應(yīng)用響應(yīng)曲面法的夜光機(jī)繡織物余輝亮度模型的建立

李 婧， 余 媛， 朱亞楠， 葛明橋

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

應(yīng)用響應(yīng)曲面法的夜光機(jī)繡織物余輝亮度模型的建立

李 婧， 余 媛， 朱亞楠， 葛明橋

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

為進(jìn)一步擴(kuò)展夜光繡線的應(yīng)用范圍及提高夜光機(jī)繡織物的發(fā)光亮度，結(jié)合威爾克姆9.0繡花制版軟件和富儀電腦繡花機(jī)制備出一種在夜間可發(fā)出長(zhǎng)余輝效果的機(jī)繡織物。利用Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分析工藝參數(shù)中針跡間距、針跡速度及外界激發(fā)時(shí)間對(duì)織物余輝亮度的影響規(guī)律，以這3項(xiàng)影響因素為因子進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到織物余輝亮度的響應(yīng)曲面模型。結(jié)果表明：相比于針跡間距和針跡時(shí)間，激發(fā)時(shí)間對(duì)夜光機(jī)繡織物的影響更為顯著；優(yōu)化后的最佳工藝條件為激發(fā)時(shí)間20 min，針跡長(zhǎng)度4.5 mm，針跡間距0.4 mm，適宜條件優(yōu)化下的織物余輝亮度為1.621 5 cd/m2。

機(jī)繡織物； 夜光繡線； 余輝亮度； 響應(yīng)曲面法

夜光誘線是用稀土發(fā)光纖維加捻制備而成，產(chǎn)品不僅具有傳統(tǒng)紗線和織物的使用功能，而且還具有夜間發(fā)光的特殊效果。這種效果主要來(lái)源于紡絲過(guò)程中摻雜的稀土發(fā)光材料。稀土發(fā)光材料在吸收光照5～10 min后便可在黑暗中發(fā)出長(zhǎng)達(dá)10 h的光[1-3]，將該材料添加到紡絲基材中進(jìn)行熔融紡絲可得到稀土夜光纖維，然后對(duì)夜光纖維進(jìn)行加捻制得稀土夜光繡線。稀土夜光繡線的發(fā)射波長(zhǎng)位于520～540 nm，屬于黃綠色光區(qū)，可用于制備機(jī)織、針織、玩具、刺繡及其他服裝或家紡制品。但是，由于參數(shù)配置不合理，用該夜光繡線制備的機(jī)繡織物具有發(fā)光顏色單一、余輝亮度較低的缺點(diǎn)。

影響機(jī)繡織物發(fā)光亮度的因素較多，如繡線顏色、制版針跡密度、針跡長(zhǎng)度、針跡手法、針跡速度以及外界激發(fā)時(shí)間等，目前對(duì)夜光刺繡織物的研究主要集中在繡線的選擇上。葛明橋等[4]將夜光繡線應(yīng)用到傳統(tǒng)的家紡設(shè)計(jì)中，研發(fā)出了具有長(zhǎng)余輝夜光效果的手工刺繡織物，探討了夜光繡線顏色對(duì)織物發(fā)光性能的影響。但是，傳統(tǒng)的手工刺繡工藝耗時(shí)長(zhǎng)，隨機(jī)干擾因素較大，無(wú)法快速找到最優(yōu)工藝參數(shù)配置，致使制備的夜光織物發(fā)光亮度低且余輝時(shí)間相對(duì)較短。為解決此問(wèn)題，本文采用電腦繡花制版技術(shù)，提前對(duì)織物的針跡間距、針跡手法、顏色配置等進(jìn)行設(shè)計(jì)。以針跡間距、針跡速度及外界激發(fā)時(shí)間這3個(gè)影響因素為設(shè)計(jì)因子，采用Box-Behnken 試驗(yàn)進(jìn)行三因子三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[5-7]，利用余輝亮度測(cè)試儀對(duì)機(jī)繡織物的余輝亮度進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1Box-Behnken試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

Box-Behnken Design (BBD)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的建模方法，可直觀地研究因子與響應(yīng)因子之間的關(guān)系[8-9]。根據(jù)電腦繡花制版軟件的設(shè)置和實(shí)驗(yàn)需求，確定了三因子的試驗(yàn)范圍，包括對(duì)針跡間距、針跡速度及外界激發(fā)時(shí)間進(jìn)行編碼。其中，低參量代碼設(shè)為-1，中參量代碼設(shè)為0，高參量代碼設(shè)為1，各代碼對(duì)應(yīng)的因素取值如表1所示。

