響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)法對(duì)棉針織物濕蒸染色工藝的優(yōu)化

俞成丙　陶開(kāi)鑫　侯頎驁　吳聰杰

摘 要：采用中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，用響應(yīng)面分析法考察了雷馬素金黃RGB在棉針織物濕蒸染色時(shí)，元明粉和純堿質(zhì)量濃度、汽蒸時(shí)間對(duì)染色織物K/S值的影響，建立了二次多項(xiàng)式回歸方程的預(yù)測(cè)模型。通過(guò)模型的回歸分析、3個(gè)影響因子方差分析，響應(yīng)面圖和等高線圖的直觀分析，以及所設(shè)計(jì)染色工藝的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明響應(yīng)面模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)棉針織物濕蒸染色中各工藝條件對(duì)K/S值的影響，最佳染色工藝條件為：元明粉質(zhì)量濃度52.5 g/L、純堿質(zhì)量濃度53.8 g/L、飽和蒸汽下汽蒸152 s。

關(guān)鍵詞：響應(yīng)面分析;中心組合設(shè)計(jì);濕蒸染色;活性染料;優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TS194.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2019）04-0073-05

Optimization of Wet-Steam Dyeing Technology of Cotton Knitted Fabricby Response Surface Methodology and Central Composite Design

YU Chengbing， TAO Kaixin， HOU Qi’ao， WU Congjie

（School of Materials Science and Engineering， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract：Central composite design and response surface methodology were applied to investigate the influence of the mass concentration of sodium sulfate and soda ash， and steaming time on the K/S value of fabric dyed by wet-steam dyeing process with Ramzol golden yellow RGB. The prediction model of quadratic polynomial regression equation was established. The regression analysis of the model， the variance analysis of three influencing factors and the visual analysis of response surface map and the contour map as well as the experimental verification of the designed dyeing process proved that the response surface model could accurately predict the influence of the process conditions on the K/S value in the wet-steam dyeing process of knitted cotton fabric， and the optimal dyeing conditions were concluded as follows： the mass concentration of sodium sulfate 52.5 g/L， the mass concentration of soda ash 53.8 g/L and steam time 152 s under saturated water steam.

Key words：response surface methodology; central composite design; wet-steam dyeing; reactive dye; optimization

濕蒸染色是一種短流程工藝，將促染劑、堿劑、染料和染色助劑配制在混合液中，紡織物經(jīng)過(guò)浸軋后，直接用飽和蒸汽或過(guò)飽和蒸汽進(jìn)行汽蒸，實(shí)現(xiàn)快速固色，一般通過(guò)浸軋-汽蒸-水洗工藝，實(shí)現(xiàn)紡織物的連續(xù)染色，可大大縮短工藝流程，適用于活性染料上染棉針織物[1-2]。響應(yīng)面分析法是建立在科學(xué)合理試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，先通過(guò)試驗(yàn)中得到一系列數(shù)據(jù)，然后采用多元二次回歸方程，來(lái)擬合多個(gè)變量與一個(gè)或幾個(gè)響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)回歸方法進(jìn)行分析，來(lái)尋求最優(yōu)響應(yīng)值的工藝參數(shù)，它是解決多變量問(wèn)題時(shí)，常用的一種極其重要的統(tǒng)計(jì)方法，得到的結(jié)果比單因素和正交試驗(yàn)分析更為有效和全面，已在染色研究中有很多應(yīng)用[3-6]。本文采用活性染料對(duì)棉針織物進(jìn)行濕蒸工藝染色，通過(guò)對(duì)染色工藝條件和響應(yīng)值K/S值的回歸分析，建立染色模型，并對(duì)染色工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

織物：純棉14.58 tex雙面棉毛漂白半制品（平方米質(zhì)量180 g/m2，南通新西爾克針織服裝有限公司）;染料：雷馬素金黃RGB（德司達(dá)（上海）貿(mào)易有限公司）;試劑：無(wú)水純堿、無(wú)水硫酸鈉（化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

設(shè)備：I5臺(tái)式分光測(cè)色儀（美國(guó)X-Rite公司）;均勻小軋車(chē)（紹興縣威達(dá)機(jī)械有限公司）;熱風(fēng)定形小樣機(jī)（紹興縣威達(dá)機(jī)械有限公司）;微型萬(wàn)能汽蒸機(jī)（瑞士Mathis）。

