羅布麻纖維混紡織物綜合性能分析與混紡比優(yōu)選設(shè)計

顧秦榕 謝春萍 吉宜軍 蘇旭中 劉新金

摘要： 羅布麻纖維是一種天然纖維，其功能保健性混紡產(chǎn)品的開發(fā)正愈來愈受到人們的歡迎。文章采用灰色聚類分析法對羅布麻/腈綸/莫代爾混紡針織物與亞麻/棉混紡針織物的綜合性能進行研究，優(yōu)選出羅布麻/腈綸/莫代爾混紡針織物性能良好。采用線性加權(quán)和法建立一種多目標化函數(shù)的優(yōu)化模型，求解出用于不同生產(chǎn)用途的織物的最佳混紡比。結(jié)果表明：羅布麻/腈綸/莫代爾織物的綜合性能優(yōu)于亞麻/棉混紡織物與純棉織物；當羅布麻纖維理論含量為20%、29%及50%時分別可以達到織物加工性能優(yōu)良、外觀效應(yīng)佳、保健性好的設(shè)計效果。

關(guān)鍵詞： 灰色聚類分析；線性加權(quán)和法；羅布麻；混紡比；優(yōu)化

中圖分類號： TS102.229

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2017）12-0054-05

Abstract： Apocynum fiber is a natural fiber. The development of functional blended products is becoming more and more popular. In this paper， grey clustering analysis was used to study combination properties of apocynum/ acrylic fibers/ modal blended fabrics and linen/cotton blended fabrics， and the performance of apocynum/ acrylic fibers/ modal blended fabrics was good. The linear weight sum method was applied to establish an optimization model of multi-target function so as to solve the optimal blending ratio of different fabrics. The results show that， the comprehensive performance of the apocynum/ acrylic fibers/ modal blended fabrics is better than that of linen /cotton blended fabric. The design effect of good processing property， appearance and health keeping can be achieved when theoretical content of apocynum fiber is 20%，29% and 50%， respectively.

Key words： grey clustering analysis； linear weight sum method； apocynum； blending ratio； optimization

目前，在研究具有多個要素的對象時，傳統(tǒng)的科學(xué)研究思維方式正逐步向系統(tǒng)論方法過渡[1]。系統(tǒng)論方法主要以把握整體性、綜合性、相關(guān)性、動態(tài)性為基本原則，它是一種在多個要素彼此制約、相互聯(lián)系的關(guān)系中，系統(tǒng)地分析研究對象的方法。

本文將灰色聚類分析[2]與線性加權(quán)和法[3]這兩種思想引入到織物混紡比設(shè)計中，灰色聚類分析是指在信息不完全與非唯一的情況下，通過對少量的已知信息延伸并研究，進而上升到對系統(tǒng)的探究，尋找優(yōu)化方法獲得最佳效果的算法。線性加權(quán)和法是按照加工目標的重要性分別賦予其對應(yīng)的權(quán)系數(shù)，通過線性組合求最優(yōu)的一種多目標規(guī)劃問題的方法。以羅布麻、亞麻混紡織物為例，采用灰色聚類分析法綜合評定兩類織物的優(yōu)劣性，先對比優(yōu)選出較優(yōu)的織物。然后將麻纖維含量視為決策變量，將麻類混紡織物的各項基本性能視為目標函數(shù)，采用Matlab軟件Cftool工具箱對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到目標函數(shù)。分別從織物的不同用途賦予目標函數(shù)不同的加權(quán)系數(shù)，將多目標函數(shù)轉(zhuǎn)化成單目標函數(shù)，對函數(shù)進行求解，得到不同用途時織物的最佳混紡比。通過灰色聚類分析及Matlab優(yōu)化模型的建立，從新的角度對紡織產(chǎn)品混紡比進行優(yōu)化設(shè)計，為混紡織物的設(shè)計與開發(fā)提供理論性的依據(jù)。

1 織物的優(yōu)選

1.1 儀器與材料

儀器：YG301破裂試驗機、YG（B）522型耐磨試驗機（南通宏大實驗儀器有限公司），HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋芯吸效應(yīng)測試儀（江蘇盛藍儀器制造限公司），YG（B）416E型數(shù)字式測試儀測量織物的透氣性（寧波紡織儀器廠），PhabrOmeter織物手感評價系統(tǒng)（美國欣賽寶科技有限公司）。

