基于浮長(zhǎng)線分析組織變化與織物厚度的關(guān)系

黃錦波，李啟正，葛彩虹，范麗霞，張紅霞

(浙江理工大學(xué) a.材料與紡織學(xué)院;b.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.雜志社，杭州310018)

在服用織物的生產(chǎn)織造過(guò)程中，厚度是重要指標(biāo)之一。它直接影響著織物的外觀、手感及保暖性能，同時(shí)也會(huì)造成某些織物物理機(jī)械性能的改變［1-2］。依據(jù)客戶對(duì)產(chǎn)品要求的不同，織造工藝有所差別，織物的厚度會(huì)發(fā)生變化。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中織物組織的變化同樣也會(huì)對(duì)厚度產(chǎn)生影響。合理調(diào)配經(jīng)緯密度及組織可以達(dá)到節(jié)約原料降低成本的目的，因此，本研究擬對(duì)組織結(jié)構(gòu)對(duì)織物厚度的影響展開(kāi)探討。

織物厚度的影響因素很復(fù)雜［3］，很難做到系統(tǒng)的描述和預(yù)測(cè)，Peirce最早利用幾何學(xué)的方法對(duì)機(jī)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述［4-5］?？椢锝Y(jié)構(gòu)即為織物中經(jīng)、緯紗線交織的空間形態(tài)結(jié)構(gòu)。因其描述結(jié)構(gòu)模型對(duì)紗線的性能都有特殊的要求，難以應(yīng)用于實(shí)際織物厚度的測(cè)試。而后人們利用織物的結(jié)構(gòu)相對(duì)織物幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這是近代比較常用的方法。但因其假設(shè)的紗線是不可壓縮與變形的圓柱體，同樣無(wú)法對(duì)織物的厚度做出合理的分析［6-7］。本研究避開(kāi)了經(jīng)緯紗交織而造成的紗線形態(tài)的不可預(yù)測(cè)性，從織物交織點(diǎn)對(duì)浮長(zhǎng)的控制著手，對(duì)單位面積內(nèi)織物組織交叉點(diǎn)數(shù)的不同而帶來(lái)的厚度變化進(jìn)行理論分析和探究。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

所選試樣皆是以98.4 dtex×2(60S/2)棉紗為經(jīng)紗，184.5 dtex(32S)咖啡色滌綸短纖紗為緯紗?？椩鞕C(jī)上經(jīng)密為 400根/10 cm，機(jī)上緯密為 320根/10 cm。試樣織造張力設(shè)定一致，制得了組織不同的4塊樣品。試樣組織結(jié)構(gòu)分別為平紋斜紋和五枚緞紋。

1.2 厚度測(cè)試

試樣均在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(65±2)%的條件下進(jìn)行厚度和顯微鏡浮長(zhǎng)測(cè)試。

織物厚度測(cè)試參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》進(jìn)行。試驗(yàn)儀器選用YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀。測(cè)試時(shí)加壓壓力為1 kPa，加壓時(shí)間為10 s，通過(guò)多次測(cè)量獲得織物的厚度平均值。

1.3 紗線直徑與浮長(zhǎng)測(cè)定

織物中經(jīng)緯紗線直徑與浮長(zhǎng)測(cè)試試驗(yàn)選用Leicam165c顯微鏡，采集在計(jì)算機(jī)上觀察到的一定放大倍數(shù)下的紗線圖像［8］，觀察試樣經(jīng)緯紗交織規(guī)律和經(jīng)緯紗直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物厚度測(cè)試

厚度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同組織結(jié)構(gòu)的織物試樣Tab.1 Fabric samples with different weaves

