混料均匀设计在毛纱上浆中的应用

郑伟锋，张 斌，1b，，王 璐，1b，赵国英，杨自治，胡晓峰

（1.东华大学a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2.海澜集团有限公司，江苏 江阴 214426）

随着生活水平的提高，人们对服用面料的性能与风格提出了越来越高的要求.作为高档服用面料的毛纺织品也面临着更新换代的挑战，已从粗犷、保暖型向轻薄、舒适型转变.用单纱取代传统的股线可使产品轻薄，由于单经单纬毛织物中纱线横截面纤维根数少、强力低，在织造过程中不耐摩擦，经常断头，加上毛纱有大量毛羽，使织造变得困难.毛纱上浆是解决单纱难以织造的有效方法之一[1].由于毛纱的特殊性，给上浆和浆料的选择提出了特定的要求[2]，所以寻找适合毛纱上浆的浆料和工艺配方成为毛纱上浆的关键之一.

目前浆料市场尚无针对毛纱上浆的浆料，只能沿用传统的棉用浆料，因此当前要解决毛纱上浆，适宜的浆料配方显得相当重要.在传统的3种浆料中，聚乙烯醇（PVA）对各种纤维均具有良好的黏附性，浆液黏度稳定，浆膜具有强度高、弹性好、耐磨等特点，但在浆纱时存在分绞困难，浆液易结皮、起泡等缺陷；变性淀粉浆料成膜性好，可以有效贴伏毛羽，但浆膜粗糙硬脆，黏度不稳定；聚丙烯酸类浆料对纤维有优异的黏附性能，但其存在吸湿再黏性，用量不宜过多[3].3种浆料的不同配比，对浆纱质量的影响很大.混料均匀设计适用于多因素、多水平的试验设计场合，试验次数等于因素的水平数，可大幅度减少试验次数.本文采用混料均匀设计方法，对以上3种浆料不同的配方比例进行上浆，探求毛纱上浆的合理浆料配方.

1 试 验

1.1 主要原料和仪器设备

纱线：19.2tex 92%羊毛和8%涤纶混纺纱.浆料：PVA-1799，氧化淀粉，聚丙烯酰胺浆料（含固率为25.6%）.

主要仪器设备：电子天平，GA392型全电子式单纱上浆机，自制调浆机，水银温度计.

1.2 上浆

调制含固率为5%的浆液500mL，采用全电子式单纱上浆机对92%羊毛和8%涤纶混纺19.2tex单纱进行上浆，浆纱速度为60m／min，上浆温度为85℃，烘房温度为80℃.

1.3 浆纱性能测试

将毛纱在相对湿度为（65±2）%和温度为（20±2）℃的恒温恒湿条件下处理48h后，测试其性能.在YG 061型电子单纱强力仪上测试纱线强力和断裂伸长率，夹口间距为500mm，拉伸速度为500m／min，样本容量为30.在Y 731型抱合力仪上测试纱线耐磨性，纱线静止张力为50cN，不放压片，磨片空载往返速率为143次／min，样本容量为30.在YG 172型毛羽仪上测试纱线毛羽，片段长度为10m，测试速度为30m／min，测试3mm以上毛羽，取10次测量的平均值.

2 混料均匀设计

2.1 原理

均匀设计法[4]是我国数学家方开泰等将数论和多元设计相结合，在正交设计的基础上，创造出的一种新的试验设计方法.其显著的优点是试验量较正交设计明显减少，尤其适合多因素水平的试验.均匀设计与常用的正交设计“均匀分布，整齐可比”的特点不同，只考虑试验点在试验范围内的均匀散布，能用较少的试验点获得最多的信息.

由文献[5]可知，在配方均匀设计中，各因素水平数都相同，每个配方的因素（自变量）取值（即配方数据）之和等于1.如用X1，X2，…，Xn表示混料（配方）系统中n种成分各自所占的百分比，混料条件可表示为

由于在混料均匀设计回归模型中自变量之和为1，故自变量的个数比因素数少1.在选定自变量和因变量后，对于某一个因变量，都可选用自选变量法或逐步回归分析法，建立配方线性回归、二次回归或三次回归模型.单个因变量的最优解（最大值或最小值）可直接据自变量范围求出，多个因变量可根据各因变量的重要性，赋予权重，由各变量的回归模型，求出综合最优解.

