高園園，張毅

( 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

基于主成分分析的兔毛纖維性能的研究

高園園，張毅

( 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

兔毛織品絨面豐滿，手感松、柔軟、滑糯，穿著舒適，保暖性好，是國際市場上流行的高檔產(chǎn)品。且兔毛纖維是優(yōu)良的環(huán)保紡織原料，在外觀和使用的舒適性方面，兔毛織品可以與山羊絨織品媲美，兔毛、兔絨產(chǎn)品的大量入市，無疑能為廣大消費者提供一種價廉物美的產(chǎn)品[1]。兔毛具有廣闊的發(fā)展市場，但在紡紗過程中，兔毛纖維脆性大，成網(wǎng)困難，兔毛的纖維強力是衡量紗線及織物性能的重要指標(biāo)，對紡織品的耐牢度及手感具有直接的影響，因此，借助于R統(tǒng)計軟件采用主成分分析法對兔毛纖維的強力進行綜合評價。

1 實驗材料及方法

1.1 材料

山東省長毛兔養(yǎng)殖歷史悠久，主要分布在臨沂、棗莊、萊蕪、泰安等地[2]。試驗所選用兔毛纖維來源于山東泰安某紡織企業(yè)，品種為安哥拉長兔毛，四月齡養(yǎng)殖60天，剪取足夠的背部纖維，分別測試?yán)w維強力。

1.2 纖維強力測試

纖維強力測試選用電子單纖維強力儀，根據(jù)GB/T 13835.5—1992《兔毛單纖維斷裂強度和伸長試驗方法》，測試不同兔毛纖維的強力，測試條件：溫度( 20 ± 2) ℃ ，相對濕度( 65 ± 3) % ，測試隔距20mm，測試速度20 mm/min。

纖維強力測試結(jié)果包括斷裂強力、斷裂強度、斷裂伸長、斷裂伸長率、斷裂功、斷裂時間、抗拉強度、楊氏模量、初始模量，每個試樣重復(fù)做30次，用R統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

2 兔毛纖維強力的主成分分析

2.1 兔毛纖維的強力分析

為了對兔毛纖維強力做綜合評價，以安哥拉長兔毛纖維為例，選取30組纖維強力測試數(shù)據(jù)，但同一飼養(yǎng)條件下，纖維強力性能存在差異，數(shù)據(jù)如表1所示，表1通過計算纖維強力各性能指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)CV值，對性能指標(biāo)的差異做出基礎(chǔ)的判斷。

表1 兔毛纖維強力測試數(shù)據(jù)

由于兔毛豐富的遺傳多樣性，纖維強力性能均存在不同程度的變異情況。由表1可知，強力測試過程中，斷裂功變異程度最大，變異系數(shù)為23.24%；其中，斷裂功最大為18.32 cN·mm，抗拉強度和初始模量變異相對較小，變異系數(shù)分別為11.99%和11.88%。斷裂強力、斷裂強度、斷裂伸長、斷裂伸長率、斷裂時間變異程度相近，在15%左右浮動。

2.2 主成分分析

主成分分分析(或稱主分量分析)是一種通過降維技術(shù)把多個變量化為少數(shù)幾個主成分(即綜合變量)的統(tǒng)計方法[3]。本試驗采用R統(tǒng)計軟件分析，根據(jù)原始數(shù)據(jù) 30組纖維強力測定結(jié)果，通過主成分分析得到原始數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率及累計方差貢獻(xiàn)率。

2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

纖維強力指標(biāo)具有不同的量綱和數(shù)量級，為了避免量綱和數(shù)量級的影響，對指標(biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將各指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為1的無量綱數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)化方法為每一變量值與其平均值之差除以該變量的標(biāo)準(zhǔn)差：

Zij——標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；

Xij——未標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值；

I， j——纖維指標(biāo)編號，i=1，2，3；j=1，2，3…30；

μ——30個纖維強力指標(biāo)的均值；

σ——30個纖維強力指標(biāo)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.2 主成分分析

兔毛纖維強力的9個指標(biāo)，分別記斷裂強力、斷裂強度、斷裂伸長、斷裂伸長率、斷裂功、斷裂時間、抗拉強度、楊氏模量、初始模量為X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9，通過R統(tǒng)計軟件進行編程，對其進行主成分分析，得出各主成分的特征值λj、方差貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率等，程序結(jié)果如表2和表3。

表2 相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率

在主成分分析中，方差代表了性狀在主成分方向上的分散程度。方差越大，主成分在樣本數(shù)據(jù)分析中所起的作用越大[4]。表2顯示第1 主成分的方差貢獻(xiàn)率約64.2 %，說明第1主成分包含了兔毛纖維強力的大部分信息，同時，第2 主成分的貢獻(xiàn)率約為18.5 %，第3 主成分的貢獻(xiàn)率約為10.6 %，結(jié)合第1個主成分，前3個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)93.2%。表明前3 個主成分已經(jīng)代表了全部性狀93 %以上的綜合信息，其余6 個主成分在樣本性狀分析中所起的作用低于7 %。因此，選取前3 個主成分為兔毛纖維強力的重要主成分。

