織物多方向彎曲性能測試新方法

劉成霞，張亞琦

(1.浙江理工大學 服裝數(shù)字化技術(shù)浙江省工程實驗室，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學 服裝學院，浙江 杭州 310018；3.浙江理工大學 絲綢文化傳承與產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字化技術(shù)文化和旅游部重點實驗室，浙江 杭州 310018)

織物的彎曲性能是直接影響服裝手感、造型風格和成衣質(zhì)量的重要屬性，易彎曲的織物通常手感柔軟，適合做成貼身衣物；不易彎曲的織物通常手感硬挺，適合做成正裝，且制成的服裝挺括有型。由于織物彎曲性能對服裝造型有重要影響，科研人員對其測量方法進行了大量研究[1-2]。Peirce[3]首次提出了用彎曲懸臂梁模型分析織物的彎曲性能。針對懸臂梁模型的不足，Grosberg[4-5]提出了織物彎曲摩擦力偶模型。而后又有其他學者相繼提出新的彎曲性能測試方法，如蝴蝶結(jié)法[6]、圓環(huán)法[7]、水滴法[8]、十字交叉法[9-10]等。此外，還有心形法、梨形法、馬鞍法、噴嘴法、壓刀法、圓環(huán)法、圈狀法、純彎曲法等。

目前，織物彎曲性能測試方法中，利用一塊試樣只能得到織物某個方向的彎曲性能，而織物具有各向異性，即織物每個絲縷方向的彎曲性能都各不相同，因此，要全面表征織物多方向的彎曲性能，就需要裁剪多塊不同方向的試樣，進行多次測試。另一方面，由于織物是由長短、粗細等不同性狀的纖維組合而成的，即使同一方向的測試結(jié)果也存在不穩(wěn)定性，因此，要得到織物同一方向的彎曲性能也要進行多次檢測以減小誤差。所以整個測試過程需要花費大量時間，效率較低。為此，本文嘗試探索一種能同時測試織物多方向彎曲性能，每個方向可同時得到多組結(jié)果，且能使結(jié)果可視化的米字形試樣檢測方法，以期為紡織品檢測領(lǐng)域提供新手段。

1 實驗部分

1.1 試樣選取

選取市場上常見的20種機織物，具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 織物規(guī)格參數(shù)表

為與目前通用的斜面懸臂梁法所得結(jié)果進行對比，參照GB/T 18318—2001《紡織品 織物彎曲長度的測定》，用YG(B)022 D型全自動織物硬挺儀測試表1中20塊織物的0°(經(jīng)向)、90°(緯向)、45°和135°的彎曲長度(mm)。盡管國標中規(guī)定測試織物經(jīng)、緯2個方向的彎曲長度，但由于織物具有各向異性，為使研究更科學嚴謹，增加了45°和135°。

1.2 測試方法

1.2.1 試樣形狀及規(guī)格

傳統(tǒng)的斜面懸臂梁法及其他文獻中采用的方法基本上都采用長方形試樣，將其按照某一所需方向裁剪，如經(jīng)向、緯向等進行測試。本文將試樣裁剪成米字形，如圖1所示。

圖1 試樣形狀

由圖1可知，該試樣包含經(jīng)(0°)、緯(90°)、45°和135°共4個方向，且每個方向有2條試樣。8條試樣的長為4.5 cm，寬為1.2 cm，即試樣中心是邊長為1.2 cm的正八邊形。

1.2.2 測試裝置及原理

本文所用測試裝置如圖2所示。將米字形試樣置于正八邊形臺柱(其上表面形狀、尺寸與米字形試樣的正八邊形完全相同)上，且試樣上表面設(shè)有為防止試樣滑動的重物(質(zhì)量為5 g)，重物上放有作為參照物的1 cm×1 cm正方形紙，用于后續(xù)計算。

圖2 測試裝置

將米字形試樣置于正八邊形臺柱上后，其8個試樣條會因重力作用自然下垂，絲縷不同下垂程度也不同，且會形成不同的投影形狀。在試樣正上方設(shè)置用三角架固定的相機捕捉這一投影形態(tài)。該方法可實現(xiàn)用1塊試樣同時測試不同方向織物彎曲性能的目的，且每個方向有2組測試結(jié)果，起到傳統(tǒng)方法測試8次的效果。

