趙 謝，林健坤，郝雨思，趙豫蒙，孫 麗，高一傳，劉建立

（江南大學(xué) 江蘇省功能紡織品工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫 214122）

作為人類最早使用的天然纖維，亞麻制品優(yōu)良的吸濕、透氣、抑菌、低靜電等特性深受人們喜愛。但亞麻纖維是天然纖維中唯一的束性植物纖維，擁有高結(jié)晶高取向、斷裂伸長小并且無卷曲的特點(diǎn)，對(duì)纖維織造和染色造成了極大困難，因此對(duì)亞麻進(jìn)行改性成為熱門話題。二甲基亞砜（Dimethyl Sulfoxide，DMSO）作為重要的極性非質(zhì)子溶劑，比例越高，溶脹性能越好，在堿-尿素溶液中加入DMSO，會(huì)發(fā)生溶劑化作用，破壞亞麻纖維大分子間的氫鍵結(jié)合。通過在堿-尿素溶液中加入DMSO，提高預(yù)處理溫度，對(duì)亞麻細(xì)紗進(jìn)行預(yù)處理來促進(jìn)亞麻纖維溶脹，降低纖維結(jié)晶度，提高亞麻纖維和紗線的斷裂伸長率，提高亞麻可紡性、可織性。本研究通過曲線擬合，統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化法，中心組合設(shè)計(jì)（Central Combination Design，CCD）實(shí)驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化法確定高溫高質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿-DMSO-尿素體系改性亞麻細(xì)紗的最佳工藝參數(shù)，分析改性前后亞麻細(xì)紗的性能變化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

燒堿（NaOH）、二甲基亞砜（DMSO）、尿素（CH4N2O）、冰醋酸（C2H4O）；28 Nm亞麻細(xì)紗。

YG086縷紗測(cè)長機(jī)，F(xiàn)A2104S電子電平，電熱鼓風(fēng)干燥箱，YG155A型紗線捻度機(jī)，XQ-2纖維強(qiáng)伸度儀，島津SHIMADZU電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，LHS-80HC-Ⅱ恒溫恒濕箱，YG173A型毛羽測(cè)試儀，烏斯特UT5全自動(dòng)紗線檢測(cè)儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將28 Nm亞麻細(xì)紗在恒溫恒濕箱中預(yù)調(diào)濕24 h，通過縷紗測(cè)長器，繞20 m細(xì)紗，稱取質(zhì)量并記錄，將細(xì)紗按浴比配置堿-DMSO-尿素溶液浸漬60 min，處理溫度80℃；處理后水洗，滴入冰醋酸中和10 min后水洗。在90 ℃的烘箱里烘干平衡24 h。

1.3 束纖維拉伸斷裂性能測(cè)試

將亞麻纖維在XQ-2纖維強(qiáng)伸度儀進(jìn)行纖維的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率的測(cè)定，每種試樣20次，求其平均值。

1.4 紗線毛羽性能測(cè)試

毛羽總體值較高，紗線耐磨性降低，影響漿紗干、濕分絞；降低毛羽指數(shù)，可降低經(jīng)紗斷頭、使開口清晰，提高織造效率。根據(jù)FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測(cè)定方法 投影計(jì)數(shù)法法》采用YG173A型毛羽測(cè)試儀對(duì)紗線毛羽進(jìn)行測(cè)試。

1.5 紗線條干均勻度測(cè)試

紗線的條干均勻度是評(píng)定紗線品質(zhì)的重要指標(biāo)，條干不勻率高會(huì)使紗線織造時(shí)斷頭增加，織造效率變差。利用UT5全自動(dòng)紗線檢測(cè)儀測(cè)試紗線條干不勻率、圓整度及紗線外觀直徑。

1.6 紗線耐磨性測(cè)試

紗線在織造過程中會(huì)受到各種機(jī)件的反復(fù)摩擦，使紗線磨損、起毛起球、強(qiáng)力降低，當(dāng)強(qiáng)力小于外力時(shí)便發(fā)生斷頭。紗線耐磨性低時(shí)，紗線織造時(shí)斷頭率會(huì)增大[1]。利用LFY—109 電腦紗線耐磨儀測(cè)試紗線耐磨性，每種試樣測(cè)試10次，求其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)紗預(yù)處理后統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化及最佳配比的選擇

