俞成丙，陶開鑫，常儀洵，陸懿琳，奚子偉

（上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200444）

軋烘軋蒸（PDPS）染色工藝是一種常規(guī)的連續(xù)染色工藝，同軋烘焙染色工藝和軋烘蒸染色工藝相比，這種染色工藝穩(wěn)定性好，固色率高，非常適用于批量大、染深濃色的訂單，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于活性染料對(duì)棉織物的染色［1-3］。棉紡織品的活性染料軋蒸理論和染色工藝已經(jīng)非常成熟［4］。

中心組合設(shè)計(jì)（CCD）是響應(yīng)面法（RSM）中最常用的二階設(shè)計(jì)，由立方體點(diǎn)、中心點(diǎn)和星點(diǎn)3部分組成，是一種科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。RSM采用多元二次回歸方程對(duì)變量與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，得出最優(yōu)工藝參數(shù)，是解決多變量問題的重要統(tǒng)計(jì)分析方法，得到的結(jié)果優(yōu)于單因素和正交實(shí)驗(yàn)等方法，已在染色研究中有很多應(yīng)用［5-6］。

本研究用雷馬素紅RGB對(duì)棉針織物通過PDPS工藝進(jìn)行染色，按4因素CCD實(shí)驗(yàn)方案，用RSM對(duì)染色結(jié)果進(jìn)行分析，建立并驗(yàn)證染色實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yōu)化染色工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

織物：純棉漂白半制品，40sCCH紗線，雙面棉毛針織物（單位面積質(zhì)量180 g/m2，南通新西爾克針織服裝有限公司）；染料：雷馬素紅RGB［德司達(dá)（上海）貿(mào)易有限公司］；試劑：無水Na2CO3、NaCl（化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

設(shè)備：I5臺(tái)式分光測(cè)色儀（美國(guó)X-Rite公司），均勻小軋車、熱風(fēng)定型小樣機(jī)（紹興縣威達(dá)機(jī)械有限公司），微型萬能汽蒸機(jī)（瑞士Mathis公司）。

1.2 工藝流程

PDPS過程：將針織物在染料質(zhì)量濃度為20 g/L的軋槽中浸漬30 s后，在均勻小軋車上浸軋染液，二浸二軋，帶液率控制在60%；在120℃熱風(fēng)定型小樣機(jī)中預(yù)烘一定時(shí)間；在含有NaCl和Na2CO3固色液的軋槽中浸漬30 s，然后在均勻小軋車上浸軋染液，二浸二軋，帶液率控制在70%，立即在微型萬能汽蒸機(jī)中用100～102℃的飽和蒸汽汽蒸。

水洗過程：汽蒸后的織物先用冷水洗，再用熱水洗，然后在標(biāo)準(zhǔn)皂片質(zhì)量濃度為3 g/L的皂洗液中90℃處理15 min（浴比為1∶50）；最后經(jīng)熱水洗滌、冷水洗滌后在普通烘箱中烘干。

1.3 K/S值的測(cè)試

用臺(tái)式分光測(cè)色儀在D65光源、10°視場(chǎng)下測(cè)試。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，被測(cè)布樣先用蒸汽電熨斗熨平，放置兩天后再折疊成8層，在布樣上隨機(jī)選取10個(gè)不同部位進(jìn)行測(cè)試，取平均值。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

按照CCD實(shí)驗(yàn)制定染色實(shí)驗(yàn)方案，棉針織物在浸軋染液后預(yù)烘，然后浸軋固色液，在飽和蒸汽下汽蒸固色，以NaCl質(zhì)量濃度、Na2CO3質(zhì)量濃度、預(yù)烘時(shí)間和汽蒸時(shí)間作為染色變量，響應(yīng)值為染色后針織物的K/S值。在CCD實(shí)驗(yàn)中的各因素及其水平詳見表1，具體實(shí)驗(yàn)方案詳見表2。利用SAS軟件（版本9.4）中的二次響應(yīng)面回歸模型程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)回歸和方差分析，然后再進(jìn)行響應(yīng)面圖和等高線圖分析。

表1 CCD實(shí)驗(yàn)因素水平表

表2 針織物PDPS染色的CCD實(shí)驗(yàn)方案和染色織物的K/S值

續(xù)表2

2 結(jié)果與討論

2.1 RSM優(yōu)化PDPS染色工藝

本研究選用雷馬素紅RGB按PDPS工藝進(jìn)行染色實(shí)驗(yàn)，染料屬于二氟一氯嘧啶基活性染料，反應(yīng)活性為中等。在染色過程中，由于染液中沒有堿劑，染液中的染料和浸軋染液后織物所帶染料都很穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生水解，再浸軋固色液，可以與汽蒸后固色一致，因而這種工藝染色色相穩(wěn)定，可以達(dá)到很高的得色量。另外，通過增加染液中染料的質(zhì)量濃度，可以得到色澤深濃的織物。

