一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法
一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种经纱上浆用浆泡制备与性能表征方法，属于纺织浆纱技术领域。
【背景技术】
[0002] 为提高经纱承受反复多次拉伸和摩擦作用的能力，提高其织造性，需要对经纱进 行上浆处理。泡沫上浆是以泡沫为介质对经纱进行上浆的一种新工艺，其良好的节能、环保 性能受到棉纺织企业的青睐。泡沫上浆不仅降低了浆料消耗，易于退浆。而且减少了对纱 线烘燥的负担，节省了能源消耗；与普通上浆，经过泡沫上浆的经纱耐磨性与毛羽降低率都 得到了提升。泡沫上浆具体为选用一种添加有表面活性剂的混合浆料，调配成具有一定浓 度的溶液，发泡装置将压缩空气导入浆料溶液中，再由机械搅拌作用而形成泡沫浆并由泡 沫施加器将泡沫均匀地喷淋到经纱上。附着于经纱的泡沫经过压浆辊时，泡沫在轧点处破 裂，浆液均匀地被覆在经纱上。泡沫上浆用泡沫称为浆泡，浆泡性能直接决定了浆纱质量。 一种经纱上浆用浆泡发泡参数的制定方法是泡沫上浆技术的基础。但是目前泡沫上浆用浆 泡发泡参数的制定往往是通过经验法进行粗略估计，这种方法往往会由于物料的改变而改 变经纱上浆的质量，影响后续工艺。
【发明内容】
[0003] 针对上述现有技术存在的问题，本发明的所要解决的技术问题是提供一种优化经 纱上浆用浆泡发泡参数的方法；本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种能够获得良 好起泡能力的经纱上浆用发泡原液以及相应的发泡方法。
[0004] 就优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，本发明采用的技术方案为：
[0005] 一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，不分先后地分别通过下述实验过程确 定最佳发泡温度、最佳转速、十二烷基硫酸钠的最佳浓度以及最佳发泡浆液浓度：
[0006] ①将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11) :1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液 质量浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量0. 5% -5%中任 一质量的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，将发泡原液在不同温度下采用罗氏泡沫法发泡， 测试其泡沫初始高度，三分钟泡沫高度与五分钟泡沫高度，建立以泡沫初始高度与同一温 度不同时间的泡沫高度的标准差为自变量、发泡能力为因变量的函数，然后通过目标函数 分析法获取最佳发泡温度；所述的函数如下式（1)所示：
[0007] f=ah' 0-(l_a)D(1)
[0008] 式⑴中a分别（〇, 1)，心'为比重法无纲量化处理后的初始泡沫高度；
[0009] f取最大值fmax时则表明对应的a在该温度下发泡原液的起泡能力与稳定性最 好；出现最多的温度为最佳温度；
[0010] ②将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11) :1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液 质量浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量〇. 5% -5%中任 一重量的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，得到的发泡原液利用机械搅拌法在200i r/min转 速下对发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；所述i为1-10之间 的正整数；可以得到计算发泡倍率增幅g(a)、泡沫半衰期增幅g(b)、泡沫粘度增幅g(c)的 公式⑵：
[0011]
[0012] 式（2)中不同转速200i r/min下发泡后得到的泡沫的发泡倍率为％、泡沫半衰期 为h、泡沫粘度为ci;
[0013] g(a)、g(b)、g(c)的值同时小于10%时的转速即为最佳转速；
[0014] ③将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11) :1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液 质量浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相当于浆液质量为〇.5j %的 十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在200-2000r/min中任一转速下对发泡原 液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；所述j为1-10之间的正整数；可 以得到计算发泡倍率增幅h (a)、泡沫半衰期增幅h(b)、泡沫粘度增幅h(c)的公式（3):
[0015]
[0016] 式（3)中不同十二烷基硫酸钠浓度0. 5j%下发泡后得到的泡沫的发泡倍率为 泡沫半衰期为t^_、泡沫粘度为cj;
[0017] h(a)、h(b)、h(c)的值同时小于10%时的转速即为十二烷基硫酸钠的最佳浓度；
[0018] ④将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11) :1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液 浓度为x%并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量0. 5% -5%中任一质量的十二烷基硫 酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在200-2000r/min中任一转速下对发泡原液进行发 泡，分别取x为1-10之间的正整数进行实验，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、 泡沫半衰期与泡沫粘度；