織物：織物組織采用平針，平方米質(zhì)量146g/m2，厚度0.37mm，橫密62線圈數(shù)/5cm，縱密49線圈數(shù)/5cm。

1.2 實 驗

由于織物的性能較多，且每種性能代表不同的含義，彼此之間聯(lián)系較少，很難簡單地評價織物性能的好壞，因此采用灰色聚類分析法來綜合評價織物的性能。本文分別采用YG 301破裂試驗機測量織物的頂破性，YG（B） 522型耐磨試驗機測量織物的耐磨性，HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋芯吸效應(yīng)測試儀測量織物的毛細芯吸性能，YG（B） 416E型數(shù)字式測試儀測量織物的透氣性，PhabrOmeter織物手感評價系統(tǒng)測試織物的風格效應(yīng)，按照紡織品抗菌性能測試標準GB/T209944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》測試織物對大腸桿菌的抑菌效應(yīng)。每塊試樣測試10組數(shù)據(jù)取平均值，測試數(shù)據(jù)如表1所示，其離散系數(shù)在5%～15%范圍內(nèi)。

1.3 矩陣的構(gòu)建

本文選取9種織物的頂破性、耐磨性、芯吸效應(yīng)、透氣性、硬挺度、柔軟度、光滑度、懸垂性、手感值、抗菌性這10個評價因子構(gòu)造矩陣dij。由于耐磨性的評價指標是失重率，失重率越大耐磨性越差，可以看出耐磨性與聚類指標呈負相關(guān)，為了使所有的評價因子與聚類指標關(guān)系保持統(tǒng)一性，將耐磨性數(shù)值以100減去失重率記錄，得到織物剩余重量百分率，使得織物耐磨性與聚類指標呈正相關(guān)。其次測試的數(shù)據(jù)彼此之間沒有聯(lián)系，因此需要將它進行均值化處理從而變成無量綱數(shù)值[4]。利用Matlab軟件將矩陣dij根據(jù)公式（1）均值化處理后得到一個9×10的均值化處理矩陣，如式（2）所示。

1.3 聚類系數(shù)的確定

聚類系數(shù)表示一個圖形中節(jié)點聚集程度的系數(shù)，聚類系數(shù)越大，相當于在這個灰度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率越大。將各因子的評價等級分為高類、中類、低類三種灰度等級[5]，記為K1、K2、K3，即灰度s為3。根據(jù)邊界值λjk與白化權(quán)函數(shù)fkj（x）確定指標j在聚類中的聚類系數(shù)[5]，從而確定織物的綜合性能，灰色聚類系數(shù)矩陣σki如式（3）所示。

根據(jù)綜合聚類系數(shù)，即公式（3），在同一灰度下比較各織物的優(yōu)劣等級，可以看出羅布麻48/腈綸20/莫代爾32與羅布麻40/腈綸33/莫代爾27織物的高類灰度區(qū)間的聚類系數(shù)分別是0.9060與0.8046，相比于其他混紡織物優(yōu)勢明顯。9種織物的綜合性能的排名依次是：羅布麻48/腈綸20/莫代爾32>羅布麻40/腈綸33/莫代爾27>羅布麻34/腈綸43/莫代爾23>羅布麻30/腈綸50/莫代爾20>亞麻43/棉57>純亞麻>棉>亞麻30/棉70>羅布麻30/棉70。當羅布麻含量達到40%及以上時，織物的綜合性能最佳；且羅布麻/腈綸/莫代爾的綜合性能比亞麻混紡織物與棉織物好。由此可以進一步研究根據(jù)不同的生產(chǎn)用途，設(shè)計羅布麻/腈綸/莫代爾混紡織物的理論最優(yōu)混紡比。

2 優(yōu)化模型的建立

2.1 目標函數(shù)

本文研究的目標織物為羅布麻/腈綸/莫代爾混紡織物。研究對象是織物的綜合性能，而不是單一的性能，把每個性能看成一個目標，研究多目標的最優(yōu)問題。因此需要建立一個多目標函數(shù)，設(shè)有n個目標，目標函數(shù)分別為F1（x）、F2（x）、F2（x）……Fn（x）[6]。多目標函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計就是求解max{F1（x）、F2（x）、F3（x）……Fn（x）}。其中，X表示決策變量，F(xiàn)n（x）表示目標函數(shù)。本次實驗設(shè)計決策變量X就是羅布麻纖維含量，目標函數(shù)Fn（x）就是羅布麻/腈綸/莫代爾混紡織物的綜合性能。

本文以影響生產(chǎn)加工的耐磨性，與外觀息息相關(guān)的懸垂性及決定織物保健性能的抗菌性三者為研究目標，建立多目標優(yōu)化函數(shù)。織物的耐磨性越好，經(jīng)過摩擦前后的質(zhì)量損失率應(yīng)當越小，加工過程中越不易斷頭；織物懸垂性越好其外觀效應(yīng)更好；織物抑菌率愈大，保健性能便愈佳。

