基于JMP软件的3种常见污渍洗净规律研究

苏兆伟 韦玉辉

（1. 杭州职业技术学院，浙江杭州，310018；2. 绍兴文理学院，浙江绍兴，312000；3. 东华大学服装设计艺术学院，上海，200051）

织物洗涤是一个复杂的传质过程，其过程牵涉到洗涤剂、污渍种类、洗涤过程中的机械力以及洗涤温度、洗涤时间、负载等多个因素的共同作用[1-4]。然而，目前对织物洗护的研究，主要集中在洗涤前后，污布外观性能及物理机械性能的变化、污布的自身组织结构编织原理、污布的吸附及脱附原理及表征污布的洗净率测试方法等方面，而很少有从洗涤参数对多种污布的洗净率影响的角度，研究洗衣机的洗涤性能[5-6]。

调研发现，目前洗衣机行业在性能测试方面主要关注GB/T4288-2008《家用和类似用途电动洗衣机》考核的能效程序，而对消费者实际使用的个体程序缺乏系统的研究。此外，IEC 60456-2010《家用洗衣机性能测评方法》考核了6种污渍的洗净性能，而GB/T 4288-2008仅考核碳黑油污渍的洗净性能，故国内洗衣机性能测评存在一定局限性，有待进一步完善。且不同污渍的污布侧重的功能有所不同，如碳黑油污布主要考察洗衣机热与机械作用，皮脂污布主要考察洗衣机对人体分泌油脂的去除能力，蛋白污布主要考察洗衣机对血渍、奶渍等蛋白类物质的去除能力，因而有必要针对常见污渍洗净率的影响因素展开详细研究[7-9]。

本研究选择的JMP软件是由SAS公司研发的专门用于多参数实验设计及统计分析的软件，尤其适合多个参数的寻优实验设计和结果分析[10]。通过对水温、主洗时间、主洗转速、转动时间及停止时间等洗涤参数的系统研究，进而得到洗涤参数对不同污渍洗净率的影响规律，并构建了3种标准污布洗净率与洗涤参数之间的数学模型。以期为设计个性化的家用洗衣机洗涤程序提供指导。

1 实验

1.1 实验材料与设备

实验材料：JB-00标准原布、JB-01标准碳黑污布、JB-02标准皮脂污布、JB-03标准蛋白污布，中国日用化学工业研究院；100%纯棉平纹陪洗布、100%涤纶针织陪洗布，上海纺织工业技术监督所。

实验仪器：Mini J全自动滚筒洗衣机（宁波吉德），MD80-1407LIDG全自动滚筒洗衣机（无锡小天鹅），GDNE8-A82热泵式干衣机（青岛海尔），WSB-3A白度计（宁波纺仪），Mini-F可控电脑版（北京艾斯蒙），CLM 221能耗仪（Christ Elektronik），ZJ-LCD-M涡轮流量计（广东中江），TC10电子天平（G＆G），BC-50ES冰箱（青岛海尔），EES-50B热水器（AO.Smith），FI-9309蒸汽熨斗（飞科）。

1.2 实验步骤及评价方法

3种标准污布，以碳黑污布为例，将44cm×27cm的标准碳黑污布裁剪成6cm×6cm并编号，测试并记录每块污布的白度值并分组，保证每组污布洗前白度平均值误差在±0.3以内，以此控制实验系统误差。放入0～3℃的冰箱中冷藏待用。每次实验调节控制器洗涤参数，并参考GB/T4288-2008《家用和类似用途电动洗衣机》进行洗净率测试[11]。

表1 定制实验设计因素及水平一览表

1.3 JMP实验设计

本实验重点研究主洗阶段各洗涤参数对不同污布洗净率的影响，所以JMP的定制设计只选择主洗阶段最具代表性的5个洗涤参数，如表1所示，主洗温度A、主洗时间B、主洗转速C、转动时间D、停止时间E。经过企业调研及预实验，确定本次实验中各因素的水平范围，即考虑5因素3水平及RSM交互，设计空间比例0.8对应的预测方差为0.31，1/0.31≈3，亦即达到1次实验代表3次实验的精度，确定需要完成38组实验。

