提高聚酯纖維與棉纖維定量化學分析時效性的探討

文/陳海民 閆承蘭

1 引言

紡織品定量化學分析試驗既要求測試結(jié)果具有較高的準確性，又要求具有較高的時效性，在《滌棉混紡紗定量化學分析方法的改進》[1]一文中就如何提高試驗的時效性問題，從烘干、冷卻時間和測量方式等方面進行了可行性的分析，同時提出在采用硫酸溶解聚酯纖維/棉纖維化學定量試樣過程中，水浴時間、溫度和硫酸濃度對提高試驗時效性具有重要影響。

GB/T 2910.11—2009《紡織品 定量化學分析 第11部分：纖維素纖維與聚酯纖維的混合物（硫酸法）》規(guī)定：“把準備好的試樣放入三角燒瓶中，每克試樣加入200mL硫酸溶液（4.1），塞上玻璃塞，搖動燒瓶將試樣充分潤濕后，將燒瓶保持（50±5）℃放置1h，每10min搖動一次。”其中的“將燒瓶保持（50±5）℃放置1h”的規(guī)定直接影響到紡織品定量化學分析的時效性。

采用不同于GB/T 2910.11的水浴溫度、水浴時間以及硫酸濃度的方法，既減少了試劑與能耗消耗，又提高了試驗的時效性。由于新的改進方法中的試劑消耗和測試時間偏離了現(xiàn)行國家標準的規(guī)定，可能會影響到測試結(jié)果的準確性與可靠性。為了分析新方法中各測試因子中對測試結(jié)果的影響，現(xiàn)采用統(tǒng)計分析軟件SPSS13.0[2]對上述相關(guān)因素進行正交試驗，并做相關(guān)分析。

2 試驗部分

2.1 方案

本試驗按GB/T 2910.1—2009《紡織品 定量化學分析第1部分：試驗通則》和GB/T 2910.11 規(guī)定執(zhí)行。將測試樣品按所對應(yīng)的測試方法，確定對測試結(jié)果有明顯影響的因子，設(shè)置相應(yīng)的因子水平，通過正交試驗對測試因子進行綜合分析。本試驗采用了“聚酯纖維與棉纖維化學定量分析方法的改進”的試驗參數(shù)，即硫酸用量100mL，稱量方式為直接熱測量，試樣烘干時間以取得恒定質(zhì)量為止（間隔20min做兩次或以上稱量，保證測試結(jié)果的質(zhì)量差異不大于后一次稱見質(zhì)量的0.1%，作為烘后恒定質(zhì)量）。

2.2 試樣與制備

樣品選擇，棉纖維作為試驗中的被硫酸溶解部分，棉纖維含量的多少影響到硫酸用量、水浴溫度與水浴時間。為使試樣更具有代表性，選取滌與棉混合均勻且棉含量較高的品種：C52/T48，19.4texT（經(jīng)過預(yù)處理，試樣為客戶批量生產(chǎn)委托送檢的產(chǎn)品）。

2.3 儀器

DK-98-11A電熱恒溫水浴鍋（2.2kW，天津市泰斯萬特儀器有限公司）；SHB-Ⅲ循環(huán)式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）；CU-6纖維細度儀（北京和眾視野科技有限公司）；ZRD-A5110A全自動恒溫烘箱（上海智誠分析儀器制造有限公司）。

2.4 試驗操作

按照GB/T 2910.11測試方法的要求，將兩個1g紗線的平行樣品置于燒杯中，放入ZRD-A5110A全自動恒溫烘箱中，設(shè)置烘干溫度為105℃，烘至恒定不變質(zhì)量；同時結(jié)合眾多實驗室測試經(jīng)驗，將100mL 75%硫酸放置于存放紗線的燒杯中，設(shè)置水浴溫度為20℃、水浴時間10min；然后將樣品放入SHB-Ⅲ循環(huán)式多用真空泵，并用三級水抽濾，再用氨水中和； 抽濾干凈后放入烘箱中烘至恒定不變質(zhì)量；計算測試結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果

（1）測試因子與水平

硫酸濃度、水浴溫度和水浴時間水平表見表1。

表1 正交試驗水平表

（2）正交試驗

應(yīng)用SPSS13.0統(tǒng)計分析軟件，對硫酸濃度、樣品水浴溫度、樣品水浴時間及其水平進行正交設(shè)計。正交試驗表L9（3）4及測試結(jié)果見表2。

（3）統(tǒng)計分析

3.2 分析與討論

（1）測試結(jié)果影響因子分析

由表3可以看出，因子A、B、C的III型方差分別為3.236、9.549和3.369，均大于誤差e的III型方差（3.002）。說明硫酸濃度、樣品水浴溫度和樣品水浴時間對滌綸纖維含量測試結(jié)果有明顯的影響。在本正交試驗各因子的不同水平中，對測試結(jié)果影響程度的大小順序依次為水浴溫度＞樣品水浴時間＞硫酸濃度。由于水浴溫度方差＞水浴時間與硫酸濃度方差之和，故證明水浴溫度是對測試結(jié)果貢獻最大的因子。由此可知，如果改變測試程序中可能形成的滌綸纖維含量測試結(jié)果的偏差，并在修正測試偏差時及時調(diào)節(jié)樣品水浴溫度是直接有效的方法。

