張 娟

（遼寧輕工職業(yè)學(xué)院，遼寧大連 116100）

羊毛衫是一種常見(jiàn)的針織緯編產(chǎn)品，其原料以羊毛、羊絨和腈綸等為主，因具有良好的保暖性和舒適性，深受廣大消費(fèi)者的青睞。當(dāng)今社會(huì)，人們追求個(gè)性化、時(shí)尚化、民族化的服裝，為了滿足這些需求，將超臨界CO2染色技術(shù)與傳統(tǒng)扎染技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在羊毛衫扎染中［1］。作為一種新型的綠色染色加工技術(shù)，超臨界CO2代替水介質(zhì)可以快速、均勻地完成染色過(guò)程，縮短染色時(shí)間，減少染色工序，降低環(huán)境污染，達(dá)到清潔生產(chǎn)的要求［2］。本實(shí)驗(yàn)主要以超臨界CO2流體為介質(zhì)，采用響應(yīng)面法研究不同扎染溫度、扎染壓力、扎染時(shí)間和染料用量對(duì)羊毛衫色差的影響，優(yōu)化羊毛衫超臨界CO2扎染工藝，為羊毛衫超臨界CO2扎染規(guī)?；a(chǎn)提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

材料：羊毛衫（上海華翔羊毛衫有限公司），活性分散大紅G（上?；菀藢?shí)業(yè)發(fā)展有限公司），CO2（純度99.99%，大連中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院）。

設(shè)備：數(shù)控超臨界CO2染色裝置（大連工業(yè)大學(xué)超臨界CO2流體課題組），Datacolor SF600型計(jì)算機(jī)測(cè)色配色儀（美國(guó)Datacolor 公司）。

1.2 超臨界CO2扎染工藝流程

按照設(shè)計(jì)圖案對(duì)羊毛衫進(jìn)行捆扎，將捆扎好的羊毛衫和染料分別放入染色釜和染料釜。經(jīng)過(guò)制冷系統(tǒng)液化的液態(tài)CO2首先經(jīng)由高壓泵加壓注入扎染裝置內(nèi)部，并在加熱系統(tǒng)的作用下達(dá)到超臨界狀態(tài)。在超臨界CO2作用下，染料被帶入染色釜，完成羊毛衫扎染過(guò)程。染色結(jié)束后，關(guān)閉高壓泵和加熱器，分離釜內(nèi)的CO2流體和染料，實(shí)現(xiàn)CO2氣體的回收再循環(huán)。最后，取出羊毛衫進(jìn)行檢測(cè)分析。

1.3 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)原理，選取扎染溫度（x1）、扎染壓力（x2）、扎染時(shí)間（x3）、染料用量（x4）為主要考察因素，以羊毛衫色差（ΔE）為響應(yīng)面值進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)因素及水平表見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面因素水平編碼表

1.4 色差測(cè)試

采用公式ΔE函數(shù)判定染色深度，ΔE值越大，說(shuō)明染色試樣的顏色越深；ΔE值越小，說(shuō)明染色試樣的顏色越淺［3］。本實(shí)驗(yàn)染色羊毛衫的色度指標(biāo)采用計(jì)算機(jī)測(cè)色配色儀進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)試樣測(cè)量3 次，取平均值。

其中，L*為明度值；a*為偏紅或偏綠值，數(shù)值為正偏紅，數(shù)值為負(fù)偏綠；b*為偏黃或偏藍(lán)值，數(shù)值為正偏黃，數(shù)值為負(fù)偏藍(lán)。

2 結(jié)果與討論

2.1 扎染工藝條件的確定

2.1.1 扎染溫度

為了分析扎染溫度對(duì)羊毛衫染色性能的影響，在扎染壓力20 MPa、扎染時(shí)間60 min、染料用量6%（omf）的條件下，扎染溫度分別選取80、90、100、110、120 ℃，對(duì)羊毛衫進(jìn)行超臨界CO2扎染，測(cè)試染色后的ΔE，結(jié)果如圖1所示。

