1. 武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070；2. 武漢紡織大學紡織工程與科學學院，湖北 武漢 430070

運用Box-Behnken響應面法優(yōu)化竹漿纖維非織造布水刺工藝參數

舒服華1楊慧芳2

1. 武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070；2. 武漢紡織大學紡織工程與科學學院，湖北 武漢 430070

水刺法生產竹漿纖維非織造布既環(huán)保，又能滿足人們對天然纖維產品的追求。水刺工藝參數對非織造布性能有重要的影響。運用Box-Behnken響應面法對竹漿纖維非織造布水刺工藝參數進行優(yōu)化，得到了最佳工藝參數組合：水刺頭數9.0個，水刺距離10.000 mm，輸網速度40.00 mm/min。此時，原纖化指數為4.0。

竹漿纖維，非織造布，水刺，響應面，工藝參數，優(yōu)化

水刺工藝是生產非織造布較為先進的工藝，它與針刺工藝類似，不同的是水刺工藝用水流代替刺針，即以高壓微細水流噴射到一層或多層纖維網上，使纖維纏結在一起，并通過黏接、加固而形成具備一定強力的非織造布。水刺工藝最大的特點是不損傷纖維，所得制品外觀比其他非織造材料更接近傳統紡織品。水刺非織造布的性能優(yōu)良，手感柔軟、蓬松，吸濕性強，對油脂等有機污染物有一定吸收效果，在醫(yī)療、衛(wèi)生、家居、新型電子、航空航天等領域廣泛使用。

竹在我國的種植范圍廣，它的生長速度快，再生能力強，對其進行砍伐對環(huán)境的不良影響小。因此，可以說竹漿纖維是一種經濟且綠色環(huán)保的纖維，用于制備非織造布具有得天獨厚的優(yōu)勢。竹漿纖維屬于黏膠型纖維，其單纖細度細，多孔洞，遇水易膨脹，因此竹漿纖維非織造布一般采用水刺工藝進行制備。采用水刺工藝，竹漿纖維易發(fā)生原纖化，這有利于提高非織造布的柔軟性和豐滿度，還能有效提高產品的吸水性。利用水刺工藝制備竹漿纖維非織造布，其工藝參數對原纖化效果有十分關鍵的作用，而優(yōu)化工藝參數又是工藝設計與生產控制的關鍵。

響應面法是常用的簡便、有效的優(yōu)化方法之一，它運用多項式擬合來研究因變量與自變量之間的關系，然后對擬合的多項式進行優(yōu)化，從而獲得待優(yōu)化問題的解決方案。該方法最大的特點是能將因變量與自變量的變化規(guī)律直觀地呈現出來，使抽象、復雜的數學規(guī)劃問題形象化、直觀化。本文運用Box-Behnken響應面法對竹漿纖維非織造布水刺工藝參數進行優(yōu)化，以期為竹漿纖維水刺非織造布的生產提供參考和借鑒。

1 試驗部分

1.1材料與設備

材料：竹漿纖維，湖北冠森竹纖維制品有限公司，長度38.000 mm，線密度1.56 dtex。設備：TJ-2600水刺機，青島東佳紡機(集團)有限公司。儀器：XSP- 2CA(Y)光學顯微鏡，上海光學儀器廠。

1.2試驗設計

以水刺頭數(A)、水刺距離(B)、輸網速度(C)為優(yōu)化對象，分別設3個水平，以竹漿纖維原纖化指數(Y)為優(yōu)化目標(原纖化指數定義為原纖長度之和與定長之比)，設計Box-Behnken響應面試驗[1-2]。水刺頭壓力設為恒定，1號水刺頭壓力為3.5 MPa，其他水刺頭壓力為3.0 MPa(如果設有水刺頭)，試驗因素與水平設計見表1，水刺頭配置設計見表2。

1.3試驗方法

試驗采用平網水刺工藝，加工流程：纖維原料輸入→開松、混合→梳理→交叉鋪網→牽伸→預濕→水刺加固[3-4]。

按試驗設計的工藝參數制備竹漿纖維水刺非織造布樣品，從中抽取竹漿纖維試樣，然后在XSP-2CA(Y)光學顯微鏡下進行觀察，并計數竹漿纖維上0.276 mm長度范圍內的原纖根數。每份樣品取10根竹漿纖維進行測量，取其平均值作為最終值，折算為原纖化指數(Y)。試驗結果見表3。

表1 試驗因素與水平設計

表2 水刺頭配置設計

注：“1”表示配置有水刺頭；“0”表示不配置水刺頭

表3 試驗結果

2 試驗分析

2.1二次回歸方程

根據試驗數據，對原纖化指數(Y)與水刺頭數(A)、水刺距離(B)、輸網速度(C)進行多項式擬合，得到擬合函數：

Y= -10.697 500+4.622 500A-0.412 400B- 0.085 225C-0.003 500AB-0.008 375AC+ 0.003 975BC-0.241 700A2+0.004 930B2- 0.000 821C2

(1)

根據函數(1)中一次項系數的絕對值，可判斷竹漿纖維非織造布水刺工藝參數對原纖化指數的影響程度，3個工藝參數的影響程度由大到小的順序為水刺頭數、水刺距離、輸網速度。

2.2方差分析

表4 方差分析結果

2.3工藝參數優(yōu)化

以原纖化指數(Y)最大為優(yōu)化目標，對3個工藝參數進行優(yōu)化，得到優(yōu)化結果：水刺頭數(A)=8.8個(實際取9.0)，水刺距離(B)=10.000 mm，輸網速度(C)=40.00 mm/min。此時，原纖化指數(Y)=4.0，優(yōu)化結果的可信度為0.631。

