文/陳海民 閆承蘭
紡織品定量化學(xué)分析試驗(yàn)既要求測(cè)試結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性,又要求具有較高的時(shí)效性,在《滌棉混紡紗定量化學(xué)分析方法的改進(jìn)》[1]一文中就如何提高試驗(yàn)的時(shí)效性問(wèn)題,從烘干、冷卻時(shí)間和測(cè)量方式等方面進(jìn)行了可行性的分析,同時(shí)提出在采用硫酸溶解聚酯纖維/棉纖維化學(xué)定量試樣過(guò)程中,水浴時(shí)間、溫度和硫酸濃度對(duì)提高試驗(yàn)時(shí)效性具有重要影響。
GB/T 2910.11—2009《紡織品 定量化學(xué)分析 第11部分:纖維素纖維與聚酯纖維的混合物(硫酸法)》規(guī)定:“把準(zhǔn)備好的試樣放入三角燒瓶中,每克試樣加入200mL硫酸溶液(4.1),塞上玻璃塞,搖動(dòng)燒瓶將試樣充分潤(rùn)濕后,將燒瓶保持(50±5)℃放置1h,每10min搖動(dòng)一次?!逼渲械摹皩勘3郑?0±5)℃放置1h”的規(guī)定直接影響到紡織品定量化學(xué)分析的時(shí)效性。
采用不同于GB/T 2910.11的水浴溫度、水浴時(shí)間以及硫酸濃度的方法,既減少了試劑與能耗消耗,又提高了試驗(yàn)的時(shí)效性。由于新的改進(jìn)方法中的試劑消耗和測(cè)試時(shí)間偏離了現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,可能會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。為了分析新方法中各測(cè)試因子中對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,現(xiàn)采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS13.0[2]對(duì)上述相關(guān)因素進(jìn)行正交試驗(yàn),并做相關(guān)分析。
本試驗(yàn)按GB/T 2910.1—2009《紡織品 定量化學(xué)分析第1部分:試驗(yàn)通則》和GB/T 2910.11 規(guī)定執(zhí)行。將測(cè)試樣品按所對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法,確定對(duì)測(cè)試結(jié)果有明顯影響的因子,設(shè)置相應(yīng)的因子水平,通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)測(cè)試因子進(jìn)行綜合分析。本試驗(yàn)采用了“聚酯纖維與棉纖維化學(xué)定量分析方法的改進(jìn)”的試驗(yàn)參數(shù),即硫酸用量100mL,稱(chēng)量方式為直接熱測(cè)量,試樣烘干時(shí)間以取得恒定質(zhì)量為止(間隔20min做兩次或以上稱(chēng)量,保證測(cè)試結(jié)果的質(zhì)量差異不大于后一次稱(chēng)見(jiàn)質(zhì)量的0.1%,作為烘后恒定質(zhì)量)。
樣品選擇,棉纖維作為試驗(yàn)中的被硫酸溶解部分,棉纖維含量的多少影響到硫酸用量、水浴溫度與水浴時(shí)間。為使試樣更具有代表性,選取滌與棉混合均勻且棉含量較高的品種:C52/T48,19.4texT(經(jīng)過(guò)預(yù)處理,試樣為客戶批量生產(chǎn)委托送檢的產(chǎn)品)。
DK-98-11A電熱恒溫水浴鍋(2.2kW,天津市泰斯萬(wàn)特儀器有限公司);SHB-Ⅲ循環(huán)式多用真空泵(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司);CU-6纖維細(xì)度儀(北京和眾視野科技有限公司);ZRD-A5110A全自動(dòng)恒溫烘箱(上海智誠(chéng)分析儀器制造有限公司)。
按照GB/T 2910.11測(cè)試方法的要求,將兩個(gè)1g紗線的平行樣品置于燒杯中,放入ZRD-A5110A全自動(dòng)恒溫烘箱中,設(shè)置烘干溫度為105℃,烘至恒定不變質(zhì)量;同時(shí)結(jié)合眾多實(shí)驗(yàn)室測(cè)試經(jīng)驗(yàn),將100mL 75%硫酸放置于存放紗線的燒杯中,設(shè)置水浴溫度為20℃、水浴時(shí)間10min;然后將樣品放入SHB-Ⅲ循環(huán)式多用真空泵,并用三級(jí)水抽濾,再用氨水中和; 抽濾干凈后放入烘箱中烘至恒定不變質(zhì)量;計(jì)算測(cè)試結(jié)果。
(1)測(cè)試因子與水平