[0019] 将所得到的参数无纲量化处理后，采用最小二乘法分别拟合出浆液浓度与发泡倍 率、泡沫半衰期与泡沫粘度之间的函数关系式，采用理想点法各分目标函数统一到一个新 构成的总目标函数中，把多目标优化转化为单目标优化问题从而确定最佳发泡浆液浓度。
[0020] 进一步地，实验④中氧化淀粉与聚丙烯酸按照10:1混合，加入水搅拌所述的浆液 浓度X，调浆后加入相当于浆液质量为2%的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌 法在lOOOr/min转度下，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘 度；
[0021] 将所得到的参数比重法无纲量化处理后，利用Matlab软件采用最小二乘法分别 拟合出浆液浓度与发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度之间的函数关系式；所述的浆液浓度 与泡沫半衰期的函数如下式（5)所示；所述的浆液浓度与泡沫粘度的函数如下式（6)所 示；
[0022] f: (x) = -0. 271n (x) +0. 18 (R2= 0. 9528) (4)
[0023] f2(x) = 99. 75xL65(R2= 0. 9317) (5)
[0024] f3(x) = 12. 44x+0. 32(R2= 0. 9824) (6)
[0025] 式中x为浆液浓度，(x)为发泡倍率，f2 (x)为泡沫半衰期，f3 (x)为泡沫粘度。
[0026] 采用理想点法各分目标函数统一到一个新构成的总目标函数中，把多目标优化转 化为单目标优化问题从而确定最佳发泡浆液浓度，所述总目标函数如下式（8)所示
[0027] f (x) = 0. 041n2(x)+0. 241n(x)+2513. 02x3-3°-100. 26xL62+58. 22xa-12. 21x+2. 01 (8)
[0028] 本发明提供的利用上述优化方法得到的一种适用于机械搅拌法的发泡原液及相 应的发泡工艺如下：
[0029] a)将氧化玉米淀粉与聚丙烯酸以10:1混合得到混合浆料；
[0030] b)加水稀释至混合浆料的浆液浓度为9% ;
[0031] c)搅拌均匀后加入十二烷基硫酸钠配制质量分数为2%的发泡原液；
[0032] d)将发泡原液利用机械搅拌法发泡，发泡温度为50°C，搅拌速度为lOOOr/min。
[0033] 本发明的有益效果是：本发明提出了一种经纱上浆用泡沫浆料定性定量优化发泡 参数的方法，解决了现有技术中凭借经验粗略确定所带来的误差较大的缺陷，为经纱的泡 沫上浆的浆液制备提供了依据。并且给出了一种可使发泡原液具有良好的起泡性能且获得 性能稳定的泡沫的机械搅拌工艺参数。
【附图说明】
[0034] 图1:不同a值，对应的f_的温度分布图；
[0035] 图2 :搅拌速度对泡沫性能的影响；
[0036] 图3 :发泡剂质量分数对泡沫性能的影响；
[0037] 图4 :浆液浓度对泡沫性能的影响。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
[0039] 实施例中，实验试剂包括浆料为常州丰源纺织助剂公司的氧化玉米淀粉与聚丙烯 酸，发泡剂为国药集团化学试剂有限公司的十二烷基硫酸钠；仪器包括IKA-RW20高速搅拌 器对发泡原液进行发泡，泡沫粘度测试采用上海方瑞仪器有限公司SNB-1型数显粘度计与 上海博讯实业有限公司医疗设备厂CS501型循环恒温水浴，罗氏发泡法采用金坛市大地自 动化仪器厂的2151型罗氏泡沫仪。
[0040] 需要说明的是，在工业生产中，氧化玉米淀粉与聚丙烯酸的混合比一般为 (9-11) :1，本次实验选用10:1。
[0041] 实施例1
[0042] 将氧化玉米淀粉与聚丙烯酸以10:1混合，加入水搅拌均匀至浆液浓度为10%，调 浆后加入相当于浆液质量1 %的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，将得到的发泡原液在不同 温度下采用罗氏泡沫法进行发泡实验，研宄温度对体系起泡能力的影响，泡沫高度测试结 果如表1所示。
[0043] 在表1中，各个温度下泡沫初始高度越大，表示发泡原液起泡能力越强；三分钟后 与五分钟后泡沫高度变化表示泡沫的稳定性，高度变化越小说明稳定性越好，用标准差表 示泡沫高度变化，也就是说，标准差越小不同时间下泡沫高度变化越小，泡沫越稳定。
[0044] 表1不同温度下发泡原液的泡沫高度
[0045]
[0046]
[0047] 根据表1的内容，可以得到一个以泡沫初始高度与标准差为自变量、发泡能力为 因变量的函数（1)，利用该函数可以较好的刻画最佳温度：
[0048] f = a h，0-(l_a )D (1)
[0049] 式中a分别取〇,〇.1，…0.9, 1，&'为无纲量化处理后的初始泡沫高度。f取最 大值f_时则表明此温度下发泡原液的起泡能力与稳定性最好。取不同a值，f_的温度 分布如图1所示。
[0050] 由图1可知，在本实施例中，a取〇,〇. 1，〇. 2时，目标函数最大值分布在20°C ; a 取0. 3-0. 8时目标函数最大值均分布在50°C ;当a取〇. 9与1时，目标函数最大值分布在 目标函数最大值均分布在90°C。然而当取0或1时，目标函数均无意义。因此，a取不同 值时，目标函数最大值多数分布于50°C，因此，发泡温度选取50°C为佳。
[0051] 实施例2
[0052] 利用机械搅拌发泡法制备泡沫时，搅拌速度是非常重要的参数之一。将氧化玉米 淀粉与聚丙烯酸以10:1混合，加入水搅拌均匀至浆液浓度为10%，调浆后加入相当于浆液 质量1 %的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在200ir/min(i取1-10之间的 正整数）转速下对发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；其结果 如图2所示；
