響應面法優化羊毛衫超臨界CO2扎染工藝

張 娟

（遼寧輕工職業學院，遼寧大連 116100）

羊毛衫是一種常見的針織緯編產品，其原料以羊毛、羊絨和腈綸等為主，因具有良好的保暖性和舒適性，深受廣大消費者的青睞。當今社會，人們追求個性化、時尚化、民族化的服裝，為了滿足這些需求，將超臨界CO2染色技術與傳統扎染技術結合應用在羊毛衫扎染中［1］。作為一種新型的綠色染色加工技術，超臨界CO2代替水介質可以快速、均勻地完成染色過程，縮短染色時間，減少染色工序，降低環境污染，達到清潔生產的要求［2］。本實驗主要以超臨界CO2流體為介質，采用響應面法研究不同扎染溫度、扎染壓力、扎染時間和染料用量對羊毛衫色差的影響，優化羊毛衫超臨界CO2扎染工藝，為羊毛衫超臨界CO2扎染規模化生產提供一定的技術依據。

1 實驗

1.1 材料與設備

材料：羊毛衫（上海華翔羊毛衫有限公司），活性分散大紅G（上海惠宜實業發展有限公司），CO2（純度99.99%，大連中昊光明化工研究設計院）。

設備：數控超臨界CO2染色裝置（大連工業大學超臨界CO2流體課題組），Datacolor SF600型計算機測色配色儀（美國Datacolor 公司）。

1.2 超臨界CO2扎染工藝流程

按照設計圖案對羊毛衫進行捆扎，將捆扎好的羊毛衫和染料分別放入染色釜和染料釜。經過制冷系統液化的液態CO2首先經由高壓泵加壓注入扎染裝置內部，并在加熱系統的作用下達到超臨界狀態。在超臨界CO2作用下，染料被帶入染色釜，完成羊毛衫扎染過程。染色結束后，關閉高壓泵和加熱器，分離釜內的CO2流體和染料，實現CO2氣體的回收再循環。最后，取出羊毛衫進行檢測分析。

1.3 響應面法優化實驗

在單因素實驗基礎上，根據Box-Behnken 中心組合設計原理，選取扎染溫度（x1）、扎染壓力（x2）、扎染時間（x3）、染料用量（x4）為主要考察因素，以羊毛衫色差（ΔE）為響應面值進行優化，實驗因素及水平表見表1。

表1 響應面因素水平編碼表

1.4 色差測試

采用公式ΔE函數判定染色深度，ΔE值越大，說明染色試樣的顏色越深；ΔE值越小，說明染色試樣的顏色越淺［3］。本實驗染色羊毛衫的色度指標采用計算機測色配色儀進行測定，每個試樣測量3 次，取平均值。

其中，L*為明度值；a*為偏紅或偏綠值，數值為正偏紅，數值為負偏綠；b*為偏黃或偏藍值，數值為正偏黃，數值為負偏藍。

2 結果與討論

2.1 扎染工藝條件的確定

2.1.1 扎染溫度

為了分析扎染溫度對羊毛衫染色性能的影響，在扎染壓力20 MPa、扎染時間60 min、染料用量6%（omf）的條件下，扎染溫度分別選取80、90、100、110、120 ℃，對羊毛衫進行超臨界CO2扎染，測試染色后的ΔE，結果如圖1所示。

圖1 扎染溫度對羊毛衫ΔE 的影響

由圖1 可以看出，隨著扎染溫度逐漸升高，超臨界CO2扎染后羊毛衫的ΔE逐漸增高，當扎染溫度達到100 ℃時，ΔE達到42，再繼續升高扎染溫度，ΔE逐漸趨于平緩。這主要是由于超臨界CO2流體對羊毛纖維和染料上染過程產生了一定的影響，當扎染溫度較低時，染料大分子的相對運動較慢，對羊毛衫的上染效果較差；當扎染溫度升高時，超臨界CO2的擴散系數增大，傳質速度增大，染料大分子的熱運動加快，使更多的染料分子能克服阻力向纖維內部擴散，進入纖維的非晶區［2］。隨著扎染溫度的升高，羊毛纖維大分子間相對間隙增大，加快了染料向纖維內部的擴散和上染速度，提高了扎染后羊毛衫的ΔE。因此，羊毛衫扎染溫度優選為100 ℃。

2.1.2 扎染壓力

為了分析扎染壓力對羊毛衫染色性能的影響，在扎染溫度100 ℃、扎染時間60 min、染料用量6%（omf）的條件下，扎染壓力分別選取10、15、20、25、30 MPa對羊毛衫進行超臨界CO2扎染，測試染色后的ΔE，結果如圖2所示。

圖2 扎染壓力對羊毛衫ΔE 的影響

由圖2 可以看出，隨著扎染壓力的提高，羊毛衫的ΔE不斷增大，當扎染壓力為20 MPa 時，羊毛衫ΔE達到較大值；之后繼續增加扎染壓力，羊毛衫ΔE增長幅度較小。這主要是因為扎染壓力低，超臨界CO2流體的密度較低，溶解的染料較少。較低的染料濃度導致擴散進入羊毛纖維內部的單分子染料較少，染色纖維呈現出較低的ΔE；提高扎染壓力后，超臨界CO2流體的密度增大，可以溶解更多染料，擴散進入纖維內部的染料增多，羊毛衫的ΔE提高［4-5］。綜合考慮，扎染壓力選取20 MPa。

2.1.3 扎染時間

為了分析扎染時間對羊毛衫染色性能的影響，在扎染溫度100 ℃、扎染壓力20 MPa、染料用量6%（omf）的條件下，扎染時間分別選取30、45、60、75、90 min，對羊毛衫進行超臨界CO2扎染，測試染色后的ΔE，結果如圖3所示。