圖1 扎染溫度對(duì)羊毛衫ΔE 的影響

由圖1 可以看出，隨著扎染溫度逐漸升高，超臨界CO2扎染后羊毛衫的ΔE逐漸增高，當(dāng)扎染溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，ΔE達(dá)到42，再繼續(xù)升高扎染溫度，ΔE逐漸趨于平緩。這主要是由于超臨界CO2流體對(duì)羊毛纖維和染料上染過(guò)程產(chǎn)生了一定的影響，當(dāng)扎染溫度較低時(shí)，染料大分子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較慢，對(duì)羊毛衫的上染效果較差；當(dāng)扎染溫度升高時(shí)，超臨界CO2的擴(kuò)散系數(shù)增大，傳質(zhì)速度增大，染料大分子的熱運(yùn)動(dòng)加快，使更多的染料分子能克服阻力向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，進(jìn)入纖維的非晶區(qū)［2］。隨著扎染溫度的升高，羊毛纖維大分子間相對(duì)間隙增大，加快了染料向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散和上染速度，提高了扎染后羊毛衫的ΔE。因此，羊毛衫扎染溫度優(yōu)選為100 ℃。

2.1.2 扎染壓力

為了分析扎染壓力對(duì)羊毛衫染色性能的影響，在扎染溫度100 ℃、扎染時(shí)間60 min、染料用量6%（omf）的條件下，扎染壓力分別選取10、15、20、25、30 MPa對(duì)羊毛衫進(jìn)行超臨界CO2扎染，測(cè)試染色后的ΔE，結(jié)果如圖2所示。

圖2 扎染壓力對(duì)羊毛衫ΔE 的影響

由圖2 可以看出，隨著扎染壓力的提高，羊毛衫的ΔE不斷增大，當(dāng)扎染壓力為20 MPa 時(shí)，羊毛衫ΔE達(dá)到較大值；之后繼續(xù)增加扎染壓力，羊毛衫ΔE增長(zhǎng)幅度較小。這主要是因?yàn)樵緣毫Φ停R界CO2流體的密度較低，溶解的染料較少。較低的染料濃度導(dǎo)致擴(kuò)散進(jìn)入羊毛纖維內(nèi)部的單分子染料較少，染色纖維呈現(xiàn)出較低的ΔE；提高扎染壓力后，超臨界CO2流體的密度增大，可以溶解更多染料，擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部的染料增多，羊毛衫的ΔE提高［4-5］。綜合考慮，扎染壓力選取20 MPa。

2.1.3 扎染時(shí)間

為了分析扎染時(shí)間對(duì)羊毛衫染色性能的影響，在扎染溫度100 ℃、扎染壓力20 MPa、染料用量6%（omf）的條件下，扎染時(shí)間分別選取30、45、60、75、90 min，對(duì)羊毛衫進(jìn)行超臨界CO2扎染，測(cè)試染色后的ΔE，結(jié)果如圖3所示。

圖3 扎染時(shí)間對(duì)羊毛衫ΔE 的影響

由圖3 可以看出，隨著扎染時(shí)間的延長(zhǎng)，羊毛衫扎染的ΔE不斷提高；當(dāng)扎染時(shí)間由30 min 增加到60 min 時(shí)，羊毛衫的ΔE顯著增大；繼續(xù)延長(zhǎng)扎染時(shí)間，ΔE增幅變小。這是由于隨著扎染時(shí)間的延長(zhǎng)，更多的溶解染料大分子吸附在纖維表面，纖維內(nèi)外染料的濃度差增大，使更多的染料逐漸向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，羊毛衫的ΔE增大［6-7］。因此，扎染時(shí)間選擇60 min。

2.1.4 染料用量

為了分析染料用量對(duì)羊毛衫染色性能的影響，在扎染溫度100 ℃、扎染壓力20 MPa、扎染時(shí)間60 min 的條件下，染料用量分別選取2%、4%、6%、8%、10%（omf），對(duì)羊毛衫進(jìn)行超臨界CO2扎染，測(cè)試染色后的ΔE，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出，羊毛衫的ΔE隨著染料用量的增多而逐漸增大，當(dāng)染料用量增大到6%（omf）時(shí)，羊毛衫的ΔE逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于染料用量增大，溶解在超臨界CO2中的染料量增多，在扎染過(guò)程中，擴(kuò)散到纖維內(nèi)部的染料量逐漸增多，羊毛衫的ΔE增大［8］。所以，染料用量?jī)?yōu)選6%（omf）。

圖4 染料用量對(duì)羊毛衫ΔE 的影響

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化工藝

以扎染溫度（x1）、扎染壓力（x2）、扎染時(shí)間（x3）、染料用量（x4）為實(shí)驗(yàn)因素，以羊毛衫色差為響應(yīng)值進(jìn)行4 因素3 水平的Box-Behnken 設(shè)計(jì)，采用響應(yīng)面法對(duì)羊毛衫超臨界CO2扎染工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 回歸方程的建立與顯著性檢驗(yàn)