（2）測量不確定度影響因素分析

本批次樣品為紗線，因現(xiàn)行紡紗設(shè)備、工藝及管理存在局限性，將不同的纖維完全混合均勻仍是個難題；不同序號的測試之間操作如搖動次數(shù)、搖動力度等有所不同，可能會因此形成紡織品定量化學分析的測量不確定度。因樣品本身的離散性及測試程序的非完全一致，諸多的測試因素會導致測量的不確定度。因此，就一批產(chǎn)品而言，測試結(jié)果的準確值不是一個唯一值，而是一個范圍。

（3）測量不確定度的取值范圍

由于GB/T 2910.11基本等效于ISO 1833-11：2006，兩者并無實質(zhì)差異，能滿足各國要求的測量不確定度較小的測試方法。雖然其測試結(jié)果的準確性與可靠性無可置否，但該方法的測試成本高（溫度偏高、試劑量偏大）、耗時長。從本次正交試驗結(jié)果分析來看，水浴時間與硫酸濃度的III型方差與誤差e的III型方差基本相當，影響最大的因素是水浴溫度。

由表2可看出，本次正交試驗的水浴溫度為10℃時的測試結(jié)果明顯偏離，水浴溫度為30℃以上時測試結(jié)果都在52.2%～52.6%，波動范圍較小。本次正交試驗大部分測試序號和測試程序雖與GB/T 2910.11有一定偏離，但總體基本相當，而且測試結(jié)果比較穩(wěn)定。

根據(jù)以上測試結(jié)果可以證明，水浴溫度為30℃是一個能夠保證棉纖維充分溶解的溫度。由于水浴溫度為30℃及以上時的測試結(jié)果都在52.2%～52.6%范圍內(nèi)，波動較小；再考慮到測量不確定度的各個影響因素對測試結(jié)果的影響，因此將52.2%～52.6%作為C52/T48 19.4texT纖維含量包含測量不確定度的取值范圍。

（4）適合測量不確定度取值范圍的可行性試驗分析

與上述滌綸纖維包含測量不確定度的取值范圍對比后可以看出，正交試驗中序號3和序號8的測試結(jié)果分別為56.9%和54.1%（見表2），與其他序號的測試結(jié)果有較大偏離。作為測試方法的一種新嘗試，對于因正交試驗中選擇各測試因子的不同而造成測試結(jié)果的偏離，可以應(yīng)用正交試驗分析結(jié)果進行修正。從SPSS方差分析可以看出，樣品水浴溫度是各測試參數(shù)中對測試結(jié)果影響最為敏感且影響最大的參數(shù)。序號3、序號8和序號9也都是在樣品水浴溫度為10℃水平時的測試結(jié)果，測試結(jié)果的偏離可能因溫度低致使硫酸不能充分溶解棉纖維，造成滌綸纖維含量偏高，由此產(chǎn)生了測量不確定度。雖然序號9的水浴溫度也是10℃，但其硫酸濃度為80%，水浴時間為60min。由于硫酸濃度高和水浴時間長，化解了水浴溫度為10℃時棉纖維溶解不充分的問題，致使序號9的測試結(jié)果在52.2%～52.6%范圍內(nèi)。為提高各因子和各水平測試結(jié)果的一致性，探討采用改變水浴溫度修正測試結(jié)果的可行性，僅對水浴溫度為10℃水平時測試結(jié)果偏離較大的序號3、序號8和序號9測試進行不同水浴溫度的對比試驗。

表2 正交試驗L9（3）4測試結(jié)果

表3 四因子不同水平對滌綸纖維含量（凈干）的影響

4 修正試驗程序試驗

由以上正交試驗結(jié)果可知，樣品水浴溫度是本試驗中影響最大的因子。那么將上述測試中測試結(jié)果存在偏離的樣品，測試樣品與使用儀器相同，僅將樣品水浴溫度調(diào)整為15℃和20℃，其他因子不變，進行比對測試。

4.1 試驗結(jié)果

4.1.1 正交試驗

將試驗程序中的水浴溫度由10℃分別調(diào)整為15℃和20℃時的試驗結(jié)果見表4。

4.1.2 圖像對比

在用硫酸對序號3溶解前，采用CU-6纖維細度儀對剩余纖維進行定性并制圖，硫酸處理前序號3的形態(tài)見圖1。經(jīng)硫酸處理后，水浴溫度為15℃、水浴時間為10min烘干后序號3的形態(tài)見圖2；經(jīng)硫酸處理后，水浴溫度為20℃、水浴時間為10min烘干后序號3的形態(tài)見圖3。

