基于灰色關聯的針刺滌綸防水胎基工藝參數優化

舒服華

武漢理工大學職業技術學院，湖北 武漢 430070

基于灰色關聯的針刺滌綸防水胎基工藝參數優化

舒服華

武漢理工大學職業技術學院，湖北 武漢 430070

提出一種正交試驗與灰色關聯分析相結合的針刺滌綸防水胎基工藝參數優化方法。以正交試驗為基礎，獲得針刺滌綸防水胎基的針刺密度、針刺深度、針刺面密度、上膠率等工藝參數對成型防水胎基材料的斷裂強力、斷裂伸長率、垂直滲透系數、熱收縮率等性能影響數據；再通過灰色關聯分析法對試驗數據進行分析，首先進行單工藝目標優化，平均灰色關聯系數最大值為最優水平，然后進行綜合工藝目標優化，平均灰色關聯度最大者為最優水平。優化工藝參數為針刺密度500刺/cm2、針刺深度8 mm、針刺面密度300 g/m2、上膠率200%。

滌綸,針刺,防水胎基,工藝參數,灰色關聯,優化

針刺法生產非織造布是利用刺針反復穿刺纖維網，使纖維網中的部分水平纖維形成垂直纖維簇，并與水平纖維相互纏結，使纖維網結構緊密，以防止纖維在拉應力作用下相互滑脫的，它是一種機械固結技術[1-2]。土木工程中所使用的防水材料的胎基要求具有較高的強度和較大的延伸性，通常采用針刺法加工生產。滌綸具有較高的強度和斷裂伸長率，并且干熱收縮率較低，其正逐步取代低強度的棉纖維和脆性大的玻璃纖維，成為建筑防水胎基的首選[3-4]。針刺工藝參數對針刺滌綸防水胎基的性能影響較大，選擇合適的針刺工藝參數對提高針刺滌綸防水胎基質量和生產效率具有現實意義。

正交試驗是一種高效、快速、經濟的試驗方法，常用于工藝的優化。其在單或少工藝目標優化中具有顯著的優勢，但在多工藝目標優化中，因對數據的處理方法較簡單故而存在明顯的缺陷，往往需要層層比較和分析，過程復雜且存在一定的主觀因素和誤差，在因素和水平較多或者試驗結果較接近時難以作出準確的判斷，故而優化工藝目標越多，這種缺陷越明顯。灰色關聯分析是一種多因素統計分析方法，它對數據的要求較低，能在很大程度上減少由于信息不對稱帶來的影響。

本文采用正交試驗與灰色關聯分析相結合的方法，對針刺滌綸防水胎基的工藝參數進行多工藝目標優化，解決正交試驗信息不完備、數據處理粗糙等問題，以提高決策的科學性。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與設備

2.2 dtex×50 mm滌綸短纖，主要物理性能指標為斷裂強度5.08 cN/dtex、斷裂伸長率28.06%、卷曲數8.8個/(25 mm)、含油率0.23%。

浸軋投膠采用丙烯酸酯類乳膠。

試驗設備為YBG314主針刺機、YBG311預針刺機、15×18×38×1/2R主刺針。

測試儀器選擇TNJ07萬用強力儀。

1.2 試驗設計

針刺滌綸防水胎基不僅要有足夠的強度，還要有較好的防水性能和熱穩定性。故本文以針刺密度(因素A)、針刺深度(因素B)、針刺面密度(因素C)、上膠率(因素D)為優化工藝參數，以針刺成型的滌綸防水胎基的斷裂強力(F)、斷裂伸長率(φ)、垂直滲透系數(η)、熱收縮率(ρ)這4項性能指標為綜合優化目標，設計了一個4因素4水平的正交試驗。正交試驗設計如表1所示。

表1 針刺滌綸防水胎基工藝參數正交試驗設計

1.3 試驗方法

首先按試驗要求設定針刺工藝參數，利用針刺法對滌綸纖維網進行初步加固；然后采用浸軋法對針刺后的材料進行進一步的加固，得到在不同工藝條件下針刺滌綸防水胎基材料；最后對針刺滌綸防水胎基材料進行性能測試。

測試樣為100 mm×50 mm的條狀成型的針刺滌綸防水胎基。斷裂強力和斷裂伸長率測量參照GB/T 13783—1992《棉纖維斷裂比強度的測定 平束法》，垂直滲透系數測量參照GB/T 15789—1995《土工布透水性測定方法》，熱收縮率測量參照GB/T 6505—2001《合成纖維長絲熱收縮率試驗方法》。試驗結果歸納于表2。

表2 針刺滌綸防水胎基性能參數

2 試驗結果灰色關聯分析

灰色關聯分析是利用灰色關聯度大小來描述因素間關系緊密程度的一種方法。運用灰色關聯度處理正交試驗結果，能夠綜合衡量不同的工藝水平對綜合工藝目標的影響，從而確定最佳工藝參數組合。其基本步驟：首先確定原始數據序列，對原始數據進行量綱歸一化處理；然后求取灰色關聯系數，得到不同工藝水平下的灰色關聯度；最后進行灰色關聯度優勢分析。根據灰色關聯系數進行單工藝目標優化，根據灰色關聯度進行綜合工藝目標優化，最終將多工藝目標優化問題轉化為單項灰色關聯度的優化問題[5-6]。