對(duì)預(yù)處理后的亞麻細(xì)紗進(jìn)行高溫高濃堿-DMSO-尿素體系預(yù)處理，并測(cè)量堿和DMSO不同配比的堿-DMSO互配溶液進(jìn)行改性處理下的纖維的強(qiáng)伸性能（紗線強(qiáng)力、紗線斷裂伸長率、紗線強(qiáng)力不勻率）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同混合比例下束纖維的強(qiáng)伸性

由于紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率及強(qiáng)力不勻率三者的性質(zhì)不同，量綱和數(shù)量級(jí)也不同，不能直接對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算，所以將表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，采用比重法，通過公式（1）將實(shí)際值轉(zhuǎn)變?yōu)樵u(píng)價(jià)值[2]。

處理后的結(jié)果如表2所示。

表2 無量綱處理后指標(biāo)評(píng)價(jià)值

圖1 纖維斷裂強(qiáng)力擬合曲線擬合

圖2 纖維斷裂伸長率擬合曲線擬合

圖3 纖維強(qiáng)力不勻率擬合曲線擬合

通過曲線擬合得出3個(gè)函數(shù)關(guān)系式。

纖維斷裂伸長率的函數(shù)關(guān)系式：

纖維強(qiáng)力不勻率的函數(shù)關(guān)系式：紗線斷裂強(qiáng)力的函數(shù)關(guān)系式：

由曲線擬合圖和函數(shù)關(guān)系式（圖1～3）可知，隨著預(yù)處理體系中DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維斷裂強(qiáng)力經(jīng)歷先增大，后趨于平衡，最后減小3個(gè)階段；纖維斷裂伸長率呈減小趨勢(shì)；纖維強(qiáng)力不勻率呈先減小后增大趨勢(shì)。亞麻纖維強(qiáng)力、斷裂伸長率、強(qiáng)力不勻率的擬合曲線R2都接近于1，擬合可信度較高[3]。

采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法來選擇DMSO和堿液的最佳混合比例。統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)可以采用平方法，即公式（2）求得。當(dāng)各個(gè)分目標(biāo)函數(shù)達(dá)到各自的最優(yōu)值時(shí)，統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)的值為最小[4]。

式中：fi（x）—各個(gè)分目標(biāo)函數(shù)關(guān)系式；fi—各個(gè)分目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

各個(gè)分目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值分別為f1=0.393 1，f2=0.639 9，f3=0.249 1。通過公式（2）求得f（x）的函數(shù)關(guān)系式如公式（3）所示。

式中：x的取值范圍為[0.10,0.90]，采用Matlab軟件對(duì)函數(shù)f（x）進(jìn)行優(yōu)化，求得其最小值。當(dāng)X=0.527 7時(shí)，f（x）取得最小值為1.222 4。即當(dāng)DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，亞麻紗線的預(yù)處理效果最好。

2.2 響應(yīng)面法分析及最優(yōu)工藝參數(shù)的確定

由實(shí)驗(yàn)可得：當(dāng)預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%、預(yù)處理溫度在70～95 ℃、預(yù)處理時(shí)間在30～90 min時(shí)，預(yù)處理后紗線強(qiáng)伸性能最好。將DMSO和堿按照5∶5進(jìn)行配制，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為因素A、處理溫度作為因素B、處理時(shí)間作為因素C，預(yù)處理后細(xì)紗的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率分別為響應(yīng)值R1和R2，中心組合設(shè)計(jì)各因素及水平如表3～4所示[5]。

表3 中心組合設(shè)計(jì)各因素及水平

表4 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

以細(xì)紗的斷裂強(qiáng)力R1為響應(yīng)值，應(yīng)用Design Expert V8.0.6軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合及方差分析[6]，獲得R1對(duì)因素A、B、C的二階多項(xiàng)方程式如公式（4）所示。

方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 紗線斷裂強(qiáng)力R1方差分析結(jié)果

