响应面法优化纳米纤维纸基材料热压工艺的研究

修慧娟，李金宝，杨国鑫，强丹丹

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院，陕西 西安　710021；2.齐鲁工业大学 制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东 济南　250353)



响应面法优化纳米纤维纸基材料热压工艺的研究

修慧娟1，2，李金宝1，杨国鑫1，强丹丹1

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院，陕西 西安710021；2.齐鲁工业大学 制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东 济南250353)

摘要：采用响应面法中的Box-Behnken中心组合设计(BBD)，研究了微纤化纤维素纳米纸基材料生产中热压工序的最佳工艺条件，并考察了热压温度、热压压力和热压次数3个因素对纸基材料抗张强度的影响，建立了相关的数学回归模型.实验结果表明：各因素对纸基材料抗张强度的影响显著性顺序为热压温度>热压压力>热压次数；优化后的工艺条件为：热压温度145 ℃，热压压力0.45 MPa，热压次数5次，纳米纸基材料的抗张指数为86.29 N·m/g，与模型的预测值基本相符.

关键词：纳米纤维纸基材料；微纤化纤维素; 热压; 响应面法；强度性能

0引言

微纤化纤维素是一种具有纳米尺度的新型纤维素纤维，具有强度高、刚度大、重量轻、可生物降解和可再生等特点，在先进复合材料中的应用前景极为广阔[1-6].但是经过湿法成形所获得的微纤化纤维素纳米纸基材料结构疏松，物理强度较低.需经过一定的热压处理，使纸页紧度上升，结构致密，并使得部分微细纤维软化甚至熔化将纤维黏接到一起形成稳固的黏结结构，从而赋予微纤化纤维素纳米纸基材料更优良的强度性能[7-9].因此，热压是微纤化纤维素纸基材料生产至关重要的工序.

响应面分析法是一种对多因素实验进行优化分析的实验设计及数据处理方法[10-12].可以在整个考察区域内对各因素进行优化组合，将复杂未知的函数关系在小区域内用简单的一次或二次多项式模型来拟合各因素与响应值之间的关系，通过回归方程和方差分析以寻求最优工艺条件，得到最优的响应值.

本实验是在前期的研究基础上，采用响应面法分析热压温度、热压次数、热压压力等对纳米纤维素纸基材料强度性能的影响，确定热压的最优工艺参数，建立相应的数学模型，为微纤化纤维素纳米纸基材料的生产提供一定的理论指导.

1实验部分

1.1实验原料与设备

MFC，购自日本大赛璐株式会社，产品型号Celish KY-100G；日本KRK公司DCS-041PT型PFI磨浆机；上海新阿波隆数控设备公司DP-2003型热压机；瑞典L&W公司062/969921抗张强度测试仪.

1.2实验方法

1.2.1纳米纤维纸基材料的制备

实验制备纳米纤维纸基材料的定量为30 g/m2.取适量PFI磨解(20 000 r)处理后的微纤化纤维素，稀释至质量百分比浓度为1%，并经标准浆样疏解器充分分散，采用图1所示装置抽滤成形，所用网布为200目不锈钢网.湿样在适当温度下烘干，经热压机在不同条件下热压后测定物理性能.

图1　纳米纤维纸基材料成形装置示意图

1.2.2响应面法优化实验设计

根据前期单因素实验结果，采用响应面设计中的中心组合BBD设计(Box-Behnken)进行实验设计与数据处理.选取热压温度、热压时间和热压压力3个因子为自变量，分别以X1、X2、X3表示，其中热压时间以恒定辊速下的热压次数来表示.纳米纤维纸基材料的抗张指数作为响应值Y.实验因素和水平编码如表1所示.

表1　响应面因素编码及水平表

1.2.3物理性能检测

热压后纸基材料的抗张指数采用L&W公司062/969921抗张强度测试仪按照国家标准GB/T12914-2008进行测定[13].