2.2 均匀配方表的确定

根据配方中的组分数m和试验数n，选择合适的等水平均匀设计表Un（nl）或U＊n（nl），这里要求均匀设计表所能安排的因素数s≥m，且一般情况下，n≥3s，然后根据均匀表的使用表[6]，选择相应的m－1列进行变换.

用qji表示所选均匀表列中的第i列（i＝1，2，…，n）个数，对这些数进行如下换算：Cji＝2qji－1／2n，j＝1，2，…，m－1.

将｛Cji｝转换成｛Xji｝，计算式为

于是｛Xji｝就给出了对应n，m的混料均匀设计，并用代号UMn（nm）或U（nm）表示.本文选用（153）来安排试验，具体如表1所示.

表1 （153）均匀试验表Table 1 Table of U1＊5（153）uniform experiment

表1 （153）均匀试验表Table 1 Table of U1＊5（153）uniform experiment

试验序号 C1 C2氧化淀粉质量分数X1／%PVA质量分数X2／%聚丙烯酰胺质量分数X3／%1 1／30 13／30 81.7 10.3 8.0 2 3／30 27／30 68.4 3.2 28.4 3 5／30 9／30 59.2 28.6 12.2 4 7／30 23／30 51.7 11.3 37.0 5 9／30 5／30 45.2 45.6 9.2 6 11／30 19／30 39.4 22.2 38.4 7 13／30 1／30 34.2 63.6 2.2 8 15／30 15／30 29.3 35.4 35.3 9 17／30 29／30 24.7 2.5 72.8 10 19／30 11／30 20.4 50.4 29.2

续 表

3 试验结果及分析

对15组试验的浆纱分别测试断裂强力、断裂伸长率、耐磨性、毛羽指标，结果如表2所示.

表2 浆纱性能指标Table 2 The properties of sized yarns

3.1 浆纱断裂强力的分析

混料均匀设计的缺点是数据分析的计算量大，需要相应的软件和方法进行分析.根据文献[7]可知，二次多项式回归模型是最恰当的回归函数模型.

自变量氧化淀粉质量分数（X1）、PVA质量分数（X2）与 聚 丙 烯 酰 胺 质 量 分 数 （X3）中，因 为X1＋X2＋X3＝1，在已知其中两个因素的水平时，另一个因素的水平也就得到限定.试验选择X1与X2对浆纱断裂强力进行二次回归.本文采用SPSS 16.0软件进行分析，通过逐步分析，得出X1·X2对浆纱断裂强力的影响是显著的.所得回归方程为Y1＝131.079＋52.249X1·X2，复相关系数R＝0.96.方差分析表见表3所示，F＝154.757＞F0.05（1，13），表明二次回归方程有显著的意义.氧化淀粉质量分数与PVA质量分数的交互作用（X1·X2）与浆纱断裂强力之间的关系如图1所示.

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance table

图1 氧化淀粉和PVA交互作用与浆纱断裂强力之间的关系Fig.1 Correlation of oxidized starch and PVA and its relation with sized yarns'breaking strength

从图1可以看出，浆纱断裂强力与氧化淀粉质量分数和PVA质量分数乘积接近线性关系，这表明浆纱断裂强力与氧化淀粉和PVA的质量分数都有关系.

3.2 浆纱耐磨性的分析

对配方组分与浆纱耐磨性进行二次多项式逐步回归分析，得出PVA质量分数对浆纱的耐磨性影响较大.所得PVA质量分数与浆纱耐磨次数的回归方程为Y2＝397.347X2－997.198X22＋720.347X32.PVA质量分数与浆纱耐磨次数的关系如图2所示.

从图2可以看出，浆纱耐磨性随着PVA质量分数的增加先上升后下降，最后又上升.可能因为随着PVA质量分数的逐渐增大，浆膜完整性越来越好，进而浆纱耐磨次数增加明显；当PVA质量分数增大到一定程度，可能由于PVA与氧化淀粉的混溶性差，PVA的成膜性能降低，浆纱耐磨次数有下降趋势；随着PVA质量分数的继续增加，浆膜越来越完整、柔软，所以浆纱耐磨性又呈现上升趋势.