2 结果与讨论

2.1 3种污渍洗净率影响因素效应筛选

运用逐步回归进行皮脂污布洗净率的参数估计，分析洗涤参数对皮脂污渍洗净率的影响规律，表2为皮脂洗净率参数筛选结果。当概率值P＜0.05时，说明该参数对皮脂污渍洗净率影响显著。由表2中t比绝对值的大小可知，影响皮脂洗净率的显著因素及其效应为：主洗时间＞温度＞停止时间＞洗涤转速★转动时间＞转动时间。由“t比”可知，各因素对洗净率的影响趋势：随着主洗时间的增加，温度的升高，停止时间的减少，洗涤转速★转动时间的增大，转动时间的增加，皮脂洗净率逐渐增大。

表2 皮脂洗净率参数筛选结果

表3 碳黑洗净率参数筛选结果

同理，由表3可知，影响碳黑洗净率的显著因素及其效应为：主洗时间＞温度＞洗涤转速＞停止时间＞转动时间。由“t比”可知，各因素对其的影响趋势：随着主洗时间的增加，温度的升高，洗涤转速的增大，停止时间的减少，转动时间的增加，碳黑洗净率逐渐增大。由表4可知，影响蛋白洗净率的显著因素及其效应为：主洗时间＞洗涤转速＞转动时间＞停止时间＞主洗时间★主洗时间＞主洗转速★主洗转速＞转动时间★转动时间＞转动时间★停止时间。其中主洗时间★主洗时间、主洗转速★主洗转速、转动时间★转动时间仅具有统计学上的意义。由“t比”可知，各因素对其洗净率的影响趋势：随主洗时间的增加，洗涤转速的增大，转动时间的增加，停止时间的减少，蛋白洗净率逐渐增大。

2.2 3种污渍洗净率模型建立及验证

根据表2估计值可知，皮脂洗净率实验数据拟合所得的多项式方程为：Y=0.5794+0.0288A+0.0942B+0.0093C+0.0159D-0.0241E-0.02B2+0.0197CD(Pmodel＞F)＜0.001，表明所建模型在a=0.05水平上回归显著，拟合系数R2=0.91，残差RMSE=0.0296，回归拟合程度较好。

同理根据表3可知，碳黑污布实验数据拟合所得的多项式方程为：Y=0.3941+0.0143A+0.0287B+0.0111C+0.008D-0.0085E-0.007B2(Pmodel＞F)＜0.001。表明模型在a = 0.05水平上回归显著，R2=0.90，RMSE=0.0108，回归拟合程度较好。

同理，由表4可知，由蛋白污布实验数据拟合所得的多项式方程为：Y=0.1813+0.0174B+0.008C+0.0067D-0.0041E-0.0064B2-0.0057C2-0.0056D2+0.0032DE(Pmodel＞F）＜0.001。表明模型在a= 0.05水平上回归显著，R2=0.93，RMSE=0.0063，回归拟合程度较好。

分别用软件随机生成模型之内的任意参数组合，自定义20万组时挑选任意3组进行验证实验，实验结果如表5所示。从实验结果可以发现，预测洗净率和实测洗净率差值都在2%以内，验证模型可靠。

表4 蛋白洗净率参数筛选结果

表5 污布参数优化模型验证实验结果

2.3 皮脂污布洗净率影响因素分析

根据表2筛选出影响皮脂污布洗净率最显著的3个因素，主洗时间、洗涤温度、停止时间，利用Matlab，绘制出三维响应曲面图，如图1所示。

图1 主洗时间和洗涤温度对皮脂洗净率的响应曲面图

由图1可知，随着主洗时间的增大，洗涤温度的升高，皮脂污布洗净率逐渐增大，其中，主洗时间对其洗净率的影响程度更为显著。

这是因为随着主洗时间的延长，摔打作用的次数增加，织物与滚筒壁摩擦的次数增加，为污渍与织物分离创造了良好的条件[12]。延长主洗时间本质上是增加洗涤过程的累积机械力，而机械力又是迫使吸附在织物上的污垢与织物脱离的重要因素之一，因而延长主洗时间有助于洗净率的提高。此外，延长主洗时间其实也增加了洗涤剂渗透到纤维间的机会，使纤维更好地润湿膨胀，同时亦延长了化学作用的时间，更易于污垢脱离织物表面。如图2所示，当主洗时间增加到一定值，其对洗净率的影响就趋于稳定，此后继续延长主洗时间，对洗净率影响不大[13]。