2结果与讨论

2.1回归模型方差分析

表2列出了热压实验方案和结果，采用Design Expert 8.0对实验数据进行多元回归拟合，建立纸基材料抗张指数Y对自变量X1、X2、X3的多元二次回归方程：

Y=-563.23+6.20x1+288.05x2+7.82x3-

表2　响应面法优化热压工艺实验方案及结果

由表3方差分析可知，二次模型F回归=31.02，P<0.000 1，说明此二次多项式回归模型高度显著；对二次多项式进行失拟性分析，P失拟=0.088 4>0.05，表明模型失拟不显著，可以用此模型对纳米纤维素纸的热压工艺进行优化.该二次模型的确定系数R2值为0.975 5，校正后R2值为0.944 1，说明模型的拟合程度较好，可以用此模型对纳米纤维素纸热压工艺参数进行分析和预测.

由二次多项式回归方程的显著性检验可以看出：一次项中热压温度、热压压力对响应值有极显著影响(P<0.05)，热压次数对响应值影响较为显著(P<0.1)；二次项中热压温度、热压压力、热压次数对响应值有极显著影响(P<0.05).综合考虑三个自变量对响应值的影响，得出其对纳米纤维素纸抗张指数的影响顺序依次为：热压温度、热压压力、热压次数.剔除二次多项式中影响不显著的因素，得到优化后的二次多项式回归方程为：

Y=-563.23+6.20X1+288.05X2+7.82X3-

表3　回归模型方差分析及其系数显著性检验

注：一般P>0.1被认为结果差异不显著;P≤0.05认为结果差异显著;P<0.000 1被认为结果差异极其显著.

2.2响应面分析

将热压温度、热压压力以及热压次数中的某个因素置为零水平，响应值抗张指数对应其他两个因素在三维空间形成的相应曲面和等高线可以较直观的反应各因素及其之间的交互作用.实验各因素之间的相应曲面和对应的等高线如图2～4所示.

图2为热压温度在零水平，即在热压温度为150 ℃的条件下热压次数与热压压力的响应曲面和等高线，该图反映热压次数与热压压力以及其交互作用对纳米纤维素纸基材料的抗张指数的影响.热压次数不变，随着压力不断增加，纸基材料的抗张指数先增大后降低，在压力为0.5 MPa时达到最高值.主要原因是热压压力的增大会使纤维间结合越来越紧密, 在热与压力作用下软化的微细纤维对纤维间的粘结状况也就越来越好，因此抗张指数表现为不断增加.但同时纸张紧度上升，而且会逐渐丧失纸基材料原有的纤维网络状结构，致使其在承受外力作用时分散应力的能力越来越弱，当压力超过一定值时，表现为纸张的抗张强度下降[14].

从图2中曲线变化可知，热压压力是纳米纤维纸基材料抗张指数的显著影响因素，而热压次数的影响并不明显，热压压力与热压次数的交互作用较强.当热压压力为0.5 MPa时，随着热压次数的增加，抗张指数基本不变.这是因为当热压压力不变时，多次热压对纳米纤维素纸基材料的紧度提升幅度有限.从图2中还可以看出热压压力较热压次数对纸基材料的抗张指数影响显著.

图2　热压次数与热压压力对抗张指数的影响

图3为热压压力在零水平，即在压力为0.5 MPa的条件下,热压次数与热压温度的响应曲面和等高线，该图反映热压次数和热压温度以及其交互作用对纳米纤维纸基材料抗张指数的影响.从图3中可以看出，随着热压温度的增加，纳米纤维纸基材料的抗张指数呈现先增大后减小的趋势.当温度从120 ℃上升到150 ℃时，纳米纤维素纸的抗张指数稍有增加，继续升高热压温度，抗张指数开始急剧下降.其原因为随着热压温度不断升高，材料表面的微细纤维发生软化, 并在压力作用下与内部纤维及相互之间产生粘结而逐渐提高了材料的抗张强度[15].但超过150 ℃后, 纸基材料则变成类似于透明的塑料薄膜, 失去了原有的网络状结构特征.此时受到外力作用，原有的因网络产生形变而相互牵拉、扩散纸张应力分布来平衡外力的能力已不具备，应力集中则纸基材料更容易断裂, 从而出现当温度超过一定值时抗张指数随温度升高不增反降的现象.在热压温度恒定时，热压次数增加所带来的抗张指数变化趋势较平缓，说明热压温度的影响更显著.

