殷 英, 李楚楚, 沈一峰, 周 青, 姜建堂, 雷 斌, 梁 輝, 張金珍

(1.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院),杭州 310018; 2.浙江理工大學(xué)紹興柯橋研究院,浙江 紹興 312000;3.達(dá)利絲綢(浙江)有限公司,浙江 紹興 312500)

蠶絲主要由絲素和絲膠組成,為了方便后續(xù)的染色加工,需要經(jīng)過(guò)精練工藝除去絲膠。常用的精練方法有連桶堿精法,即在桶中完成一次精練后,通過(guò)補(bǔ)加堿和精練劑繼續(xù)用于精練。工藝流程為浸泡→初練→復(fù)練→熱水洗→出水,其中精練脫膠的重要工序是初練,初練的脫膠率一般在20%～25%[1]。工廠為了節(jié)約物料和提高加工效率,通常以浸泡桶、初練桶、復(fù)練桶為一組,采用翻桶工藝進(jìn)行加工,即新桶首先作為復(fù)練桶,然后再依次作為初練桶和浸泡桶。隨著絲膠的脫落,精練桶中的絲膠質(zhì)量濃度會(huì)越來(lái)越大。一般初練桶連續(xù)4～6次后,由于絲膠質(zhì)量濃度過(guò)高,蠶絲的脫膠率會(huì)大幅度下降,無(wú)法滿足品質(zhì)要求,則需排掉廢液,重新?lián)Q桶。

目前,測(cè)定蠶絲脫膠率的標(biāo)準(zhǔn)為FZ/T 40004—2009《蠶絲含膠率試驗(yàn)方法》,該方法準(zhǔn)確度高,但需要3～4 h,耗時(shí)較長(zhǎng),無(wú)法及時(shí)反饋以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。有學(xué)者研究了顯色法,期望通過(guò)特定的試劑使蠶絲發(fā)生顏色變化,從而快速判斷脫膠率。如?，摰萚2]采用染料染色法,將脫膠率不同的蠶絲染色,然后制成標(biāo)準(zhǔn)色板,通過(guò)顏色的比對(duì)來(lái)判斷脫膠率。張顯華等[3]采用苦味酸—胭脂紅染色脫膠率不同的蠶絲,絲膠脫凈為黃色,未脫凈的為紅色。但神勇等[4]利用氨基酸—重氮鹽偶合反應(yīng)來(lái)推算蠶絲脫膠率。然而顯色法也存在判斷時(shí)間長(zhǎng)、視覺(jué)判斷誤差等問(wèn)題,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,技術(shù)人員仍然是通過(guò)眼看手摸的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷蠶絲脫膠率和連桶次數(shù)。

折光率也叫折光指數(shù),是物質(zhì)重要的物理常數(shù)之一。有研究報(bào)道,當(dāng)溫度恒定時(shí)折光率與物質(zhì)的濃度呈極顯著的線性正相關(guān)[5-7]。折光率法簡(jiǎn)單便捷,在精細(xì)化工[8]、食品檢測(cè)[9]等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用,然而在蠶絲精練領(lǐng)域鮮有報(bào)道。本文采用線性回歸分析的方法建立了絲膠、純堿、精練劑質(zhì)量濃度和折光率的線性回歸模型,并探究了蠶絲精練液折光率和脫膠率的關(guān)系,以期通過(guò)折光率快速判斷脫膠率和連桶次數(shù),這對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

材料:SHJ-A-01純堿(湖北雙環(huán)科技股份有限公司)、AR617蠶絲精練劑(泰興中紡興泰新材料有限公司),TF-125S蠶絲精練劑(浙江傳化股份有限公司),蠶絲素縐緞19姆米生坯、蠶絲斜紋綢16姆米生坯、蠶絲素縐緞14姆米生坯、絲膠粉(達(dá)利絲綢(浙江)有限公司)。

儀器:高溫高壓染色小樣機(jī)(佛山亞力諾精密機(jī)械制造有限公司),量程0～32%的MDS-FNW55數(shù)字折光儀(邁德施(上海)分析儀器有限公司)。

1.2 方 法

1.2.1 絲膠液的制備

取適量蠶絲生坯放入高溫高壓染色杯中,浴比60︰1,在125 ℃條件下精練1 h。染色杯中精練液反復(fù)使用多次,直至精練液變稠或脫膠后的蠶絲手感明顯變硬。每次精練完后取出蠶絲,收集精練液。將收集的精練液放入50 ℃烘箱中除水濃縮,采用烘干稱重法,得到質(zhì)量濃度為50 g/L的絲膠溶液,然后按表1配制成不同質(zhì)量濃度備用。

表1 三種溶液的折光率

1.2.2 折光率的測(cè)定

使用數(shù)字折光儀測(cè)試之前,先用去離子水進(jìn)行校準(zhǔn)。將不同質(zhì)量濃度絲膠溶液分成A、B、C三組,每組約1～3 mL,裝入一次性5 mL離心管中。A組溶液放置在裝有自來(lái)水的燒杯中搖晃冷卻至常溫,溫度為(25±2) ℃,B組和C組通過(guò)水浴鍋保溫,溫度分別為(30±2) ℃和(40±2) ℃。然后用一次性吸管吸取少量待測(cè)液,固定滴入8滴至折光儀的盛液區(qū),按讀數(shù)鍵,重復(fù)5次,取平均值。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