1.2 工藝流程

浸軋染料、元明粉和堿液的混合液（染料15 g/L，硫酸鈉x g/L，純堿y g/L，二浸二軋，帶液率60%）→汽蒸（100～102 ℃，飽和蒸汽，一定時(shí)間）→冷水洗→熱水洗→皂洗（標(biāo)準(zhǔn)皂片3 g/L，浴比為1∶50，90 ℃處理15 min）→熱水洗→冷水洗→烘干。

1.3 K/S值測(cè)試

染色后織物的K/S值在I5臺(tái)式分光測(cè)色儀上進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試前按操作規(guī)程先用白磚、黑鏡和待染漂白的棉針織物進(jìn)行校驗(yàn)，然后測(cè)試染色試樣。在測(cè)試前，每塊被測(cè)染色棉針織物折疊成8層，兼顧上下左右中不同位置，隨機(jī)選取試樣上8個(gè)不同部位進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)的平均值即為所測(cè)試染色試樣的K/S值。

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用中心組合設(shè)計(jì)法，棉針織物在浸軋混合液后，在飽和蒸汽下汽蒸固色，以元明粉質(zhì)量濃度、純堿質(zhì)量濃度、汽蒸時(shí)間作為自變量，以染色后棉針織物的K/S值作為響應(yīng)值，中心組合設(shè)計(jì)各因素及各因素的5個(gè)水平詳見(jiàn)表1，中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和相應(yīng)染色試樣的K/S值見(jiàn)表2，依據(jù)表2的方案進(jìn)行23次試驗(yàn)。利用SAS V9.4軟件中的RSREG（二次響應(yīng)面回歸模型）程序，輸入各組實(shí)驗(yàn)的各個(gè)因素水平和相應(yīng)染色試樣的K/S值，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，并對(duì)影響因子進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面優(yōu)化濕蒸染色工藝

雷馬素金黃RGB染料屬二氟一氯嘧啶基活性染料，具有中等反應(yīng)活性，較高的固色率，對(duì)棉針織物濕蒸工藝的適應(yīng)性較好，因而本研究選用雷馬素金黃RGB進(jìn)行濕蒸染色試驗(yàn)。

織物的K/S值是一個(gè)很重要的特性，它可以直接反映染色織物顏色的深淺，從而反映在某一染色條件下染料在織物上的固色程度。通常情況下，K/S數(shù)值越大，表示染色織物的顏色越深，可間接說(shuō)明染料固著率較高。按照中心組合設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行染色，染色后各個(gè)棉針織物試樣在波長(zhǎng)430 nm處測(cè)得的K/S值結(jié)果見(jiàn)表2。利用SAS V9.4軟件中RSREG程序，先輸入各組染色條件下各因素水平和該染色工藝下所染織物K/S值，然后進(jìn)行響應(yīng)面分析，經(jīng)二次回歸擬合后，得到的響應(yīng)面回歸模型方程如下：

K/S=-91.13+1.643A+1.343B+0.433C-0.0113A2-0.0113B2-0.00123C2-0.0035AB-0.00153AC+0.00020BC

采用二次模型進(jìn)行方差分析的結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可以看出，響應(yīng)面模型的P<0.01，表明該模型達(dá)到極顯著水平;失擬項(xiàng)不顯著（P=0.21），表明該模型選擇合適。此外，模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）為99.90%，調(diào)整的復(fù)相關(guān)系數(shù)（adj.R2）為99.83%，表明該回歸方程可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同染色條件下，雷馬素金黃RGB在濕蒸染色工藝條件對(duì)染色棉針織物K/S值的影響。

不同因素對(duì)染色織物K/S值影響程度的方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，純堿質(zhì)量濃度和汽蒸時(shí)間對(duì)染色棉針織物的K/S值為高度顯著，元明粉質(zhì)量濃度對(duì)K/S值為不顯著（P=0.073），說(shuō)明在用雷馬素金黃RGB濕蒸染色過(guò)程中，純堿質(zhì)量濃度和汽蒸時(shí)間對(duì)K/S值有極大地影響，染色時(shí)必須優(yōu)化并嚴(yán)格控制。同時(shí)，根據(jù)影響因子的方差分析結(jié)果，3種影響因子F值的大小（C>B>A），得到在棉針織物濕蒸染色時(shí)，影響染色織物K/S值的3因素的影響程度依次為：汽蒸時(shí)間>純堿質(zhì)量濃度>元明粉質(zhì)量濃度。