图3　热压次数与热压温度对抗张指数的影响

图4为热压次数在零水平，即在热压次数为5次的条件下,热压压力与热压温度的响应曲面和等高线，该图反映热压压力和热压温度及其交互作用对纳米纤维纸基材料抗张指数的影响.从图4中曲线变化可以看出，热压温度对纳米纤维纸基材料抗张指数的影响作用较大，表现为曲线变化较陡，等高线密度也较大，即热压温度对纳米纸基材料抗张指数的影响较热压压力更显著.

图4　热压温度与热压压力对抗张指数的影响

2.3热压工艺的优化确定

由图2～4响应曲面分析可以看出，响应值纳米纤维纸基材料抗张指数Y存在最大值.通过Design-expert软件计算分析，得到纳米纤维纸基材料的抗张指数预测值最大时的最优化条件：热压温度为145.48 ℃，热压压力为0.45 MPa，热压次数为5.56次，抗张指数的预测值为87.59 N·m/g.考虑实际实验操作限制，将实验条件进行修正.

修正后的实验条件为：热压温度为145 ℃，热压压力为0.45 MPa，热压次数为5次.在经过修正的实验条件下进行验证实验，得到纳米纤维素纸的抗张指数为86.29 N·m/g，与理论预测值基本吻合，表明模型是合理有效的.

3结论

(1)利用响应面法对高强度纳米纤维纸基材料的热压工艺条件进行了优化，结果表明：热压温度、热压压力对纸基材料的抗张指数影响显著(P<0.05)，热压次数的影响较为显著(P<0.1).其影响次序为热压温度>热压压力>热压次数.

(2)建立了纳米纤维纸基材料热压工艺的二次多项式回归模型，模型预测纸基材料最佳热压工艺条件为：热压温度为145 ℃，热压压力为0.45 MPa，热压次数为5次，在此修正条件下进行验证实验，得到纳米纤维素纸基材料的抗张指数为86.29 N·m/g，与模型的理论预测值基本吻合.

参考文献

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【责任编辑：陈佳】

Study on hot pressing process of nanofiber paper-based materials based on response surface methodology

XIU Hui-juan1,2, LI Jin-bao1, YANG Guo-xin1, QIANG Dan-dan1

(1.College of Light Industry Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Key Laboratory of Pulp and Paper Science & Technology of Ministry of Education of China, Qilu University of Technology, Jinan 250353, China)

Abstract:The hot pressing process conditions of nanofiber paper-based materials by microfibrillated cellulose based on response surface methodology (RSM) was investigated.The technological parameters such as hot pressing temperature, pressure and number of times were optimized and the related model was established.The results showed that parameters influence on the tensile index of paper-based materials from significant order to hot pressing temperature>pressure>number of times;The optimum hot pressing conditions for nanofiber paper-based materials were as follows:the hot pressing temperature,pressure and number of times were 145 ℃,0.45 MPa and 5 times respectively.The tensile index of paper-based materials under optimized condition was 86.29 N·m/g, which was well agreed with the predicted value.

Key words:nanofiber paper-based materail; microfibrillated cellulose; hot pressing; response surface methodology; tensile strength

*收稿日期:2016-03-28

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1105); 齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室项目(08031352)；陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ13-14)

作者简介:修慧娟(1977-)，女，山东海阳人，讲师，博士，研究方向：生物质复合材料

文章编号：1000-5811(2016)04-0011-05

中图分类号：TS75

文献标志码：A