圖3 扎染時間對羊毛衫ΔE 的影響

由圖3 可以看出，隨著扎染時間的延長，羊毛衫扎染的ΔE不斷提高；當扎染時間由30 min 增加到60 min 時，羊毛衫的ΔE顯著增大；繼續延長扎染時間，ΔE增幅變小。這是由于隨著扎染時間的延長，更多的溶解染料大分子吸附在纖維表面，纖維內外染料的濃度差增大，使更多的染料逐漸向纖維內部擴散，羊毛衫的ΔE增大［6-7］。因此，扎染時間選擇60 min。

2.1.4 染料用量

為了分析染料用量對羊毛衫染色性能的影響，在扎染溫度100 ℃、扎染壓力20 MPa、扎染時間60 min 的條件下，染料用量分別選取2%、4%、6%、8%、10%（omf），對羊毛衫進行超臨界CO2扎染，測試染色后的ΔE，結果如圖4 所示。由圖4 可以看出，羊毛衫的ΔE隨著染料用量的增多而逐漸增大，當染料用量增大到6%（omf）時，羊毛衫的ΔE逐漸趨于穩定。這是由于染料用量增大，溶解在超臨界CO2中的染料量增多，在扎染過程中，擴散到纖維內部的染料量逐漸增多，羊毛衫的ΔE增大［8］。所以，染料用量優選6%（omf）。

圖4 染料用量對羊毛衫ΔE 的影響

2.2 響應面法優化工藝

以扎染溫度（x1）、扎染壓力（x2）、扎染時間（x3）、染料用量（x4）為實驗因素，以羊毛衫色差為響應值進行4 因素3 水平的Box-Behnken 設計，采用響應面法對羊毛衫超臨界CO2扎染工藝進行優化。

2.2.1 回歸方程的建立與顯著性檢驗

在前期實驗的基礎上進行響應面實驗設計，確定羊毛衫超臨界CO2扎染的最佳工藝條件。利用Design-Expert 8.0.6 軟件，根據Box-Behnken 的中心組合設計原理，設計了4 因素3 水平共29 個實驗點的響應面分析實驗，并對實驗數據進行多元回歸擬合分析，得到扎染溫度（x1）、扎染壓力（x2）、扎染時間（x3）和染料用量（x4）4 個變量與羊毛衫色差（y）的二次方程模型（1）：

由表2 可以看出，方程一次項、二次項均為顯著因素，x3與x4交互作用顯著，其余交互項不顯著，表明扎染溫度、扎染壓力、扎染時間和染料用量對ΔE不是簡單的線性關系，二次項和交互項與色差都有很大的關系。多元回歸關系顯著（相關系數R2=0.955 6），失擬項為0.873 1，失擬不顯著，說明方程擬合充分，回歸方程高度顯著，可用上述回歸方程描述各實驗因素與響應值的關系，對不同條件下羊毛衫的ΔE進行預測，該回歸方程可以優化為方程（2）：

表2 二次回歸模型的方差分析結果

2.2.2 響應面圖形分析

使用Design-Expert 8.0.6 軟件繪制出扎染溫度、扎染壓力、扎染時間和染料用量對羊毛衫ΔE所構成的三維空間曲面圖，結果如圖5 所示。由圖5 可直觀地觀察各因素對羊毛衫ΔE的影響，找出最佳的扎染工藝條件。圖中響應面的形狀反映了扎染溫度、扎染壓力、扎染時間和染料用量顯著性的大小，響應面越陡，顯著性越大；等高線的形狀反映了扎染溫度、扎染壓力、扎染時間和染料用量之間交互作用的強弱，等高線為橢圓形時，各因素間的交互作用強，而圓形則與之相反［6］。由圖5a 可以看出，當扎染時間和染料用量為零水平時，隨著扎染溫度的升高、壓力的增大，羊毛衫ΔE呈現出先增大后降低的趨勢。由圖5b可以看出，當扎染壓力和扎染時間處于零水平時，隨著扎染溫度的升高、染料用量的增大，ΔE增大，并逐漸趨于平緩。由圖5c 可以看出，其余因素處于零水平時，隨著扎染壓力的增加和扎染時間的延長，羊毛衫ΔE達到最大值后又略有降低。圖5d 為扎染壓力和染料用量的交互影響，隨著扎染壓力和染料用量的增大，羊毛衫ΔE快速增大，后有降低趨勢。總體分析，各因素對ΔE影響比較明顯，等高線呈現橢圓形，說明該優化設計能合理反映各因素對響應值的影響。

圖5 三維空間曲面圖

2.2.3 最佳扎染工藝的確定和驗證實驗

為了進一步驗證最佳點，對回歸方程（2）和回歸方程（1）取一階偏導等于零，整理得到方程（3）～（6）：

解得：x1=0.4，x2=0.3，x3=-0.2，x4=0.4。羊毛衫理論色差預測值y=45.8，即最優的扎染工藝條件為扎染溫度104 ℃、扎染壓力21.5 MPa、扎染時間58 min、染料用量6.2%。考慮到實驗操作，對實驗條件進行取整，即扎染溫度104 ℃、扎染壓力22 MPa、扎染時間58 min、染料用量6%（omf）。

為了進一步驗證預測結果，采用最優扎染工藝條件，經5 次平行實驗得到羊毛衫平均ΔE為43.9。這表明預測值和實驗值具有良好的擬合性，說明該模型能較好地模擬和預測羊毛衫ΔE。

3 結論

（1）通過單因素和響應面實驗分析扎染溫度、扎染壓力、扎染時間和染料用量等對羊毛衫ΔE的影響，得到較優的工藝條件為：扎染溫度104°C、扎染壓力22 MPa、扎染時間58 min、染料用量6%（omf）。