JHGT 2016.04, Vol.23, No.3(153-159) Journal of the Hwa Gang Textile 華岡紡織期刊 第二十三卷 第三期 ISSN 1025-9678 http://www.jhgt.org.tw/manuscript/pdf/jhgt-23.3(153-159)(2016-04).pdf

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應用田口實驗法於界面活性劑與分散染料水溶液參數之探討 Application of Taguchi Method to Explore Parameters of Surfactant and the Solution of Disperse Dye

劉紓妤 1，黃奕誠 2，賴秋君 1

S. Y. Liu1, Y. C. Huang2, C. C. Lai1 1中國文化大學紡織工程學系

2中國文化大學化學工程與材料工程學系奈米材料 1Department of Textile Engineering, Chinese Culture University

2Institute of Nanomaterials, Chinese Culture University

賴秋君:candy.lcc@gmail.com

摘要

本實驗利用田口實驗規劃法， 來探討界面活性劑在不同參數設定下包括， 界面活性劑不同親水

基鏈長， 界面活性劑濃度以及界面活性劑型態， 透過染料相互作用之實驗， 並利用 L9直交表

計算出 S/N比， 計算出因子反應表及因子反應圖， 期望用最少的實驗次數， 找出分散染料在染

液中的最佳化條件， 最後為了要驗證此最佳化條件在染著方面與染料粒徑分佈方面為效果最好

之組合， 會利用最佳化條件來實驗， 皆以 I組合(親水基鏈長為 15， 界面活性劑濃度 0.15wt%，

界面活性劑結構為單分子型態)為最佳染著效果與最佳粒徑分佈

關鍵字：田口實驗法、界面活性劑、最佳化條件

ABSTRACT

In this study, Taguchi experiment planning method to investigate the surfactant at different parameter

settings include: surfactants of different hydrophilic group chain length, concentration, and surfactant

types, through the interaction of the dye experiment and use L9 orthogonal table calculation the S/N

ratio, to calculate the factor reaction table, it is desirable to use the least number of experiments to find

the best conditions in the disperse bath. Finally, in order to verify the best conditions in terms of

distribution of dye-stained particle size and the combination of the best results, take advantage of the

best conditions to experiment, I begin with a combination of (hydrophilic group chain length of 15,

surfactants concentration of 0.15wt%, surfactant structure monomolecular patterns) for optimum effect

dyed with optimum particle size distribution.

Keyword: Taguchi Experiment Method, Surfactant, Best Condition

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前言

在紡織染色過程中，有許多變因會影響染色結果，

例如：溫度、時間、染浴 pH值、界面活性劑濃度等，

因此利用田口法簡化實驗流程。界面活性劑的濃度較

低時，容易吸附於溶液的表面或界面，改變溶液系統的

自由能使其具有降低表面張力的能力，產生分散、乳

化、滲透、泡沫及濕潤等界面性質。傳統型的界面活性

劑的分子結構當中同時含有親水基(hydrophilic group)