硫酸濃度、水浴溫度和水浴時(shí)間水平表見(jiàn)表1。
表1 正交試驗(yàn)水平表
(2)正交試驗(yàn)
應(yīng)用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件,對(duì)硫酸濃度、樣品水浴溫度、樣品水浴時(shí)間及其水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)表L9(3)4及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。
(3)統(tǒng)計(jì)分析
(1)測(cè)試結(jié)果影響因子分析
由表3可以看出,因子A、B、C的III型方差分別為3.236、9.549和3.369,均大于誤差e的III型方差(3.002)。說(shuō)明硫酸濃度、樣品水浴溫度和樣品水浴時(shí)間對(duì)滌綸纖維含量測(cè)試結(jié)果有明顯的影響。在本正交試驗(yàn)各因子的不同水平中,對(duì)測(cè)試結(jié)果影響程度的大小順序依次為水浴溫度>樣品水浴時(shí)間>硫酸濃度。由于水浴溫度方差>水浴時(shí)間與硫酸濃度方差之和,故證明水浴溫度是對(duì)測(cè)試結(jié)果貢獻(xiàn)最大的因子。由此可知,如果改變測(cè)試程序中可能形成的滌綸纖維含量測(cè)試結(jié)果的偏差,并在修正測(cè)試偏差時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)樣品水浴溫度是直接有效的方法。
(2)測(cè)量不確定度影響因素分析
本批次樣品為紗線,因現(xiàn)行紡紗設(shè)備、工藝及管理存在局限性,將不同的纖維完全混合均勻仍是個(gè)難題;不同序號(hào)的測(cè)試之間操作如搖動(dòng)次數(shù)、搖動(dòng)力度等有所不同,可能會(huì)因此形成紡織品定量化學(xué)分析的測(cè)量不確定度。因樣品本身的離散性及測(cè)試程序的非完全一致,諸多的測(cè)試因素會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的不確定度。因此,就一批產(chǎn)品而言,測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確值不是一個(gè)唯一值,而是一個(gè)范圍。
(3)測(cè)量不確定度的取值范圍
由于GB/T 2910.11基本等效于ISO 1833-11:2006,兩者并無(wú)實(shí)質(zhì)差異,能滿足各國(guó)要求的測(cè)量不確定度較小的測(cè)試方法。雖然其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性無(wú)可置否,但該方法的測(cè)試成本高(溫度偏高、試劑量偏大)、耗時(shí)長(zhǎng)。從本次正交試驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看,水浴時(shí)間與硫酸濃度的III型方差與誤差e的III型方差基本相當(dāng),影響最大的因素是水浴溫度。
由表2可看出,本次正交試驗(yàn)的水浴溫度為10℃時(shí)的測(cè)試結(jié)果明顯偏離,水浴溫度為30℃以上時(shí)測(cè)試結(jié)果都在52.2%~52.6%,波動(dòng)范圍較小。本次正交試驗(yàn)大部分測(cè)試序號(hào)和測(cè)試程序雖與GB/T 2910.11有一定偏離,但總體基本相當(dāng),而且測(cè)試結(jié)果比較穩(wěn)定。
根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果可以證明,水浴溫度為30℃是一個(gè)能夠保證棉纖維充分溶解的溫度。由于水浴溫度為30℃及以上時(shí)的測(cè)試結(jié)果都在52.2%~52.6%范圍內(nèi),波動(dòng)較??;再考慮到測(cè)量不確定度的各個(gè)影響因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,因此將52.2%~52.6%作為C52/T48 19.4texT纖維含量包含測(cè)量不確定度的取值范圍。
(4)適合測(cè)量不確定度取值范圍的可行性試驗(yàn)分析