1.2.3 實驗流程

1)將20種織物裁剪成如圖1所示的米字形試樣，并標明絲縷方向，每種織物各準備5塊平行試樣。

2)將裁剪好的試樣在標準大氣環(huán)境中靜置 24 h，且所有實驗均在標準大氣環(huán)境中進行。

3)將試樣置于正八邊形臺柱上(臺柱置于背景紙上)，其上方放置定位用的重物，重物上再放置用作參照物的1 cm×1 cm正方形紙。為便于后續(xù)圖像處理和特征提取，背景紙和參照紙的顏色隨待測試樣而改變，如待測試樣為深色，則背景紙和參照紙用白色，反之則背景紙和參照紙用黑色。

4)實驗臺搭建好30 s(經(jīng)實驗驗證30 s后試樣漸趨穩(wěn)定)后，從正上方拍攝彎曲后的米字形織物形態(tài)，如圖3(a)所示?？芍?，不同方向的試樣條受重力作用后的彎曲形態(tài)截然不同。

圖3 預處理前后下垂的織物試樣形態(tài)

1.2.4 圖像處理及指標提取

由于1 cm×1 cm參照紙與重物及試樣中間的八邊形可能對后續(xù)指標提取造成影響，先用Photoshop的鋼筆工具將圖3(a)中的試樣八邊形與1 cm×1 cm 參照紙之間的部分填充成與背景相同的顏色，所得結(jié)果如圖3(b)所示。

利用MatLab對預處理后的圖3(b)中的圖像進行灰度化、二值化、形態(tài)學等處理，并求出8個試樣條的投影面積和投影長度，以及參照紙的邊長和面積(均以像素為單位)。最后利用實際尺寸為1 cm×1 cm的正方紙作為參照物，計算得到8個試樣條的實際面積(即投影面積, 以cm2為單位)和實際長度(即投影長度，以cm為單位)，并將投影面積和投影長度作為新指標。由圖3可看出，投影面積和投影長度越小的織物，其彎曲性能越好，相反越硬挺的織物越不易彎曲，因而投影面積和投影長度越大。

2 結(jié)果與討論

傳統(tǒng)斜面懸臂梁法測試的彎曲長度，以及本文方法測得的投影長度和投影面積如表2所示。可粗略看出，不管是本文方法還是傳統(tǒng)方法，織物經(jīng)向、緯向和正斜絲方向的彎曲性能均有很大差異。

表2 織物彎曲性能測試結(jié)果

2.1 2種方法各指標間的相關(guān)性

為進一步探究傳統(tǒng)方法與本文方法所得結(jié)果是否具有良好的相關(guān)性，將表1中20塊試樣0°、90°、45°和135°的投影長度和投影面積，與傳統(tǒng)方法測得的彎曲長度進行相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示。

表3顯示，無論是0°、90°，還是45°和135°，投影長度和投影面積與彎曲長度在0.01的顯著水平上都具有高度正相關(guān)關(guān)系。除135°的投影面積外，其余角度的測試指標與彎曲長度的相關(guān)系數(shù)均大于0.9。說明本文方法具有較好的可行性，可用1塊試樣同時表征4個方向的彎曲性能。

究其原因，本文方法和傳統(tǒng)方法的測試原理都是利用自身重力使織物自然下垂并彎曲，且彎曲長度越大(即越硬挺)的織物，利用本文方法測試時的投影長度和投影面積也越大。這是因為越硬挺的織物，越不易受外力影響而變形，即受重力彎曲變形后的投影形狀與原始形狀越接近。

從表3還可看出，織物0°的彎曲長度與90°的投影長度或投影面積的相關(guān)系數(shù)極低(分別為0.026和0.035)，且90°的彎曲長度與0°的投影長度或投影面積的相關(guān)系數(shù)也極低(分別為0.113和0.107)；0°(或90°)的彎曲長度與45°(或135°)的投影長度(或投影面積)具有較好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)介于0.4～0.6之間)；此外45°的彎曲長度與135°的投影長度(或投影面積)或135°的彎曲長度與45°的投影長度(或投影面積)具有更好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)介于0.6～0.8之間)。說明機織物彎曲性能確實具有明顯各向異性，現(xiàn)有GB/T 18318—2001 中規(guī)定僅用經(jīng)緯向的彎曲性能代表整塊織物具有較大的片面性。而本文方法包含4個不同的方向，可克服這一不足。

