基于Minitab软件全因子试验法优化壳聚糖湿法纺丝

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(1.西南大学纺织服装学院，重庆 400715；2.重庆市纤维检验局，重庆 401121)

壳聚糖是甲壳素经过脱乙酰作用得到的高分子化合物，具有良好的生物相容性、生物降解性、无毒性、吸水性[1]，是目前功能材料、尤其是功能纤维和功能纺织品的研究热点。影响壳聚糖纺丝原液湿法纺丝成型的主要因素有4个：壳聚糖溶液浓度、纺丝温度、凝固浴中NaOH质量浓度、凝固浴温度。目前，基于4个主要因素，针对壳聚糖的成纤性能的研究较多[2]，但并没有比较4个因素对壳聚糖纺丝成型的效应大小，以及其中存在的交互效应。Minitab软件是高效的统计和分析软件，可用其进行实验设计，分析因子效应大小，进行参数设计，但其在纺织领域的应用尚鲜有报道[3]。

本研究采用Mintab软件设计全因子实验，以丝条的实验效果评分为响应变量，进行数据分析，探究并量化了影响壳聚糖纺丝原液成纤性能因子的效应以及其交互作用效应大小。

1 实 验

1.1 实验仪器和材料

JA2003A型电子天平(0.000 1 g)，SHA-C水浴恒温振荡器(金坛市易晨仪器制造有限公司)，LLY-06电子单纤维强力仪(莱州市电子仪器有限公司)，HDI-3型恒温磁力搅拌器，DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱(上海齐欣科学仪器有限公司)，冰箱(海尔集团)，温度计，医用注射器，烧杯，量筒，玻璃棒等。

壳聚糖(90%脱乙酰度，山东莱州海力生物制品有限公司)；冰乙酸(分析纯，川东化工)；NaOH(川东化工)；蒸馏水。

1.2 实验方法

基于张红等[4-5]和颜晓菜等[6-7]对壳聚糖纺丝原液的研究结果并根据全因子试验设计方法，对4因子分别取高低两水平。表1为试验设计因子编码水平表，将因子和参数输入Minitab软件，同时为增加方差分析的自由度以及减少误差，增加3组中心点试验，生成19组随机运行序试验。

按照试验设计，配置壳聚糖(以3%的乙酸为溶剂)、NaOH溶液进行湿法纺丝，烘干后，测试初生纤维的丝条断裂强力。但由于各组别的强力测试结果存在较大差距，有的组的断裂强力太低，无法测试其断裂强力，因此，为方便模型的建立，简化数学运算，根据断裂强力值以及丝条均匀度、表面形态、断丝率，以10%～90%表征壳聚糖纤维的成纤效果并以此为响应变量。表2为Minitab软件生成的24+3全因子试验设计及试验结果。

表1 试验设计因子编码水平

表2 24+3全因子试验设计及试验结果

2 结果与讨论

2.1 全因子实验数据分析

采用Minitab软件分析壳聚糖溶液质量浓度、凝固浴中NaOH质量浓度、纺丝温度、凝固浴温度4因子以及4因子之间的交互作用对纺丝效果的影响，可得到显著性辅助图形。标准化的Pareto效应图是将各个因子进行t检验，根据选定的显著水平(α=0.05)，得出t的临界值，并以t值绝对值作为横坐标，各因子作为纵坐标，判断效应的显著性。图1为Minitab软件生成的标准化效应的Pareto图。

从图1可看出t的临界值为2.365，因子A、D、C效应绝对值超过临界值，说明壳聚糖溶液质量浓度、纺丝温度、凝固浴温度效应显著并且效应依次减弱，而凝固浴中NaOH质量浓度不显著，并且二因子交互作用CD效应绝对值靠近临界值，说明纺丝温度、凝固浴温度二因子交互作用相对突出，这是因为丝条进入凝固浴并在凝固浴中成型是一个双扩散的过程，而纺丝液的温度和凝固浴的温度差值，对丝条在凝固过程中的双扩散系数产生了较大的影响。

图1 标准化效应的Pareto图(简化模型前)

图2 标准化效应的Pareto图(简化模型后)

2.2 显著因子实验数据分析

为得到有效模型，明确显著因素作用，简化模型，将不显著因子剔除，对数据重新分析。图2为剔除不显著因子之后Minitab中生成的标准化效应的Pareto图。从图2可看出，剔除不显著因子后，t的临界值为2.145，因子A、C、D效应显著，C、D交互作用明显。与剔除前分析结果一致。同时Minitab软件生成了以试验效果为响应变量y的回归方程：

y=10.9+1 344A+0.333C-
1.336D+0.0131C×D

表3为简化模型数据的方差分析(ANOVA)，从表3中可看出，失拟项的p值为0.102，大于显著水平0.05，说明模型并不存在失拟现象，模型总体有效。但是弯曲项的p值为0.000，小于显著水平0.05，因此说明模型存在明显的弯曲，因子的二次平方项对试验效果的影响显著，因此要得到更加精确的回归方程，应该基于响应曲面法设计实验，从而得出更加精确地回归方程。

表3 方差分析(ANOVA)

2.3 优化实验设计

从方差分析表中可知，模型存在明显的弯曲，所以不能通过Minitab软件中的响应优化器进行参数优化和设计。图3为主效应图，灰色背景表示项不在模型中。根据图3中的效应关系，可得出基于全因子设计法的较优实验设计为：壳聚糖溶液质量浓度0.05 g/mL，纺丝温度60 ℃，凝固浴温度10 ℃，凝固浴中NaOH质量浓度0.25g/mL，即第10组试验设置。图4为第10组实验初生纤维的光学显微镜照片，可看出，纤维条干均匀，连续性较好。

图3 主效应图

图4 第10组实验初生纤维光学显微镜照片

3 结 论

基于Minitab软件全因子实验法得出影响壳聚糖纺丝原液的成纤性能的主要因素依次为壳聚糖溶液质量浓度、纺丝温度、凝固浴温度，纺丝温度，并且凝固浴温度二因子的交互作用效应相对明显。得到关于试验效果的有效初步回归方程：y(试验效果)=

10.9+1 344A+0.333C-1.336D+0.013 1C×D，为响应曲面法得到精确地回归方程奠定了基础，同时由主效应图可得出较优的纺丝参数为：壳聚糖溶液质量浓度0.05 g/mL，纺丝温度60 ℃，凝固浴温度10 ℃，凝固浴中NaOH质量浓度0.25 g/mL。

[1] 杨俊杰,胡广敏,相恒学,等.壳聚糖的溶解行为及其纤维研究进展[J].中国材料进展,2014,33(11):641-648.

[2] PILLAI C K S, PAUL W, SHARMA C P. Chitin and

chitosan polymers: chemistry, solubility and fiber formation[J]. Progress in Polymer Science,2009,34(7):641-678.

[3] 成强,崔淑玲.Minitab软件优化涤纶分散染料载体CNJ染色[J].印染,2015(24):10-14.

[4] 张红,张雯佳,赵国樑.壳聚糖纺丝原液性能及其湿法纺丝工艺[J].纺织学报,2010,31(8):1-5.

[5] 张红.壳聚糖纺丝原液性能及其湿法纺丝工艺研究[D].北京:北京服装学院,2009.

[6] 颜晓菜,何勇,黄胜,等.壳聚糖纺丝原液性能及其成纤性能的研究[J].产业用纺织品,2012(12):19-21.

[7] 颜晓菜.交联壳聚糖的干湿法纺丝工艺研究[D].重庆：西南大学,2013.