和疏水基(hydr-ophobic group)兩種結構。以界面活性劑

的溶解性來區分可分為：(1)水溶性界面活性劑(2)油性

界面活性劑。以界面活性劑親水基團構造不同可分為：

(1)非離子型界面活性劑(2)陰離子型界面活性劑(3)陽

離子型界面活性劑(4)兩性界面活性劑。

Gemini界面活性劑的分子結構當中含有兩個親水

基及兩個疏水基，此結構的界面活性劑比傳統型界面

活性劑具有更低的表面張力與更佳的界面性質[1]。

圖 1 Gemini界面活性劑之構造

而隨著高科技產業的發達和所製成產品越來越複

雜精密，所以當同一產品或是製造過程同時需要考慮

的品質特性越來越多時，產品的最佳參數組合變得很

難判斷。尤其是製造過程中參數的搭配，是需要很多的

實驗，才能找出最符合產品規格要求或參數條件，但實

驗次數越多，相對的成本越高。在工程設計最佳化的方

法當中，田口玄一博士在 1949年所提出的田口法在各

個產業界最為廣泛使用[2]。

以實驗來決定參數的設定，是根據控制因子及其

水準的數目選用適當的直交表，目的在減少試驗的次

數，同時又可以找到產品變異小的設計或製成，使得產

品在大量生產上市後,使品均損失成本為最低，維持穩

定性。

理論

田口實驗規劃法

田口玄一博士在 1950年代開發倡導，是一種透過

實驗設計進行系統參數最佳化的方法，因為利用直交

表來蒐集資料，可以已較少的實驗次數來獲得可靠的

因子效果估計量。

田口方法特點

以較少的實驗組合，取得有用的數據，用少數

實驗有效達到最佳化條件。田口方法有以下特點：

(1)基於品質損失函數之品質特性、(2)實驗因子的

定義與選擇、(3)田口直交表、(4) S/N比。

直交表的符號定義

表 1 L9(33)直交表的配置

No. A B C

1 1 1 1

2 1 2 2

3 1 3 3

4 2 1 2

5 2 2 3

6 2 3 1

7 3 1 3

8 3 2 1

9 3 3 2

經 L9直交表，如表 1所示，共分九組實驗，

並開始進行每一組實驗的各三次測量實驗數值，在

實驗當中品質設定有理想值，此理想機能稱為「望

目」，因參數設定的不同及應用目的不同，望大及

望小都有不同的結果。而品質特性可分為三種形式：

(1). 望目型：品質特性逼近目標值 m。

(2). 望小型：品質特性越小越好，目標值 m=0

(3). 望大型：品質特性越大越好，相當於求 1/y望

小型特性[3]。

實驗

材料

(1). 單分子界面活性劑

C18H37O(CH2CH2O)n

La(bc)

水準值

行數

列數(實驗次數)

表示直交表

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n=15、20、30

(2). 雙分子界面活性劑

n=15、20、30

(3). 陰離子型雙分子界面活性劑

n=15、20、30

(4). 無水酒精(99.5% 第一化工)

C2H5OH

(5). 冰醋酸(Acetic Acid，99%)

CH3COOH

(6). 分散染料 C.I. Disperse Blue 56

儀器

(1). 均質機(Ultra Turrax T25 Homogenizer)

(2). 精密電子秤(宏敦有限公司,Denner instrument, SI-

234)

(3). 數字型溫度計 (Digital Thermometer, CIE 302K,

Taiwan)

(4). 電動攪拌反應機(Eyela Z-1200) (Tokyo Rikakikai

Co. LTD, Japan)

(5). 紫 外 線 - 可 見 光 吸 收 光 譜 儀 (Ultra-Violet

Spectrometer, Cary100)(Varian Technologies Co.

LTD, USA)

(6). 高溫高壓染色機(laboratory dyeing machine，Rapid)

(7). 循環式熱風烘箱(service-hotline，BINDER)

(8). 分光測色儀(spectroscope，x-rite 8200)

(9). 粒徑分析儀(Microtrac S3000型)

方法

(1) 田口實驗方法參數設定

要設計一組製程，並觀察干擾因子對品質特性

的影響，目的是要決定各控制因子的水準，使得品

質特性的平均值達到目標值，而且不良品越少越好，

亦即變異越少越好。

本研究所設定之三個控制因子包括:(1)親水基

鏈長(2)界面活性劑濃度(3)分子型態，如表 2 參數

設定[4-6]。

表 2田口方法參數設定

A.親水基鏈長

(length)

B.界面活性劑

濃度(wt%) C.分子形態

(1)15 (1)0.05 (1)單分子

(2)20 (2)0.10 (2)雙分子

(3)30 (3)0.15 (3)陰離子型雙分子

(2) L9直交表

接著再使用 L9直交表，如表 2所示，共分九

組實驗，並開始進行每一組實驗的各三次測量實驗

數值，在實驗當中品質設定有理想值，此理想機能

稱為「望目」，因參數設定不同及應用目的不同，

望大及望小都有不同的結果。而品質特性可分為三

種形式：望目型：品質特性逼近目標值 m。望小型：

品質特性越小越好，目標值 m=0。望大型：品質特

性越大越好，相當於求 1/y望小型特性。

(3) 染料相互作用

配置三種濃度的產物溶液，0.05%、0.1%、

0.15%。再精秤染料，配置染料溶液，所使用的染

料為 C.I. Direct Blue 56，濃度為 0.003%。取染液與

產物溶液充分混合，來測試其吸收波鋒之變化。

(4) S/N比

將實驗所得的數據代入田口品質特性公式，來

計算出 S/N 比值，本實驗研究是選擇望大型公式，

如公式(1)。

(1)

