周明星， 孟 婥， 孫以澤

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

在紡織工業(yè)中，混紡比一定程度上代表了紡織品的質(zhì)量，是重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。由于化學(xué)方法的穩(wěn)定性和通用性，定量化學(xué)分析是混紡纖維定量檢測(cè)應(yīng)用最廣泛的一種方法。根據(jù)GB/T 2910.1—2009《紡織品 定量化學(xué)分析 第1部分：試驗(yàn)通則》，混紡纖維中的1種組分由化學(xué)試劑溶解，通過(guò)計(jì)算殘留不溶組分得到各部分的比例。稱量前，不溶組分通過(guò)烘箱進(jìn)行烘干，溫度為(105±3)℃，時(shí)間不少于4 h。

熱風(fēng)烘干在干燥領(lǐng)域應(yīng)用已久，常見于食品行業(yè)[1-3]和紡織行業(yè)[4-6]，例如，使用熱風(fēng)烘干獼猴桃，發(fā)現(xiàn)指數(shù)烘干模型和無(wú)線平面薄板模型都符合烘干過(guò)程[7]。有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)通過(guò)熱動(dòng)力學(xué)分析，獲得了熱風(fēng)烘干羊毛纖維卷筒的最優(yōu)操作條件[8]；也有研究粘膠纖維卷筒烘干模型，并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[9]。傳統(tǒng)的電熱鼓風(fēng)烘干溫度控制不夠精確，本文擬采用遠(yuǎn)紅外烘箱進(jìn)行替代，通過(guò)對(duì)纖維烘干特性研究，以求提高干燥效率并應(yīng)用于混紡纖維自動(dòng)定量檢測(cè)系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)電熱烘箱干燥相比，遠(yuǎn)紅外烘箱干燥雖然都依賴干燥溫度和熱風(fēng)循環(huán)對(duì)織物進(jìn)行烘干，但前者采用的遠(yuǎn)紅外加熱管加熱速度快，且烘箱溫度控制更優(yōu)，對(duì)烘干效率有一定的改善。文獻(xiàn)[10]研究了薄荷葉在熱風(fēng)烘干和遠(yuǎn)紅外烘干下的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外烘干可獲得更好的效果且能量消耗更少。文獻(xiàn)[11]通過(guò)研究洋蔥片遠(yuǎn)紅外烘干特性發(fā)現(xiàn)，水分含量影響擴(kuò)散效率，而且更高的輻射強(qiáng)度和溫度有助于提高烘干效率。

本文首先通過(guò)試驗(yàn)方法研究毛/腈綸混紡纖維在遠(yuǎn)紅外烘箱中的干燥過(guò)程特性，探討不同的烘干條件對(duì)纖維烘干過(guò)程的影響。然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立烘干過(guò)程含水率變化的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)混紡纖維烘干試驗(yàn)討論和模型分析，為提高纖維烘干效率提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 材料和設(shè)備

試驗(yàn)所用材料由上海毛麻研究所提供，為送檢的混紡織物標(biāo)準(zhǔn)樣品，烘干試驗(yàn)時(shí)的織物形態(tài)和盛放容器與傳統(tǒng)手工方法保持一致。

本文試驗(yàn)使用的設(shè)備主要包括：HW-450AS型遠(yuǎn)紅外烘箱，最高烘干溫度為300 ℃，控溫靈敏度為±1 ℃；烘箱，其內(nèi)部有多個(gè)高度可供選擇放置樣品；砂芯坩堝，容量為30 mL；BAS124S-CW型電子天平，最大量程為120 g，精度為0.1 mg。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)，將待烘干纖維放置于砂芯坩堝中，因此不同的樣品干基質(zhì)量會(huì)影響水分的蒸發(fā)速度。遠(yuǎn)紅外烘箱的加熱板位于烘箱底部，纖維離加熱板的遠(yuǎn)近決定了纖維受到的熱輻射能量，對(duì)烘干效率有一定的影響。烘干溫度對(duì)纖維干燥效果的影響最直接，是重要的考慮因素之一。

根據(jù)上述3種因素設(shè)計(jì)了混紡纖維3因素3水平二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，其因素水平表如表1所示。