在原料與加工工藝相同的情況下，織物的組織變化直接影響著織物的厚度。如表1所示，組織為平紋的織物厚度僅0.37 mm，而隨著織物交織點(diǎn)數(shù)的減少，織物的厚度也逐漸遞增。當(dāng)織物為五枚緞紋時(shí)，織物的厚度達(dá)到了0.47 mm。這是因?yàn)榻M織的變化，直接對(duì)單位面積內(nèi)織物的交織點(diǎn)數(shù)量產(chǎn)生了影響。平紋組織單位面積內(nèi)交織點(diǎn)個(gè)數(shù)最多，交織點(diǎn)個(gè)數(shù)多達(dá)320個(gè)/cm2，是緞紋組織的6倍多?？椢镏屑喚€浮長(zhǎng)是交織點(diǎn)數(shù)和經(jīng)緯密的共同作用，由于設(shè)定的經(jīng)緯密參數(shù)一致，所以表1的浮長(zhǎng)長(zhǎng)度與經(jīng)緯向交織點(diǎn)數(shù)呈反比關(guān)系。文中浮長(zhǎng)長(zhǎng)度皆指織物中一個(gè)交織點(diǎn)同下一個(gè)交織點(diǎn)間的距離L，如圖1所示。

圖1 經(jīng)緯紗交織浮長(zhǎng)示意Fig.1 Schematic diagram of weaving floating length of warp and weft yarns

為了進(jìn)一步分析交織點(diǎn)數(shù)與織物厚度的關(guān)系，試驗(yàn)計(jì)算出4個(gè)試樣組織循環(huán)倍數(shù)的最小公倍數(shù)60×60的組織循環(huán)內(nèi)經(jīng)緯紗交織點(diǎn)次數(shù)，并與織物厚度作出關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 60×60組織循環(huán)內(nèi)經(jīng)緯交織點(diǎn)數(shù)與厚度的關(guān)系Fig.2 Relationship between fabric interwoven points and thickness

從圖2可以看出，織物單位面積內(nèi)交織點(diǎn)的多少與織物的厚度大致呈反比趨勢(shì)，織物中的交織點(diǎn)數(shù)多，則織物厚度小，隨著交織點(diǎn)數(shù)量的減少，織物厚度增加。交織點(diǎn)的多少同織物經(jīng)緯紗的浮長(zhǎng)有著直接的關(guān)系，為了觀察不同組織的浮長(zhǎng)，在顯微鏡下觀察了試樣表面平面圖(圖3)。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，平紋織物交叉點(diǎn)數(shù)最多，紗線類似于波浪線在經(jīng)緯紗之間交錯(cuò)，經(jīng)緯紗的浮長(zhǎng)受到有效控制;斜紋次之，緞紋受到經(jīng)緯紗交錯(cuò)控制最少。

圖3 顯微鏡下不同組織試樣Fig.3 Samples with different weaves under the microscope

從圖3的幾種基礎(chǔ)組織中紗線的屈曲狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，織物經(jīng)緯紗線交織過(guò)程中，紗線的幾何結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，這與紗線浮長(zhǎng)受到有效控制的多少有關(guān)。平紋織物交叉點(diǎn)最多，交叉點(diǎn)間不受控或控制較小的浮長(zhǎng)約為1個(gè)經(jīng)紗直徑的長(zhǎng)度，其紗線的壓扁系數(shù)e(e=b/a)較小，其中b為交叉紗線變形后的短軸長(zhǎng)，a為交叉紗線的長(zhǎng)軸長(zhǎng)。斜紋由于相連兩個(gè)交叉點(diǎn)之間浮長(zhǎng)大于1，且交叉點(diǎn)的控制范圍沒(méi)有得到增強(qiáng)，所以紗線離交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)壓扁系數(shù)較大，織物較厚。緞紋的浮長(zhǎng)更長(zhǎng)，交叉點(diǎn)控制能力對(duì)整個(gè)浮長(zhǎng)進(jìn)一步減弱，所以緞紋織物相對(duì)于平紋和斜紋織物來(lái)說(shuō)最厚。

在這種情況下，發(fā)現(xiàn)織物密度一定、織物的浮長(zhǎng)達(dá)到一定程度時(shí)，經(jīng)緯紗受到交織點(diǎn)的控制幾乎為零。此時(shí)，織物的厚度將達(dá)到最大，約為經(jīng)緯紗直徑之和(d1+d2=0.498 mm，其中緯紗直徑 d1=0.323 mm;經(jīng)紗直徑 d2=0.175 mm)。此時(shí)，即使浮長(zhǎng)增加，織物的厚度也不再變化。為此另外設(shè)計(jì)了八枚緞與十二枚緞進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

