利用正交試驗設計探討紡織纖維微波烘干效率的影響因素

1 引言

目前，在紡織品成分分析中，檢測實驗室普遍采用熱風烘箱法，對紡織纖維進行烘干，雖然結果穩定、可靠，但是烘干過程時間長，效率低，不能滿足紡織品纖維成分的快速定量分析。而微波干燥技術具有環保高效的特點，因微波對水分子的作用效果顯著，能提高烘干效率，快速烘干纖維，縮短檢測周期，滿足快速檢測的需要。

采用微波干燥技術，需探討紡織纖維微波烘干效率的影響因素，從而實現紡織纖維的快速烘干。而正交試驗設計則是利用正交表科學地安排與分析多因素多水平試驗的方法，因此，本文利用正交設計，對紡織纖維微波烘干效率的影響因素進行研究。

本文將以羊毛纖維為試驗對象，以干燥時間、熱風溫度、微波功率三因素，以各自三個不同水平，利用正交試驗設計進行統計分析，并以粘纖纖維進行結果驗證試驗，探討影響烘干效率各因素的主次順序，并在此基礎上提出了試驗的最優方案。

2 試驗

2.1 方法與標準

參照GB/T 9995—1997、GB/T 2910—2009標準進行試驗。

2.2 試樣

分別選取標準GB 7568.1《紡織品 色牢度試驗 毛標準貼襯織物規格》、GB 7565《紡織品 色牢度試驗 棉和粘纖標準貼襯織物規格》中羊毛、粘纖纖維貼襯織物作為試樣。

2.3 儀器

微波熱風聯合烘干箱：型號為YN-2KW微波紅外調頻干燥箱；最高溫度108℃，電壓380V，微波頻率（2450±50）MHz，功率0～2kW，功率可調，時間可調，溫度可調。該設備在微波干燥過程中，可同時伴有熱風作用，由廣州越能工業微波設備有限公司制造。

2.4 條件

實驗室標準溫濕度，溫度：20℃～22℃，相對濕度：64%～67%。

2.5 試驗方案及試驗過程

（1）試驗對象

為了便于試驗烘干效果，選用吸水性較好的羊毛纖維標準貼襯共9份樣品用于烘干試驗，每份1g左右。試驗前樣品在傳統熱風干燥箱中充分烘干后，準確稱取試驗前樣品干重M0。之后樣品的含水率模擬日常檢測工作，選用三級水進行充分潤濕，分別在20℃水浴鍋中劇烈振蕩40min，后置于真空抽濾裝置抽濾，以備烘干試驗。

（2） 確定試驗結果評價指標

以試驗前、后兩次稱重質量的差異率△M為評價指標，ΔM的值越小越好。其中ΔM的計算公式如下：

式中：ΔM——質量差異率，%；M0——試驗前樣品干重，g；M1——微波烘干試驗后樣品質量，g；

（3）選用因素及水平

根據專業知識以及設備的實際條件，確定各因素的水平，為了避免人為因素導致的系統誤差，各因素水平按“隨機化”的方法分別填入表1的因素水平表中。

表1 三因素三水平表

（4）正交試驗設計方案

選用正交表L9（34），如表2所示。正交中各列上的數字1、2、3分別是該列因素在各個試驗中的水平數，對應著表1。因此，正交表中的每一行對應著一個試驗方案，即各因素的水平組合，如A1B1C1表示：時間8分鐘，溫度85℃，功率1.6kW。

（5）試樣按試驗方案條件烘干及稱重

以表2中各試驗方案所代表的條件，各試樣分別進行微波烘干試驗后，快速拿出置于干燥器中冷卻30min后進行稱重M1。

表2 正交試驗設計方案

3 試驗結果及分析

將試驗結果及分析匯總于表3中。

從表3可以看出，各因素的極差是不相等的，說明各因素的水平改變對試驗結果的影響是不相等的，極差越大，表示該因素的水平變化，會導致結果評價指標在數值上有更大的變化。所以，極差最大的那一個因素，就是因素的水平對試驗結果影響最大的因素，也就是最主要的因素。從表3可以看出RA＞RB＞RC，說明各因素從主到次的順序為：時間，溫度，功率。

由于各因素優水平的確定與試驗指標有關，而評價指標質量差異率△M越小越好，因此，應選擇每個因素的Ki中最小的值所對應的水平：即（A）時間因素：K3＜K2＜K1；（B）溫度因素：K2＜K3＜K1；（C）功率因素：K2＜K3＜K1。所以優方案為A3B2C2，即時間10分鐘、溫度95℃、功率2.0kW。由于均是各因素水平的最大值，說明在試驗條件范圍內，時間越長，溫度越高，功率越大，對微波烘干速率就越有利。

4 驗證試驗

為了驗證設備及試驗條件的再現性和可靠性，則應以優方案的試驗條件，即時間10分鐘、溫度95℃、功率2.0kW，以及表3中使得ΔM第二小的方案的試驗條件，即時間10分鐘、溫度90℃、功率2.0kW，分別進行試驗。若ΔM（A3B2C2）＜ΔM（A3B3C2），即可認為A3B2C2是真正的優方案。

這里采用吸水性較好的羊毛和粘纖分別做驗證試驗。每組樣品各5個，試驗前樣品同樣在傳統熱風干燥箱中充分烘干后，準確稱取試驗前樣品干重M0，之后樣品用三級水進行充分潤濕，并分別在20℃水浴鍋中劇烈振蕩40min，后置于真空抽濾裝置抽濾，分別以選定的試驗條件進行微波烘干試驗，結果見表4。

表3 試驗結果及分析

表4 驗證試驗結果

從表4可以看出，方案A3B2C2的試驗條件所得的質量差異率均小于方案A3B3C2，說明方案A3B2C2的試驗條件為優方案。

5 結論

（1）正交試驗表明，干燥時間、熱風溫度、微波功率均是影響紡織纖維微波烘干效率的三因素，各因素從主到次的順序為：干燥時間、熱風溫度、微波功率。

（2）在各因素水平的試驗條件范圍內，最優的微波熱風烘干試驗條件為：時間10分鐘，溫度95℃，功率2.0kW。

（3）試驗結果表明該微波熱風聯合烘干箱可作為傳統熱風烘箱的有效完善，用于實驗室紡織品成分分析的快速烘干。試驗單次烘干時間較傳統熱風烘箱法縮短至少1.5小時以上。

（4）后續可利用單純105℃的熱風條件，在優方案的基礎上將試樣烘干至恒重，即滿足GB/T 9995—1997中連續兩次稱重質量的差異率≤0.1%的要求。