1.3 試驗(yàn)流程

1)取樣。將毛麻研究所提供的混紡織物剪切成所需質(zhì)量大小的片狀樣品，然后拆分成紗線并放置于砂芯坩堝中。

2)測(cè)定干基質(zhì)量。將含有紗線的砂芯坩堝放置于烘箱中烘干特定時(shí)間，然后轉(zhuǎn)移到干燥皿中冷卻并用電子天平稱量，計(jì)算得到混紡纖維干基質(zhì)量。

表1 遠(yuǎn)紅外烘箱干燥試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factor and level settings of far-infrared oven drying

3)濕樣制備。將砂芯坩堝中的樣品放置于水中浸泡0.5 h，待充分浸潤(rùn)后通過(guò)微調(diào)得到固定的初始含水率。

4)樣品烘干。根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)定初始條件，將調(diào)整后的含水樣品放入遠(yuǎn)紅外烘箱干燥。

每組試驗(yàn)同時(shí)準(zhǔn)備多份樣品進(jìn)行烘干，當(dāng)烘干到特定時(shí)刻后快速拿出樣品進(jìn)行稱量，并求取平均值。

2 試驗(yàn)指標(biāo)和結(jié)果

2.1 試驗(yàn)指標(biāo)

干基含水率是用來(lái)表征纖維含水量的一個(gè)重要指標(biāo)，定義為纖維的實(shí)際含水量與干基質(zhì)量的比值。計(jì)算公式如下：

式中：M為干基含水率；m濕為纖維含有水分時(shí)的質(zhì)量，g；m干為纖維烘至質(zhì)量恒定的質(zhì)量，g。

干基含水率反映纖維的含水量，為體現(xiàn)纖維含水率隨時(shí)間的變化情況，定義纖維烘干速率如下：

式中：v為[t1,t2]時(shí)間段內(nèi)的纖維平均烘干速率；Mt2為t2時(shí)刻的纖維干基含水率；Mt1為t1時(shí)刻的纖維干基含水率。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1樣品干基質(zhì)量

為分別討論3個(gè)因素對(duì)紡織纖維烘干特性的影響，根據(jù)表1讓其中一種因素變動(dòng)并固定另外2種因素在水平0處。首先分析樣品干基質(zhì)量對(duì)混紡纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥過(guò)程的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 樣品不同干基質(zhì)量時(shí)的纖維干燥過(guò)程Fig.1 Drying process of blends with different dry basis mass. (a) Change of dry basis moisture content with time; (b) Drying rate with change of time;(c) Change of drying rate with dry basis moisture content

由圖1(a)可知，在烘干開始階段含水率下降較慢，表明初始烘干速率相對(duì)較小。當(dāng)含水率下降到600%左右時(shí)，下降速率變快，存在明顯的加速烘干過(guò)程。當(dāng)干基含水率繼續(xù)下降到300%左右，烘干速率再次趨于緩慢。由圖1(b)可知，混紡纖維遠(yuǎn)紅外烘干存在不同的速率階段，分別為加速階段、快速烘干和緩慢減速階段。圖1(c)表明，當(dāng)干基含水率一致時(shí)，烘干速率隨干基質(zhì)量差異明顯。

2.2.2烘干距離

遠(yuǎn)紅外烘箱是通過(guò)加熱空氣來(lái)烘干纖維，當(dāng)將烘箱內(nèi)部看作溫度場(chǎng)時(shí)其溫度分布是不均勻的，因此，距離烘箱下部遠(yuǎn)紅外加熱元件距離不同，纖維受到的烘干效果有差異。圖2示出不同烘干距離下的纖維干燥特性曲線。

圖2 不同烘干距離時(shí)的纖維干燥過(guò)程Fig.2 Drying process of blends with different drying distances. (a) Change of dry basis moisture content with time;(b) Change of drying rate with time; (c) Change of drying rate with dry basis moisture content