图2 PVA质量分数和浆纱耐磨次数之间的关系Fig.2 Relationship between PVA mass fraction and sized yarns'times of abrasion resistance

3.3 浆纱毛羽的分析

对配方组分与浆纱毛羽值进行二次多项式逐步回归分析，得出浆纱毛羽的回归方程Y3＝139.611－180.787X1－349.221X2＋121.249X21＋231.029X22＋260.873X1·X2，复相关系数R＝0.949.方差分析表如表4所示，F＝16.312＞F0.05（5，9），表明二次回归方程有显著的意义.PVA质量分数与浆纱毛羽的关系如图3所示.

表4 方差分析表Table 4 Analysis of variance table

由图3可以看出，PVA质量分数和浆纱毛羽之间有明显规律，随着PVA质量分数的增加，浆纱毛羽逐渐减少.这可能是由于PVA相对分子质量大，浆液黏度大，容易形成被覆上浆，对毛纱表面的毛羽被覆效果较好，且试验采用单纱上浆方式，不存在干分绞工序，再生毛羽增加不多.但在实际生产中大多采用片纱上浆，在对浆纱进行干分绞时，由于PVA内聚力过大而产生再生毛羽，导致毛羽增多.因此在求最佳配方时，为了使再生毛羽尽量少，限制PVA质量分数在40%以下.由表1和2可知，氧化淀粉质量分数和浆纱毛羽之间的规律不明显，所以未对其做进一步研究.

图3 PVA质量分数与浆纱毛羽的关系Fig.3 Relationship between PVA mass fraction and sized yarns' hairiness

3.4 最佳配方的选择

在织造过程中需优先考虑浆纱的耐磨性、毛羽，其次是浆纱断裂强力.运用此原则，确定出耐磨次数最高时PVA质量分数X2＝29.1%，此时要使毛羽数最少，得出氧化淀粉质量分数X1＝43.2%.将X1和X2分别代入浆纱断裂强力、耐磨、毛羽的回归方程，得到此时浆纱断裂强力为137.65cN，耐磨次数为48.9次，毛羽为24.8根／10m.由此可见，当氧化淀粉质量分数约为43%、PVA质量分数约为29%、聚丙烯酰胺质量分数约为28%时试样浆纱质量最好.

4 结 语

（1）根据羊毛纤维的特殊性，本文选择氧化淀粉、PVA和聚丙烯酰胺浆料按合适比例组成配方浆料，可满足实际织造的要求.

（2）采用混料均匀设计方法，以浆纱耐磨性和毛羽为指标，对浆液中氧化淀粉、PVA和聚丙烯酰胺浆料进行配比优化，可大大减少试验量，而且取得良好的优选效果.

（3）运用二次多项式逐步回归模型对试验数据进行分析，分别求出浆纱断裂强力、耐磨和毛羽的回归方程.通过综合分析得出试样毛纱上浆最优浆料配方为氧化淀粉质量分数约为43%、PVA质量分数约为29%，聚丙烯酰胺质量分数约为28%.

参 考 文 献

[1]吴俊.毛纱上浆是提高轻薄毛纺织物质量的重要途径[J].上海毛麻科技，2001，37（1）：27-28.

[2]工鸿博，高卫东.毛纱上浆若干问题的探讨[J].天津纺织科技，2000（4）：16-18.

[3]周永元.纺织浆料学[M].北京：中国纺织出版社，2004：257-355.

[4]方开泰.均匀设计与均匀设计表[M].北京：科学出版社，1994：64-67.

[5]DENG W L， WANG J L.Uniform design of mixture experiments with constraints[J].Journal of East China Normal University：Natural Science，2002（2）：26-32.

[6]李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理[M].2版.北京：化学工业出版社，2008：151-152.

[7]冯李文.均匀设计法及其在新产品开发中的应用[J].川化，2005（2）：18-23.