李 金，荊妙蕾

（天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300160）

利用Matlab遺傳算法優(yōu)化磁性纖維多元混紡紗的混紡比

李 金，荊妙蕾

（天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300160）

采用磁性纖維和竹、棉纖維進(jìn)行多元混紡，分析不同混紡比條件下混紡紗的性能，并采用1stopt軟件得出混紡紗性能指標(biāo)與各纖維含量的關(guān)系式，然后應(yīng)用Matlab遺傳算法工具箱對(duì)磁性纖維多元混紡紗的混紡比進(jìn)行優(yōu)化.結(jié)果表明：當(dāng)權(quán)重系數(shù)為[0.25、0.2、0.3、0.25]時(shí)，得到最優(yōu)混紡比為磁性纖維、竹、棉纖維各占67%、23%和10%.

磁性纖維；Matlab；遺傳算法；混紡紗

磁性纖維是一種新型功能纖維材料，在紡紗及織物設(shè)計(jì)過(guò)程中加入磁性纖維或紗線(xiàn)，形成磁共振網(wǎng)，可以促進(jìn)人體血液循環(huán)，增強(qiáng)人體免疫力，利用人體產(chǎn)生的熱量產(chǎn)生保暖性，具有養(yǎng)生保健的作用.目前國(guó)內(nèi)對(duì)磁性纖維的研制開(kāi)發(fā)文獻(xiàn)較多，主要針對(duì)纖維的保健性能進(jìn)行新纖維開(kāi)發(fā)，而對(duì)磁性纖維混紡紗線(xiàn)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，對(duì)纖維形成織物的方法、織物的性能分析介紹較少.在紗線(xiàn)混紡比研究方面，當(dāng)前對(duì)兩種纖維混紡的紗線(xiàn)混紡比研究已較成熟，然而對(duì)3種以上纖維的混紡比的優(yōu)化研究尚存在空缺.利用Matlab的遺傳算法工具箱可以很好地解決這一問(wèn)題，在體現(xiàn)不同材料功能性的同時(shí)確定出一個(gè)較為合理的混紡比.本課題所研究的磁性纖維是在丙綸中加入高濃度的磁粉紡制而成的，在此技術(shù)條件下利用磁性纖維與棉纖維、竹漿纖維混紡，可以發(fā)揮各自獨(dú)特的作用，減少紡紗過(guò)程中的靜電現(xiàn)象，從而改善織物的舒適性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)格與性能、功能互補(bǔ)，開(kāi)發(fā)出功能性新產(chǎn)品.

1 混紡比及工藝設(shè)計(jì)

磁性纖維表面較光滑，有細(xì)微的縱向條紋，橫截面呈較為規(guī)則的圓形；隨著磁含量的增加，纖維表面會(huì)略有粗糙[1].對(duì)磁性纖維性能進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，隨著磁含量的增加，纖維的斷裂強(qiáng)度及伸長(zhǎng)都有所下降；當(dāng)磁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，拉伸性能與滌綸相似；回潮率與磁含量關(guān)聯(lián)不大，保持在2%左右.由此看來(lái)，磁性纖維與棉型纖維混紡的可紡性較好.其常見(jiàn)物理性能對(duì)比如表1所示.

表1 幾種纖維性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of several fibers

由于不同磁含量的磁性纖維各項(xiàng)力學(xué)性能皆有不同，因此本課題采用磁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的丙綸磁性纖維，切斷長(zhǎng)度為40 mm，纖維細(xì)度為2.5 dtex；竹漿纖維切段長(zhǎng)度為35 mm，細(xì)度為1.5 dtex；細(xì)絨棉纖維主體長(zhǎng)度為29 mm，細(xì)度為1.7 dtex.為了進(jìn)一步研究磁性纖維混紡紗線(xiàn)的性能，同時(shí)確保磁性纖維在織物中的功能，其纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)需在50%以上.本課題設(shè)計(jì)了11種不同混比的混紡紗線(xiàn)，采用相同的紡紗工藝，以便能夠準(zhǔn)確地對(duì)比分析不同混比紗線(xiàn)的各項(xiàng)性能，得出測(cè)試數(shù)據(jù)，從而為后道加工工藝提供理論依據(jù).紗線(xiàn)混紡比設(shè)計(jì)如表2所示.

