基于灰色关联的针刺涤纶防水胎基工艺参数优化

舒服华

武汉理工大学职业技术学院，湖北 武汉 430070

基于灰色关联的针刺涤纶防水胎基工艺参数优化

舒服华

武汉理工大学职业技术学院，湖北 武汉 430070

提出一种正交试验与灰色关联分析相结合的针刺涤纶防水胎基工艺参数优化方法。以正交试验为基础，获得针刺涤纶防水胎基的针刺密度、针刺深度、针刺面密度、上胶率等工艺参数对成型防水胎基材料的断裂强力、断裂伸长率、垂直渗透系数、热收缩率等性能影响数据；再通过灰色关联分析法对试验数据进行分析，首先进行单工艺目标优化，平均灰色关联系数最大值为最优水平，然后进行综合工艺目标优化，平均灰色关联度最大者为最优水平。优化工艺参数为针刺密度500刺/cm2、针刺深度8 mm、针刺面密度300 g/m2、上胶率200%。

涤纶,针刺,防水胎基,工艺参数,灰色关联,优化

针刺法生产非织造布是利用刺针反复穿刺纤维网，使纤维网中的部分水平纤维形成垂直纤维簇，并与水平纤维相互缠结，使纤维网结构紧密，以防止纤维在拉应力作用下相互滑脱的，它是一种机械固结技术[1-2]。土木工程中所使用的防水材料的胎基要求具有较高的强度和较大的延伸性，通常采用针刺法加工生产。涤纶具有较高的强度和断裂伸长率，并且干热收缩率较低，其正逐步取代低强度的棉纤维和脆性大的玻璃纤维，成为建筑防水胎基的首选[3-4]。针刺工艺参数对针刺涤纶防水胎基的性能影响较大，选择合适的针刺工艺参数对提高针刺涤纶防水胎基质量和生产效率具有现实意义。

正交试验是一种高效、快速、经济的试验方法，常用于工艺的优化。其在单或少工艺目标优化中具有显著的优势，但在多工艺目标优化中，因对数据的处理方法较简单故而存在明显的缺陷，往往需要层层比较和分析，过程复杂且存在一定的主观因素和误差，在因素和水平较多或者试验结果较接近时难以作出准确的判断，故而优化工艺目标越多，这种缺陷越明显。灰色关联分析是一种多因素统计分析方法，它对数据的要求较低，能在很大程度上减少由于信息不对称带来的影响。

本文采用正交试验与灰色关联分析相结合的方法，对针刺涤纶防水胎基的工艺参数进行多工艺目标优化，解决正交试验信息不完备、数据处理粗糙等问题，以提高决策的科学性。

1 试验方法

1.1 试验材料与设备

2.2 dtex×50 mm涤纶短纤，主要物理性能指标为断裂强度5.08 cN/dtex、断裂伸长率28.06%、卷曲数8.8个/(25 mm)、含油率0.23%。

浸轧投胶采用丙烯酸酯类乳胶。

试验设备为YBG314主针刺机、YBG311预针刺机、15×18×38×1/2R主刺针。

测试仪器选择TNJ07万用强力仪。

1.2 试验设计

针刺涤纶防水胎基不仅要有足够的强度，还要有较好的防水性能和热稳定性。故本文以针刺密度(因素A)、针刺深度(因素B)、针刺面密度(因素C)、上胶率(因素D)为优化工艺参数，以针刺成型的涤纶防水胎基的断裂强力(F)、断裂伸长率(φ)、垂直渗透系数(η)、热收缩率(ρ)这4项性能指标为综合优化目标，设计了一个4因素4水平的正交试验。正交试验设计如表1所示。

表1 针刺涤纶防水胎基工艺参数正交试验设计

1.3 试验方法

首先按试验要求设定针刺工艺参数，利用针刺法对涤纶纤维网进行初步加固；然后采用浸轧法对针刺后的材料进行进一步的加固，得到在不同工艺条件下针刺涤纶防水胎基材料；最后对针刺涤纶防水胎基材料进行性能测试。

测试样为100 mm×50 mm的条状成型的针刺涤纶防水胎基。断裂强力和断裂伸长率测量参照GB/T 13783—1992《棉纤维断裂比强度的测定 平束法》，垂直渗透系数测量参照GB/T 15789—1995《土工布透水性测定方法》，热收缩率测量参照GB/T 6505—2001《合成纤维长丝热收缩率试验方法》。试验结果归纳于表2。

表2 针刺涤纶防水胎基性能参数

2 试验结果灰色关联分析

灰色关联分析是利用灰色关联度大小来描述因素间关系紧密程度的一种方法。运用灰色关联度处理正交试验结果，能够综合衡量不同的工艺水平对综合工艺目标的影响，从而确定最佳工艺参数组合。其基本步骤：首先确定原始数据序列，对原始数据进行量纲归一化处理；然后求取灰色关联系数，得到不同工艺水平下的灰色关联度；最后进行灰色关联度优势分析。根据灰色关联系数进行单工艺目标优化，根据灰色关联度进行综合工艺目标优化，最终将多工艺目标优化问题转化为单项灰色关联度的优化问题[5-6]。

