基于二元回歸分析的玄武巖長絲上漿優(yōu)化

吳劍青 ，鐘智麗 ，呂 晨

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387）

玄武巖長絲是前蘇聯(lián)經(jīng)過30多年的研究開發(fā)而發(fā)明的高性能礦物纖維，具有力學(xué)性能佳、抗紫外線性能強、吸濕性低、絕緣性能好、耐高溫、抗輻射、透波性能好等特點.尤為重要的是，生產(chǎn)玄武巖長絲所用原材料取自天然礦石而無任何添加劑，降解后即成為土壤母質(zhì)，環(huán)境友好，屬于無環(huán)境污染且不致癌的綠色健康玻璃質(zhì)纖維材料[1-2].玄武巖長絲屬于典型的脆性無機材料，紗線耐磨性較差，織造性能很不理想，從而限制了其在紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用[3-4].目前有關(guān)玄武巖長絲復(fù)合材料的研究和探索較多，對其在織物結(jié)構(gòu)及織前上漿處理方面的研究甚少.在提升可織性方面，樹脂整理比上漿處理更為復(fù)雜[5]，因此采用常規(guī)漿料上漿為玄武巖長絲織物的開發(fā)提供了便利.響應(yīng)面法是數(shù)學(xué)和統(tǒng)計方法的一種結(jié)合，應(yīng)用于處理多因素實驗，可以直接地分析實驗指標(biāo)（因變量）與多個實驗因素（自變量）之間的回歸關(guān)系，并用圖形將這種函數(shù)關(guān)系直觀地表達出來，進而確定實驗設(shè)計中的最優(yōu)化條件[6].而且響應(yīng)面法在少因素實驗中，可以更快更準(zhǔn)確地構(gòu)造一個近似多項式進行確定性分析，并在充分考慮試驗隨機誤差的基礎(chǔ)上，對復(fù)雜的未知的函數(shù)關(guān)系在小區(qū)域內(nèi)用簡單的一次或二次多項式模型進行擬合，計算比較簡便，進而可以對實驗做出快速的修正優(yōu)化[7].本文使用響應(yīng)面法中的HDD法（historical data design）進行試驗設(shè)計，以獲得最優(yōu)的玄武巖長絲上漿工藝參數(shù).

1 實驗部分

1.1 原材料與設(shè)備

所用原料包括:連續(xù)玄武巖纖維，成都航天拓鑫有限公司生產(chǎn)，具體規(guī)格為7 μm×250根；聚乙烯醇（PVA）1799，蘇州永勝化工科技有限公司提供；磷酸酯淀粉，桑達化工（南通）有限公司提供；固體聚丙烯酸酯漿料，天津潤格紡織助劑有限公司提供.

所用設(shè)備包括:玄武巖長絲漿紗設(shè)備，自制；TM式長絲抱合力試驗機，日本Daiei Kuseiki公司生產(chǎn)；NDJ－79型旋轉(zhuǎn)式粘度計，上海森地科學(xué)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn).

1.2 試驗方案設(shè)計

使用混合漿料（主體成分為聚乙烯醇（PVA）1799、磷酸酯淀粉，兩者配比為3∶2）作為主體漿料對玄武巖長絲進行上漿，將固體聚丙烯酸酯漿料作為優(yōu)化漿膜性能的助劑.取漿液質(zhì)量分數(shù)為6%，通過上漿試驗來確定固體聚丙烯酸酯漿料的最佳用量，進而確定三者的最佳混比.待三者的最佳混比確定后，再通過優(yōu)化漿液濃度，獲得最佳的上漿濃度.

用響應(yīng)面法中的HDD進行試驗設(shè)計，選取固體聚丙烯酸酯用量、混合漿液濃度等2個主要因素作為影響因子，以上漿后玄武巖長絲的耐磨性能作為考察對象，通過建立二次二元回歸模型進行參數(shù)優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的上漿工藝參數(shù).

1.3 性能測試

參照FZ/T 01058—1999對上漿處理后的玄武巖長絲在TM型長絲抱合試驗機上進行耐磨性能測試，以評價漿紗性能及上漿效果；使用NDJ－79型旋轉(zhuǎn)式粘度計對混配好的漿液進行粘度測試，用來確定最佳上漿溫度.

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗樣本及響應(yīng)值

利用Design expert軟件設(shè)計的HDD實驗樣本及耐磨性能的響應(yīng)值如表1所示.