S/N 比利用 L9 直交表進行分析和評估，求出

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各組的變異係數對於實驗的結果所造成的效益。

步驟

結果與討論

染料相互作用

在染色過程的染浴當中常需要加入界面活性劑，

因為要與染料間具有親和力，產生相互作用，而形成所

謂的複合體(complex)，複合體之形成會改變染料及界

面活性劑溶液之光譜吸收特性。

染料與界面活性劑會有溶解及解凝集現象，因此

使吸光度上升，界面活性劑濃度越高，吸光度增加，其

波峰越高，是因為形成的複合體與微胞數目增多，使溶

解現象提升，吸光度上升。

400 500 600 700 800

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

Ab

so

rba

nce

Wavelength(nm)

Dye:4.92x10-7

A:Blank

B:2.01x10-6

C:4.52x10-6

D:8.04x10-6

E:1.25x10-6

AB

C

E

D

圖 2 C.I.Disperse Blue 56與 No.1之相作用

S/N 比計算

將每一組實驗所計算求得的 MSD 值 (Mean

Square Deviation 均方偏差)代入公式(1)求取 S/N 信號

雑訊比，比值最大者即為第一次實驗最佳的參數條

件之組合。

利用 L9直交表計算每一個控制因子在不同變

動水準下的 S/N 比值之平均值，選取各控制因子

所設計的變動水準之 S/N 比平均值越大者，為各

控制因子所設計的變動水準之最佳水準，即可知本

研究之最佳化實驗條件[7]。依直交表完成 9 次實

驗後，進行 3次實驗並計如於表 3，得到各個實驗

的 S/N比後，再計算各個控制因子的主效果與繪出

因子反應圖，分別顯示於表 4及圖 3。

表 3 因子分配圖和實驗數據

表 4 S/N比控制因子反應表

A B C

Level 1 -9.285705 -10.127 -9.60365

Level 2 -10.0026 -9.83585 -9.84395

Level 3 -10.32836 -9.65378 -10.1691

圖 3 S/N比控制因子反應圖

因子效應

所有因子水準的組合均會在實驗中出現，因子

或水準愈多，所需要的實驗愈多，花費的時間、精

力或成本也會愈多，可行性和效率愈低，擁有水準

設定參數

製作直交表

染料相互作用

S/N比

最佳化條件

驗證實驗

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的 3 個因子，共有 9 個實驗組合。一個因子的變動會

對 S/N產生顯著的影響時，稱為重要因子，如表 5。

表 5 數據反應表

No. A B C S/N

1 (1) (1) (1) -9.02043

2 (1) (2) (2) -9.64955

3 (1) (3) (3) -9.18714

4 (2) (1) (2) -10.0522

5 (2) (2) (3) -10.0115

6 (2) (3) (1) -9.94407

7 (3) (1) (3) -11.3085

8 (3) (2) (1) -9.84646

9 (3) (3) (2) -9.83012

最佳化條件

因子效應是獨立的，依據反應分析的結果來決定

某一因子的最佳值時，設定它並不受其因子的設定值

而不同。將各因子的各個水準計算的平均值，製作成回

應表，目的是為了要找出因子的水準中最具大的回應

值，作為確認實驗的製程最佳參數組合，回應值的計算

[8]。依計算出最佳條件數據，繪出反應圖，目的是來

決定因子的重性，可觀察到最佳化條件為 A1(親水基

鏈長 15)、B3(界面活性劑濃度 0.15 wt%)、C1(單分子

型態)。

確認實驗

預測原始設計及最佳化設計的 S/N 比，在預測原

始設計及最佳化設計的 S/N 比來計算，比預測值及實

驗值，若足夠的接近，則結論是可靠的。

經由 S/N 回應圖與變異分析表中得知，可推估出

最佳組合 A1、B3、C1，實驗結果如圖 2。其 9組實驗

S/N比之總平均值為-9.87222 dB，計算過程如下。

�̅� = ∑ 𝜼𝒊

𝟗

𝒊=𝟏

=𝟏

𝟗[(−𝟗. 𝟎𝟐𝟎𝟒𝟑) + (−𝟗. 𝟔𝟒𝟗𝟓𝟓)