表2 紗線(xiàn)混紡比Tab.2 Blended ratio of yarns

磁性纖維多元混紡紗線(xiàn)可應(yīng)用于棉型機(jī)織物面料和裝飾織物面料，設(shè)計(jì)紗線(xiàn)線(xiàn)密度為19.6 tex，捻度為203捻/（10 cm）.紡紗工藝流程為：原料選配→DSCa－01型小型數(shù)字式梳棉試驗(yàn)機(jī)→DSDr－01型小型數(shù)字式并條試驗(yàn)機(jī)→DSRo－01型小型數(shù)字式粗紗試驗(yàn)機(jī)→DSSp－01型小型數(shù)字式細(xì)紗試驗(yàn)機(jī).

2 多元混紡紗線(xiàn)性能分析

為了優(yōu)化紗線(xiàn)混紡比，對(duì)11種混紡紗進(jìn)行性能測(cè)試，并利用1stopt軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以得到適用于后期優(yōu)化處理用的關(guān)系式.式中：z1、z2、z3、z4分別表示紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)力（cN）、斷裂伸長(zhǎng)（%）、紗線(xiàn)毛羽（2～4 mm）、紗線(xiàn)條干不勻率（%）；x表示磁性纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；y表示竹纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；u表示棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）.

2.1 拉伸性能測(cè)試

采用山東萊州電子儀器公司生產(chǎn)的YG061F電子單紗強(qiáng)力儀測(cè)試紗線(xiàn)的拉伸性能，夾持距離為50 cm，預(yù)加張力為5 cN，定速為500 mm/min，溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%±5%.對(duì)每個(gè)比例的紗線(xiàn)進(jìn)行10次強(qiáng)拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表3所示.

2.1.1 斷裂強(qiáng)力

由表3可知，雖然磁性纖維強(qiáng)度較高，但由于磁性纖維表面較竹、棉光滑，加之其較粗較剛硬，在紗線(xiàn)中抱合力相對(duì)較差，因此當(dāng)磁性纖維含量增加時(shí)，纖維間滑脫情況增加，因而混紡紗強(qiáng)力有所降低[2]；而當(dāng)磁性纖維含量不變且棉、竹纖維含量分別較高或者二者含量相近時(shí)，3種纖維之間抱合較為緊密，使得混紡紗斷裂強(qiáng)力呈“w”型變化趨勢(shì).利用1stopt軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得擬合關(guān)系式為：

2.1.2 斷裂伸長(zhǎng)

由表3可以看出，當(dāng)磁性纖維含量保持不變時(shí)，由于竹纖維的斷裂伸長(zhǎng)大于棉，因此混紡紗線(xiàn)斷裂伸長(zhǎng)的總體變化趨勢(shì)是隨著竹纖維的減少而降低，當(dāng)竹纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%左右時(shí)有所上升，之后再下降.而由于磁性纖維的斷裂伸長(zhǎng)要大于竹、棉纖維，因此當(dāng)磁性纖維含量增加時(shí)，混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)也隨之增大.擬合關(guān)系式為：

2.2 紗線(xiàn)毛羽含量測(cè)試

采用長(zhǎng)嶺紡電的YG172型紗線(xiàn)毛羽測(cè)試儀對(duì)混紡紗的毛羽含量進(jìn)行測(cè)試，片段長(zhǎng)度取5 m，每管測(cè)試5次，測(cè)試速度為30 m/min，溫度為20℃，相對(duì)濕度為60%±5%.測(cè)試結(jié)果如表4所示.