[0053] 由图2可知，当搅拌速度为200r/min时原液无发泡现象，升至400r/min产生泡 沫，搅拌速度每增加200r/min均测一次数据，直到2000r/min为止。发泡倍率、泡沫半衰期 与泡沫粘度随搅拌速度的增加而增加，当搅拌速度达到某一值后，各项泡沫性能参数 变化 减小，表面泡沫性能受搅拌速度的影响变小，趋于稳定。计算发泡倍率增幅g(a)、泡沫半衰 期增幅g(b)、泡沫粘度增幅g(c)的公式如下式（2):
[0054]
[0055] 式（2)中不同转速200i r/min(i取1-10之间的正整数）下发泡后得到的泡沫的 发泡倍率为ai、泡沫半衰期为bp泡沫粘度为c i;
[0056] g(a)、g(b)、g(c)的值同时小于10%时的转速即为最佳转速；
[0057] 由于提高转速会增加使用成本，所以如果提高转速后各泡沫性能增幅小于10%， 那么就可以认为已经达到最佳搅拌速度。具体增幅比例见下表2 :
[0058] 表2不同搅拌速度下泡沫性能的增幅
[0059]
[0060] 由表2所示，当搅拌速度达到1000r/min后，各项泡沫性能增幅均小于10%。因此 搅拌速度设置为l〇〇〇r/min即可获得稳定性能的泡沫。
[0061] 实施例3
[0062] 利用机械搅拌发泡法制备泡沫时，发泡剂的量同样是非常重要的参数之一。将氧 化玉米淀粉与聚丙烯酸以10:1混合，加入水搅拌均匀至浆液浓度为10%，调浆后加入相当 于浆液质量为〇.5j% (j取1-10之间的正整数）的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机 械搅拌法在l〇〇〇r/min转速下对发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡 沫粘度；发泡剂的质量分数对泡沫性能的影响，结果如图3所示。
[0063] 发泡剂的质量分数由0. 5% -5%，每间隔0. 5%测量一次，发泡倍率、泡沫半衰期 与泡沫粘度，当搅拌速度达到某一值后，各项泡沫性能参数变化减小，表面泡沫性能受发泡 剂的质量分数的影响变小，趋于稳定。
[0064] 可以得到计算发泡倍率增幅h(a)、泡沫半衰期增幅h(b)、泡沫粘度增幅h(c)的公 式⑶：
[0065]
[0066] 式（3)中不同十二烷基硫酸钠浓度0.5j% (j取1-10之间的正整数）下发泡后得 到的泡沫的发泡倍率为\_、泡沫半衰期为泡沫粘度为Cj;
[0067] h(a)、h(b)、h(c)的值同时小于10%时的转速，那么就可以认为已经达到最佳发 泡剂的质量分数。具体增幅比例见下表3:
[0068] 表3不同发泡剂的质量分数的泡沫性能的增幅
[0069]
[0070] 由表3所示，当发泡剂的质量分数达到2%后，各项泡沫性能增幅均小于10%。因 此发泡剂的质量分数为2%即可获得稳定性能的泡沫。
[0071] 实施例4
[0072] 氧化淀粉与聚丙烯酸按照10:1混合，加入水搅拌所述的浆液浓度X，调浆后加入 相当于浆液质量为2%的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在lOOOr/min转 度下，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；测试结果如图 4所示。
[0073] 为直观地分析浆液浓度与泡沫性能各项参数的关系，将各项参数通过比重法无纲 量化处理后，利用Matlab软件通过最小二乘法分别拟合出浆液浓度与发泡倍率、泡沫半衰 期与泡沫粘度的函数（4)、函数（5)和函数（6):
[0074] f: (x) =-0.271n (x)+0.18 (R2=0.9528) (4)
[0075] f2(x)=99. 75xL65(R2=0.9317) (5)
[0076] f3(x) = 12. 44x+0. 32(R2=0.9824) (6)
[0077] 式中x为浆液浓度，(x)为发泡倍率，f2 (x)为泡沫半衰期，f3 (x)为泡沫粘度。
[0078] 本研宄属于多目标优化问题，所以本文提出了采用统一目标法，将各分目标函数 统一到一个新构成的总目标函数中，把多目标优化转化为单目标优化问题。采用理想点法 求出统一目标函数即式（7):
[0079]
[0080] 也就是说，统一目标函数f(x)取最小值时，各分目标函数越接近各自的最优值， 即此统一目标函数取最小值时，可求出优化问题的最优解。本方法首先需要分别求出各分 目标的最优值fi，对于本研宄中的三项泡沫性能参数，发泡倍率大表示机械发泡性能好；泡 沫半衰期是泡沫稳定性的重要指标，泡沫半衰期越大泡沫越稳定；泡沫粘度越大，渗透性能 越好。
[0081] 对于本研宄中各泡沫参数指标中最优值分别为f\= 1.35, f2= 1.99, f3= 1.63。 统一目标函数如下式（8):
[0082] f (x) =0.041n2(x)+0. 241n(x)+2513. 02x3-3°-100. 26xL62+58. 22xa-12. 21x+2. 01 (8)
[0083] 式中x取值范围为[0.01，0.10]，利用Matlab软件对目标函数进行优化，得出最 优解浆液浓度x = 0. 0930,统一目标函数f(x) = 0. 1815为最小值。结合泡沫浆纱生产实 践，浆液浓度为9%。
[0084] 上述实施例只是本发明的众多实施方式中的一部分，在利用控制变量法寻找某一 变量的最佳参数的时候，其余变量可以在一定范围内择一选取。
【主权项】
1. 一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，分别通过下述实验过程确定最佳发泡温 度、最佳转速、十二烷基硫酸钠的最佳浓度以及最佳发泡衆液浓度： ① 将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11):1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液质量 浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量〇. 5% -5%中任一质 量的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，将发泡原液在不同温度下采用罗氏泡沫法发泡，测试 其泡沫初始高度，三分钟泡沫高度与五分钟泡沫高度，建立以泡沫初始高度与同一温度不 同时间的泡沫高度的标准差为自变量、发泡能力为因变量的函数，然后通过目标函数分析 法获取最佳发泡温度；所述的函数如下式（1)所示： f = ah0r -(l-a)D (1) 式⑴中α分别（Oahhtl'为比重法无纲量化处理后的初始泡沫高度； f取最大值fmax时则表明对应的α在该温度下发泡原液的起泡能力与稳定性最好；fmax出现最多的温度为最佳温度。 ② 将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11):1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液质量 浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量〇. 5% -5%中任一重 量的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，得到的发泡原液利用机械搅拌法在200i r/min转速下 对发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；所述i为1-10之间的正 整数；可以得到计算发泡倍率增幅g(a)、泡沫半衰期增幅g(b)、泡沫粘度增幅g(c)的公式 (2)：式（2)中不同转速200i r/min下发泡后得到的泡沫的发泡倍率为％、泡沫半衰期为 4、泡沫粘度为ci; g(a)、g(b)、g(c)的值同时小于10%时的转速即为最佳转速。 ③ 将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11):1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液质量 浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相当于浆液质量为〇. 5j %的十二烷 基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在200-2000r/min中任一转速下对发泡原液进行 发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；所述j为1-10之间的正整数；可以得到 计算发泡倍率增幅h (a)、泡沫半衰期增幅h(b)、泡沫粘度增幅h (c)的公式（3):式（3)中不同十二烷基硫酸钠浓度0.5j%下发泡后得到的泡沫的发泡倍率为h、泡沫 半衰期为bp泡沫粘度为Cj; h (a)、h(b)、h (c)的值同时小于10 %时的转速即为十二烷基硫酸钠的最佳浓度。 ④将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11):1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液浓度 为X%并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量0. 5% -5%中任一质量的十二烷基硫酸钠 形成发泡原液，利用机械搅拌法在200-2000r/min中任一转速下对发泡原液进行发泡，分 别取X为1-10之间的正整数进行实验，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半 衰期与泡沫粘度； 将所得到的参数比重法无纲量化处理后，采用最小二乘法分别拟合出浆液浓度与发 泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度之间的函数关系式，采用理想点法各分目标函数统一到一 个新构成的总目标函数中，把多目标优化转化为单目标优化问题从而确定最佳发泡浆液浓 度。2. 根据权利要求1所述的一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，其特征在于，所 述实验④中氧化淀粉与聚丙烯酸按照10:1混合，加入水搅拌所述的浆液浓度X，调浆后加 入相当于衆液质量为2%的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在1000r/min 转度下，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度； 将所得到的参数比重法无纲量化处理后，利用Matlab软件采用最小二乘法分别拟合 出浆液浓度与发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度之间的函数关系式；所述的浆液浓度与泡 沫半衰期的函数如下式（5)所示；所述的浆液浓度与泡沫粘度的函数如下式（6)所示； (X) =-0· 271n (X) +0· 18 (R2= 0· 9528) (4) f2(x) = 99. 75xL65(R2= 0. 9317) (5) f3(x) = 12. 44x+0. 32 (R2= 0. 9824) (6) 式中x为浆液浓度，(X)为发泡倍率，f2 (X)为泡沫半衰期，f3 (X)为泡沫粘度。 采用理想点法各分目标函数统一到一个新构成的总目标函数中，把多目标优化转化为 单目标优化问题从而确定最佳发泡浆液浓度，所述总目标函数如下式（8)所示 f (X) =0· 041η2(χ)+0· 241η(χ)+2513· 02x3 3CI-100. 26χ1 62+58· 22χ2-12· 21χ+2· 01(8)3. 根据权利要求1-2所述的优化方法得到的经纱上浆用浆泡的发泡方法，包括以下步 骤： a) 将氧化玉米淀粉与聚丙烯酸以10:1混合得到混合浆料； b) 加水稀释至混合浆料的浆液浓度为9% ; c) 搅拌均匀后加入十二烷基硫酸钠配制质量分数为2%的发泡原液； d) 将发泡原液利用机械搅拌法发泡，发泡温度为50°C，搅拌速度为lOOOr/min。
【专利摘要】本发明公开了一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，利用单因素法分别建立发泡温度、转速、十二烷基硫酸钠的浓度以及发泡浆液浓度与浆液的发泡性能的函数关系，利用这些函数关系，分别找到最佳发泡温度、最佳转速、十二烷基硫酸钠的最佳浓度以及最佳发泡浆液浓度，上述方法代替经验法的粗略估计，为经纱上浆用浆泡的发泡工艺提供了依据。
【IPC分类】D06M15/263, D06M13/262, D06M15/11
【公开号】CN104894864
【申请号】CN201510292294