+ ( −𝟗. 𝟏𝟖𝟕𝟏𝟒) + (−𝟏𝟎. 𝟎𝟓𝟐𝟐)+ (−𝟏𝟎. 𝟎𝟏𝟏𝟓) + (−𝟗. 𝟗𝟒𝟒𝟎𝟕)+ (−𝟏𝟏. 𝟑𝟎𝟖𝟓) + (−𝟗. 𝟖𝟒𝟔𝟒𝟔)+ (−𝟗. 𝟖𝟑𝟎𝟏𝟐)] = −𝟗. 𝟖𝟕𝟐𝟐𝟐

利用加法模式預測在最佳條件下 S/N 比為 -

8.798735 dB，計算過程如下。

�̂�𝐍 = 𝐓 + (𝐀𝟏 − 𝐓) + (𝐁𝟑 − 𝐓) + (𝐂𝟏 − 𝐓)= 𝐀𝟏 + 𝐁𝟑 + 𝐂𝟏 − 𝟐𝐓= (−𝟗. 𝟐𝟖𝟓𝟕𝟎𝟓) + (−𝟗. 𝟔𝟓𝟑𝟕𝟖)+ (−𝟗. 𝟔𝟎𝟑𝟔𝟓) − 𝟐(−𝟗. 𝟖𝟕𝟐𝟐𝟐)= −𝟖. 𝟕𝟗𝟖𝟕𝟑𝟓

以加法模式預測之 S/N值轉換回 y值，y=(10-

0.8798735)0.5=0.36313

而以最佳條件(A1，B3，C1)進行三次確認實驗，

確認實驗之 S/N比為-9.125466 dB，計算確認實驗

之期望平均值如下：

𝐶𝐼 = √𝐹𝛼;1,𝑉2× 𝑀𝑆𝐸 × [

1

𝑛𝑒𝑓𝑓+

1

𝑟]

= √0.7533 × 0.5675 × [1

2+

1

3]

= 0.5969

可推確認實驗之期望 S/N 比在 95%信賴區間

中 為 ： -8.798735±0.5969 dB ， 即 -9.798735 ＜

μcomfirmation＜-8.201835 dB，而確認實驗所得之

μcomfirmation為-9.125466 dB。

綜合以上結果，確認實驗之 S/N 比(-9.125466

dB)落在信賴區間之中，表示因子效果具有再現性，

代表此實驗結果具有信賴度。

最佳化條件之實驗確認

本實驗找出的最佳化條件為 A1(親水基鏈長

15)、B3(界面活性劑濃度 0.15 wt%)、C1(單分子型

態)，並用此最佳化條件去做兩個確認實驗。為了要

驗證此最佳化條件在染著方面和染料粒徑分佈為

效果最好之組合，分別兩個實驗都要進行兩組實驗

共六次，如表 6。

表 6最佳化條件之確認實驗分組表

組 次 親水基鏈長 濃度(wt%) 分子形態

一 I 15 0.15 單分子

II 15 0.15 雙分子

III 15 0.15 陰離子型雙分子

二 I 15 0.15 單分子

II 20 0.15 單分子

III 30 0.15 單分子

(1)分散染料染色

當界面活性劑加入分散染料會具有良好的分

散效果，其原因是由於助劑的添加內部疏水基部分

會使染液內的染料形成複合體，使染料粒子變大，

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其運動緩慢，再藉由親水基部分將染料分散在染液中，

防止染料粒子再次凝集，因此對染色具有緩染效果[4]。

固定界面活性劑親水基鏈長為 15，界面活性劑濃

度為 0.15 wt%，只改變界面活性劑的三種分子型態(單

分子、雙分子、陰離子型雙分子)，進行三次實驗，如

圖 4，可看出皆有緩染效果，以 I組合(15、0.15 wt%、

單分子)為效果最佳。改變界面活性劑的三種親水基鏈

長(15、20、30)，固定界面活性劑濃度為 0.15 wt%，界

面活性劑的分子型態為單分子，進行三次實驗，如圖 5，

可看出皆有緩染效果，以 I 組合(15、0.15 wt%、單分

子)為效果最佳。

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

K/S

temperature(C)* time(mins)

Blank

I

II

III

70 90 110 130 130*15 130*30

圖 4 改變界面活性劑分子結構之染著曲線圖

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

K/S

temperature(C)* time(mins)