表3 2種方法各指標間的相關(guān)性

2.2 投影長度與彎曲長度的關(guān)系

為探尋共性規(guī)律，將20塊試樣，每塊試樣4個方向，共80個彎曲長度與投影長度進行回歸分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 投影長度與彎曲長度的關(guān)系

圖4顯示，彎曲長度與投影長度呈正相關(guān)關(guān)系，關(guān)系式為

Y=11.138X1+5.505 63，R2= 0.891(R≈ 0.95)

式中：X1為投影長度，cm；Y為傳統(tǒng)方法中的彎曲長度，mm。即彎曲長度越大的織物，用本文方法測試時的投影面積越大。

2.3 投影面積與彎曲長度的關(guān)系

圖5示出彎曲長度與投影面積的關(guān)系?？芍咭渤收嚓P(guān)關(guān)系，具體關(guān)系式為

圖5 投影面積與彎曲長度的關(guān)系

Y= 4.588 6X2+11.161，R2= 0.899 8(R≈ 0.95)

式中，X2為投影面積，cm2。即彎曲長度越大的織物，用本文方法測試時的投影面積越大。

綜合圖4和圖5可知，投影長度和投影面積與彎曲長度的相關(guān)性幾乎一樣。這是因為試樣條寬度均為1.2 cm。為簡便起見，可用投影長度作為本文方法的評價指標。

2.4 本文方法的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)方法相比，本文方法具有以下優(yōu)勢：1)可同時求得4個方向的彎曲性能，效率更高；2)每個方向有2條試樣，可對其求平均值以減小誤差，精度更高；3)4個方向的測試結(jié)果可同時顯示，實現(xiàn)彎曲各向異性可視化；4)每個方向2組測試結(jié)果可體現(xiàn)織物彎曲穩(wěn)定性。由于篇幅有限，以幾個有代表性的織物形態(tài)為例說明后2個優(yōu)勢，如圖6所示。

圖6 不同織物的投影形態(tài)

由圖6可看出：1#織物經(jīng)向硬挺，斜向其次，緯向柔軟，各向異性較明顯；10#織物經(jīng)緯向均硬挺，斜向較柔軟，各向異性不明顯；13#織物各方向都很柔軟，各向異性不明顯；15#織物經(jīng)向硬挺，緯向和斜向均柔軟，各向異性非常明顯；17#織物緯向硬挺，經(jīng)向和斜向較柔軟，具有一定的各向異性；19#織物緯向硬挺，經(jīng)向其次，經(jīng)緯向差別不大，斜向柔軟，各向異性明顯。

除可清晰表明同一塊織物不同方向的彎曲性能差異，本文方法還可用于比較不同織物整體的彎曲性能，如圖6中最柔軟的是13#織物，最硬挺的是10#織物。此外還可比較同一織物相同方向下，2塊試樣的結(jié)果差異，如17#織物45°的2塊試樣具有較大差異，說明該方向測試穩(wěn)定性較低。

雖然圖6測試結(jié)果均可用表2的數(shù)據(jù)體現(xiàn)，但數(shù)值遠不如圖像直觀，因此，本文方法不僅可提高測試效率，節(jié)約檢測時間，最大優(yōu)勢在于將織物彎曲各向異性和織物間差異可視化，使研究人員和設(shè)計師一目了然，更利于合理選材。

3 結(jié) 論

針對目前織物彎曲性能測試方法的不足，提出了利用1塊試樣得到織物多方向彎曲性能的測試方法，經(jīng)20塊織物的驗證得出如下結(jié)論。

1)投影長度、投影面積均與彎曲長度具有較高的相關(guān)性，說明本文方法具有良好的可行性；二者與彎曲長度的相關(guān)性幾乎一樣，為簡便起見，可用投影長度作為本文方法的指標。

2)本文方法用1塊試樣，就可以同時求得4個方向的測試結(jié)果，比傳統(tǒng)方法更高效。本文方法還具有傳統(tǒng)方法沒有的優(yōu)勢：可將織物彎曲各向異性可視化，同時還能在一個圖像上體現(xiàn)試樣任意一個方向的測試穩(wěn)定性。