2.1 確定權重

在多工藝目標優化問題中，很難做到讓各單工藝目標都處于最優狀態，但各單工藝目標也不能平均對待，應根據不同的要求及實際情況對各單工藝目標有所側重。單工藝目標重要程度一般以權重來體現，綜合工藝目標采取權重求和的形式確定。權重通常采用1—9標度法確定，但此法確定權重計算過程復雜，且要進行一致性檢驗。故本文采用模糊一致矩陣確定工藝目標的權重，其計算簡單且不需要一致性檢驗。基本方法是首先對工藝目標的重要性進行兩兩比較，然后根據表3所示的0.1—0.9標度法則確定評分，以此構造優先關系矩陣(即互補矩陣)D：

D=(dij)

(1)

式中：dij為重要性評分，即工藝目標i相對于工藝目標j的得分。其中dii=0.5、dji=1.0-dij。

表3 標度值確定法則

根據優先關系矩陣D構造模糊一致矩陣E：

E=(eij)

(2)

(3)

再根據模糊一致矩陣E求取各單工藝目標的權向量pi：

(4)

再根據權向量pi確定各單工藝目標的權重wi：

(5)

本文根據相關標準和生產實際，確定針刺滌綸防水胎基 4項性能指標的重要性評分分別為d12=0.7、d13=0.8、d14=0.7、d23=0.6、d24=0.7、d34=0.7，則優先關系矩陣D：

由于e1=2.7、e2=2.1、e3=1.8、e4=1.4，則e12=0.575 0、e13=0.621 5、e14=0.662 5、e23= 0.537 5、e24=0.587 5、e34=0.550 0，取α=2.0，則模糊一致矩陣E：

因此，權向量P=(0.293 8， 0.256 2， 0.237 5， 0.212 5)。由于p1+p2+p3+p4=1.000 0，故得指標的權重W=(0.293 8， 0.256 2， 0.237 5， 0.212 5)。

2.2 灰色關聯分析數據處理

2.2.1 確定原始數據序列

表2中各單工藝目標下的一組數據即為原始數據序列，xi(k)(i=1， 2， 3， 4；k=1， 2， …， 16)分別代表F、φ、η、ρ的原始數據序列。

2.2.2 數據規范化處理

由于原始數據序列中各工藝參數之間的量綱和量級不同，因此為便于比較，需要對各工藝參數進行無量綱化處理。

對于效益型指標，歸一化計算式[7]：

(6)

對于成本型指標，歸一化計算式：

(7)

式中：yi(k) 為指標i下的第k次試驗值的歸一化值，k=1， 2， …， 16。

在針刺滌綸防水胎基4項性能指標中，F、φ為效益型指標，η、ρ為成本型指標，歸一化處理結果歸納于表4。

2.2.3 求數據差序列

數據差Δi(k)計算式：

(8)

通過計算，數據差序列如表4所示。

表4 原始數據歸一化處理結果

2.2.4 計算灰色關聯系數

灰色關聯系數ξik計算式：

(9)

式中：λ∈[0， 1]為分辨系數，一般取λ=0.500 0。

研究表明，當λ=0.546 3時，分辨率最高，故取λ=0.546 3，計算得灰色關聯系數ξik如表 5所示。

2.2.5 計算灰色關聯度

灰色關聯度γk為灰色關聯系數ξik的加權平均值[8]：

(10)

計算得灰色關聯度γk如表 5所示。

表5 灰色關聯系數與灰色關聯度

(續表)

2.3 單工藝目標灰色關聯分析

分別針對針刺滌綸防水胎基斷裂強力(F)、斷裂伸長率(φ)、垂直滲透系數(η)、熱收縮率(ρ)進行單工藝目標的灰色關聯分析。

根據表5中各工藝參數在不同工藝水平和工藝目標下的灰色關聯系數，求得其在各單工藝目標下的平均灰色關聯系數(表6～表9)。

表6 針對斷裂強力的不同水平平均灰色關聯系數

表7 針對斷裂伸長率的不同水平平均灰色關聯系數

表8 針對垂直滲透系數的不同水平平均灰色關聯系數

表9 針對熱收縮率的不同水平平均灰色關聯系數

單工藝目標灰色關聯分析就是確定各工藝參數的不同水平對各單工藝目標的影響程度。各工藝參數的不同水平的平均灰色關聯系數最大者即組成最優工藝參數組合。

由表6可以看出：斷裂強力方面，最優工藝參數組合為 A2B1C2D4；對針刺滌綸防水胎基斷裂強力影響由大到小的工藝參數依次為針刺面密度、上膠率、針刺密度、針刺深度。

由表7可以看出：斷裂伸長率方面，最優工藝參數組合為A4B1C4D3；對針刺滌綸防水胎基斷裂伸長率影響由大到小的工藝參數依次為上膠率、針刺密度、針刺面密度、針刺深度。