洗涤温度会影响洗涤剂中表面活性剂的活性，温度过高或过低都会降低其活性[14]。试验表明，综合考虑能耗、洗净率、洗涤时间等因素，40～50℃是较合适的洗涤温度。由分子动力学理论可知，温度越高，分子的热运动越激烈，越能提高水分子、洗涤剂与织物的反应速率，其宏观表现就是提高了污布的洗净率。此外，适当增加洗涤水温也可加速纤维的膨胀速度和程度，减弱了纤维和污渍的结合力强度，更易去除污渍。此外，因每次洗涤均会经历升温过程，故理论上不同温度对洗净率的影响程度会高于本次实验。

2.4 碳黑污布洗净率影响因素分析

根据表3筛选出影响碳黑污布洗净率最显著的3个因素，主洗时间、洗涤温度、洗涤转速，绘制出3维响应曲面图，如图2所示。

图2 主洗时间和洗涤温度对碳黑洗净率的响应曲面图

由图2可知，主洗时间、洗涤温度对碳黑污布洗净率的影响规律与皮脂污布基本类似，但碳黑洗净率比皮脂洗净率低。

这是因为皮脂污渍属于大粒径的污染粒子，相对分子质量较大，大多聚集在织物表面或者纱线之间的微小空隙，并未渗透到纤维内部，故较易去除。碳黑污渍属于小粒径的污染粒子，极易浸透至纤维的间隙或者黏附在纤维表面，且其污布在高温制配过程会形成高维碳结构，此结构稳定、难以改变色相，故洗净率较低[6-8]。

2.5 蛋白污布洗净率影响因素分析

根据表4筛选出影响蛋白污布洗净率最显著的3个因素，主洗时间、洗涤转速、转动时间，绘制出3维响应曲面图，如图3所示。

由图3可知，蛋白污渍洗净率较低，且随洗涤时间的延长，其洗净率先升高后趋于平稳。这是因为蛋白类污渍（血渍或牛奶）属于“乳化”的污渍，能润湿织物表面并通过毛细管渗入纱线内的纤维束间，与纤维之间形成化学键，难以通过延长洗涤时间的方式达到较好的洗净效果，往往需要配合使用含蛋白酶的洗涤剂才能继续提高其洗净率。

此外，由图3可知，随着洗涤转速的增大，蛋白污渍洗净率逐渐增大后趋于平稳。这是因为织物在洗涤过程中，会受到重力、摩擦力、离心力的共同作用[15-17]，转速增大，织物受到的离心力增大，织物会在举升筋的带动下上升到更高的距离下落，这不仅可以延长织物沿桶壁滑动的距离，也会增加织物高处摔打的距离和次数。摔打作用的强弱直接决定了洗涤机械力，机械力可以促使黏附在织物上的污垢与织物脱离。但转速增大到一定程度，织物受到的离心力过大，织物会紧贴桶壁做圆周运动，这样不仅减少了织物与水流相互作用的面积而且也会减小衣物间相互摩擦的机会，不利于提高洗净率。当然，转速过低，衣物无法被提高到一定程度，“摔打”作用强度太小，同样不利于洗净率的提高。

图3 蛋白污渍洗净率响应曲面图

3 结论

采用JMP软件定制设计的实验方法，系统研究了滚筒洗衣机洗涤参数对不同污渍洗净率的影响，得出以下结论并进行了机理解释：

(1) 相同洗涤条件下，家用滚筒洗涤对皮脂污布的洗净率较高，对蛋白污布的洗净率较低。随着主洗时间、洗涤转速的增大，3种污渍的洗净率均不断增大，但不同污渍的标准污布对洗涤参数的敏感程度略有不同。

(2) 主洗时间对3种污渍洗净率影响最为显著，主洗温度对皮脂、碳黑污渍洗净率影响较大，但对蛋白污渍洗净率影响不显著。

(3) 洗涤参数对皮脂污布洗净率影响的显著性排序为：主洗时间＞温度＞停止时间＞洗涤转速*转动时间＞转动时间；洗涤参数对碳黑污布洗净率影响的显著性排序为：主洗时间＞温度＞洗涤转速＞停止时间＞转动时间；洗涤参数对蛋白质污布洗净率影响的显著性排序为：主洗时间＞洗涤转速＞转动时间＞停止时间＞主洗时间*主洗时间＞主洗转速*主洗转速＞转动时间*转动时间＞转动时间*停止时间。

(4) 通过任意几组洗涤参数组合来验证模型，结果表明，这几组数据代入最佳模型方程获得的理论预测值与实际值偏差在2%以内，证实所建立的数学模型具有较好的预测性。