表4 紗線(xiàn)毛羽數(shù)量測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of yarns′hairiness number

毛羽大多是在紡紗過(guò)程中形成的，竹、棉纖維較磁性纖維輕，在紡紗過(guò)程中受到的摩擦、離心力和空氣阻力更明顯，使得與紗體聯(lián)系不夠緊密的纖維段被拉扯出紗表面從而形成毛羽，因此毛羽含量隨著磁性纖維的增加而減少；在加捻過(guò)程中，當(dāng)不同毛羽形態(tài)的竹、棉纖維含量接近時(shí)，毛羽更易糾纏使捻繞更緊密，此時(shí)實(shí)際捻度較大，使得纖維的尾端更易翹起或分離從而形成端毛羽，因此磁性纖維含量不變時(shí)，毛羽含量增多[2].由于較小的短毛羽（<1 mm）及含量較少的長(zhǎng)毛羽（>5 mm）對(duì)紗線(xiàn)性能影響較小，可以忽略，根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)：

2.3 紗線(xiàn)細(xì)度不勻測(cè)試

采用ME100型USTER條干儀對(duì)混紡紗的細(xì)度不勻進(jìn)行測(cè)試.當(dāng)紗條以一定速度連續(xù)通過(guò)平板式空氣電容器的極板時(shí)，紗條線(xiàn)密度的變化引起電容量的相應(yīng)變化，經(jīng)過(guò)一系列的電路轉(zhuǎn)化和運(yùn)算處理，將最終信息分別輸入積分儀、波譜儀、記錄儀和疵點(diǎn)儀，就可以得到紗條的不勻率數(shù)值、不勻率曲線(xiàn)、波長(zhǎng)波譜圖及粗節(jié)、細(xì)節(jié)、棉結(jié)等測(cè)試結(jié)果.測(cè)試速度為200 m/ min，測(cè)試時(shí)間1 min，溫度21℃，相對(duì)濕度60%.測(cè)試結(jié)果如表5所示.

表5 紗線(xiàn)細(xì)度變異系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of yarns′evenness

除去由工藝機(jī)器原因造成的加工不勻和由環(huán)境因素造成的偶發(fā)不勻，引起紗線(xiàn)不勻的主要原因是隨機(jī)不勻，即纖維本身的形狀和性能，而此中最重要的原因是纖維的細(xì)度，以及各組分纖維的混合搭配.從表5中可以看出，當(dāng)竹、棉兩種纖維含量相近時(shí)細(xì)節(jié)明顯減少，而粗節(jié)和棉結(jié)的數(shù)量則隨著棉纖維含量的增加而增加.CV值方面，理論上纖維細(xì)度越細(xì)、長(zhǎng)度越長(zhǎng)，紗線(xiàn)不勻率越小[3]，而對(duì)于混紡紗，各組分纖維的含量越接近時(shí)不勻率越小.取CV值作為衡量紗線(xiàn)條干均勻度的指標(biāo).根據(jù)上述數(shù)據(jù)得擬合函數(shù)：

3 最優(yōu)混紡比確定

得到一個(gè)最優(yōu)的混紡比，使之能最大限度地滿(mǎn)足各項(xiàng)后續(xù)工藝的要求，是本文的研究重點(diǎn)，而利用Matlab的遺傳算法工具箱可以較為方便地進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[4].遺傳算法是一種基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的優(yōu)化搜索方法，它借助生物進(jìn)化的規(guī)律，通過(guò)優(yōu)勝劣汰，一步一步地逼近問(wèn)題最優(yōu)解.目前該算法已滲透到許多領(lǐng)域，并成為解決各領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題的有效工具[5].

