甲酸/氯化锌法莫代尔纤维与棉纤维混合物的试验参数研究

谷 洋,张 冲,胥义丰,单德佳,高 雷

(辽宁省纤维检验局 辽宁省检验检测认证中心,辽宁 沈阳 110004)

莫代尔是一种高湿模量黏胶纤维的再生纤维素纤维,该纤维原料(榉木木材)取自于大自然又通过自然界的生物降解回归自然,充分体现了绿色环保和再生的优点[1]。莫代尔纤维具有优良的悬垂性、柔软性、吸湿透气性,且具有较好的光泽,可与其他纤维混纺,其混纺面料在服用过程中具有柔软、爽滑的手感。莫代尔与棉混纺织物既能用于外衣,又能制作内衣,很受消费者青睐[2],二者都属于纤维素纤维,性质相近,因此准确分析莫代尔纤维与棉混合物的含量很有必要。

莫代尔纤维有多个生产厂商生产不同的产品。兰精纤维有限公司是主要生产厂商之一,生产常规和超细2种莫代尔纤维。本试验采用兰精纤维有限公司的常规莫代尔纤维作为试验样品,来探讨棉与莫代尔纤维混合物的溶解规律及最优溶解组合。

普遍采用的GB/T 2910.6-2009[3](技术等效ISO 1833-6:2007[4])中规定,甲酸浓度68%,溶解温度40℃,溶解时间2.5 h,对于某些在40℃下难溶解的化学纤维,在70℃条件下进行试验。而哪种纤维难以溶解,标准并没有具体的规定。有学者[5-7]对再生纤维素纤维和棉的混合物做了研究,而棉与莫代尔混合物的甲酸/氯化锌法试验的溶解规律,却并没有更深一步探讨。文中对棉与莫代尔纤维进行较深入的试验,借助正交设计和方差分析的方法,以更宽的参数范围来讨论棉与莫代尔纤维混合物的溶解规律。

1 材料、仪器和方法

1.1 材料和仪器

材料:常规莫代尔纤维(1.3 dtex、38 mm,兰精纤维有限公司);一级梳棉胎纤维;甲酸(含量>88%,分析纯,西陇科学有限公司);氯化锌(分析纯,天津市瑞金特化学品有限公司)。

仪器:ZWF-110×50水浴恒温振荡器(上海智城分析仪器制造有限公司);AL104电子天平(梅特勒-托利多国际贸易有限公司)。

1.2 正交试验设计

试样为纤维状,体积比较大,每克100 ml的浴比难以浸没,因此每克用150 ml的溶解液,振荡频率175次/min。

1.2.1 正交设计的因素与水平

设置溶解温度(简称“A”,单位“℃”)、溶解时间(简称“B”,单位“min”)、溶解液甲酸浓度(简称“C”,单位“%”)3个因素,正交设计因素与水平见表1。

表1 正交设计因素与水平

1.2.2 试验计划的制定

利用SPSS软件生成2个6水平(因素A、B)、1个5水平(因素C)的混合正交表,有49个试验条件,其中1组为重复条件,共48组试验条件,试验计划及结果见表2。

表2 正交试验设计条件及测试结果

1.2.3 测试样品的制备

每组条件测试2个平行样品,每个平行样称为单样。一个单样包括,棉纤维和天丝G100纤维,分别烘至净干,称重,计算出该单样的含棉量(棉干重/总重×100),作为该单样的含棉量真值。溶解后,剩余纤维干重/试验前总净干重×100,作为该单样的实测含棉量。

1.2.4 目标参数的确定

计算单一样品的“真值与实测值的最小值/真值与实测值的最大值×100”作为真值与实测值的相似度(下简称“相似度”,单位为%),两个平行样的平均值,设置为该条件的目标参数。真值与实测值越接近,该参数越接近100%,条件越理想。

1.2.5 最优溶解条件的确定与交互性分析

用SPSS软件对试验结果进行主效应方差分析[8],两两比较分析,绘制趋势图,得出最优条件,试验确认最优条件,并对结果进行交互性分析,根据交互分析结果,进一步设计试验方案,继续探索溶解规律。

2 结果和分析

2.1 正交试验计划及结果

按照正交试验计划,测试49组条件的相似度检测结果,见表2,其中序号28和37为重复试验。其中序号14号条件比较难溶,平行样品数据不平,补测后仍然有问题。

2.2 单因素方差分析结果

用软件对检测结果进行主效应方差分析,结果见表3。可以看出自变量A、B、C对因变量“相似度”的影响,因素A的Sig<0.05,在统计上影响显著,因素B、C均>0.05,未达到置信概率0.95的统计显著影响水平。而对于各因素对因变量的影响大小来说是A>C>B。

表3 主效应方差分析结果

2.3 两两比较分析结果

对于每个因素的最优值分析,采用SNK模型对“两两比较”结果作图,如图1、图2、图3所示。图中“估算边际平均值”只是指剔除其他变量影响时算出的均值,该值越大表示该因素对目标(相似度)越大,因素在该值下相似度越大。从图1、图2、图3可以看出,3个因素对“相似度”的影响都不成线性,并且都成三折线形态,其中因素A、B有2个最大值,因素C有1个最大值。统计推荐最优值,A为60℃,B为65 min,C为68.0%。