【发明人】高卫东, 朱博, 刘建立, 傅佳佳, 范雪荣, 刘立强, 张建祥, 刘子斌, 杜立新, 赵海涛
【申请人】江南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月1日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种经纱上浆用浆泡制备与性能表征方法，属于纺织浆纱技术领域。
【背景技术】
[0002] 为提高经纱承受反复多次拉伸和摩擦作用的能力，提高其织造性，需要对经纱进 行上浆处理。泡沫上浆是以泡沫为介质对经纱进行上浆的一种新工艺，其良好的节能、环保 性能受到棉纺织企业的青睐。泡沫上浆不仅降低了浆料消耗，易于退浆。而且减少了对纱 线烘燥的负担，节省了能源消耗；与普通上浆，经过泡沫上浆的经纱耐磨性与毛羽降低率都 得到了提升。泡沫上浆具体为选用一种添加有表面活性剂的混合浆料，调配成具有一定浓 度的溶液，发泡装置将压缩空气导入浆料溶液中，再由机械搅拌作用而形成泡沫浆并由泡 沫施加器将泡沫均匀地喷淋到经纱上。附着于经纱的泡沫经过压浆辊时，泡沫在轧点处破 裂，浆液均匀地被覆在经纱上。泡沫上浆用泡沫称为浆泡，浆泡性能直接决定了浆纱质量。 一种经纱上浆用浆泡发泡参数的制定方法是泡沫上浆技术的基础。但是目前泡沫上浆用浆 泡发泡参数的制定往往是通过经验法进行粗略估计，这种方法往往会由于物料的改变而改 变经纱上浆的质量，影响后续工艺。
【发明内容】
[0003] 针对上述现有技术存在的问题，本发明的所要解决的技术问题是提供一种优化经 纱上浆用浆泡发泡参数的方法；本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种能够获得良 好起泡能力的经纱上浆用发泡原液以及相应的发泡方法。
[0004] 就优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，本发明采用的技术方案为：
[0005] 一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，不分先后地分别通过下述实验过程确 定最佳发泡温度、最佳转速、十二烷基硫酸钠的最佳浓度以及最佳发泡浆液浓度：
[0006] ①将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11) :1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液 质量浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量0. 5% -5%中任 一质量的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，将发泡原液在不同温度下采用罗氏泡沫法发泡， 测试其泡沫初始高度，三分钟泡沫高度与五分钟泡沫高度，建立以泡沫初始高度与同一温 度不同时间的泡沫高度的标准差为自变量、发泡能力为因变量的函数，然后通过目标函数 分析法获取最佳发泡温度；所述的函数如下式（1)所示：
[0007] f=ah' 0-(l_a)D(1)
[0008] 式⑴中a分别（〇, 1)，心'为比重法无纲量化处理后的初始泡沫高度；
[0009] f取最大值fmax时则表明对应的a在该温度下发泡原液的起泡能力与稳定性最 好；出现最多的温度为最佳温度；
[0010] ②将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11) :1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液 质量浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量〇. 5% -5%中任 一重量的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，得到的发泡原液利用机械搅拌法在200i r/min转 速下对发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；所述i为1-10之间 的正整数；可以得到计算发泡倍率增幅g(a)、泡沫半衰期增幅g(b)、泡沫粘度增幅g(c)的 公式⑵：
[0011]
[0012] 式（2)中不同转速200i r/min下发泡后得到的泡沫的发泡倍率为％、泡沫半衰期 为h、泡沫粘度为ci;
[0013] g(a)、g(b)、g(c)的值同时小于10%时的转速即为最佳转速；
[0014] ③将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11) :1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液 质量浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相当于浆液质量为〇.5j %的 十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在200-2000r/min中任一转速下对发泡原 液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；所述j为1-10之间的正整数；可 以得到计算发泡倍率增幅h (a)、泡沫半衰期增幅h(b)、泡沫粘度增幅h(c)的公式（3):
[0015]
[0016] 式（3)中不同十二烷基硫酸钠浓度0. 5j%下发泡后得到的泡沫的发泡倍率为 泡沫半衰期为t^_、泡沫粘度为cj;
[0017] h(a)、h(b)、h(c)的值同时小于10%时的转速即为十二烷基硫酸钠的最佳浓度；
[0018] ④将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11) :1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液 浓度为x%并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量0. 5% -5%中任一质量的十二烷基硫 酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在200-2000r/min中任一转速下对发泡原液进行发 泡，分别取x为1-10之间的正整数进行实验，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、 泡沫半衰期与泡沫粘度；