根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化理論，如果同時(shí)考察N個(gè)目標(biāo)函數(shù)f1（x），f2（x），…，fN（x）的最優(yōu)情況，可轉(zhuǎn)化為求maxF（x），其中F（x）={f1（x），f2（x），…，fN（x）}；本文中用到的4個(gè)目標(biāo)函數(shù)即為上述性能測(cè)試與分析中得到的4個(gè)擬合關(guān)系式.其中f1（x，y，u）為紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)力，f2（x，y，u）為紗線(xiàn)的斷裂伸長(zhǎng)，f3（x，y，u）為紗線(xiàn)的毛羽含量（2～4 mm），f4（x，y，u）為紗線(xiàn)的CV值.紗線(xiàn)的各個(gè)性能對(duì)后續(xù)織造加工工藝的影響程度不同，因此要選定適當(dāng)?shù)募訖?quán)系數(shù)ωi來(lái)表明它們代表的重要程度.ωi要滿(mǎn)足0≤ωi≤1（i=1，2，…，N），且∑ωi= 1.因此混紡比的優(yōu)化就轉(zhuǎn)化為求maxωiF（x，y，u），其中ωiF（x，y，u）={ω1f1（x，y，u），ω2f2（x，y，u），－ω3f3（x，y，u），－ω4f4（x，y，u）}.式中：ω1為紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)力的權(quán)重系數(shù)；ω2為紗線(xiàn)斷裂伸長(zhǎng)的權(quán)重系數(shù)；ω3為紗線(xiàn)毛羽含量的權(quán)重系數(shù)；ω4為紗線(xiàn)細(xì)度不勻率的權(quán)重系數(shù).根據(jù)紗線(xiàn)各項(xiàng)性能對(duì)后續(xù)加工的影響，選定權(quán)重系數(shù)分別為[0.25，0.2，0.3，0.25].利用Matlab遺傳算法工具箱進(jìn)行優(yōu)化，過(guò)程如下（簡(jiǎn)化代碼）：

由輸出結(jié)果可知，利用Matlab遺傳算法工具箱得到：當(dāng)權(quán)重系數(shù)為[0.25，0.2，0.3，0.25]時(shí)，磁、竹、棉3種纖維的混紡比為67%、23%、10%.

4 結(jié)論

（1）磁性纖維多元混紡紗在各方面都表現(xiàn)出良好的性能特征，當(dāng)磁性纖維含量增加時(shí)，混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)也隨之增大；毛羽含量隨著磁性纖維的增加而減少；磁性纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～70%時(shí)紗線(xiàn)細(xì)度不勻率較低.

（2）利用1stopt軟件對(duì)混紡紗性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得到性能與混紡比之間的關(guān)系式，進(jìn)而利用Matlab遺傳算法工具箱可以對(duì)3種以上纖維混紡的情況進(jìn)行較為精確的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能得到較為理想的混紡比.

（3）通過(guò)對(duì)紗線(xiàn)的拉伸強(qiáng)力、斷裂長(zhǎng)度、毛羽含量和細(xì)度不勻率的擬合和分析，利用Matlab遺傳算法工具箱得到在權(quán)重系數(shù)分別為[0.25，0.2，0.3，0.25]時(shí)磁、竹、棉3種纖維的最優(yōu)比例為67%、23%、10%.

[1] 齊 魯，葉建忠.磁性纖維性能的分析[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，29（6）：108－110.

[2] 于偉東.紡織材料學(xué) [M].3版.北京：中國(guó)紡織出版社，2006：214－218，230.

[3]朱 婕.纖維細(xì)度和長(zhǎng)度分布對(duì)成紗不勻的影響及紗線(xiàn)質(zhì)量預(yù)報(bào)模型[D].上海：中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所，2000：16－29.

[4]李輝芹，黃 故.基于MATLAB優(yōu)化工具的混紡織物混紡比設(shè)計(jì)[J].紡織學(xué)報(bào)，2009，30（10）：62－65.

[5] 李輝芹，黃 故.基于多目標(biāo)優(yōu)化的混紡織物設(shè)計(jì)研究[J].棉紡織技術(shù)，2009，37（6）：20－22.

Optimization for blending ratio of multiple magnetic fiber blended yarn using Matlab genetic algorithm

LI Jin，JING Miao-lei
（Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

The blended yarn is made of the magnetic fiber and cotton，bamboo fiber，and the performances of blended yarns with different blend ratios are analyzed.The relational equations between the performances and the fiber content are

with 1stopt software，then the blend ratio of the multiple blended yarns is optimized applying the Matlab genetic algorithm box.The results show that the optimized blending ratio is magnetic fiber，bamboo，cotton fiber possess 67%，23%and 10%separately when the weight coefficient is[0.25，0.2，0.3，0.25].

magnetic fiber；Matlab；genetic algorithm；blended yarn

TS102.528；TS106

A

1671－024X（2010）06－0013－04

2010-09-25 基金項(xiàng)目：天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目（20090316）

李 金（1985—），男，碩士研究生.

荊妙蕾（1969—），女，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail：jingmiaolei@126.com