將織物耐磨性能看做目標函數(shù)F1（x），懸垂性看做目標函數(shù)F2（x），抗菌性看做目標函數(shù)F3（x）。構(gòu)成多目標優(yōu)化函數(shù)max{F1（x）、F2（x）、F3（x）}。將實驗數(shù)據(jù)歸一化處理，采用Matlab軟件Cftool工具箱進行多項式擬合，得到的函數(shù)關(guān)系表達式如表2所示。表2中置信區(qū)間表示的是某個參數(shù)的實際值在函數(shù)曲線結(jié)果范圍內(nèi)的程度，它是一種概率，置信區(qū)間值越大，表示函數(shù)表達式的可信程度越高[7]。

2.2 加權(quán)系數(shù)

所謂加權(quán)，即是為強調(diào)某一要素在整個要素體系中的重要程度而賦予的某一特征值，特征值一般用數(shù)值表示，稱為這一要素的加權(quán)系數(shù)[8]。紡織品的設(shè)計過程中，根據(jù)紡織品的不同用途，其所需的特性也會有所不同。對于內(nèi)衣型織物，由于其經(jīng)常與手肘、膝蓋摩擦，要求其耐磨性凸出；對于外穿織物，為了追求完美的視覺效果，要求其懸垂性能較好；對于襪子等容易滋生細菌的織物，要求其具備一定的抗菌保健性能。在基于多目標化的紡織品設(shè)計中，可以根據(jù)纖維間特性的不同，通過調(diào)節(jié)混紡比來達到紡織品的不同加工需求。

在本實驗中，采用層次分析法確定每一類需求的紡織品各性能指標占所有性能指標的權(quán)重[9]，用wn表示，n=1、2、3，滿足0≤wn≤1，且∑3n=1ωn=1。y1表示耐磨性占織物性能的比重，y2表示懸垂性占織物性能的比重，y3表示保健性能占織物性能的比重。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計經(jīng)驗，加權(quán)系數(shù)設(shè)計值如表3所示。

2.3 混紡比優(yōu)化計算

線性加權(quán)和法，又稱“加法”合成法或加權(quán)算術(shù)平均算子，它是采用線性模型進行綜合評價的[10]。利用線性加權(quán)和法，通過公式（4），求解各項評價指標值與其對應(yīng)的權(quán)系數(shù)的積之和的最大值，其對應(yīng)的羅布麻纖維含量即是理論最優(yōu)含量，利用Matlab軟件對多目標化函數(shù)進行求解。

Y=∑3i=1Fi（x）ωi（4）

式中：Y為織物的綜合評價值，F(xiàn)i（x）為織物的評價指標，wi為織物各項指標的權(quán)重系數(shù)。

求解得到三種不同設(shè)計方案的羅布麻纖維含量依次是20%、29%、50%。因此，當織物要求加工性能優(yōu)良的時候，其羅布麻理論最優(yōu)含量應(yīng)為20%；要求織物外觀風格效應(yīng)好的時候，羅布麻理論最優(yōu)含量應(yīng)為29%；要求保健性優(yōu)良的時候，羅布麻理論最優(yōu)含量應(yīng)為50%。本文不討論莫代爾纖維與腈綸纖維的含量，而將兩者視為一個整體，主要考慮羅布麻纖維的含量對織物綜合性能的影響。由于實驗局限性的存在，目前無法生產(chǎn)出羅布麻纖維含量分別為20%、29%、50%的紗線與織物，所以目前尚不能對理論設(shè)計結(jié)果進行驗證，這將是下一步的研究目標與重點。

運用Matlab軟件進行多目標函數(shù)模型的建立可以尋找出不同用途時羅布麻纖維的理論最優(yōu)含量，此最優(yōu)混紡比可能目前在實際生產(chǎn)過程中開發(fā)較困難，但是推進了羅布麻混紡織物的生產(chǎn)研究。同時由于羅布麻纖維長度短，難以成網(wǎng)；其次羅布麻纖維價格昂貴，因此控制羅布麻纖維含量有利于在織物綜合性能較好的基礎(chǔ)上控制好生產(chǎn)成本，企業(yè)在實際應(yīng)用中可以進行更有針對性的設(shè)計生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，為羅布麻混紡織物的設(shè)計與開發(fā)提供新的理論性依據(jù)。

3 結(jié) 論

1）采用灰色聚類分析法發(fā)現(xiàn)，羅布麻/腈綸/莫代爾混紡織物的綜合性能優(yōu)于亞麻/棉混紡織物與純棉織物。

2）基于多目標函數(shù)求最優(yōu)采用線性加權(quán)和法是直接從織物的綜合性能出發(fā)，優(yōu)選最優(yōu)的混紡比織物，概念最為清晰，得出的評估結(jié)論非常直觀。當織物分別要求加工性能優(yōu)良、外觀風格效應(yīng)良好、保健性優(yōu)良時，羅布麻纖維理論最優(yōu)含量分別為20%、29%、50%，為羅布麻混紡織物的生產(chǎn)與開發(fā)提供了很好的借鑒作用。

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