2.1 确定权重

在多工艺目标优化问题中，很难做到让各单工艺目标都处于最优状态，但各单工艺目标也不能平均对待，应根据不同的要求及实际情况对各单工艺目标有所侧重。单工艺目标重要程度一般以权重来体现，综合工艺目标采取权重求和的形式确定。权重通常采用1—9标度法确定，但此法确定权重计算过程复杂，且要进行一致性检验。故本文采用模糊一致矩阵确定工艺目标的权重，其计算简单且不需要一致性检验。基本方法是首先对工艺目标的重要性进行两两比较，然后根据表3所示的0.1—0.9标度法则确定评分，以此构造优先关系矩阵(即互补矩阵)D：

D=(dij)

(1)

式中：dij为重要性评分，即工艺目标i相对于工艺目标j的得分。其中dii=0.5、dji=1.0-dij。

表3 标度值确定法则

根据优先关系矩阵D构造模糊一致矩阵E：

E=(eij)

(2)

(3)

再根据模糊一致矩阵E求取各单工艺目标的权向量pi：

(4)

再根据权向量pi确定各单工艺目标的权重wi：

(5)

本文根据相关标准和生产实际，确定针刺涤纶防水胎基 4项性能指标的重要性评分分别为d12=0.7、d13=0.8、d14=0.7、d23=0.6、d24=0.7、d34=0.7，则优先关系矩阵D：

由于e1=2.7、e2=2.1、e3=1.8、e4=1.4，则e12=0.575 0、e13=0.621 5、e14=0.662 5、e23= 0.537 5、e24=0.587 5、e34=0.550 0，取α=2.0，则模糊一致矩阵E：

因此，权向量P=(0.293 8， 0.256 2， 0.237 5， 0.212 5)。由于p1+p2+p3+p4=1.000 0，故得指标的权重W=(0.293 8， 0.256 2， 0.237 5， 0.212 5)。

2.2 灰色关联分析数据处理

2.2.1 确定原始数据序列

表2中各单工艺目标下的一组数据即为原始数据序列，xi(k)(i=1， 2， 3， 4；k=1， 2， …， 16)分别代表F、φ、η、ρ的原始数据序列。

2.2.2 数据规范化处理

由于原始数据序列中各工艺参数之间的量纲和量级不同，因此为便于比较，需要对各工艺参数进行无量纲化处理。

对于效益型指标，归一化计算式[7]：

(6)

对于成本型指标，归一化计算式：

(7)

式中：yi(k) 为指标i下的第k次试验值的归一化值，k=1， 2， …， 16。

在针刺涤纶防水胎基4项性能指标中，F、φ为效益型指标，η、ρ为成本型指标，归一化处理结果归纳于表4。

2.2.3 求数据差序列

数据差Δi(k)计算式：

(8)

通过计算，数据差序列如表4所示。

表4 原始数据归一化处理结果

2.2.4 计算灰色关联系数

灰色关联系数ξik计算式：

(9)

式中：λ∈[0， 1]为分辨系数，一般取λ=0.500 0。

研究表明，当λ=0.546 3时，分辨率最高，故取λ=0.546 3，计算得灰色关联系数ξik如表 5所示。

2.2.5 计算灰色关联度

灰色关联度γk为灰色关联系数ξik的加权平均值[8]：

(10)

计算得灰色关联度γk如表 5所示。

表5 灰色关联系数与灰色关联度

(续表)

2.3 单工艺目标灰色关联分析

分别针对针刺涤纶防水胎基断裂强力(F)、断裂伸长率(φ)、垂直渗透系数(η)、热收缩率(ρ)进行单工艺目标的灰色关联分析。

根据表5中各工艺参数在不同工艺水平和工艺目标下的灰色关联系数，求得其在各单工艺目标下的平均灰色关联系数(表6～表9)。

表6 针对断裂强力的不同水平平均灰色关联系数

表7 针对断裂伸长率的不同水平平均灰色关联系数

表8 针对垂直渗透系数的不同水平平均灰色关联系数

表9 针对热收缩率的不同水平平均灰色关联系数

单工艺目标灰色关联分析就是确定各工艺参数的不同水平对各单工艺目标的影响程度。各工艺参数的不同水平的平均灰色关联系数最大者即组成最优工艺参数组合。

由表6可以看出：断裂强力方面，最优工艺参数组合为 A2B1C2D4；对针刺涤纶防水胎基断裂强力影响由大到小的工艺参数依次为针刺面密度、上胶率、针刺密度、针刺深度。

由表7可以看出：断裂伸长率方面，最优工艺参数组合为A4B1C4D3；对针刺涤纶防水胎基断裂伸长率影响由大到小的工艺参数依次为上胶率、针刺密度、针刺面密度、针刺深度。

由表8可以看出：垂直渗透系数方面，C2、C3相同，但从生产率和成本方面考虑，取水平C2，故最优工艺参数组合为A2B2C2D1；对针刺涤纶防水胎基垂直渗透系数影响由大到小的工艺参数依次为上胶率、针刺面密度、针刺密度、针刺深度。