Blank

I

II

III

70 90 110 130 130*15 130*30

圖 5 改變界面活性劑親水基鏈長之染著曲線圖

(2)染料粒徑分佈

界面活性劑疏水基包覆染料粒子，使外圍親水基

因與水產生水合作，用而延伸至液相中形成立體障礙，

避免染料粒子再次凝集，因而增進染料粒子在水中之

分散性，造成粒徑越小且分佈越窄，也其表示安定性較

佳。

固定界面活性劑親水基鏈長為 15，界面活性劑濃

度為 0.15 wt%，只改變界面活性劑的三種分子型態

(單分子、雙分子、陰離子型雙分子)，進行三次實

驗，由圖 6，可看出以 I組合(15、0.15 wt%、單分

子)之粒徑最小且分佈最窄。改變界面活性劑的三

種親水基鏈長(15、20、30)，固定界面活性劑濃度

為 0.15 wt%，界面活性劑的分子型態為單分子，進

行三次實驗，由圖 7，可看出以 I組合(15、0.15 wt%、

單分子) 之粒徑最小且分佈最窄。

綜合以上結果，代表其利用最佳化條件來做分

散染料染色以及染料粒徑分佈之驗證實驗，皆以最

佳化條件(15、0.15 wt%、單分子)為最佳。

0.01 0.1 1 10

0

2

4

6

8

10

12

14

Vo

lum

e(%

)

Diameter(m)

I

II

III

I

III

II

圖 6 改變界面活性劑分子結構之粒徑大小分佈

0.1 1 10

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Vo

lum

e(%

)

Diameter(m)

I

II

III

I

III

II

圖 7 改變界面活性劑親水基鏈長之粒徑大小分佈

結論

1. 界面活性劑與分散染料產生相互作用，會有

溶解及解凝集現象，因此使吸光度上升，界面

活性劑的濃度越高，吸光度增加，其波峰越高，

是因為形成的複合體與微胞數目增加，使溶

解現象提升，吸光度上升。

2. 經由田口式實驗規劃得到界面活性劑對分散

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染料的最佳參數，實驗參數規劃以三個參數值:界

面活性劑之親水基鏈長度、界面活性劑濃度、分

子型態，此三項參數為影響分散染料的重要參數，

利用最佳參數製備的界面活性劑(親水基鏈長 15、

界面活性劑濃度 0.15 wt%、單分子型態)，確實可

得染料隨濃度越高，峰越高，而吸收值增加。

3. 實驗的結果 S/N比落在 95%信賴區間中，代表因

子選擇是適合的，且實驗的結果出現再現性，更

驗證了此實驗是具有可靠性。

4. 由分散染料染色實驗的結果可看出具有緩染效

果，以 I組合(親水基鏈長為 15、界面活性劑濃度

0.15wt%、界面活性劑結構為單分子型態)為最佳

染著效果。

5. 由染料粒徑分佈實驗的結果，可看出以 I組合(親

水基鏈長為 15、界面活性劑濃度 0.15wt%、界面

活性劑結構為單分子型態) 之粒徑最小且分佈最

窄。在面對不同的應用需求時，得立即由資料庫

得到最適當的參數設定。

參考文獻

1. 趙承琛，界面科學基礎，復文圖書有限公司，

30-49 (1997)。

2. 張明毅，田口方法簡介，宜蘭大學生物機電

工程系(2003)。

3. 李輝煌，田口方法: 品質設計的原理與實

務，高立圖書有限公司，1-41 (2013)。

4. 黃奕誠，連結基陰離子化對雙分子界面活性

劑的影響，碩士論文，中國文化大學紡織工

程學系(2014)。

5. 董泯言，多親水基 Gemini 型界面活性劑之

製備及性質研究，碩士論文，國立台灣科技

大學高分子工程研究所，台北，中華民國

(2008)。

6. Te-Li Su, Chiu-Chun Lai, Pi-Chen Tsai,

Interactions and Solubilization of Disperse Dye

with Modified Gemini Surfactants:

Investigation Using the Taguchi Method, 369,

(2011).

7. 柳孟瑤，田口法設定界面活性劑與奈米粒子

水溶液之最佳分散性，學士論文，中國文化

大學紡織工程學系(2014)。

8. 戴國政、蔡易儒、樓靜文、林敬文、陳冠

群、林佳弘，PET/PU複合板材之備製技術

及其性能評估，華岡紡織期刊，頁 314-

323，(2006.09)。