运用Box-Behnken响应面法优化竹浆纤维非织造布水刺工艺参数

1. 武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070；2. 武汉纺织大学纺织工程与科学学院，湖北 武汉 430070

运用Box-Behnken响应面法优化竹浆纤维非织造布水刺工艺参数

舒服华1杨慧芳2

1. 武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070；2. 武汉纺织大学纺织工程与科学学院，湖北 武汉 430070

水刺法生产竹浆纤维非织造布既环保，又能满足人们对天然纤维产品的追求。水刺工艺参数对非织造布性能有重要的影响。运用Box-Behnken响应面法对竹浆纤维非织造布水刺工艺参数进行优化，得到了最佳工艺参数组合：水刺头数9.0个，水刺距离10.000 mm，输网速度40.00 mm/min。此时，原纤化指数为4.0。

竹浆纤维，非织造布，水刺，响应面，工艺参数，优化

水刺工艺是生产非织造布较为先进的工艺，它与针刺工艺类似，不同的是水刺工艺用水流代替刺针，即以高压微细水流喷射到一层或多层纤维网上，使纤维缠结在一起，并通过黏接、加固而形成具备一定强力的非织造布。水刺工艺最大的特点是不损伤纤维，所得制品外观比其他非织造材料更接近传统纺织品。水刺非织造布的性能优良，手感柔软、蓬松，吸湿性强，对油脂等有机污染物有一定吸收效果，在医疗、卫生、家居、新型电子、航空航天等领域广泛使用。

竹在我国的种植范围广，它的生长速度快，再生能力强，对其进行砍伐对环境的不良影响小。因此，可以说竹浆纤维是一种经济且绿色环保的纤维，用于制备非织造布具有得天独厚的优势。竹浆纤维属于黏胶型纤维，其单纤细度细，多孔洞，遇水易膨胀，因此竹浆纤维非织造布一般采用水刺工艺进行制备。采用水刺工艺，竹浆纤维易发生原纤化，这有利于提高非织造布的柔软性和丰满度，还能有效提高产品的吸水性。利用水刺工艺制备竹浆纤维非织造布，其工艺参数对原纤化效果有十分关键的作用，而优化工艺参数又是工艺设计与生产控制的关键。

响应面法是常用的简便、有效的优化方法之一，它运用多项式拟合来研究因变量与自变量之间的关系，然后对拟合的多项式进行优化，从而获得待优化问题的解决方案。该方法最大的特点是能将因变量与自变量的变化规律直观地呈现出来，使抽象、复杂的数学规划问题形象化、直观化。本文运用Box-Behnken响应面法对竹浆纤维非织造布水刺工艺参数进行优化，以期为竹浆纤维水刺非织造布的生产提供参考和借鉴。

1 试验部分

1.1材料与设备

材料：竹浆纤维，湖北冠森竹纤维制品有限公司，长度38.000 mm，线密度1.56 dtex。设备：TJ-2600水刺机，青岛东佳纺机(集团)有限公司。仪器：XSP- 2CA(Y)光学显微镜，上海光学仪器厂。

1.2试验设计

以水刺头数(A)、水刺距离(B)、输网速度(C)为优化对象，分别设3个水平，以竹浆纤维原纤化指数(Y)为优化目标(原纤化指数定义为原纤长度之和与定长之比)，设计Box-Behnken响应面试验[1-2]。水刺头压力设为恒定，1号水刺头压力为3.5 MPa，其他水刺头压力为3.0 MPa(如果设有水刺头)，试验因素与水平设计见表1，水刺头配置设计见表2。

1.3试验方法

试验采用平网水刺工艺，加工流程：纤维原料输入→开松、混合→梳理→交叉铺网→牵伸→预湿→水刺加固[3-4]。

按试验设计的工艺参数制备竹浆纤维水刺非织造布样品，从中抽取竹浆纤维试样，然后在XSP-2CA(Y)光学显微镜下进行观察，并计数竹浆纤维上0.276 mm长度范围内的原纤根数。每份样品取10根竹浆纤维进行测量，取其平均值作为最终值，折算为原纤化指数(Y)。试验结果见表3。

表1 试验因素与水平设计

表2 水刺头配置设计

注：“1”表示配置有水刺头；“0”表示不配置水刺头

表3 试验结果

2 试验分析

2.1二次回归方程

根据试验数据，对原纤化指数(Y)与水刺头数(A)、水刺距离(B)、输网速度(C)进行多项式拟合，得到拟合函数：

Y= -10.697 500+4.622 500A-0.412 400B- 0.085 225C-0.003 500AB-0.008 375AC+ 0.003 975BC-0.241 700A2+0.004 930B2- 0.000 821C2

(1)

根据函数(1)中一次项系数的绝对值，可判断竹浆纤维非织造布水刺工艺参数对原纤化指数的影响程度，3个工艺参数的影响程度由大到小的顺序为水刺头数、水刺距离、输网速度。

2.2方差分析

表4 方差分析结果

2.3工艺参数优化

以原纤化指数(Y)最大为优化目标，对3个工艺参数进行优化，得到优化结果：水刺头数(A)=8.8个(实际取9.0)，水刺距离(B)=10.000 mm，输网速度(C)=40.00 mm/min。此时，原纤化指数(Y)=4.0，优化结果的可信度为0.631。