图1 估算边际均值-溶解温度图

图2 估算边际均值-溶解时间图

图3 估算边际均值-甲酸浓度图

统计结果推荐的最优组合,在正交试验计划中,没有包括。在此条件下测试,结果相似度为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,表示莫代尔并未全部溶解,且不及标准[3]中的d值,该组合并不理想。

2.4 考虑交互作用的方差分析结果

对数据做进一步分析,影响因素都为非线性影响,对数据进行交互性分析,在上述“模型”,除采用“主效应”外,再考虑A×B、B×C、A×C的交互作用,统计结果见表4。

表4 考虑交互作用的方差分析结果

表4结果表明,交互作用大小排序为A>B>A×B>B×C>C>A×C,可以看出因素C与其他因素的交互作用最小,因此固定因素C的最优值68.0%,做A、B的全试验,需测试36个条件组合,去掉正交试验中因素C为68.0%的7个条件组合,再测试29个条件,来继续搜索最优条件组合,为使结果表达更直观,采用参数组合下,2个平行样“实测试值-真值”的平均值作为图的纵坐标,称为“差值平均值”。

2.5 固定因素C的因素A、B的全试验结果

从图4可以看出,溶解的最优条件处在A、B因素下有最优条件组合,对于不同A因素下,差值-因素B的散点图如图5～图10所示。

图4 因素C在68.0%下,差值-因素A、B结果图

图5 在因素C 68%,因素A 30℃下,差值平均值-因素B散点图

图6 在因素C 68%,因素A 40℃下,差值平均值-因素B散点图

图7 在因素C 68%,因素A 50℃下,差值平均值-因素B散点图

图8 在因素C 68%,因素A 60℃下,差值平均值-因素B散点图

图9 在因素C 68%,因素A 70℃下,差值平均值-因素B散点图

图10 在因素C 68%,因素A 80℃下,差值平均值-因素B散点图

因素A在30℃条件下,没有最优条件,溶解的趋势是:在低温较短时间内(95 min前),样品的重量较溶解前明显增加,表示样品有溶胀现象,试剂进入到样品内部生成了新物质,而在清洗过程中,无法去除,而在较长时间,剩余试样重量下降,但始终没有将莫代尔纤维全部溶解,其趋势与图2较类似。

因素A在40℃下,因素B在95～125 min之间有一个最优值,95 min时,棉d值为1.02,与标准[3]一致,在该区间内,对于莫代尔纤维有一个优于标准的最优条件。

因素A在50℃下,溶解时间稍长,对莫代尔溶解的效果均比较明显,比较数值,最优条件在95～125 min,其中95 min时,棉的d值为0.998,125 min时,棉的d值为1.004,优于标准。因素A在40～50℃下,最优溶解时间都在95～125 min,说明在该时间段下,温度在40～50℃内,对溶解的影响不显著,溶解效果都比较理想。

因素A在60℃下,溶解时间稍长,对莫代尔溶解的效果均比较明显,查看数值,最优条件在5～35 min,其中5 min时,棉的d值为0.996,不过该条件时间短,数据不稳定,35 min时,棉的d值为1.002,优于标准。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,优于标准。

因素A在70℃下,因素B在35～155 min范围内,莫代尔纤维都已溶解,在5 min条件下,d值为0.742,并且非常难溶。因素B在35 min条件下,棉d值为1.03,与标准中70℃下,棉的d值一致,在5～35 min范围内,有优于标准的测试条件,其他条件棉纤维溶解过多。

因素A在80℃下,在35～155 min范围内,莫代尔纤维全部溶解。在5 min条件下,d值为0.993,莫代尔纤维未完全溶解,数据不稳定。在80℃,5～35 min范围内,有最优溶解条件,其他条件都将棉纤维溶解。

3 结论与不足

3.1 结论

正交试验和全试验后,得出对于棉与莫代尔纤维溶解的最优条件组合为浴比1∶50,振荡频率175次/min,甲酸浓度68.0%,最优溶解条件范围见表5。

溶解温度、溶解时间、溶解液甲酸浓度3个因素对于棉与莫代尔混合物中,对莫代尔溶解的影响,互不独立。

3.2 不足

试验计划相邻水平间步长大,得出各因素对于溶解程度(相似度)的整体规律,为发现其他最优组合有启发作用。对于某些细小溶解规律,试验设计尚不完善,很可能忽略某些最优组合。分析过程中存在最优条件搜索方式决策证据不足的情况,采用搜索温度时间全试验的做法,而未采用考虑交互的正交试验方案。

试验中涉及对试验结果可能有显著影响的其他因素,如浴比、振荡频率等,此次研究并未纳入。本试验以散纤维作为试样样品,并未经过纺纱、织造、印染等工序,因此结论对于混纺织物可能有偏差。试验样品仅为兰精纤维有限公司的普通黏胶纤维,而对其他厂商的黏胶纤维并未研究。

试验条件组合,只是实验室内部获得条件,并未做有效的方法验证,方法精密度也尚未测算。没有考量条件组合的健壮性,稍改变每个因素,结果是否准确。