由表8可以看出：垂直滲透系數方面，C2、C3相同，但從生產率和成本方面考慮，取水平C2，故最優工藝參數組合為A2B2C2D1；對針刺滌綸防水胎基垂直滲透系數影響由大到小的工藝參數依次為上膠率、針刺面密度、針刺密度、針刺深度。

由表9可以看出：熱收縮率方面，最優工藝參數組合為A1B1C4D3；對針刺滌綸防水胎基熱收縮率影響由大到小的工藝參數依次為針刺深度、針刺密度、針刺面密度、上膠率。

2.4 多工藝目標灰色關聯分析

針對針刺滌綸防水胎基斷裂強力(F)、斷裂伸長率(φ)、垂直滲透系數(η)、熱收縮率(ρ)進行多工藝目標優化，即對優化對象進行灰色關聯度分析，結果見表10。

表10 針刺工藝參數對應各水平的平均灰色關聯度

根據灰色關聯度的性質，灰色關聯度的大小反映了各工藝參數不同水平對多工藝目標的影響程度。灰色關聯度值最高的水平即為對多工藝目標綜合優化的最優水平。

由表10可知：針刺密度對綜合工藝目標影響的灰色關聯排序為γA2>γA4>γA3>γA1；針刺深度對綜合工藝目標影響的灰色關聯排序為γB2>γB1>γB4>γB3；針刺面密度對綜合工藝目標影響的灰色關聯排序為γC4>γC3>γC2>γC1；上膠率對綜合工藝目標影響的灰色關聯排序為γD4>γD2>γD3>γD1。

因此，對于多工藝目標，最優工藝參數組合為A2B2C4D4，即針刺密度500刺/cm2、針刺深度8mm、針刺面密度300g/m2、上膠率200%。

此外，從表10中的極差還可以看出，對針刺滌綸防水胎基綜合性能影響由大到小的工藝參數依次為針刺深度、上膠率、針刺密度、針刺面密度。

3 試驗驗證

為檢驗灰色關聯分析優化的效果，對優化后的工藝參數組合A2B2C4D4進行試驗驗證，并將驗證結果與表5中灰色關聯度最高組A2B1C2D3(即第5組)的試驗結果進行對比，詳見表11。

表11 試驗結果比較

可見，基于灰色關聯分析法優化的工藝參數使針刺滌綸防水胎基斷裂伸長率提高了7.06%、垂直滲透系數減小了5.71%、熱收縮率減小了16.23%、斷裂強力僅下降0.23%，這表明基于灰色關聯分析法的優化結果效果顯著。

4 結語

針刺法加工非織造布具有工藝簡單、流程短、成本低、結構獨特、技術性能優異等特點。利用針刺法生產滌綸防水胎基，不僅可以增強滌綸的纖維纏結力、提高防水胎基的抗拉強度，還可以提高防水胎基的熱穩定性、降低其熱收縮率[3]30-33。近年來，隨著防水技術的不斷發展，對防水卷材的要求也在不斷提高，相應地對針刺防水胎基生產工藝也提出了更高的要求。本文提出正交試驗與灰色關聯分析相結合的針刺滌綸防水胎基工藝參數優化方法。以正交試驗為基礎，獲得了針刺密度、針刺深度、針刺面密度、上膠率等工藝參數對針刺滌綸防水胎基斷裂強力、斷裂伸長率、垂直滲透系數、熱收縮率等性能的影響。再通過灰色關聯分析法對試驗數據進行分析，首先進行單工藝目標優化，灰色關聯系數平均值最大者為最優工藝水平；然后利用模糊一致矩陣確定各工藝目標的權重，進行多工藝目標優化，平均灰色關聯度最大者為最優水平，得到針刺法生產滌綸防水胎基的最佳工藝參數，并取得滿意的效果。基于灰色關聯分析法優化后的工藝參數，針刺滌綸防水胎基斷裂伸長率提高了7.06%、垂直滲透系數減小了5.71%、熱收縮率減小了16.23%、斷裂強力僅下降0.23%，優化效果顯著。

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Optimization of process parameters of needling polyester waterproof membrane base by means of grey correlation

ShuFuhua

School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China

A method of optimizing process parameters of needling polyester waterproof membrance base by combining the orthogonal test with the grey correlation analysis was presented. By means of the orthogonal test, the data how the process parameters of the needling polyester waterproof membrane base, such as the needling density, the needling depth, the needling surface density and the gluing rate, affected the properties of molding waterproof membrane base materials, such as the tensile strength, the breaking elongation rate, the vertical permeability coefficient and the heat shrinkage rate, were obtained. And then the testing data were analyzed by the grey relational analysis method. First, the single process target optimization was done, and the maximum of the average grey correlation coefficient was optimal; second, integrated process target optimization was done, and the greatest gray correlation degree at average was best. The optimized process parameters were that the needling density was 500 stitch/cm2, the needling depth was 8 mm, the needling density of surface area was 300 g/m2and the gluing rate was 200%.

polyester, needling, waterproof membrane base, process parameter, gray correlation, optimization

2016-07-05

舒服華，男，1967年生，教授，主要從事輕工機械設計與研究工作

TS174.6

A

1004-7093(2017)03-0032-07