在用活性染料對(duì)棉針織物的濕蒸染色中，織物在浸軋混合液后，通過(guò)汽蒸，活性染料才能與棉纖維發(fā)生反應(yīng)完成固色。為克服活性染料分子中水溶性的陰離子基團(tuán)與棉纖維表面負(fù)電荷產(chǎn)生的電荷斥力，染色必須加入大量無(wú)機(jī)鹽抑制棉纖維表面負(fù)電荷聚集，促進(jìn)活性染料對(duì)纖維的吸附。然而在濕蒸染色中，棉針織物浸入染液時(shí)間很短，主要是通過(guò)浸軋過(guò)程中的機(jī)械作用強(qiáng)制將染液壓入織物內(nèi)部，因而此時(shí)元明粉的促染作用不再象其他染色方法一樣，其作用比較重要。但在濕蒸染色時(shí)，染液中仍需要加入一定用量的鹽，棉針織物浸入染液和浸軋過(guò)程很短暫，染料與纖維間也發(fā)生了吸附作用，染料與纖維作用力的強(qiáng)弱，將會(huì)影響浸軋過(guò)程中染料在纖維上的留著量，進(jìn)而對(duì)染色織物K/S值產(chǎn)生影響。固色是在常壓飽和蒸汽下進(jìn)行，一定帶液率的棉針織物，其升溫和染料固著過(guò)程中均需要一定的時(shí)間，汽蒸時(shí)間不足會(huì)造成活性染料固色不充分，從而影響固色率，但汽蒸時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)造成少量已鍵合的活性染料從棉纖維上水解下來(lái)，因而汽蒸時(shí)間對(duì)染色織物K/S值產(chǎn)生影響;同時(shí)，純堿質(zhì)量濃度也會(huì)影響染色織物K/S值，影響活性染料與棉纖維的固色速率，純堿質(zhì)量濃度太小，堿性較弱，汽蒸過(guò)程中固色速度變慢，造成活性染料在規(guī)定的汽蒸時(shí)間內(nèi)固色不充分，但純堿質(zhì)量濃度也不能太大，否則在汽蒸過(guò)程中，會(huì)加速活性染料的水解，從而使得染料固色率變小，導(dǎo)致染色織物K/S值變小。

由響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)結(jié)果獲得，棉針織物在用活性染料染色時(shí)，最佳工藝條件理論值分別為：元明粉質(zhì)量濃度52.5 g/L、純堿質(zhì)量濃度53.8 g/L、飽和蒸汽下汽蒸時(shí)間為152 s，此時(shí)回歸方程的K/S值的預(yù)測(cè)值為20.47。

2.2 染色工藝的等高線圖和響應(yīng)面圖分析

在活性染料對(duì)棉針織物的濕蒸染色過(guò)程中，元明粉作為染色促進(jìn)劑使用，純堿主要作為固色劑使用。元明粉盡管不是濕蒸染色過(guò)程中顯著的影響因素，但它會(huì)直接影響到棉針織物浸軋后染料的留著量。由圖1（a）中的等高線圖可以看出，當(dāng)元明粉質(zhì)量濃度為47～58 g/L，且純堿質(zhì)量濃度為47～57.5 g/L時(shí)，染色織物能夠得到較好的K/S值，同時(shí)當(dāng)元明粉質(zhì)量濃度為52.5 g/L時(shí)，等高線密度最大，表示在該元明粉質(zhì)量濃度下活性染料上染棉針織物，隨著純堿質(zhì)量濃度的增加，染色織物K/S值上升的最快。等高線的形狀為橢圓形，表示元明粉質(zhì)量濃度與純堿質(zhì)量濃度對(duì)染色織物K/S值的影響值有較強(qiáng)的交互性。從圖1（b）響應(yīng)面圖可以看出，元明粉質(zhì)量濃度和純堿質(zhì)量濃度均對(duì)染色織物K/S值產(chǎn)生影響，隨著質(zhì)量濃度的增加，K/S值逐漸變大，在達(dá)到極大值后，繼續(xù)增加元明粉質(zhì)量濃度或純堿質(zhì)量濃度，K/S值反而變小。

