三維卷曲中空滌綸/棉非織造保暖材料的響應(yīng)面法優(yōu)化制備

李 艷，張得昆，張 星

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

保暖材料是一種質(zhì)輕且保暖的填充材料[1-2]，主要分為天然保暖材料、合成保暖材料、復(fù)合型保暖材料等。其中復(fù)合型多功能保暖材料備受關(guān)注[3]。復(fù)合型保暖材料將天然纖維、化學(xué)纖維以及功能性纖維等復(fù)合而成，最大程度發(fā)揮不同纖維的性能優(yōu)勢(shì)[1]。文獻(xiàn)[4-5]以木棉纖維和三維中空滌綸為原料，利用干法非織造針刺工藝制成新型保暖材料，其產(chǎn)品保暖性及透氣性等均良好；樊星以棉纖維、木棉纖維、滌綸為原料，利用針刺加固技術(shù)制備了5種不同組分的保暖材料，比較其蓬松率和保暖性[6]；王薇等利用干法針刺加固工藝將低比例羊毛和遠(yuǎn)紅外三維卷曲中空滌綸制備為保暖絮片，發(fā)現(xiàn)其蓬松性、壓縮性、尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于純羊毛保暖絮片[7]。

棉纖維保暖絮片是應(yīng)用最廣且最久的傳統(tǒng)保暖材料[8]，棉纖維來(lái)源廣、吸濕性好、舒適性優(yōu)良且保暖性好[9-10]，但其絮片重量過(guò)重且吸濕性強(qiáng)，導(dǎo)致服用中易板結(jié)、壓縮回彈性和保暖性變差[11]。三維卷曲中空滌綸具有壓縮回彈性較好、重量輕、保暖性好等優(yōu)點(diǎn)[12-14]，其絮片是市面上常見(jiàn)的新型環(huán)保型保暖材料。本文將棉纖維和三維卷曲中空滌綸混合，利用干法非織造工藝制備保暖材料。通過(guò)Box-Behnken響應(yīng)面法[15-16]優(yōu)化制備工藝，充分發(fā)揮棉纖維和三維卷曲中空滌綸的性能優(yōu)勢(shì)，制備出性能優(yōu)良、綠色經(jīng)濟(jì)的保暖材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料 三維卷曲中空滌綸(6.67 dtex×65 mm，卷曲數(shù)4/cm，卷曲率75%，卷曲彈性回復(fù)率68%，南通羅萊化纖有限責(zé)任公司);棉纖維(2.2 dtex×32 mm，東莞市大朗粵雄紡織品貿(mào)易行);低熔點(diǎn)纖維(4.4 dtex×51 mm，紹興喜能紡織科技有限公司)。

1.1.2 儀器 WL小型梳理針刺生產(chǎn)線(太倉(cāng)市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司)，202-3A平網(wǎng)式熱風(fēng)加固烘箱(廣東佛衡儀器有限公司)，YG(B)606E 型平板保溫儀(東莞博萊德儀器設(shè)備有限公司)，YG(B)026D-500 型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)，YG089N全自動(dòng)織物縮水率試驗(yàn)機(jī)(南通寶來(lái)紡織設(shè)備有限公司)，YG461Z型數(shù)字織物透氣儀(萊州市電子儀器分公司)，YD141D型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)，F(xiàn)A100A型電子天平(上海皓莊儀器公司)，壓縮回彈性測(cè)試儀(實(shí)驗(yàn)室自制)。

1.2 非織造保暖材料的制備

1.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定了Box-Behnken響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中心點(diǎn)，即三維卷曲中空滌綸含量為50%,針刺密度為30 刺/cm2,針刺深度為7.5 mm，并以三維卷曲中空滌綸含量、針刺密度、針刺深度為自變量，以保溫率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素與水平編碼見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平編碼