表1 Box-Behnken Design因子取值與編碼對(duì)照表Tab.1 Test factor value for Box-Behnken design and level code

1.2樣品測(cè)試及結(jié)果

選用長(zhǎng)余輝白色夜光繡線為原料，紗線規(guī)格為16.67 tex/36 f(由常熟江輝纖維制品科技有限公司提供)。在威爾克姆9.0繡花制版軟件里統(tǒng)一采用他他米針?lè)ㄖ瞥? cm×4 cm的樣板，并通過(guò)電腦繡花機(jī)實(shí)現(xiàn)樣品試制?？椢锏挠噍x亮度在浙江大學(xué)三色PR-305型長(zhǎng)余輝亮度測(cè)試儀上完成測(cè)試，照度設(shè)置為1 000 lx，光照時(shí)間為15 min，且光照結(jié)束10 s開(kāi)始測(cè)量，測(cè)試時(shí)間間隔為1 s，每個(gè)樣品進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值作為樣品的余輝亮度值。試驗(yàn)按照表2所示參數(shù)進(jìn)行樣品試制。其中，a、b分別是指針跡點(diǎn)向前和返回的偏移系數(shù)。采用MiniTab軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出織物余輝亮度影響因素的測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表2 夜光機(jī)繡織物制版工藝參數(shù)配置Tab.2 Configuration of plate-making process parameters for fabric

表3 織物余輝亮度影響因素測(cè)試結(jié)果Tab.3 Experimental results for influence factors of afterglow brightness

2 結(jié)果與分析

2.1統(tǒng)計(jì)分析

為分析織物余輝亮度的3個(gè)影響因素，建立了二次多項(xiàng)式回歸模型，該模型的表達(dá)方程式為

B=α0+αdd+αll+αtt+αddd2+αlll2+

αttt2+αdldl+αdtdt+αltlt+ε

(1)

式中：B為余輝亮度；d、l、t分別為針跡間距、針跡長(zhǎng)度和針跡時(shí)間；α0為常數(shù)項(xiàng)，αd、αl、αt為織物余輝亮度影響因素的一次項(xiàng)系數(shù)，αdd、αll、αtt為影響因素的二次項(xiàng)系數(shù)，αdl、αdt、αlt為影響因素的交互項(xiàng)系數(shù)；ε為誤差(包括試驗(yàn)誤差和擬合誤差)。織物各因素的估計(jì)系數(shù)及模型方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 余輝亮度影響因素的估計(jì)系數(shù)及模型方差分析結(jié)果Tab.4 Estimated coefficient of influence factors and results of variance analysis on model

將各系數(shù)值代入式(1)，得到回歸模型表達(dá)式：

B=-1.213 0-0.121 9d+0.273 9l+0.229 4t-

0.661 5d2-0.029 7l2-0.005 8t2+0.117 9dl+

0.009 4dt-0.002 4lt

(2)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)推斷方法可知，P值代表實(shí)際數(shù)據(jù)與原假設(shè)之間不一致的概率[10]。其中：正系數(shù)表示指標(biāo)數(shù)值隨變量增大而增大，負(fù)系數(shù)表示指標(biāo)數(shù)值隨變量增大而減少；P值大于0.10，表明該對(duì)應(yīng)項(xiàng)不顯著；P值小于0.10，表明該對(duì)應(yīng)項(xiàng)顯著；P值小于0．01，表明該對(duì)應(yīng)項(xiàng)高度顯著。

從表4可看出：一次項(xiàng)t高度顯著，一次項(xiàng)l顯著；二次項(xiàng)t2高度顯著，二次項(xiàng)l2顯著；交互項(xiàng)均不顯著。多元回歸項(xiàng)系數(shù)R2為98.26%，調(diào)整后的R2(adj)為95.12%，表明該統(tǒng)計(jì)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好，僅有3.14%的誤差，可作為織物余輝亮度測(cè)試的理論預(yù)測(cè)。通過(guò)去除統(tǒng)計(jì)模型中的不顯著因素，可得到織物余輝亮度B′隨各影響因素變化的二次回歸方程模型

(3)

2.2工藝參數(shù)對(duì)織物余輝亮度的影響

由表3、4可知，工藝參數(shù)中激發(fā)時(shí)間和針跡長(zhǎng)度對(duì)織物的余輝亮度顯著影響，而針跡間距對(duì)其余輝亮度影響不顯著，可能是樣品選擇的針跡間距范圍變化過(guò)窄。圖1示出各因素對(duì)機(jī)繡織物余輝亮度影響的響應(yīng)曲面?？煽闯?，針跡間距、針跡速度及外界激發(fā)時(shí)間對(duì)機(jī)繡織物余輝亮度的影響均為非線性，響應(yīng)曲面出現(xiàn)彎曲。