由圖2(a)可知，3種烘干距離所需的烘干時(shí)間最大相差15 min左右，且干基含水率隨時(shí)間變化差異不大。需要特別注意的是，烘干距離處于中間位置即240 mm處時(shí)，獲得的烘干效果最好。這是因?yàn)殡x遠(yuǎn)紅外發(fā)熱元件越近，則水汽越靠近烘箱底部，從而通過(guò)烘箱頂部排風(fēng)口排出越困難；相反，離遠(yuǎn)紅外發(fā)熱元件越遠(yuǎn)，則纖維受到輻射的實(shí)際溫度降低，同樣不能獲得最好的烘干效果。

通過(guò)圖2(b)可知，混紡纖維的烘干仍然存在加速、快速烘干和緩慢減速過(guò)程。圖2(c)表明，當(dāng)含水率一致時(shí)，烘干距離對(duì)干燥速率的影響變?nèi)酰黠@小于單樣品干基質(zhì)量對(duì)烘干速率的影響。

2.2.3烘干溫度

烘干溫度決定了混紡纖維能夠受到的熱輻射能量多少，對(duì)水分蒸發(fā)速率起關(guān)鍵作用。圖3示出不同烘干溫度的纖維干燥特性曲線。

圖3 不同烘干溫度下的纖維干燥過(guò)程Fig.3 Drying process of blends at different drying temperatures. (a) Change of dry basis moisture content with time;(b) Change of drying rate with time; (c) Change of drying rate with dry basis moisture content

由圖3(a)可知，不同烘干溫度所需的最終烘干時(shí)間差異明顯，最大相差30 min。圖3(b)、(c)表明，不管是隨時(shí)間還是干基含水率變化，不同溫度下的烘干速率差異顯著。從圖3可看出，烘干溫度對(duì)烘干過(guò)程的影響是3種因素中最大的。

此外，烘干溫度為105 ℃和115 ℃之間的差異小于95 ℃和105 ℃之間的差異，說(shuō)明低溫對(duì)烘干速率的降低程度更為明顯。盡管115 ℃烘干溫度可一定程度縮短纖維的烘干時(shí)間，但考慮到能源的消耗增大， 105 ℃可看成是最優(yōu)的纖維干燥溫度。

3 模型建立和驗(yàn)證

通過(guò)上述單因素分析，可得到混紡纖維烘干受各因素的影響情況。為進(jìn)一步研究各因素之間的關(guān)系以及對(duì)纖維烘干的整體影響，需要進(jìn)行烘干過(guò)程模型擬合和驗(yàn)證分析。

3.1 烘干模型建立

3.1.1常見烘干模型

纖維烘干過(guò)程是復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)傳熱過(guò)程，工業(yè)烘干過(guò)程的控制常以經(jīng)驗(yàn)為主，盲目性較大，因此，烘干過(guò)程的數(shù)學(xué)模型模擬和分析越來(lái)越受到重視。本文研究涉及的混紡纖維烘干過(guò)程適用于薄層干燥，現(xiàn)選取幾種常見的干燥模型分析如下。

單項(xiàng)擴(kuò)散模型[12]：

MR=Ae-kt

二次多項(xiàng)式模型[13]：

MR=a+bt+ct2

Page 模型[14]：

MR=e-ktn

式中：MR=(Mt-Me)/(M0-Me)，為任意時(shí)刻與初始狀態(tài)的水分比；t為烘干時(shí)間，min；A、k、a、b、c、n為待定系數(shù)；Mt為t時(shí)刻物料干基含水率，%；M0為物料初始干基含水率，%；Me為物料平衡干基含水率，%。為便于計(jì)算，通常將MR簡(jiǎn)化為MR=Mt/M0，即將物料平衡時(shí)的含水率當(dāng)作零。

3.1.2二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

表2示出3因素3水平二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到的纖維烘干結(jié)果，將表中數(shù)據(jù)代入上述3種干燥模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得出最適合的混紡纖維干燥模型。由于不同烘干條件所需的烘干時(shí)間不同，表2所示是以烘干35 min后的剩余干基含水率為目標(biāo)值。

