下,差值平均值-因素B散點圖

圖10 在因素C 68%,因素A 80℃下,差值平均值-因素B散點圖

因素A在30℃條件下,沒有最優條件,溶解的趨勢是:在低溫較短時間內(95 min前),樣品的重量較溶解前明顯增加,表示樣品有溶脹現象,試劑進入到樣品內部生成了新物質,而在清洗過程中,無法去除,而在較長時間,剩余試樣重量下降,但始終沒有將莫代爾纖維全部溶解,其趨勢與圖2較類似。

因素A在40℃下,因素B在95～125 min之間有一個最優值,95 min時,棉d值為1.02,與標準[3]一致,在該區間內,對于莫代爾纖維有一個優于標準的最優條件。

因素A在50℃下,溶解時間稍長,對莫代爾溶解的效果均比較明顯,比較數值,最優條件在95～125 min,其中95 min時,棉的d值為0.998,125 min時,棉的d值為1.004,優于標準。因素A在40～50℃下,最優溶解時間都在95～125 min,說明在該時間段下,溫度在40～50℃內,對溶解的影響不顯著,溶解效果都比較理想。

因素A在60℃下,溶解時間稍長,對莫代爾溶解的效果均比較明顯,查看數值,最優條件在5～35 min,其中5 min時,棉的d值為0.996,不過該條件時間短,數據不穩定,35 min時,棉的d值為1.002,優于標準。另外,因素B在65～95 min,其中65 min,棉d值0.977,效果一般,而95 min,棉d值1.007,優于標準。

因素A在70℃下,因素B在35～155 min范圍內,莫代爾纖維都已溶解,在5 min條件下,d值為0.742,并且非常難溶。因素B在35 min條件下,棉d值為1.03,與標準中70℃下,棉的d值一致,在5～35 min范圍內,有優于標準的測試條件,其他條件棉纖維溶解過多。

因素A在80℃下,在35～155 min范圍內,莫代爾纖維全部溶解。在5 min條件下,d值為0.993,莫代爾纖維未完全溶解,數據不穩定。在80℃,5～35 min范圍內,有最優溶解條件,其他條件都將棉纖維溶解。

3 結論與不足

3.1 結論

正交試驗和全試驗后,得出對于棉與莫代爾纖維溶解的最優條件組合為浴比1∶50,振蕩頻率175次/min,甲酸濃度68.0%,最優溶解條件范圍見表5。

溶解溫度、溶解時間、溶解液甲酸濃度3個因素對于棉與莫代爾混合物中,對莫代爾溶解的影響,互不獨立。

3.2 不足

試驗計劃相鄰水平間步長大,得出各因素對于溶解程度(相似度)的整體規律,為發現其他最優組合有啟發作用。對于某些細小溶解規律,試驗設計尚不完善,很可能忽略某些最優組合。分析過程中存在最優條件搜索方式決策證據不足的情況,采用搜索溫度時間全試驗的做法,而未采用考慮交互的正交試驗方案。

試驗中涉及對試驗結果可能有顯著影響的其他因素,如浴比、振蕩頻率等,此次研究并未納入。本試驗以散纖維作為試樣樣品,并未經過紡紗、織造、印染等工序,因此結論對于混紡織物可能有偏差。試驗樣品僅為蘭精纖維有限公司的普通黏膠纖維,而對其他廠商的黏膠纖維并未研究。

試驗條件組合,只是實驗室內部獲得條件,并未做有效的方法驗證,方法精密度也尚未測算。沒有考量條件組合的健壯性,稍改變每個因素,結果是否準確。