與上述滌綸纖維包含測(cè)量不確定度的取值范圍對(duì)比后可以看出,正交試驗(yàn)中序號(hào)3和序號(hào)8的測(cè)試結(jié)果分別為56.9%和54.1%(見(jiàn)表2),與其他序號(hào)的測(cè)試結(jié)果有較大偏離。作為測(cè)試方法的一種新嘗試,對(duì)于因正交試驗(yàn)中選擇各測(cè)試因子的不同而造成測(cè)試結(jié)果的偏離,可以應(yīng)用正交試驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行修正。從SPSS方差分析可以看出,樣品水浴溫度是各測(cè)試參數(shù)中對(duì)測(cè)試結(jié)果影響最為敏感且影響最大的參數(shù)。序號(hào)3、序號(hào)8和序號(hào)9也都是在樣品水浴溫度為10℃水平時(shí)的測(cè)試結(jié)果,測(cè)試結(jié)果的偏離可能因溫度低致使硫酸不能充分溶解棉纖維,造成滌綸纖維含量偏高,由此產(chǎn)生了測(cè)量不確定度。雖然序號(hào)9的水浴溫度也是10℃,但其硫酸濃度為80%,水浴時(shí)間為60min。由于硫酸濃度高和水浴時(shí)間長(zhǎng),化解了水浴溫度為10℃時(shí)棉纖維溶解不充分的問(wèn)題,致使序號(hào)9的測(cè)試結(jié)果在52.2%~52.6%范圍內(nèi)。為提高各因子和各水平測(cè)試結(jié)果的一致性,探討采用改變水浴溫度修正測(cè)試結(jié)果的可行性,僅對(duì)水浴溫度為10℃水平時(shí)測(cè)試結(jié)果偏離較大的序號(hào)3、序號(hào)8和序號(hào)9測(cè)試進(jìn)行不同水浴溫度的對(duì)比試驗(yàn)。
表2 正交試驗(yàn)L9(3)4測(cè)試結(jié)果
表3 四因子不同水平對(duì)滌綸纖維含量(凈干)的影響
由以上正交試驗(yàn)結(jié)果可知,樣品水浴溫度是本試驗(yàn)中影響最大的因子。那么將上述測(cè)試中測(cè)試結(jié)果存在偏離的樣品,測(cè)試樣品與使用儀器相同,僅將樣品水浴溫度調(diào)整為15℃和20℃,其他因子不變,進(jìn)行比對(duì)測(cè)試。
4.1.1 正交試驗(yàn)
將試驗(yàn)程序中的水浴溫度由10℃分別調(diào)整為15℃和20℃時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
4.1.2 圖像對(duì)比
在用硫酸對(duì)序號(hào)3溶解前,采用CU-6纖維細(xì)度儀對(duì)剩余纖維進(jìn)行定性并制圖,硫酸處理前序號(hào)3的形態(tài)見(jiàn)圖1。經(jīng)硫酸處理后,水浴溫度為15℃、水浴時(shí)間為10min烘干后序號(hào)3的形態(tài)見(jiàn)圖2;經(jīng)硫酸處理后,水浴溫度為20℃、水浴時(shí)間為10min烘干后序號(hào)3的形態(tài)見(jiàn)圖3。
表4 修正水浴溫度后平行樣本的滌綸纖維含量試驗(yàn)結(jié)果
4.2.1 正交試驗(yàn)
果不其然,第二天王施凱“華麗麗”地感冒了??上А安〖佟边@種借口用過(guò)太多次,老師根本不信,“狼孩子”王施凱只能“挺著病軀”去學(xué)校。
由表4可以看出,當(dāng)正交試驗(yàn)水浴溫度為15℃時(shí),序號(hào)3、序號(hào)8和序號(hào)9的滌綸纖維含量范圍為52.5%~53.8%。其中,滌綸纖維含量在53%以上的試驗(yàn)結(jié)果占到了一半,滌綸纖維含量明顯高于C52/T48、19.4texT纖維含量包含測(cè)量不確定度的取值范圍52.2%~52.6%。這可能與圖2中含有殘留棉纖維有關(guān);當(dāng)正交試驗(yàn)改變溫度為20℃時(shí),無(wú)論采用的是70%硫酸或是75%硫酸,圖3中已沒(méi)有棉纖維,僅有剩余的滌綸纖維;水浴溫度20℃時(shí)各樣品測(cè)試結(jié)果分別為:52.3%、52.4%、52.4%、52.2%、52.5%、52.3%,均在該品種包含測(cè)量不確定度的正常范圍(52.2%~52.6%)內(nèi)。
圖1 硫酸處理前的序號(hào)3
圖2 15 ℃的序號(hào)3
圖3 20 ℃的序號(hào)3
綜上,通過(guò)調(diào)整水浴溫度,各樣品測(cè)試結(jié)果都在該品種包含測(cè)量不確定度的取值范圍52.2%~52.6%的正常范圍內(nèi),達(dá)到了系列測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確一致的要求。
4.2.2 圖像分析
由圖1可以看出,纖維切片中含有滌綸纖維與棉纖維,呈隨機(jī)排列。由圖2可以看出,纖維切片中大部分為滌綸纖維,但仍有一根棉纖維(直徑較滌綸纖維粗且?guī)в凶匀痪砬┐嬖凇_@說(shuō)明,樣品中的棉纖維沒(méi)有被完全溶解,測(cè)試結(jié)果中滌綸纖維含量偏大,是因?yàn)闇炀]纖維中混有未被溶解的棉纖維。