一元線性回歸模型,如下式所示:

Y=α+βx

(1)

式中:α、β為常數(shù);x為絲膠、純堿或精練劑的質(zhì)量濃度。

多元線性回歸模型,如下式所示:

Y=β0+β1x1+β2x2+β3x3

(2)

式中:β0、β1、β2、β3為常數(shù);x1、x2、x3分別為絲膠、純堿和精練劑的質(zhì)量濃度。

根據(jù)以上兩類(lèi)線性回歸模型,實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)借助SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行線性擬合和參數(shù)計(jì)算,擬合程度采用R2進(jìn)行評(píng)價(jià),R2值介于[0,1],越接近于1表示擬合程度越好。

1.2.4 精練液中含固量測(cè)定

取適量精練液于錫紙盒中,120 ℃烘干至恒重。根據(jù)下式計(jì)算蠶絲精練液的含固量:

C=(W2-W1)/V

(3)

式中:C為含固量,g/L;W1為錫紙盒的質(zhì)量,g;W2為烘干后蠶絲精練液和錫紙盒的質(zhì)量,g;V為烘干前精練液的體積,L。

重復(fù)3次,取平均值。

1.2.5 蠶絲脫膠率的計(jì)算

根據(jù)下式計(jì)算脫膠率:

P/%=[(M0-M1)/M0)]×100

(4)

式中:P為脫膠率,%;M0為脫膠前干重,g;M1為脫膠后干重,g。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種溶液的一元線性回歸模型

蠶絲精練的主要助劑是純堿和精練劑,常溫下分別測(cè)定絲膠、純堿、精練劑不同濃度的折光率。由表1可見(jiàn),三種溶液的折光率都隨著溶液質(zhì)量濃度的增大呈正向變化,但是純堿和精練劑的折光率出現(xiàn)了分段情況,當(dāng)純堿質(zhì)量濃度小于3 g/L、精練劑質(zhì)量濃度小于11 g/L時(shí),溶液的折光率為0。同時(shí)對(duì)比不同廠家的蠶絲精練劑,均呈現(xiàn)相同的規(guī)律,質(zhì)量濃度一致時(shí),折光率僅相差0.1。以溶液質(zhì)量濃度為自變量、折光率為因變量,對(duì)三種溶液進(jìn)行一元線性擬合,擬合曲線如圖1所示,擬合結(jié)果如表2所示。三種溶液的擬合優(yōu)度R2都大于0.990,說(shuō)明絲膠、純堿、精練劑的質(zhì)量濃度與折光率有著非常好的線性關(guān)系,線性回歸模型吻合度高。

圖1 三種溶液線性擬合曲線

表2 三種溶液的一元線性擬合結(jié)果

2.2 混合溶液的多元線性回歸模型

蠶絲精練液是絲膠、純堿、精練劑的混合溶液,對(duì)于多個(gè)自變量間的線性關(guān)系,宜采用多元線性回歸分析法[10-11]。本文按表3配制25組絲膠混合液并測(cè)定折光率,擬合結(jié)果如表4所示。由表4可知,絲膠、純堿、精練劑的顯著性都小于0.05,隨機(jī)誤差非常小,假設(shè)結(jié)果可接受,說(shuō)明絲膠、純堿和精練劑都對(duì)混合液的折光率有明顯影響。擬合后的多元線性回歸方程為Y=0.117x1+0.123x2+0.029x3-0.13,其擬合優(yōu)度R2等于0.998,說(shuō)明多元線性回歸方程擬合程度高。

2.3 精練液線性模型的選擇

按照工廠工藝,初練桶每次純堿的補(bǔ)加量為0.1～2 g/L,精練劑的補(bǔ)加量為0.1～3 g/L。隨著精練桶連桶次數(shù)的增加,除了絲膠質(zhì)量濃度逐漸增大外,純堿和精練劑的質(zhì)量濃度也在增大,理論上可以通過(guò)記錄助劑的補(bǔ)加量計(jì)算出精練液中各助劑的質(zhì)量濃度,但實(shí)際上這個(gè)計(jì)算是十分困難的。因?yàn)樾Q絲進(jìn)入和離開(kāi)初練桶時(shí)會(huì)帶入和帶走大量水和助劑,同時(shí)絲膠還會(huì)和助劑發(fā)生反應(yīng)。