1.2.2樣品制備通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定了三維卷曲中空滌綸/棉/低熔點(diǎn)纖維比例為30∶55∶15，50∶35∶15，70∶15∶15，樣品單位面積質(zhì)量為130 g/m2。按照響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案，采用非織造針刺和烘燥工藝，即開(kāi)松混合→梳理→交叉鋪網(wǎng)→針刺→烘燥，制備17種三維卷曲中空滌綸/棉非織造保暖材料。開(kāi)松機(jī)喂入輥速度2.36 m/min,開(kāi)松輥速度 937 m/min;給棉機(jī)角釘簾頻率13 Hz,速度1.11 m/min。梳理機(jī)及鋪網(wǎng)機(jī)工藝參數(shù)見(jiàn)表2～3，預(yù)針刺工藝參數(shù)見(jiàn)表4。其中預(yù)進(jìn)料頻率為14 Hz,速度為1.19 m/min；預(yù)出料頻率為15 Hz,速度為1.317 m/min。

表2 梳理機(jī)工藝參數(shù)

表3 鋪網(wǎng)機(jī)主要工藝參數(shù)

表4 預(yù)針刺機(jī)工藝參數(shù)

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 單位面積質(zhì)量 根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布實(shí)驗(yàn)方法第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》，取10塊試樣稱重并計(jì)算其單位面積質(zhì)量和平均值，試樣尺寸30 cm×30 cm。

1.3.2 厚度 根據(jù)GB/T 24218—2009《紡織品非織造布測(cè)試方法第2部分：厚度的測(cè)定》，取10塊試樣測(cè)量厚度并取平均值，試樣尺寸30 cm×30 cm。試樣加壓1.25 N，壓腳面積25 cm2,加壓10 s。

1.3.3 透氣性 根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》，取10塊試樣測(cè)試其透氣性并取平均值。試樣尺寸30 cm×30 cm，設(shè)置壓強(qiáng)為100 Pa。

1.3.4 拉伸強(qiáng)力 根據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品非織造布試驗(yàn)方法第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》，取10塊試樣，尺寸30 cm×30 cm。利用電子織物強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測(cè)試并取平均值。設(shè)置強(qiáng)力機(jī)夾距為100 mm，拉伸速度為100 mm/min。

1.3.5 保溫性能 根據(jù)GB/T 11048—2008《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻》，每組取10塊試樣，在平板保溫儀上測(cè)試，并取平均值。

1.3.6 耐水洗性能 根據(jù)FZ/T 60014—2017《絮片耐洗滌性試驗(yàn)方法》，取10塊試樣，用全自動(dòng)織物縮水率試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，并取平均值。

1.3.7 壓縮率 根據(jù)GB/T 22796—2009《被、被套》測(cè)定壓縮率。試樣尺寸20 cm×20 cm，1組試樣質(zhì)量為60 g，測(cè)試3組求平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用Design-Expert10.0.7中的Box-Behnken組合實(shí)驗(yàn)優(yōu)化三維卷曲中空滌綸/棉非織造保暖材料的制備工藝，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用Design-Expert10.0.7軟件，對(duì)表5中的保溫率(Y)進(jìn)行多元回歸擬合和二項(xiàng)式分析，建立三維卷曲中空滌綸含量(A)、針刺密度(B)、針刺深度(C)的二次回歸模型方程：

Y=88.44+3.01A-2.65B-1.69C+

1.70AB+0.82AC+1.40BC-

7.86A2-1.38B2-1.31C2

(1)

方程(1)中各項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值反映了各因素對(duì)Y的影響程度，系數(shù)正負(fù)反應(yīng)對(duì)Y值的影響方向[17-18]。

回歸模型方差分析結(jié)果見(jiàn)表6。擬合模型P<0.05代表模型及各因素顯著，P<0.01代表該模型及各因素高度顯著，P<0.001代表該模型及因素極度顯著[19]，若P>0.1代表該模型及各因素不顯著[20]。由表6可知，P=0.000 1<0.001，說(shuō)明模型極度顯著；失擬項(xiàng)P>0.05，說(shuō)明所建立模型擬合良好[21-22]。