2.4响应面分析

响应面可以直观反映自变量(即工艺参数)对因变量(即原纤化指数)的影响程度。图1～图3所示为3个自变量中1个取0水平时另外2个对因变量的响应面。图1反映了水刺头数和水刺距离对原纤化指数的影响，可以看出，水刺头数越少，水刺距离越大，则原纤化指数越小。图2反映了水刺头数和输网速度对原纤化指数的影响，可以看出，水刺头数越少，输网速度越小，则原纤化指数越小。图3反映了水刺距离和输网速度对原纤化指数的影响，可以看出，水刺距离越大，输网速度越小，则原纤化指数越小。

图1 水刺头数与水刺距离对原纤化指数的响应面

图2 水刺头数与输网速度对原纤化指数的响应面

图3 水刺距离与输网速度对原纤化指数的响应面

2.3交互项分析

交互项分析的目的是判断自变量交互项对自变量的影响程度，其方法是分析响应面底部的线条状况，即等高线分布。等高线反映自变量交互项对因变量的影响程度。等高线为圆形时，自变量交互项对因变量的影响程度最大，其次是等高线为椭圆形时，再次是等高线为封闭曲线时，当等高线为非封闭曲线时影响程度最小。等高线的疏密也可反映自变量交互项对因变量的影响程度，等高线越密，影响程度越大；反之，影响程度越小[5-6]。

图4～图6所示分别为图1～图3所示响应面的等高线，可以看出，水刺头数与输网速度交互项的等高线最密，其次是水刺头数与水刺距离交互项的等高线，最疏的是水刺距离与输网速度交互项的等高线。因此，可判断自变量交互项对因变量的影响程度由大到小的顺序为A×C、A×B、B×C。

图4 Y(A, B)响应面(图1)的等高线

图5 Y(A, C)响应面(图2)的等高线

图6 Y(B, C)响应面(图3)的等高线

3 结语

水刺工艺生产率高，产品性能优良，而且与传统织造工艺生产的纺织品尤其相似，深受用户青睐，得到了人们的认可和广泛使用。随着环境保护与循环经济发展的理念深入人心，化学纤维对环境的负面影响会越来越受到人们的关注，天然纤维因其生态性和对人体健康有益而重新受到市场的欢迎，成为人们热衷和追求的衣着新宠。然而，以棉、羊毛为主的天然纤维毕竟数量有限，难以满足人们对天然纤维产品的需求。竹在我国有悠久的种植历史，在全国的种植范围很大，而且竹属于快生植物，对其进行适当开发、利用，不仅不会对植被造成破坏，反而有利于保持生态平衡，还会促进竹的新陈代谢，更好地生长，对环境起到保护作用。因此，用竹浆纤维生产非织造布，不失为一个既环保又能满足人们对天然纤维的追求的理想方法。采用水刺工艺生产竹浆纤维非织造布，其工艺参数对竹浆纤维的原纤化具有较大的影响。文中运用Box-Behnken响应面法优化竹浆纤维非织造布水刺工艺参数，得到了最佳工艺参数组合，即水刺头数A=9.0个，水刺距离B=10.000 mm，输网速度C=40.00 mm/min，此时原纤化指数Y=4.0最大。

[1] 吴欣欣, 刘洁, 郑慧, 等. 利用Box-Benhken响应面法优化抗氧化玉米蛋白酶解液的制备工艺[J]. 河南工业大学学报(自然科学版), 2013, 34(1): 31-35.

[2] 肖怀秋, 李玉珍, 林亲录, 等. Box-Behnken响应面优化冷榨花生粕酶解制备花生肽工艺[J]. 中国粮油学报, 2014, 29(10): 106-112.

[3] 韩旭, 严莹. 竹浆纤维水刺非织造材料工艺及性能研究[J]. 产业用纺织品, 2006, 24(10): 14-17.

[4] 朱远胜. 水刺工艺对竹浆纤维原纤化性能的影响[J]. 纺织学报, 2010, 31(2): 24-26+32.

[5] 舒服华. 响应面法在石材抛光工艺参数优化中的应用[J]. 石材, 2016(12): 27-31+56.

[6] 舒服华. 响应面法在粉煤灰页岩烧结砖工艺参数优化中的应用[J]. 砖瓦, 2016(11): 20-24.

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Optimization on spunlacing process parameters of bamboo pulp fiber nonwovens by Box-Behnken response surface method

ShuFuhua1,YangHuifang2

1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;2. School of Textile Engineering and Science, Wuhan Textile University, Wuhan 430074, China

Production of bamboo pulp fiber nonwovens by using spunlacing method is environmentally friendly and can meet people’s pursuit for natural fiber products. Spunlacing process parameters have an important impact on the performance of nonwovens. The Box-Behnken response surface method was used to optimize the spunlacing process parameters of bamboo pulp fiber nonwovens, and the optimum process parameters were obtained: the number of water head was 9.0, the spunlace distance was 10.000 mm, the transmission speed was 40.00 mm/min. Under these conditions, the fibrillation index was 4.0.

bamboo pulp fiber, nonwoven, spunlace, response surface, process parameter, optimization

2017-07-30

舒服华，男，1964年生，副教授，主要从事轻工机械研究工作

TS171.9

A

1004-7093(2017)10-0013-05