由圖3可以看出,纖維切片中僅有滌綸纖維,棉纖維已被完全溶解。正交試驗(yàn)中將水浴溫度變?yōu)?0℃后,無(wú)論是采用70%還是75%硫酸,在纖維切片中僅可以看到滌綸纖維,無(wú)棉纖維。圖3的測(cè)試參數(shù)為水浴時(shí)間10min、水浴溫度20℃,此參數(shù)下的測(cè)試結(jié)果分別為52.3%、52.4%、52.4%、52.2%、52.5%和52.3%,測(cè)試結(jié)果均在包含測(cè)量不確定度的取值范圍52.2%~52.6%的正常范圍內(nèi)。
紡織品定量化學(xué)分析的測(cè)試效率,既是委托客戶選擇的重要因素,也是一個(gè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)生存發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在日常檢驗(yàn)時(shí),客戶不僅要求檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠,而且要求檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提高測(cè)試效率。因此需對(duì)該試驗(yàn)的測(cè)試效率做如下分析。
表5 測(cè)試時(shí)間比較
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用75%的硫酸、加熱至50℃、水浴時(shí)間為1h的測(cè)試方法,雖然能夠保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性,但試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng),耗電量大。其中,僅棉纖維的溶解過(guò)程就需要1.3h,同時(shí)還要附加0.66kW的電能;其中的關(guān)鍵問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序時(shí)間長(zhǎng),難以滿足客戶的需求。
可見(jiàn),采用調(diào)整水浴溫度的方法既減少了能源與試劑的消耗,也提高了測(cè)試效率,并能在不同測(cè)試條件下保證測(cè)試結(jié)果的一致性。由于該方法尚未形成方法標(biāo)準(zhǔn),因此,在做重要的試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的方法。
在進(jìn)行其他試驗(yàn)時(shí),為了提高測(cè)試效率,也可嘗試使用該方法做參考。綜上,本正交試驗(yàn)可以證明,采用調(diào)整水浴溫度的方法達(dá)到了減少能源與試劑的消耗,在不同測(cè)試的條件下能保證測(cè)試結(jié)果的一致性。既有利于保護(hù)環(huán)境,同時(shí)能明顯提高測(cè)試效率;在具有標(biāo)準(zhǔn)大氣的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室,或在我國(guó)亞熱帶、溫帶的無(wú)恒溫恒濕控制的實(shí)驗(yàn)室,常年室溫都可達(dá)到20℃,滌綸纖維與棉纖維化學(xué)定量分析無(wú)需再加熱。在該溫度條件下采用75%硫酸,將水浴時(shí)間設(shè)定為10min,經(jīng)試驗(yàn)得到結(jié)果即可達(dá)到準(zhǔn)確可靠的要求;如果試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了一定的偏離,其誤差并非來(lái)源于測(cè)試方法或操作誤差,而是樣品本身的離散性及測(cè)試程序的非完全所致,不會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。
采用70%硫酸進(jìn)行紡織品定量化學(xué)分析時(shí),要注意以下幾點(diǎn):一是紡織樣品盡可能地切碎,便于硫酸充分溶解棉纖維;二是玻璃燒瓶在水浴過(guò)程中增加搖動(dòng)的頻率,促進(jìn)硫酸溶解棉纖維;三是玻璃燒瓶搖動(dòng)要有力度,以達(dá)到硫酸溶解的棉纖維顆粒最小化,以使溶解的棉纖維顆粒能夠正常通過(guò)玻璃坩堝,保證測(cè)試的正常完成。
[1]馬楠,田金家,丁曰東,等.滌棉混紡紗定量化學(xué)分析方法的改進(jìn)[J].棉紡織技術(shù),2013,41(8):28-30.
[2]余建英,何旭宏. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與SPSS應(yīng)用[M]. 北京:人民郵電出版社,2003:141-160.