[0019] 将所得到的参数无纲量化处理后，采用最小二乘法分别拟合出浆液浓度与发泡倍 率、泡沫半衰期与泡沫粘度之间的函数关系式，采用理想点法各分目标函数统一到一个新 构成的总目标函数中，把多目标优化转化为单目标优化问题从而确定最佳发泡浆液浓度。
[0020] 进一步地，实验④中氧化淀粉与聚丙烯酸按照10:1混合，加入水搅拌所述的浆液 浓度X，调浆后加入相当于浆液质量为2%的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌 法在lOOOr/min转度下，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘 度；
[0021] 将所得到的参数比重法无纲量化处理后，利用Matlab软件采用最小二乘法分别 拟合出浆液浓度与发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度之间的函数关系式；所述的浆液浓度 与泡沫半衰期的函数如下式（5)所示；所述的浆液浓度与泡沫粘度的函数如下式（6)所 示；
[0022] f: (x) = -0. 271n (x) +0. 18 (R2= 0. 9528) (4)
[0023] f2(x) = 99. 75xL65(R2= 0. 9317) (5)
[0024] f3(x) = 12. 44x+0. 32(R2= 0. 9824) (6)
[0025] 式中x为浆液浓度，(x)为发泡倍率，f2 (x)为泡沫半衰期，f3 (x)为泡沫粘度。
[0026] 采用理想点法各分目标函数统一到一个新构成的总目标函数中，把多目标优化转 化为单目标优化问题从而确定最佳发泡浆液浓度，所述总目标函数如下式（8)所示
[0027] f (x) = 0. 041n2(x)+0. 241n(x)+2513. 02x3-3°-100. 26xL62+58. 22xa-12. 21x+2. 01 (8)
[0028] 本发明提供的利用上述优化方法得到的一种适用于机械搅拌法的发泡原液及相 应的发泡工艺如下：
[0029] a)将氧化玉米淀粉与聚丙烯酸以10:1混合得到混合浆料；
[0030] b)加水稀释至混合浆料的浆液浓度为9% ;
[0031] c)搅拌均匀后加入十二烷基硫酸钠配制质量分数为2%的发泡原液；
[0032] d)将发泡原液利用机械搅拌法发泡，发泡温度为50°C，搅拌速度为lOOOr/min。
[0033] 本发明的有益效果是：本发明提出了一种经纱上浆用泡沫浆料定性定量优化发泡 参数的方法，解决了现有技术中凭借经验粗略确定所带来的误差较大的缺陷，为经纱的泡 沫上浆的浆液制备提供了依据。并且给出了一种可使发泡原液具有良好的起泡性能且获得 性能稳定的泡沫的机械搅拌工艺参数。
【附图说明】
[0034] 图1:不同a值，对应的f_的温度分布图；
[0035] 图2 :搅拌速度对泡沫性能的影响；
[0036] 图3 :发泡剂质量分数对泡沫性能的影响；
[0037] 图4 :浆液浓度对泡沫性能的影响。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
[0039] 实施例中，实验试剂包括浆料为常州丰源纺织助剂公司的氧化玉米淀粉与聚丙烯 酸，发泡剂为国药集团化学试剂有限公司的十二烷基硫酸钠；仪器包括IKA-RW20高速搅拌 器对发泡原液进行发泡，泡沫粘度测试采用上海方瑞仪器有限公司SNB-1型数显粘度计与 上海博讯实业有限公司医疗设备厂CS501型循环恒温水浴，罗氏发泡法采用金坛市大地自 动化仪器厂的2151型罗氏泡沫仪。
[0040] 需要说明的是，在工业生产中，氧化玉米淀粉与聚丙烯酸的混合比一般为 (9-11) :1，本次实验选用10:1。
[0041] 实施例1
[0042] 将氧化玉米淀粉与聚丙烯酸以10:1混合，加入水搅拌均匀至浆液浓度为10%，调 浆后加入相当于浆液质量1 %的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，将得到的发泡原液在不同 温度下采用罗氏泡沫法进行发泡实验，研宄温度对体系起泡能力的影响，泡沫高度测试结 果如表1所示。
[0043] 在表1中，各个温度下泡沫初始高度越大，表示发泡原液起泡能力越强；三分钟后 与五分钟后泡沫高度变化表示泡沫的稳定性，高度变化越小说明稳定性越好，用标准差表 示泡沫高度变化，也就是说，标准差越小不同时间下泡沫高度变化越小，泡沫越稳定。
[0044] 表1不同温度下发泡原液的泡沫高度
[0045]
[0046]
[0047] 根据表1的内容，可以得到一个以泡沫初始高度与标准差为自变量、发泡能力为 因变量的函数（1)，利用该函数可以较好的刻画最佳温度：
[0048] f = a h，0-(l_a )D (1)
[0049] 式中a分别取〇,〇.1，…0.9, 1，&'为无纲量化处理后的初始泡沫高度。f取最 大值f_时则表明此温度下发泡原液的起泡能力与稳定性最好。取不同a值，f_的温度 分布如图1所示。
[0050] 由图1可知，在本实施例中，a取〇,〇. 1，〇. 2时，目标函数最大值分布在20°C ; a 取0. 3-0. 8时目标函数最大值均分布在50°C ;当a取〇. 9与1时，目标函数最大值分布在 目标函数最大值均分布在90°C。然而当取0或1时，目标函数均无意义。因此，a取不同 值时，目标函数最大值多数分布于50°C，因此，发泡温度选取50°C为佳。
[0051] 实施例2
[0052] 利用机械搅拌发泡法制备泡沫时，搅拌速度是非常重要的参数之一。将氧化玉米 淀粉与聚丙烯酸以10:1混合，加入水搅拌均匀至浆液浓度为10%，调浆后加入相当于浆液 质量1 %的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在200ir/min(i取1-10之间的 正整数）转速下对发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；其结果 如图2所示；