表3 特征向量

注：空白處表示各主分與纖維強力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)特別小，接近0，可忽略。

根據(jù)主成分的定義，結(jié)合表3，可獲得前三3個主成分與原9項纖維強力指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的線性組合：

Z1=-0.390X1-0.390X2-0.381X3-0.381X4-0.412X5-0.380X6-0.221X7+0.196X8

Z2=0.215X1+0.219X2-0.264X3-0.265X4-0.265X6+0.620X7+0.299X8+0.466 X9

Z3=0.214 X7+0.682 X8-0.685X9

因此，可以簡單看出決定第1主分Z1大小的主要是斷裂功X5，其次，斷裂強力X1、斷裂強度X2、斷裂伸長X3、斷裂伸長率X4、斷裂時間X6對第一主成分Z1的影響幾乎相同，且除了楊氏模量和初始模量，其它均為負(fù)值，絕對值大小相近， 所以可以把第1 主成分看成是纖維強力的綜合反映，斷裂功是最能反映纖維強力的一個重要指標(biāo)。

由第二個式子可以看出，決定第2主分Z2大小的主要是抗拉強度X7，相關(guān)系數(shù)為0.620，相對其他數(shù)值較大，所以第2主分Z2是纖維強力抗拉性能的一個綜合反映，且纖維的斷裂功越大，纖維抗拉性能越好。

通過第三個式子可知，決定第3主分Z3大小的主要是楊氏模量X8和初始模量X9，相關(guān)系數(shù)的絕對值為0.682和0.685，大小相近，且彈性模量包括楊氏模量，兩者具有相關(guān)性，綜合為第3主分，模量反映纖維的剛性，所以第3組分是纖維剛性的一個綜合反映。

3 討論

目前對纖維發(fā)生斷裂時，評價指標(biāo)習(xí)慣用斷裂強力和斷裂伸長率表示，劉彥伯[5]等人研究表明用斷裂強力及斷裂伸長率表示纖維和紗線拉伸斷裂的屬性是不合理的，其合理的屬性指標(biāo)應(yīng)是斷裂功。本試驗運用主成分分析法兔毛纖維強力進行綜合評價，通過儀器測定9個強力指標(biāo)，主成分分析提取3個主成分，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到93%以上，反應(yīng)原有品質(zhì)性狀的絕大部分信息。其中第1主成分的方差貢獻(xiàn)率約64.2%，且第1主成分主要指向斷裂功，表明兔毛纖維斷裂功可以綜合的反映纖維強力的斷裂和拉伸性能，是纖維強力的主要評價指標(biāo)，打破了以往用斷裂強力和斷裂伸長率衡量兔毛纖維強力的思路，該試驗對其他纖維強力的評價具有廣泛的借鑒意義。

4 結(jié)論

運用主成分分析法對兔毛纖維強力各種評價指標(biāo)進行綜合評價，最終把原來多個指標(biāo)(變量)轉(zhuǎn)化為3個綜合指標(biāo)用來評價兔毛強力的大小，其中，第1主成分中的斷裂功最能反映兔毛纖維的強力性能，第2主分主要反映兔毛纖維的抗拉性能，第3主分主要反映兔毛纖維的剛性，即變形難易程度。

數(shù)據(jù)綜合顯示，兔毛纖維的斷裂功平均值為12.87 cN·mm，兔毛纖維強力較小，因此在紡紗織造過程中兔毛捻度需較大，通常采用混紡的形式改善紗支質(zhì)量。

[1] 董仲生. 兔毛織品的特點及產(chǎn)業(yè)前景[C]. 中國畜牧業(yè)協(xié)會.第五屆(2015)中國兔業(yè)發(fā)展大會論文匯編,中國畜牧業(yè)協(xié)會,2015:4.

[2] 姜文學(xué), 白莉雅, 楊麗萍,等. 我國長毛兔產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國養(yǎng)兔, 2013 (9): 25-29.

[3] 汪榮鑫. 數(shù)理統(tǒng)計[M] . 西安: 西安交通大學(xué)出版社,1987:241.

[4] 王沛政.抗旱、耐鹽堿、矮稈陸地棉數(shù)量性狀的遺傳相關(guān)及主成分分析[J] .棉花學(xué)報, 2002(3):154 -157

[5] 劉彥伯,楊原梅,王作安. 對纖維和紗線斷裂機理及屬性指標(biāo)的再認(rèn)識[J]. 紡織科技進展,2005(1):21-32.

2017-06-09

農(nóng)業(yè)部財政部國家級兔產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項項目(項目編號:CARS-44-D-2)

高園園(1991-)漢族，女，碩士研究生，研究方向：兔毛產(chǎn)品開發(fā)和綜合利用。

張毅(1959-)，男，教授，研究方向：特種動物纖維綜合利用。