表4 修正水浴溫度后平行樣本的滌綸纖維含量試驗結(jié)果

4.2 分析與討論

4.2.1 正交試驗

果不其然，第二天王施凱“華麗麗”地感冒了?？上А安〖佟边@種借口用過太多次，老師根本不信，“狼孩子”王施凱只能“挺著病軀”去學校。

由表4可以看出，當正交試驗水浴溫度為15℃時，序號3、序號8和序號9的滌綸纖維含量范圍為52.5%～53.8%。其中，滌綸纖維含量在53%以上的試驗結(jié)果占到了一半，滌綸纖維含量明顯高于C52/T48、19.4texT纖維含量包含測量不確定度的取值范圍52.2%～52.6%。這可能與圖2中含有殘留棉纖維有關(guān)；當正交試驗改變溫度為20℃時，無論采用的是70%硫酸或是75%硫酸，圖3中已沒有棉纖維，僅有剩余的滌綸纖維；水浴溫度20℃時各樣品測試結(jié)果分別為：52.3%、52.4%、52.4%、52.2%、52.5%、52.3%，均在該品種包含測量不確定度的正常范圍（52.2%～52.6%）內(nèi)。

圖1 硫酸處理前的序號3

圖2 15 ℃的序號3

圖3 20 ℃的序號3

綜上，通過調(diào)整水浴溫度，各樣品測試結(jié)果都在該品種包含測量不確定度的取值范圍52.2%～52.6%的正常范圍內(nèi)，達到了系列測試結(jié)果準確一致的要求。

4.2.2 圖像分析

由圖1可以看出，纖維切片中含有滌綸纖維與棉纖維，呈隨機排列。由圖2可以看出，纖維切片中大部分為滌綸纖維，但仍有一根棉纖維（直徑較滌綸纖維粗且?guī)в凶匀痪砬┐嬖?。這說明，樣品中的棉纖維沒有被完全溶解，測試結(jié)果中滌綸纖維含量偏大，是因為滌綸纖維中混有未被溶解的棉纖維。

由圖3可以看出，纖維切片中僅有滌綸纖維，棉纖維已被完全溶解。正交試驗中將水浴溫度變?yōu)?0℃后，無論是采用70%還是75%硫酸，在纖維切片中僅可以看到滌綸纖維，無棉纖維。圖3的測試參數(shù)為水浴時間10min、水浴溫度20℃，此參數(shù)下的測試結(jié)果分別為52.3%、52.4%、52.4%、52.2%、52.5%和52.3%，測試結(jié)果均在包含測量不確定度的取值范圍52.2%～52.6%的正常范圍內(nèi)。

5 測試效率論證

紡織品定量化學分析的測試效率，既是委托客戶選擇的重要因素，也是一個檢驗機構(gòu)生存發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在日常檢驗時，客戶不僅要求檢驗機構(gòu)的測試結(jié)果準確可靠，而且要求檢驗機構(gòu)提高測試效率。因此需對該試驗的測試效率做如下分析。

5.1 試驗結(jié)果

表5 測試時間比較

5.2 分析與討論

現(xiàn)行標準中應(yīng)用75%的硫酸、加熱至50℃、水浴時間為1h的測試方法，雖然能夠保證測試結(jié)果的準確性與可靠性，但試驗耗時長，耗電量大。其中，僅棉纖維的溶解過程就需要1.3h，同時還要附加0.66kW的電能；其中的關(guān)鍵問題是標準測試程序時間長，難以滿足客戶的需求。

可見，采用調(diào)整水浴溫度的方法既減少了能源與試劑的消耗，也提高了測試效率，并能在不同測試條件下保證測試結(jié)果的一致性。由于該方法尚未形成方法標準，因此，在做重要的試驗項目時應(yīng)優(yōu)先采用現(xiàn)行標準的方法。

在進行其他試驗時，為了提高測試效率，也可嘗試使用該方法做參考。綜上，本正交試驗可以證明，采用調(diào)整水浴溫度的方法達到了減少能源與試劑的消耗，在不同測試的條件下能保證測試結(jié)果的一致性。既有利于保護環(huán)境，同時能明顯提高測試效率；在具有標準大氣的恒溫恒濕實驗室，或在我國亞熱帶、溫帶的無恒溫恒濕控制的實驗室，常年室溫都可達到20℃，滌綸纖維與棉纖維化學定量分析無需再加熱。在該溫度條件下采用75%硫酸，將水浴時間設(shè)定為10min，經(jīng)試驗得到結(jié)果即可達到準確可靠的要求；如果試驗結(jié)果出現(xiàn)了一定的偏離，其誤差并非來源于測試方法或操作誤差，而是樣品本身的離散性及測試程序的非完全所致，不會影響到測試結(jié)果的準確性與可靠性。

采用70%硫酸進行紡織品定量化學分析時，要注意以下幾點：一是紡織樣品盡可能地切碎，便于硫酸充分溶解棉纖維；二是玻璃燒瓶在水浴過程中增加搖動的頻率，促進硫酸溶解棉纖維；三是玻璃燒瓶搖動要有力度，以達到硫酸溶解的棉纖維顆粒最小化，以使溶解的棉纖維顆粒能夠正常通過玻璃坩堝，保證測試的正常完成。

[1]馬楠,田金家,丁曰東,等.滌棉混紡紗定量化學分析方法的改進[J].棉紡織技術(shù),2013,41(8)：28-30.

[2]余建英,何旭宏. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與SPSS應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社,2003：141-160.