由表5可知，回歸模型的P=0.002，說明該模型高度顯著，只有小于0.2%的可能性使該模型失擬。紗線斷裂強(qiáng)力R1擬合方程的失擬項(xiàng)P=0.38＞0.05，該回歸方程不失擬。預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)P=0.003 5＜0.050 0，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線的斷裂強(qiáng)力影響顯著；預(yù)處理溶液溫度P=0.030 8＜0.050 0，溶液溫度對(duì)紗線的斷裂強(qiáng)力影響顯著。運(yùn)用Design Expert V8.0.6軟件，分別作出3個(gè)因素之間的三維響應(yīng)曲線圖（圖4～6）。

圖4 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間的交互作用對(duì)紗線斷裂強(qiáng)力影響的響應(yīng)曲面

圖5 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理溫度的交互作用對(duì)紗線斷裂強(qiáng)力影響的響應(yīng)曲面

圖6 處理時(shí)間和處理溫度的交互作用對(duì)紗線斷裂強(qiáng)力影響的響應(yīng)曲面

由圖4～6可知，對(duì)于紗線斷裂強(qiáng)力的影響，預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、處理時(shí)間、處理溫度之間存在顯著的相關(guān)性。當(dāng)處理溫度和處理時(shí)間在一般水平，預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%時(shí)，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，紗線斷裂強(qiáng)力呈減小的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理溫度在同一般水平，處理時(shí)間在30～90 min時(shí)，紗線的斷裂強(qiáng)力呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間在一般水平，處理溫度在70～95 ℃時(shí)，隨著預(yù)處理溫度的升高，紗線斷裂強(qiáng)力呈減小趨勢(shì)。

以細(xì)紗的斷裂伸長率R2為響應(yīng)值，運(yùn)用Design Expert V8.0.6軟件對(duì)表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合及方差分析。獲得R2對(duì)因素A、B、C的二階多項(xiàng)方程式如公式（5）所示。

方差分析結(jié)果如表6所示。

表6 紗線斷裂伸長率R2方差分析結(jié)果

由表6可知，回歸模型的P=0.000 5，說明該模型高度顯著，只有小于0.05%的可能性使該模型失擬。紗線斷裂伸長率R2擬合方程的失擬項(xiàng)P=1.600 0＞0.050 0，該回歸方程不失擬。預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)P=0.000 1＜0.050 0，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線的斷裂伸長率影響顯著；預(yù)處理溶液溫度P=0.007 0＜0.050 0，溶液溫度對(duì)紗線的斷裂伸長率影響顯著。運(yùn)用Design Expert V8.0.6軟件，分別作出3個(gè)因素之間的三維響應(yīng)曲線圖（圖7～9）。

圖7 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間交互作用對(duì)紗線斷裂伸長率影響的響應(yīng)曲面

圖8 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理溫度交互作用對(duì)紗線斷裂伸長率影響的響應(yīng)曲面

圖9 處理時(shí)間和處理溫度交互作用對(duì)紗線斷裂伸長率影響的響應(yīng)曲面

由圖7～9可知，對(duì)于紗線斷裂伸長率的影響，預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、處理時(shí)間、處理溫度之間存在顯著的相關(guān)性。當(dāng)處理溫度和處理時(shí)間在一般水平，預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%時(shí)，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，紗線斷裂伸長率呈增大趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理溫度在一般水平，處理時(shí)間在30～90 min時(shí)，紗線的斷裂伸長率呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間在一般水平，處理溫度在70～95 ℃時(shí)，隨著預(yù)處理溫度的升高，紗線斷裂伸長率呈減小的趨勢(shì)。

2.3 模型驗(yàn)證和效果分析

通過對(duì)細(xì)紗預(yù)處理后紗線性能的二階回歸方程進(jìn)行分析，該回歸模型可信度較高，可以對(duì)其進(jìn)行紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的極大值預(yù)測(cè)。由模型可知，當(dāng)預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、處理溫度為95 ℃、處理時(shí)間為90 min時(shí)，預(yù)處理后細(xì)紗的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率最大為721.805 cN和3.855%。

為驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，按上述預(yù)處理工藝對(duì)亞麻細(xì)紗進(jìn)行預(yù)處理，測(cè)量紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，求平均值，結(jié)果如表7所示。

分析表7數(shù)據(jù)可知，細(xì)紗預(yù)處理紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的誤差較小，說明采用CCD響應(yīng)面優(yōu)化法可以有效選取和優(yōu)化亞麻細(xì)紗預(yù)處理工藝條件，改善亞麻紗線的斷裂伸長率，減少斷頭次數(shù)，提高可織性[7]。

取絡(luò)筒后的松式筒子紗按上述CCD響應(yīng)面優(yōu)化法選取的最優(yōu)預(yù)處理工藝：NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、處理溫度95 ℃、處理時(shí)間90 min、浴比為1∶15，對(duì)亞麻筒子紗進(jìn)行預(yù)處理。同時(shí)，取同樣的松式筒子紗按上述工藝條件在去離子水中進(jìn)行預(yù)處理作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。處理完成后，水洗、中和、平衡。分別測(cè)量未處理和堿-DMSO-尿素處理后紗線條干、強(qiáng)伸性、耐磨性、毛羽變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

分析表8可知，在對(duì)亞麻細(xì)紗進(jìn)行堿-DMSO-尿素預(yù)處理后，亞麻紗線的斷裂強(qiáng)力下降 ，斷裂伸長率提高。亞麻纖維與預(yù)處理溶液發(fā)生溶劑化作用，亞麻纖維素迅速溶脹，亞麻纖維大分子內(nèi)部及分子間的氫鍵被破壞，纖維內(nèi)結(jié)晶度下降，內(nèi)應(yīng)力減少，使得預(yù)處理后紗線斷裂強(qiáng)力下降，斷裂伸長率增大。經(jīng)過預(yù)處理后，紗線表面部分纖維開始溶解，紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率不勻率變大；紗線表面膠質(zhì)等雜質(zhì)被去除后，纖維卷曲數(shù)增加，纖維發(fā)生溶脹，紗線的直徑有略微增大；紗線預(yù)處理后出現(xiàn)弱節(jié)，使紗線的條干不勻率有略微的增大；亞麻紗線表面殘留的部分膠質(zhì)被去除，纖維變得松散，使紗線耐磨性下降，毛羽增多。

表7 細(xì)紗預(yù)處理后模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表8 細(xì)紗堿-DMSO-尿素預(yù)處理前后紗線性能對(duì)比

3 結(jié)語

（1）對(duì)于亞麻細(xì)紗改性，隨著預(yù)處理體系中DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維斷裂強(qiáng)力經(jīng)歷先增大，后趨于平衡，最后減小3個(gè)階段；纖維斷裂伸長率呈減小趨勢(shì)；纖維強(qiáng)力不勻率呈先減小后增大趨勢(shì)。亞麻纖維強(qiáng)力、斷裂伸長率、強(qiáng)力不勻率的擬合曲線R2都接近于1，擬合可信度較高。當(dāng)DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，亞麻紗線的預(yù)處理效果最好。預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)P=0.003 5＜0.050 0，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線的斷裂強(qiáng)力影響顯著；預(yù)處理溶液溫度P=0.030 8＜0.050 0，溶液溫度對(duì)紗線的斷裂強(qiáng)力影響顯著。預(yù)處理溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)P=0.000 1＜0.050 0，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗線的斷裂伸長率影響顯著；預(yù)處理溶液溫度P=0.007 0＜0.050 0，溶液溫度對(duì)紗線的斷裂伸長率影響顯著。

（2）通過CCD響應(yīng)面優(yōu)化法確定細(xì)紗最佳預(yù)處理工藝為：NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、處理溫度95 ℃、處理時(shí)間90 min、浴比為1∶15。采用最佳預(yù)處理工藝處理細(xì)紗后，紗線斷裂強(qiáng)力下降、斷裂伸長率增大、斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率不勻率增大、紗線條干不勻率略微增大、線直徑變大、毛羽增多、耐磨性變差。