K/S值反映某一染色條件下染料在織物上的固色率，它們之間有十分緊密的聯(lián)系。一般情況下，較大的K/S值表示織物有較高的染料固色率。按照CCD實(shí)驗(yàn)方案，各個(gè)染色棉針織物試樣在波長(zhǎng)540 nm處測(cè)得的K/S值見表2。

利用SAS軟件中的二次響應(yīng)面回歸模型程序?qū)Ω魅旧に囅氯旧椢锏腒/S值進(jìn)行RSM分析，經(jīng)過對(duì)4因素的二次回歸擬合，得到RSM回歸模型的方程為：K/S=-65.17+0.47X1+0.97X2+0.007 3X3+0.37X4-0.001 3X12-0.001 4X1X2+0.000 61X1X3-0.000 093X1X4-0.007 8X22+0.000 091X2X3-0.000 96X2X4-0.000 964X32+0.000 18X3X4-0.001 2X42。

RSM回歸方程的方差分析結(jié)果見表3。

表3 RSM回歸方程的方差分析結(jié)果

從表3可知，RSM模型的P小于0.010 0，說明建立的模型達(dá)到了極其顯著的統(tǒng)計(jì)水平；失擬項(xiàng)的P等于0.150 0，說明該項(xiàng)統(tǒng)計(jì)不顯著，表明該模型有較高的準(zhǔn)確度。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）為99.39%，調(diào)整后的復(fù)相關(guān)系數(shù)（adj.R2）為98.99%，表明RSM建立的回歸方程在PDPS染色工藝中可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同染色條件下，雷馬素紅RGB對(duì)染色織物K/S值的影響。

由表4可知，對(duì)染色棉針織物K/S值有顯著影響的因素依次為NaCl質(zhì)量濃度、Na2CO3質(zhì)量濃度、汽蒸時(shí)間，對(duì)K/S值影響不顯著的因素為預(yù)烘時(shí)間（P=0.054 0）。說明在PDPS染色工藝中，NaCl質(zhì)量濃度、Na2CO3質(zhì)量濃度和汽蒸時(shí)間對(duì)K/S值有極大的影響，必須進(jìn)行優(yōu)化并在染色過程中嚴(yán)格控制。根據(jù)染色織物K/S值影響因子F值的大小排序，得到4個(gè)因素對(duì)染色織物K/S值的影響程度從大到小依次為：汽蒸時(shí)間、Na2CO3質(zhì)量濃度、NaCl質(zhì)量濃度、預(yù)烘時(shí)間。

表4 不同影響因子的方差分析結(jié)果

在PDPS染色過程中，織物在浸軋染液后預(yù)烘，再浸軋固色液，活性染料通過汽蒸才能與棉纖維發(fā)生反應(yīng)完成固色。由于固色液中含有大量NaCl，可以有效地防止針織物上未鍵合的活性染料發(fā)生解吸脫落；同時(shí)，根據(jù)唐能膜平衡原理，提高NaCl質(zhì)量濃度可提高纖維內(nèi)部羥基負(fù)離子濃度，加快活性染料與纖維素官能團(tuán)之間的親核反應(yīng)，減少染色工藝的固色時(shí)間。由于固色是在常壓飽和蒸汽下進(jìn)行的，汽蒸時(shí)間會(huì)對(duì)染色織物K/S值產(chǎn)生極大的影響；若汽蒸時(shí)間不足，會(huì)造成染料固色不充分，顯著影響染料的固色率；但汽蒸時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)造成已鍵合的活性染料從棉纖維上水解下來，從而影響染料的固色率。同時(shí)，Na2CO3質(zhì)量濃度也會(huì)顯著影響染色織物的K/S值，直接關(guān)系到活性染料與棉纖維的固色速率；Na2CO3質(zhì)量濃度太小，弱堿性會(huì)造成汽蒸過程中染料的固色速率變慢，在規(guī)定的汽蒸時(shí)間內(nèi)活性染料固色不充分；反之，Na2CO3質(zhì)量濃度太大有利于活性染料水解，使得染料固色率變小，導(dǎo)致染色織物K/S值變小。

通過RSM模型預(yù)測(cè)的棉針織物PDPS優(yōu)化染色工藝為：NaCl質(zhì)量濃度172.78 g/L、Na2CO3質(zhì)量濃度38.46 g/L、預(yù)烘時(shí)間73.23 s、飽和蒸汽下汽蒸133.41 s，此時(shí)回歸方程的K/S值預(yù)測(cè)值為19.72。