通過Design expert軟件對獲得的實驗結(jié)果進行分析，采用HDD方法得到了符合實驗樣本的二次二元回歸模型，預(yù)測模型的編碼形式如式（1）所示:

表1 HDD試驗設(shè)計樣本和響應(yīng)值Tab.1 HDD samples and responses of experimental design

其中，模型擬合度R2為0.9797、信噪比為19.078，表明該模型擬合度較好.不同試驗樣本耐磨性能的實測值與預(yù)測值的對比如圖1所示.

從圖1可以看出，預(yù)測值與實測值的偏差最大不超過5.14，最小相差不到0.04，說明表1中不同試驗條件下的預(yù)測值與實測值的擬合程度均較好.結(jié)合模型進行分析得出，實際的回歸模型為:

表2為回歸模型的方差及顯著性分析，P值表示各個因素對耐磨次數(shù)的影響程度，當(dāng)P＜0.05時表示該因素對耐磨性能影響顯著.

表2 回歸模型的方差及顯著性分析Tab.2 Variance and significance analysis of regression model

從表2可以看出，模型的P值為0.0002＜＜0.05，表示模型影響顯著；而且X1、X2、X22的P值均小于0.05，說明固體聚丙烯酸酯用量、漿液濃度對耐磨性能的影響顯著.

2.2 上漿工藝優(yōu)化分析

圖2為試樣因素即固體聚丙烯酸酯用量、混合漿液濃度響應(yīng)耐磨性能的等高線圖及三維圖.

由圖2可知，隨著固體聚丙烯酸酯用量的增加，試樣的耐磨效果增強，但當(dāng)其質(zhì)量分數(shù)超過21.29%時，耐磨性能逐漸下降.主要存在2種可能:隨著固體聚丙烯酸酯的占比加大，漿膜過于柔軟，導(dǎo)致漿膜抵抗摩擦的能力下降，從而造成紗線的耐磨性能大幅下降；固體聚丙烯酸酯漿料對混合漿液具有一定穩(wěn)定作用，當(dāng)其添加量在21.29%時，混合漿液達到一個較佳的穩(wěn)定點，超過這個用量后漿液的穩(wěn)定性被打破，從而造成混合漿液的性能下降.

由圖2可以看出，混合漿液濃度較低時，長絲的耐磨性能較差.這可能是由于玄武巖長絲為疏水性無機材料，當(dāng)漿液濃度較低時，其粘附性較差，使得上漿后玄武巖長絲未能有較好的被覆率，進而使得長絲耐磨性較差.此時增加漿液濃度有利于增加漿液的粘附性，實驗結(jié)果也與預(yù)期相符合，當(dāng)混合漿液質(zhì)量分數(shù)為8.41%時，長絲的耐磨性能達到最佳，此時長絲上漿液被覆均勻.隨著漿液濃度繼續(xù)提高，漿液變得更為黏稠，在上漿過程中，漿液結(jié)皮現(xiàn)象嚴重，造成長絲被覆不均勻，上漿效果不理想，進而影響長絲的耐磨性能.

2.3 粘度測試結(jié)果分析

上漿溫度對混合漿液粘度的影響如表3所示.

表3 混合漿液在不同溫度下的粘度值Tab.3 Viscosity value of blended size mixture in different temperatures

由表3可以看出，當(dāng)溫度升高時，混合漿液的粘度逐漸降低，當(dāng)溫度≥70℃時，混合漿液的流動性大大改善，已可以滿足上漿率的要求.因此，為了達到節(jié)能環(huán)保的要求，混合漿液的上漿溫度設(shè)定為70℃.

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面法中的HDD建立二元二次回歸模型，分析結(jié)果顯示，模型的預(yù)測值與試驗上漿后耐磨性能的實測值相符，且偏差很小.通過方差分析和顯著性檢驗得知固體聚丙烯酸酯用量、漿液濃度對耐磨性能的影響顯著.通過模型對試驗工藝進行預(yù)測優(yōu)化得到最佳上漿工藝:上漿溫度為70℃，固體聚丙烯酸酯漿料質(zhì)量分數(shù)為21.29%，漿液質(zhì)量分數(shù)為8.41%，此時上漿效果達到最優(yōu)，耐磨性能的預(yù)測值達到121次.此次研究為玄武巖長絲的常規(guī)上漿提供了一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為玄武巖長絲的產(chǎn)品開發(fā)提供參考.

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