[0053] 由图2可知，当搅拌速度为200r/min时原液无发泡现象，升至400r/min产生泡 沫，搅拌速度每增加200r/min均测一次数据，直到2000r/min为止。发泡倍率、泡沫半衰期 与泡沫粘度随搅拌速度的增加而增加，当搅拌速度达到某一值后，各项泡沫性能参数 变化 减小，表面泡沫性能受搅拌速度的影响变小，趋于稳定。计算发泡倍率增幅g(a)、泡沫半衰 期增幅g(b)、泡沫粘度增幅g(c)的公式如下式（2):
[0054]
[0055] 式（2)中不同转速200i r/min(i取1-10之间的正整数）下发泡后得到的泡沫的 发泡倍率为ai、泡沫半衰期为bp泡沫粘度为c i;
[0056] g(a)、g(b)、g(c)的值同时小于10%时的转速即为最佳转速；
[0057] 由于提高转速会增加使用成本，所以如果提高转速后各泡沫性能增幅小于10%， 那么就可以认为已经达到最佳搅拌速度。具体增幅比例见下表2 :
[0058] 表2不同搅拌速度下泡沫性能的增幅
[0059]
[0060] 由表2所示，当搅拌速度达到1000r/min后，各项泡沫性能增幅均小于10%。因此 搅拌速度设置为l〇〇〇r/min即可获得稳定性能的泡沫。
[0061] 实施例3
[0062] 利用机械搅拌发泡法制备泡沫时，发泡剂的量同样是非常重要的参数之一。将氧 化玉米淀粉与聚丙烯酸以10:1混合，加入水搅拌均匀至浆液浓度为10%，调浆后加入相当 于浆液质量为〇.5j% (j取1-10之间的正整数）的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机 械搅拌法在l〇〇〇r/min转速下对发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡 沫粘度；发泡剂的质量分数对泡沫性能的影响，结果如图3所示。
[0063] 发泡剂的质量分数由0. 5% -5%，每间隔0. 5%测量一次，发泡倍率、泡沫半衰期 与泡沫粘度，当搅拌速度达到某一值后，各项泡沫性能参数变化减小，表面泡沫性能受发泡 剂的质量分数的影响变小，趋于稳定。
[0064] 可以得到计算发泡倍率增幅h(a)、泡沫半衰期增幅h(b)、泡沫粘度增幅h(c)的公 式⑶：
[0065]
[0066] 式（3)中不同十二烷基硫酸钠浓度0.5j% (j取1-10之间的正整数）下发泡后得 到的泡沫的发泡倍率为\_、泡沫半衰期为泡沫粘度为Cj;
[0067] h(a)、h(b)、h(c)的值同时小于10%时的转速，那么就可以认为已经达到最佳发 泡剂的质量分数。具体增幅比例见下表3:
[0068] 表3不同发泡剂的质量分数的泡沫性能的增幅
[0069]
[0070] 由表3所示，当发泡剂的质量分数达到2%后，各项泡沫性能增幅均小于10%。因 此发泡剂的质量分数为2%即可获得稳定性能的泡沫。
[0071] 实施例4
[0072] 氧化淀粉与聚丙烯酸按照10:1混合，加入水搅拌所述的浆液浓度X，调浆后加入 相当于浆液质量为2%的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在lOOOr/min转 度下，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；测试结果如图 4所示。
[0073] 为直观地分析浆液浓度与泡沫性能各项参数的关系，将各项参数通过比重法无纲 量化处理后，利用Matlab软件通过最小二乘法分别拟合出浆液浓度与发泡倍率、泡沫半衰 期与泡沫粘度的函数（4)、函数（5)和函数（6):
[0074] f: (x) =-0.271n (x)+0.18 (R2=0.9528) (4)
[0075] f2(x)=99. 75xL65(R2=0.9317) (5)
[0076] f3(x) = 12. 44x+0. 32(R2=0.9824) (6)
[0077] 式中x为浆液浓度，(x)为发泡倍率，f2 (x)为泡沫半衰期，f3 (x)为泡沫粘度。
[0078] 本研宄属于多目标优化问题，所以本文提出了采用统一目标法，将各分目标函数 统一到一个新构成的总目标函数中，把多目标优化转化为单目标优化问题。采用理想点法 求出统一目标函数即式（7):
[0079]
[0080] 也就是说，统一目标函数f(x)取最小值时，各分目标函数越接近各自的最优值， 即此统一目标函数取最小值时，可求出优化问题的最优解。本方法首先需要分别求出各分 目标的最优值fi，对于本研宄中的三项泡沫性能参数，发泡倍率大表示机械发泡性能好；泡 沫半衰期是泡沫稳定性的重要指标，泡沫半衰期越大泡沫越稳定；泡沫粘度越大，渗透性能 越好。
[0081] 对于本研宄中各泡沫参数指标中最优值分别为f\= 1.35, f2= 1.99, f3= 1.63。 统一目标函数如下式（8):
[0082] f (x) =0.041n2(x)+0. 241n(x)+2513. 02x3-3°-100. 26xL62+58. 22xa-12. 21x+2. 01 (8)
[0083] 式中x取值范围为[0.01，0.10]，利用Matlab软件对目标函数进行优化，得出最 优解浆液浓度x = 0. 0930,统一目标函数f(x) = 0. 1815为最小值。结合泡沫浆纱生产实 践，浆液浓度为9%。
[0084] 上述实施例只是本发明的众多实施方式中的一部分，在利用控制变量法寻找某一 变量的最佳参数的时候，其余变量可以在一定范围内择一选取。
【主权项】
1. 一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，分别通过下述实验过程确定最佳发泡温 度、最佳转速、十二烷基硫酸钠的最佳浓度以及最佳发泡衆液浓度： ① 将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11):1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液质量 浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量〇. 5% -5%中任一质 量的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，将发泡原液在不同温度下采用罗氏泡沫法发泡，测试 其泡沫初始高度，三分钟泡沫高度与五分钟泡沫高度，建立以泡沫初始高度与同一温度不 同时间的泡沫高度的标准差为自变量、发泡能力为因变量的函数，然后通过目标函数分析 法获取最佳发泡温度；所述的函数如下式（1)所示： f = ah0r -(l-a)D (1) 式⑴中α分别（Oahhtl'为比重法无纲量化处理后的初始泡沫高度； f取最大值fmax时则表明对应的α在该温度下发泡原液的起泡能力与稳定性最好；fmax出现最多的温度为最佳温度。 ② 将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11):1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液质量 浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量〇. 5% -5%中任一重 量的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，得到的发泡原液利用机械搅拌法在200i r/min转速下 对发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；所述i为1-10之间的正 整数；可以得到计算发泡倍率增幅g(a)、泡沫半衰期增幅g(b)、泡沫粘度增幅g(c)的公式 (2)：式（2)中不同转速200i r/min下发泡后得到的泡沫的发泡倍率为％、泡沫半衰期为 4、泡沫粘度为ci; g(a)、g(b)、g(c)的值同时小于10%时的转速即为最佳转速。 ③ 将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11):1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液质量 浓度为1% -10%中任一浓度并加热调浆，调浆后加入相当于浆液质量为〇. 5j %的十二烷 基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在200-2000r/min中任一转速下对发泡原液进行 发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度；所述j为1-10之间的正整数；可以得到 计算发泡倍率增幅h (a)、泡沫半衰期增幅h(b)、泡沫粘度增幅h (c)的公式（3):式（3)中不同十二烷基硫酸钠浓度0.5j%下发泡后得到的泡沫的发泡倍率为h、泡沫 半衰期为bp泡沫粘度为Cj; h (a)、h(b)、h (c)的值同时小于10 %时的转速即为十二烷基硫酸钠的最佳浓度。 ④将氧化淀粉与聚丙烯酸按（9-11):1中任一比例混合，加入水搅拌均匀至浆液浓度 为X%并加热调浆，调浆后加入相对于浆液质量0. 5% -5%中任一质量的十二烷基硫酸钠 形成发泡原液，利用机械搅拌法在200-2000r/min中任一转速下对发泡原液进行发泡，分 别取X为1-10之间的正整数进行实验，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半 衰期与泡沫粘度； 将所得到的参数比重法无纲量化处理后，采用最小二乘法分别拟合出浆液浓度与发 泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度之间的函数关系式，采用理想点法各分目标函数统一到一 个新构成的总目标函数中，把多目标优化转化为单目标优化问题从而确定最佳发泡浆液浓 度。2. 根据权利要求1所述的一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，其特征在于，所 述实验④中氧化淀粉与聚丙烯酸按照10:1混合，加入水搅拌所述的浆液浓度X，调浆后加 入相当于衆液质量为2%的十二烷基硫酸钠形成发泡原液，利用机械搅拌法在1000r/min 转度下，测试发泡原液进行发泡，测试泡沫发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度； 将所得到的参数比重法无纲量化处理后，利用Matlab软件采用最小二乘法分别拟合 出浆液浓度与发泡倍率、泡沫半衰期与泡沫粘度之间的函数关系式；所述的浆液浓度与泡 沫半衰期的函数如下式（5)所示；所述的浆液浓度与泡沫粘度的函数如下式（6)所示； (X) =-0· 271n (X) +0· 18 (R2= 0· 9528) (4) f2(x) = 99. 75xL65(R2= 0. 9317) (5) f3(x) = 12. 44x+0. 32 (R2= 0. 9824) (6) 式中x为浆液浓度，(X)为发泡倍率，f2 (X)为泡沫半衰期，f3 (X)为泡沫粘度。 采用理想点法各分目标函数统一到一个新构成的总目标函数中，把多目标优化转化为 单目标优化问题从而确定最佳发泡浆液浓度，所述总目标函数如下式（8)所示 f (X) =0· 041η2(χ)+0· 241η(χ)+2513· 02x3 3CI-100. 26χ1 62+58· 22χ2-12· 21χ+2· 01(8)3. 根据权利要求1-2所述的优化方法得到的经纱上浆用浆泡的发泡方法，包括以下步 骤： a) 将氧化玉米淀粉与聚丙烯酸以10:1混合得到混合浆料； b) 加水稀释至混合浆料的浆液浓度为9% ; c) 搅拌均匀后加入十二烷基硫酸钠配制质量分数为2%的发泡原液； d) 将发泡原液利用机械搅拌法发泡，发泡温度为50°C，搅拌速度为lOOOr/min。
【专利摘要】本发明公开了一种优化经纱上浆用浆泡发泡参数的方法，利用单因素法分别建立发泡温度、转速、十二烷基硫酸钠的浓度以及发泡浆液浓度与浆液的发泡性能的函数关系，利用这些函数关系，分别找到最佳发泡温度、最佳转速、十二烷基硫酸钠的最佳浓度以及最佳发泡浆液浓度，上述方法代替经验法的粗略估计，为经纱上浆用浆泡的发泡工艺提供了依据。
【IPC分类】D06M15/263, D06M13/262, D06M15/11
【公开号】CN104894864
【申请号】CN201510292294
【发明人】高卫东, 朱博, 刘建立, 傅佳佳, 范雪荣, 刘立强, 张建祥, 刘子斌, 杜立新, 赵海涛
【申请人】江南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月1日
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