圖1 各因素對(duì)機(jī)繡織物余輝亮度影響的響應(yīng)曲面Fig.1 Response curved surfaces of influence of various factors on fabric afterglow brightness.(a) Influence of stitch length and excitation time;(b)Influence of stitch spacing and excitation time; (c)Influence of stitch length and stitch spacing

圖1(a)曲面隨著針跡長(zhǎng)度l和激發(fā)時(shí)間t的增大，余輝亮度B逐漸變大，說(shuō)明激發(fā)時(shí)間和針跡長(zhǎng)度對(duì)織物余輝亮度影響顯著；圖1(b)影響同樣顯著，當(dāng)針跡間距d一定時(shí)，隨著激發(fā)時(shí)間的增大，余輝亮度明顯變大，而當(dāng)激發(fā)時(shí)間固定不變，隨著針跡間距d的變大，余輝亮度反而逐漸減弱；圖1(c)的曲面凹陷，當(dāng)針跡長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著針跡間距d的增大，余輝亮度緩慢減弱。當(dāng)針跡間距d一定時(shí)，隨著針跡長(zhǎng)度l的增大，余輝亮度B緩慢變大，且增加的范圍明顯低于圖1(a)、(b)中激發(fā)時(shí)間對(duì)亮度的影響，符合所建模型描述。通過(guò)以上分析可進(jìn)一步確定，激發(fā)時(shí)間是影響機(jī)繡織物余輝亮度較顯著的因素，其次分別是針跡長(zhǎng)度和針跡間距。通過(guò)響應(yīng)曲面的優(yōu)化，織物余輝亮度的最佳工藝參數(shù)為：激發(fā)時(shí)間20 min，針跡長(zhǎng)度4.5 mm，針跡間距0.4 mm。

3 結(jié) 論

1)借助響應(yīng)曲面法中的Box-Behnken方法對(duì)影響機(jī)繡織物余輝亮度的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出各因素對(duì)其余輝亮度的顯著性順序?yàn)椋杭ぐl(fā)時(shí)間>針跡長(zhǎng)度>針跡間距。余輝亮度隨著激發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著變大，同樣隨著針跡長(zhǎng)度的增加而增加，但針跡間距對(duì)響應(yīng)值的影響不明顯，因此，在織物生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)先確定激發(fā)時(shí)間和針跡長(zhǎng)度2個(gè)參數(shù)，再調(diào)整針跡間距，以便制備余輝亮度較高的機(jī)繡織物。

2)當(dāng)激發(fā)時(shí)間為20 min，針跡長(zhǎng)度為4.5 mm，針跡間距為0.4 mm時(shí)，機(jī)繡織物的余輝亮度最佳，可在黑暗條件下獲得明顯的長(zhǎng)余輝夜光效果。

FZXB

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Establishmentofafterglowbrightnessmodelforluminouscomputer-embroideryfabricbyresponsesurfacemethodology

LI Jing， YU Yuan, ZHU Ya′nan, GE Mingqiao

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi，Jiangsu214122，China)

In order to further expand the application scope of luminous embroidery thread and improve the luminous intensity of luminous computer-embroidery fabric, a computer-embroidery fabric which can emit the light with a long afterglow effect during the night was prepared by using Wilcom 9.0 software and FuYi computer embroidery machine. The influences of three kind of process parameters of stitch spacing, stitch speed and excitation time on afterglow brightness of fabric were investigated by using the Box-Behnken method,and a response surface model of afterglow brightness was obtained by designing the orthogonal test with the above three factors. The results indicate that compared with stitch spacing and stitch speed, the excitation time has a remarkable influence on afterglow brightness of fabric. The optimum technological conditions are: excitation time of 20 min, stitch length of 4.5 mm and stitch spacing of 0.4 mm, and the afterglow brightness under the suitable conditions is 1.621 5 cd/m2.

computer-embroidery fabric; luminous embroidery thread; afterglow brightness; response surface methodology

TS 151

：A

2016-11-22

：2017-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51503082)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(JUSRP51505)

李婧(1987—)，女，博士生。主要研究方向?yàn)橄⊥涟l(fā)光材料及纖維制品。葛明橋，通信作者，E-mail: ge_mingqiao@126.com。

10.13475/j.fzxb.20161105404