由圖2響應(yīng)面圖可以看出，元明粉質(zhì)量濃度和汽蒸時(shí)間均對(duì)染色織物K/S值會(huì)產(chǎn)生影響，隨著元明粉質(zhì)量濃度的增加，汽蒸時(shí)間的延長(zhǎng)，K/S值均會(huì)逐漸變大，但在達(dá)到極大值后，繼續(xù)增加元明粉質(zhì)量濃度，或延長(zhǎng)汽蒸時(shí)間，K/S值反而會(huì)逐漸變小。從等高線圖中可以看出，當(dāng)元明粉質(zhì)量濃度為45～56 g/L，且汽蒸時(shí)間為128～161s時(shí)，染色織物能夠得到較好的K/S值，同時(shí)當(dāng)元明粉質(zhì)量濃度為52.5 g/L時(shí)，等高線密度最大，表示在該元明粉質(zhì)量濃度下，隨著汽蒸時(shí)間的增加，染色織物K/S值上升最快。等高線的形狀為橢圓形，表示元明粉質(zhì)量濃度與汽蒸時(shí)間對(duì)染色織物K/S值的影響值也具有較強(qiáng)的交互性。

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

為了證明響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)雷馬素金黃RGB在濕蒸染色工藝中的正確性，考慮到實(shí)際操作性，確定此時(shí)最佳工藝為：元明粉質(zhì)量濃度52.5 g/L、純堿質(zhì)量濃度53.8 g/L、飽和蒸汽下汽蒸時(shí)間為152 s。為了驗(yàn)證響應(yīng)面法的可行性，設(shè)計(jì)了6組濕蒸工藝條件（包括響應(yīng)面模型分析中所得最佳條件），在每個(gè)條件下均重復(fù)試驗(yàn)5次，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5中可以看出，所有實(shí)際染色測(cè)得的K/S值均非常接近于模型預(yù)測(cè)的K/S值，最大誤差為1.09%，充分驗(yàn)證了模型的有效性，證明響應(yīng)面模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)棉針織物，用活性染料濕蒸染色中各工藝條件對(duì)K/S值的影響，也適用于對(duì)棉針織物濕蒸染色工藝的優(yōu)化。

3 結(jié) 論

利用響應(yīng)面中心組合設(shè)計(jì)法考察了用雷馬素金黃RGB染料，在棉針織物濕蒸染色工藝中元明粉和純堿質(zhì)量濃度、飽和蒸汽下汽蒸時(shí)間對(duì)染色織物K/S值的影響。通過(guò)采用中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和響應(yīng)面分析，得到活性染料濕蒸染色棉針織物工藝的二次多項(xiàng)回歸模型，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=99.90%，模型擬合程度好，通過(guò)對(duì)所染織物K/S值回歸方程的方差分析、3個(gè)影響因子的方差分析、響應(yīng)面圖和等高線圖的直觀分析，以及染色試驗(yàn)驗(yàn)證，證明所建立的響應(yīng)面模型能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)染色棉針織物的K/S值。同時(shí)，得到各工藝條件對(duì) K/S值影響程度為：汽蒸時(shí)間>純堿質(zhì)量濃度>元明粉質(zhì)量濃度，最佳的濕蒸染色工藝條件為：元明粉質(zhì)量濃度52.5 g/L、純堿質(zhì)量濃度53.8 g/L、飽和蒸汽下汽蒸152 s。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李連穎，臧少玉，毛志平，等.平絨織物濕蒸短流程軋染工藝條件的優(yōu)化[J].印染助劑，2010，27（6）：45-48.

[2] 李連穎，王天靖，陳志華，等.ECO活性染料濕蒸短流程和軋烘軋蒸染色工藝[J].印染助劑，2010，27（2）：39-42.

[3] BARANI H， BROUNMAND M N， HAJI A， et al. Optimization of dyeing wool fibers procedure with isatis tinctoria by response surface methodology[J]. Journal of Natural Fibers， 2012，9（2）：73-86.

[4] DADRAS F S， GHARANJIG K， RAISSI S. Optimising by response surface methodology the dyeing of polyester with a liposome-encapsulated disperse dye[J]. Coloration Technology， 2014，130（2）：86-92.

[5] NATHANY A， MEHRA N， PPTWARDHAN AV， et al. Optimisation of concentration of ingredients for simultaneous dyeing and finishing using response surface methodology[J]. Journal of The Textile Institute， 2014，105（11）：1146-1159.

[6] IMRAN M A， AWAIS H T. Modelling the properties of one-step pigment-dyed and finished polyester/cotton fabrics using response surface methodology[J]. Coloration Technology， 2016，132（5）：414-420.