由表9可以看出：热收缩率方面，最优工艺参数组合为A1B1C4D3；对针刺涤纶防水胎基热收缩率影响由大到小的工艺参数依次为针刺深度、针刺密度、针刺面密度、上胶率。

2.4 多工艺目标灰色关联分析

针对针刺涤纶防水胎基断裂强力(F)、断裂伸长率(φ)、垂直渗透系数(η)、热收缩率(ρ)进行多工艺目标优化，即对优化对象进行灰色关联度分析，结果见表10。

表10 针刺工艺参数对应各水平的平均灰色关联度

根据灰色关联度的性质，灰色关联度的大小反映了各工艺参数不同水平对多工艺目标的影响程度。灰色关联度值最高的水平即为对多工艺目标综合优化的最优水平。

由表10可知：针刺密度对综合工艺目标影响的灰色关联排序为γA2>γA4>γA3>γA1；针刺深度对综合工艺目标影响的灰色关联排序为γB2>γB1>γB4>γB3；针刺面密度对综合工艺目标影响的灰色关联排序为γC4>γC3>γC2>γC1；上胶率对综合工艺目标影响的灰色关联排序为γD4>γD2>γD3>γD1。

因此，对于多工艺目标，最优工艺参数组合为A2B2C4D4，即针刺密度500刺/cm2、针刺深度8mm、针刺面密度300g/m2、上胶率200%。

此外，从表10中的极差还可以看出，对针刺涤纶防水胎基综合性能影响由大到小的工艺参数依次为针刺深度、上胶率、针刺密度、针刺面密度。

3 试验验证

为检验灰色关联分析优化的效果，对优化后的工艺参数组合A2B2C4D4进行试验验证，并将验证结果与表5中灰色关联度最高组A2B1C2D3(即第5组)的试验结果进行对比，详见表11。

表11 试验结果比较

可见，基于灰色关联分析法优化的工艺参数使针刺涤纶防水胎基断裂伸长率提高了7.06%、垂直渗透系数减小了5.71%、热收缩率减小了16.23%、断裂强力仅下降0.23%，这表明基于灰色关联分析法的优化结果效果显著。

4 结语

针刺法加工非织造布具有工艺简单、流程短、成本低、结构独特、技术性能优异等特点。利用针刺法生产涤纶防水胎基，不仅可以增强涤纶的纤维缠结力、提高防水胎基的抗拉强度，还可以提高防水胎基的热稳定性、降低其热收缩率[3]30-33。近年来，随着防水技术的不断发展，对防水卷材的要求也在不断提高，相应地对针刺防水胎基生产工艺也提出了更高的要求。本文提出正交试验与灰色关联分析相结合的针刺涤纶防水胎基工艺参数优化方法。以正交试验为基础，获得了针刺密度、针刺深度、针刺面密度、上胶率等工艺参数对针刺涤纶防水胎基断裂强力、断裂伸长率、垂直渗透系数、热收缩率等性能的影响。再通过灰色关联分析法对试验数据进行分析，首先进行单工艺目标优化，灰色关联系数平均值最大者为最优工艺水平；然后利用模糊一致矩阵确定各工艺目标的权重，进行多工艺目标优化，平均灰色关联度最大者为最优水平，得到针刺法生产涤纶防水胎基的最佳工艺参数，并取得满意的效果。基于灰色关联分析法优化后的工艺参数，针刺涤纶防水胎基断裂伸长率提高了7.06%、垂直渗透系数减小了5.71%、热收缩率减小了16.23%、断裂强力仅下降0.23%，优化效果显著。

[1] 曾鹏程，裴培，郭秉臣，等.针刺高强防水胎基工艺参数及其对力学性的影响[J].产业用纺织品,2009,27(9):5-7.

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[3] 刘丽芳,王卫章,储才元，等.针刺工艺参数对非织造布性能的影响[J].产业用纺织品,2001,19(11):30-33.

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Optimization of process parameters of needling polyester waterproof membrane base by means of grey correlation

ShuFuhua

School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China

A method of optimizing process parameters of needling polyester waterproof membrance base by combining the orthogonal test with the grey correlation analysis was presented. By means of the orthogonal test, the data how the process parameters of the needling polyester waterproof membrane base, such as the needling density, the needling depth, the needling surface density and the gluing rate, affected the properties of molding waterproof membrane base materials, such as the tensile strength, the breaking elongation rate, the vertical permeability coefficient and the heat shrinkage rate, were obtained. And then the testing data were analyzed by the grey relational analysis method. First, the single process target optimization was done, and the maximum of the average grey correlation coefficient was optimal; second, integrated process target optimization was done, and the greatest gray correlation degree at average was best. The optimized process parameters were that the needling density was 500 stitch/cm2, the needling depth was 8 mm, the needling density of surface area was 300 g/m2and the gluing rate was 200%.

polyester, needling, waterproof membrane base, process parameter, gray correlation, optimization

2016-07-05

舒服华，男，1967年生，教授，主要从事轻工机械设计与研究工作

TS174.6

A

1004-7093(2017)03-0032-07