表3 混合溶液折光率

表4 絲膠混合液多元線性回歸分析結(jié)果

為了選擇合適的線性模型,本文做出兩種假設(shè)。假設(shè)一:純堿和精練劑對(duì)折光率無(wú)明顯影響,只需考慮絲膠質(zhì)量濃度,適用一元線性模型。假設(shè)二:純堿和精練劑對(duì)折光率有較大影響,除絲膠質(zhì)量濃度外,還需要考慮純堿和精練劑的質(zhì)量濃度,適用多元線性模型。本文計(jì)算時(shí)將精練液的含固量近似等于絲膠含固量,數(shù)據(jù)如表5所示。通過(guò)對(duì)比兩種假設(shè)的折光率偏差,可知假設(shè)一的折光率偏差更小,相對(duì)更加準(zhǔn)確。另外,由表2中絲膠溶液一元線性方程Y=0.116 6x-0.002 7推導(dǎo)可知,假設(shè)一中最大折光率偏差為0.1時(shí),其對(duì)應(yīng)的絲膠質(zhì)量濃度偏差值為0.9 g/L,此質(zhì)量濃度偏差很小,并不會(huì)對(duì)蠶絲脫膠率有很大的影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文選擇絲膠溶液一元線性模型較為實(shí)用。

表5 生產(chǎn)線上蠶絲精練液折光率

2.4 溫度對(duì)絲膠溶液折光率的影響

折光率的大小與溶液性質(zhì)、光線波長(zhǎng)及溶液溫度有關(guān)[12],其他條件固定時(shí),溫度升高,折光率會(huì)變小[13]。雖然常見(jiàn)的折光率儀都帶有自動(dòng)調(diào)溫功能,但是當(dāng)溫度較高時(shí),其調(diào)溫作用是有限的,故選擇和控制合適的溫度對(duì)通過(guò)折光率判斷絲膠質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確度十分重要。表6和圖2為絲膠溶液在不同溫度下的折光率變化情況,可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的上升,折光率會(huì)變小,這是因?yàn)榻z膠含有大量羥基、羧基、氨基等親水基團(tuán),具有很好的水溶性。當(dāng)溫度升高時(shí),絲膠和水分子一樣會(huì)發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng),降低了分子密度,從而使折光率變小。25 ℃和30 ℃的曲線會(huì)有部分重合,折光率差值不那么大,但是40 ℃的曲線就出現(xiàn)明顯的平行下移,折光率差值很大。另外,溶液溫度過(guò)高,將待測(cè)液轉(zhuǎn)移至折光儀盛液區(qū)時(shí),操作過(guò)程中的散熱就大,使得最后盛液區(qū)的溫度下降明顯,溫度穩(wěn)定性非常不好,會(huì)出現(xiàn)忽高忽低的情況。從表7的線性擬合結(jié)果來(lái)看,(25±2) ℃的擬合優(yōu)度R2最高,此溫度下折光率的線性變化規(guī)律最好,因此在測(cè)定絲膠溶液折光率時(shí),最好控制溫度在25 ℃左右,即常溫下測(cè)定折光率。

圖2 不同溫度絲膠溶液的線性擬合曲線

表7 不同溫度絲膠溶液一元線性回歸模型

2.5 蠶絲精練液折光率與脫膠率的關(guān)系探究

絲膠質(zhì)量濃度是影響蠶絲脫膠率的主要因素,通過(guò)折光率可推導(dǎo)出絲膠質(zhì)量濃度,進(jìn)一步探究折光率與脫膠率的關(guān)系,有利于快速推算蠶絲脫膠率和判斷初練連桶次數(shù)。本文取表5中D6精練液,加入絲膠粉提高溶液質(zhì)量濃度,繼續(xù)精練。由表8可見(jiàn),D6和D8的脫膠率較為理想,但當(dāng)折光率大于5.0之后,脫膠率出現(xiàn)了明顯下降,降至16%左右。從圖3也可明顯看出,D8脫膠效果較好,布面比較干凈,呈黃白色,而D10和D14明顯手感硬,脫膠率低,甚至布面還殘留色素。

表8 蠶絲精練液折光率與脫膠率的關(guān)系

蠶絲初練時(shí),由于面料品種不同,一般會(huì)連桶4～6次,初練桶每練一次增加的絲膠質(zhì)量濃度約4～5 g/L。折光率等于5.0時(shí)對(duì)應(yīng)的絲膠質(zhì)量濃度約為43.0 g/L,表5中D6的絲膠質(zhì)量濃度為32.6 g/L,可推測(cè)初練6次后還可以繼續(xù)連桶,減少精練桶廢液排放。

圖3 不同脫膠率的蠶絲織物表面

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)顯折光儀測(cè)定蠶絲精練液及其主要成分的折光率,建立了折光率與各成分質(zhì)量濃度之間的關(guān)系。主要結(jié)論如下:

1) 絲膠、純堿、精練劑三種純?nèi)芤旱馁|(zhì)量濃度與折光率有著良好的一元線性關(guān)系,R2均大于0.990;由三者組成的絲膠混合液,經(jīng)過(guò)多元線性擬合,R2=0.998,擬合程度好。對(duì)比發(fā)現(xiàn),絲膠一元線性回歸模型能更加便捷地反映蠶絲精練液折光率的變化規(guī)律,有助于生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)脫膠率的快速檢測(cè)。

2) 通過(guò)折光率的判斷,可指導(dǎo)生產(chǎn)中精練桶的排放次數(shù),節(jié)能減排。其中,精練液在常溫下的折光率大于5.0后,蠶絲脫膠率過(guò)低。

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