在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定羊毛衫超臨界CO2扎染的最佳工藝條件。利用Design-Expert 8.0.6 軟件，根據(jù)Box-Behnken 的中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了4 因素3 水平共29 個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到扎染溫度（x1）、扎染壓力（x2）、扎染時(shí)間（x3）和染料用量（x4）4 個(gè)變量與羊毛衫色差（y）的二次方程模型（1）：

由表2 可以看出，方程一次項(xiàng)、二次項(xiàng)均為顯著因素，x3與x4交互作用顯著，其余交互項(xiàng)不顯著，表明扎染溫度、扎染壓力、扎染時(shí)間和染料用量對(duì)ΔE不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，二次項(xiàng)和交互項(xiàng)與色差都有很大的關(guān)系。多元回歸關(guān)系顯著（相關(guān)系數(shù)R2=0.955 6），失擬項(xiàng)為0.873 1，失擬不顯著，說(shuō)明方程擬合充分，回歸方程高度顯著，可用上述回歸方程描述各實(shí)驗(yàn)因素與響應(yīng)值的關(guān)系，對(duì)不同條件下羊毛衫的ΔE進(jìn)行預(yù)測(cè)，該回歸方程可以優(yōu)化為方程（2）：

表2 二次回歸模型的方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面圖形分析

使用Design-Expert 8.0.6 軟件繪制出扎染溫度、扎染壓力、扎染時(shí)間和染料用量對(duì)羊毛衫ΔE所構(gòu)成的三維空間曲面圖，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可直觀地觀察各因素對(duì)羊毛衫ΔE的影響，找出最佳的扎染工藝條件。圖中響應(yīng)面的形狀反映了扎染溫度、扎染壓力、扎染時(shí)間和染料用量顯著性的大小，響應(yīng)面越陡，顯著性越大；等高線的形狀反映了扎染溫度、扎染壓力、扎染時(shí)間和染料用量之間交互作用的強(qiáng)弱，等高線為橢圓形時(shí)，各因素間的交互作用強(qiáng)，而圓形則與之相反［6］。由圖5a 可以看出，當(dāng)扎染時(shí)間和染料用量為零水平時(shí)，隨著扎染溫度的升高、壓力的增大，羊毛衫ΔE呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)。由圖5b可以看出，當(dāng)扎染壓力和扎染時(shí)間處于零水平時(shí)，隨著扎染溫度的升高、染料用量的增大，ΔE增大，并逐漸趨于平緩。由圖5c 可以看出，其余因素處于零水平時(shí)，隨著扎染壓力的增加和扎染時(shí)間的延長(zhǎng)，羊毛衫ΔE達(dá)到最大值后又略有降低。圖5d 為扎染壓力和染料用量的交互影響，隨著扎染壓力和染料用量的增大，羊毛衫ΔE快速增大，后有降低趨勢(shì)?？傮w分析，各因素對(duì)ΔE影響比較明顯，等高線呈現(xiàn)橢圓形，說(shuō)明該優(yōu)化設(shè)計(jì)能合理反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響。

圖5 三維空間曲面圖

2.2.3 最佳扎染工藝的確定和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證最佳點(diǎn)，對(duì)回歸方程（2）和回歸方程（1）取一階偏導(dǎo)等于零，整理得到方程（3）～（6）：

解得：x1=0.4，x2=0.3，x3=-0.2，x4=0.4。羊毛衫理論色差預(yù)測(cè)值y=45.8，即最優(yōu)的扎染工藝條件為扎染溫度104 ℃、扎染壓力21.5 MPa、扎染時(shí)間58 min、染料用量6.2%?？紤]到實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行取整，即扎染溫度104 ℃、扎染壓力22 MPa、扎染時(shí)間58 min、染料用量6%（omf）。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，采用最優(yōu)扎染工藝條件，經(jīng)5 次平行實(shí)驗(yàn)得到羊毛衫平均ΔE為43.9。這表明預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值具有良好的擬合性，說(shuō)明該模型能較好地模擬和預(yù)測(cè)羊毛衫ΔE。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)單因素和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分析扎染溫度、扎染壓力、扎染時(shí)間和染料用量等對(duì)羊毛衫ΔE的影響，得到較優(yōu)的工藝條件為：扎染溫度104°C、扎染壓力22 MPa、扎染時(shí)間58 min、染料用量6%（omf）。