表6 回歸模型方差分析

圖1為殘差的正態(tài)分布圖，可知其分布基本為一條直線，說(shuō)明殘差的分布服從正態(tài)分布，所擬合的方程有實(shí)際意義；圖2為殘差與預(yù)測(cè)值分布圖，可知其分布無(wú)規(guī)律，且在零值附近隨機(jī)變化，說(shuō)明回歸模型滿足基本假設(shè)；圖3為預(yù)測(cè)值和真實(shí)值分布圖，可知其分布基本為一條直線，說(shuō)明二者差距小。由圖1～3可知該模型適應(yīng)性較好[16]。

圖1 殘差的正態(tài)分布

圖2 殘差與預(yù)測(cè)值分布

圖3 預(yù)測(cè)值與真實(shí)值分布

2.2 各因素交互作用影響分析

根據(jù)回歸方程建立響應(yīng)曲面圖和等高線圖。各因素間的交互作用對(duì)保溫率的影響和等高線分析見(jiàn)圖4～6。

(a)影響曲面

響應(yīng)值保溫率隨三維卷曲中空滌綸含量的增大先增大后減小，針刺密度和針刺深度對(duì)響應(yīng)值保溫率也有不同程度的影響。響應(yīng)曲面的彎曲程度反映隨著影響因素的變化，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值變化情況。等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，圓形反之[24]。

由圖4(a)可知，AB交互項(xiàng)的響應(yīng)面彎曲，說(shuō)明三維卷曲中空滌綸含量和針刺密度間的交互作用對(duì)保溫率的影響大；從圖4(b)可知，三維卷曲中空滌綸含量對(duì)保溫率的影響比針刺密度大。由圖5(a)可知，AC交互項(xiàng)的響應(yīng)面彎曲，說(shuō)明三維卷曲中空滌綸含量和針刺深度間的交互作用對(duì)響應(yīng)值保溫率的影響大；從圖5(b)可知，三維卷曲中空滌綸含量對(duì)響應(yīng)值保溫率的影響比針刺深度大。由圖6(a)可知，BC交互項(xiàng)的響應(yīng)面稍平緩，說(shuō)明針刺密度和針刺深度間的交互作用對(duì)響應(yīng)值保溫率的影響?。粡膱D6(b)可知，針刺密度對(duì)響應(yīng)值保溫率的影響比針刺深度大。

(a)影響曲面

(a)影響曲面

綜上，三維卷曲中空滌綸/棉非織造保暖材料的最佳制備方案為：三維卷曲中空滌綸含量50.63%，針刺密度10 刺/cm2，針刺深度5 mm。按方程(1)計(jì)算得，此時(shí)樣品的保溫率為91.50%?？紤]到實(shí)際操作，三維卷曲中空滌綸含量調(diào)整為50%，即三維卷曲中空滌綸/棉/低熔點(diǎn)纖維比例為50∶35∶15。

2.3 最優(yōu)工藝制備的樣品性能

利用響應(yīng)面法優(yōu)化后的制備工藝，制備三維卷曲中空滌綸/棉非織造保暖材料，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 三維卷曲中空滌綸/棉纖維保暖材料性能

將表7數(shù)據(jù)與有關(guān)文獻(xiàn)[25-26]數(shù)據(jù)對(duì)比，并與按方程(1)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)對(duì)比可知：按最優(yōu)工藝制備的樣品透氣性、拉伸強(qiáng)力良好；保溫率平均值與預(yù)測(cè)值相差較小，說(shuō)明保溫性能較好；耐水洗次數(shù)為8次，相對(duì)較好；壓縮率為59.80%，屬于優(yōu)等品[27]。

3 結(jié) 論

2)影響三維卷曲中空滌綸/棉非織造保暖材料的保溫性能的因素依次為滌綸的含量、針刺密度、針刺深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型效果理想。

3)優(yōu)化后的三維卷曲中空滌綸/棉非織造保暖材料工藝為三維卷曲中空滌綸/棉/低熔點(diǎn)纖維比例50∶35∶15，針刺密度10 刺/cm2，針刺深度5 mm。最優(yōu)工藝下制備的樣品的保溫率為91.50%。