2.4響應面分析

響應面可以直觀反映自變量(即工藝參數)對因變量(即原纖化指數)的影響程度。圖1～圖3所示為3個自變量中1個取0水平時另外2個對因變量的響應面。圖1反映了水刺頭數和水刺距離對原纖化指數的影響，可以看出，水刺頭數越少，水刺距離越大，則原纖化指數越小。圖2反映了水刺頭數和輸網速度對原纖化指數的影響，可以看出，水刺頭數越少，輸網速度越小，則原纖化指數越小。圖3反映了水刺距離和輸網速度對原纖化指數的影響，可以看出，水刺距離越大，輸網速度越小，則原纖化指數越小。

圖1 水刺頭數與水刺距離對原纖化指數的響應面

圖2 水刺頭數與輸網速度對原纖化指數的響應面

圖3 水刺距離與輸網速度對原纖化指數的響應面

2.3交互項分析

交互項分析的目的是判斷自變量交互項對自變量的影響程度，其方法是分析響應面底部的線條狀況，即等高線分布。等高線反映自變量交互項對因變量的影響程度。等高線為圓形時，自變量交互項對因變量的影響程度最大，其次是等高線為橢圓形時，再次是等高線為封閉曲線時，當等高線為非封閉曲線時影響程度最小。等高線的疏密也可反映自變量交互項對因變量的影響程度，等高線越密，影響程度越大；反之，影響程度越小[5-6]。

圖4～圖6所示分別為圖1～圖3所示響應面的等高線，可以看出，水刺頭數與輸網速度交互項的等高線最密，其次是水刺頭數與水刺距離交互項的等高線，最疏的是水刺距離與輸網速度交互項的等高線。因此，可判斷自變量交互項對因變量的影響程度由大到小的順序為A×C、A×B、B×C。

圖4 Y(A, B)響應面(圖1)的等高線

圖5 Y(A, C)響應面(圖2)的等高線

圖6 Y(B, C)響應面(圖3)的等高線

3 結語

水刺工藝生產率高，產品性能優(yōu)良，而且與傳統織造工藝生產的紡織品尤其相似，深受用戶青睞，得到了人們的認可和廣泛使用。隨著環(huán)境保護與循環(huán)經濟發(fā)展的理念深入人心，化學纖維對環(huán)境的負面影響會越來越受到人們的關注，天然纖維因其生態(tài)性和對人體健康有益而重新受到市場的歡迎，成為人們熱衷和追求的衣著新寵。然而，以棉、羊毛為主的天然纖維畢竟數量有限，難以滿足人們對天然纖維產品的需求。竹在我國有悠久的種植歷史，在全國的種植范圍很大，而且竹屬于快生植物，對其進行適當開發(fā)、利用，不僅不會對植被造成破壞，反而有利于保持生態(tài)平衡，還會促進竹的新陳代謝，更好地生長，對環(huán)境起到保護作用。因此，用竹漿纖維生產非織造布，不失為一個既環(huán)保又能滿足人們對天然纖維的追求的理想方法。采用水刺工藝生產竹漿纖維非織造布，其工藝參數對竹漿纖維的原纖化具有較大的影響。文中運用Box-Behnken響應面法優(yōu)化竹漿纖維非織造布水刺工藝參數，得到了最佳工藝參數組合，即水刺頭數A=9.0個，水刺距離B=10.000 mm，輸網速度C=40.00 mm/min，此時原纖化指數Y=4.0最大。

[1] 吳欣欣, 劉潔, 鄭慧, 等. 利用Box-Benhken響應面法優(yōu)化抗氧化玉米蛋白酶解液的制備工藝[J]. 河南工業(yè)大學學報(自然科學版), 2013, 34(1): 31-35.

[2] 肖懷秋, 李玉珍, 林親錄, 等. Box-Behnken響應面優(yōu)化冷榨花生粕酶解制備花生肽工藝[J]. 中國糧油學報, 2014, 29(10): 106-112.

[3] 韓旭, 嚴瑩. 竹漿纖維水刺非織造材料工藝及性能研究[J]. 產業(yè)用紡織品, 2006, 24(10): 14-17.

[4] 朱遠勝. 水刺工藝對竹漿纖維原纖化性能的影響[J]. 紡織學報, 2010, 31(2): 24-26+32.

[5] 舒服華. 響應面法在石材拋光工藝參數優(yōu)化中的應用[J]. 石材, 2016(12): 27-31+56.

[6] 舒服華. 響應面法在粉煤灰頁巖燒結磚工藝參數優(yōu)化中的應用[J]. 磚瓦, 2016(11): 20-24.

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Optimization on spunlacing process parameters of bamboo pulp fiber nonwovens by Box-Behnken response surface method

ShuFuhua1,YangHuifang2

1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;2. School of Textile Engineering and Science, Wuhan Textile University, Wuhan 430074, China

Production of bamboo pulp fiber nonwovens by using spunlacing method is environmentally friendly and can meet people’s pursuit for natural fiber products. Spunlacing process parameters have an important impact on the performance of nonwovens. The Box-Behnken response surface method was used to optimize the spunlacing process parameters of bamboo pulp fiber nonwovens, and the optimum process parameters were obtained: the number of water head was 9.0, the spunlace distance was 10.000 mm, the transmission speed was 40.00 mm/min. Under these conditions, the fibrillation index was 4.0.

bamboo pulp fiber, nonwoven, spunlace, response surface, process parameter, optimization

2017-07-30

舒服華，男，1964年生，副教授，主要從事輕工機械研究工作

TS171.9

A

1004-7093(2017)10-0013-05