2.2 響應(yīng)面圖和等高線圖

由圖1a可知，隨著NaCl和Na2CO3質(zhì)量濃度的增加，染色織物K/S值增大，但在達(dá)到極大值之后，繼續(xù)增加NaCl和Na2CO3質(zhì)量濃度反而會(huì)使K/S值變小。由圖1b可知，當(dāng)Na2CO3質(zhì)量濃度約為36 g/L時(shí)（見圖中箭頭方向），等高線密度最大，表示在該Na2CO3質(zhì)量濃度下，隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加，染色織物K/S值上升最快。曲線形狀為橢圓形，表示NaCl質(zhì)量濃度與Na2CO3質(zhì)量濃度有較強(qiáng)的交互性。

由圖1c可以看出，NaCl質(zhì)量濃度和預(yù)烘時(shí)間均對(duì)染色織物K/S值產(chǎn)生影響，在極大值附近，NaCl質(zhì)量濃度的曲線密度比預(yù)烘時(shí)間大，說明在染色過程中NaCl質(zhì)量濃度對(duì)K/S值的影響比預(yù)烘時(shí)間更大。由圖1d可知，當(dāng)預(yù)烘時(shí)間約為70 s時(shí)（見圖中標(biāo)示的箭頭），等高線最密集，表示在該預(yù)烘時(shí)間下，隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加，染色織物K/S值上升很快。曲線形狀為橢圓形，表示NaCl質(zhì)量濃度與預(yù)烘時(shí)間具有較強(qiáng)的交互性。

由圖1e可知，隨著汽蒸時(shí)間的延長(zhǎng)和Na2CO3質(zhì)量濃度的增加，染色織物K/S值增大，但在達(dá)到極大值之后，延長(zhǎng)汽蒸時(shí)間和增加Na2CO3質(zhì)量濃度反而會(huì)使K/S值變小。由圖1f可知，當(dāng)Na2CO3質(zhì)量濃度約為40 g/L時(shí)（見圖中標(biāo)示的箭頭），等高線最密集，說明在該Na2CO3質(zhì)量濃度下，汽蒸時(shí)間對(duì)染色織物的K/S值影響最大。曲線形狀為橢圓形，表示汽蒸時(shí)間與Na2CO3質(zhì)量濃度有較強(qiáng)的交互性。

圖1 兩因素交互作用對(duì)染色織物K/S值的影響

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

綜合2.1、2.2可以看出，采用CCD實(shí)驗(yàn)和RSM建模方法可以預(yù)測(cè)雷馬素紅在PDPS染色過程中的優(yōu)化工藝，為了驗(yàn)證其正確性，考慮到實(shí)際的操作條件，優(yōu)化染色工藝確定為：NaCl質(zhì)量濃度172.78 g/L、Na2CO3質(zhì)量濃度38.46 g/L、預(yù)烘時(shí)間73 s、飽和蒸汽下汽蒸133 s。同時(shí)，為了驗(yàn)證CCD實(shí)驗(yàn)和RSM建模方法對(duì)PDPS染色過程預(yù)測(cè)的可行性，除了RSM二次回歸模型所得到的優(yōu)化染色工藝外，還特意設(shè)計(jì)了其他3組PDPS染色工藝；為了保證每個(gè)工藝條件下實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，取平均值，結(jié)果見表5。由表5可知，所有RSM模型預(yù)測(cè)的K/S值均接近實(shí)際染色的K/S值，最大誤差為1.70%，說明RSM模型的正確性，證明該模型不但能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各個(gè)染色工藝下染色織物的K/S值，也可以對(duì)棉針織物PDPS染色工藝進(jìn)行優(yōu)化。

表5 實(shí)驗(yàn)值與回歸值的比較

3 結(jié)論

（1）利用CCD實(shí)驗(yàn)和RSM方法建模，考察了雷馬素紅染料對(duì)棉針織物的PDPS染色，研究了影響染色織物K/S值的4個(gè) 染色變量：NaCl和Na2CO3質(zhì) 量 濃度、預(yù)烘時(shí)間、飽和蒸汽下的汽蒸時(shí)間；得到了擬合程度很高的PDPS染色工藝二次多項(xiàng)回歸模型。

（2）利用CCD實(shí)驗(yàn)和RSM方法建模方法有效，建立的模型能比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)染色結(jié)果，各變量影響程度從大到小依次為：汽蒸時(shí)間、Na2CO3質(zhì)量濃度、NaCl質(zhì)量濃度、預(yù)烘時(shí)間；優(yōu)化染色工藝為：NaCl質(zhì)量濃度172.78 g/L、Na2CO3質(zhì)量濃度38.46 g/L、預(yù)烘時(shí)間73 s、飽和蒸汽下汽蒸133 s。