3.1.3烘干模型擬合

將表2中的3種影響因素作為自變量，將剩余干基含水率作為因變量，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果如表3所示。可知，3種模型在0.05的置信水平下極為顯著，說(shuō)明都可用來(lái)模擬纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥過(guò)程。同時(shí)，Page模型的R2均值最高，說(shuō)明該模型擬合程度最好，因此，選用Page模型作為纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥動(dòng)力學(xué)方程。

將Page模型線性化，得到如下形式。

ln[ln(1/MR)]=lnk+nlnt

Page模型中的待定系數(shù)k和n取決于3個(gè)試驗(yàn)因素，即樣品干基質(zhì)量、烘干距離和烘干溫度?？紤]3個(gè)因素獨(dú)立的一次作用、二次作用及兩兩因素相關(guān)作用，將參數(shù)k和n分別用三元二次多項(xiàng)式擬合，得到如下回歸方程。

表2 遠(yuǎn)紅外烘干二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of quadratic orthogonal rotation experiment

表3 回歸方程顯著性檢驗(yàn)Tab.3 Significance test of different fitting equations

式中：X1為纖維干基質(zhì)量，g；X2為遠(yuǎn)紅外輻射距離，mm；X3為烘箱溫度，℃。

3.2 烘干模型驗(yàn)證

根據(jù)上述烘干模型，可預(yù)判給定條件下紡織纖維在砂芯坩堝中的烘干過(guò)程。為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，假定初始含水率為900%，纖維樣品干基質(zhì)量為0.65 g，遠(yuǎn)紅外輻射距離為240 mm，烘干溫度為105 ℃。將試驗(yàn)參數(shù)代入模型，得到Mt=900e-0.002 1t2.014 7，與試驗(yàn)得到的烘干數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 紡織纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥理論與試驗(yàn)對(duì)比Fig.4 Comparison between Page model and experimental results

圖4中曲線為理論干基含水率隨時(shí)間的變化情況，點(diǎn)狀數(shù)據(jù)為通過(guò)試驗(yàn)得到的固定時(shí)刻的纖維干基含水率。由圖可知，理論模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，證明模型應(yīng)用得當(dāng)。為客觀分析2組數(shù)據(jù)，表4示出試驗(yàn)值與理論數(shù)據(jù)的誤差情況。

表4 理論值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差Tab.4 Error between model and experimental data

表4中絕對(duì)誤差代表理論值與試驗(yàn)得到的纖維含水率差值，其中絕對(duì)誤差最大為28%，最小為4%。因?yàn)楹娓汕捌诶w維含水率較高，存在絕對(duì)誤差較大的可能，而烘干后期纖維含水率低且趨于穩(wěn)定，絕對(duì)誤差逐漸降低；此外由表4可知，相對(duì)誤差最大為10.96%，最小為0.58%。因?yàn)橄鄬?duì)誤差為絕對(duì)誤差除以此刻的纖維含水率，纖維含水率的遞減性導(dǎo)致相對(duì)誤差與絕對(duì)誤差的變化趨勢(shì)不一致。上述試驗(yàn)結(jié)果和誤差分析證明，Page模型適宜作為混紡纖維放置于砂芯坩堝進(jìn)行遠(yuǎn)紅外烘箱干燥的預(yù)測(cè)模型。

4 結(jié) 論

對(duì)于混紡纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥試驗(yàn)，烘干距離處于中間位置所需時(shí)間最短，且烘干溫度為105 ℃最合適。對(duì)于不同的樣品干基質(zhì)量，烘干時(shí)間差異較大。不管烘干條件如何，烘干試驗(yàn)存在明顯的升速、快速烘干過(guò)程和緩慢降速3個(gè)過(guò)程。通過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)并對(duì)比3種常見的烘干模型，得到Page模型最適合于纖維遠(yuǎn)紅外烘干，并通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到模型參數(shù)。將理論模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比并進(jìn)行誤差分析，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

此外，研究結(jié)果表明，采用遠(yuǎn)紅外烘箱干燥混紡纖維所需時(shí)間隨著試驗(yàn)條件不同而變化。對(duì)于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手工方法機(jī)械化的混紡纖維自動(dòng)定量化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，本文研究對(duì)提高系統(tǒng)工作效率有積極的促進(jìn)作用。

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