2.2 曲線擬合分析

針對(duì)經(jīng)紗與緯紗交織，不同組織產(chǎn)生的不等浮長(zhǎng)線與厚度的測(cè)試結(jié)果，采用曲線擬合的方法分析浮長(zhǎng)對(duì)織物厚度的影響。假設(shè)交織處經(jīng)緯紗直徑為一個(gè)單位長(zhǎng)度1，則自變量x的一個(gè)交織點(diǎn)所控制的經(jīng)紗或緯紗到下一個(gè)交織點(diǎn)的紗線浮長(zhǎng)則為2，同理可知平紋浮長(zhǎng)橫跨點(diǎn)數(shù)為斜紋橫跨點(diǎn)數(shù)為3，斜紋橫跨點(diǎn)數(shù)為4，五枚緞紋橫跨點(diǎn)數(shù)為5，八枚緞紋橫跨點(diǎn)數(shù)為8，十二枚緞紋橫跨點(diǎn)數(shù)為12。曲線擬合如圖4所示，擬合方程如下式所示，其中R2=0.9914。

織物厚度為應(yīng)變量y。可以看出該曲線類似于S形態(tài)。在浮長(zhǎng)線長(zhǎng)度L小于等于5時(shí)，曲線近似于一條平直的斜線，此時(shí)厚度與浮長(zhǎng)呈正比關(guān)系。當(dāng)織物浮長(zhǎng)長(zhǎng)度L大于8以后，織物厚度曲線趨于平緩，甚至不再變化。這是因?yàn)榻?jīng)緯紗受交叉點(diǎn)影響較小，紗線壓扁系數(shù)較大，織物厚度趨于經(jīng)緯紗直徑之和，不再變化。

圖4 織物浮長(zhǎng)與厚度關(guān)系Fig.4 Relationship between fabric floating length and thickness

3 結(jié)果與討論

織物的組織結(jié)構(gòu)與織物的厚度有著直接的影響。這是由于組織結(jié)構(gòu)造成的浮長(zhǎng)線的長(zhǎng)短不同，浮長(zhǎng)線長(zhǎng)時(shí)就會(huì)很難得到交織點(diǎn)的控制，紗線截面趨于圓形，橫跨于織物表層，因此織物較厚;浮長(zhǎng)線短時(shí)，經(jīng)緯紗受到有效控制，紗線因交叉壓力而變得趨于扁平，織物厚度較小。在織物密度相同情況下，織物浮長(zhǎng)受到有效控制時(shí)，織物厚度與浮長(zhǎng)趨于正比關(guān)系。

［1］陳輝，沈毅，劉玄木，等.織物厚度與懸垂性能的回歸分析［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22(2):110-113.CHEN Hui，SHEN Yi，LIU Xuanmu，et al.Linear regression of fabric's thickness versus drape behavior［J］.Journal of Zhejiang Sci-Tech Univeristy，2005，22(2):110-113.

［2］陳香云，吳薇.不同季節(jié)服用織物熱濕舒適性能評(píng)價(jià)體系［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2012，20(1):46-48.CHEN Xiangyun，WU Wei.Appraisal system of hot-wet comfortable properties for garment fabric in different seasons［J］.Advanced Textile Technology，2012，20(1):46-48.

［3］蔣艷鳳，翁毅.織物厚度測(cè)試中的影響因素探討［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2000，8(3):40-41.JIANG Yanfeng，WENG Yi.Influence factors disscussion on the fabric thickness test［J］.Advanced Textile Technology，2000，8(3):40-41.

［4］鄭天勇.紡織品CAD/CAM［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:155-176.ZHENG Tianyong.CAD/CAM for Texitle［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2007:155-176.

［5］顧平.織物組織與結(jié)構(gòu)學(xué)［M］.上海:東華大學(xué)出版社，2009:201-206.GU Ping，F(xiàn)abric Weaves and Structures［M］.Shanghai:Donghua University Press，2009:201-206.

［6］蔡雨，鄭天勇，景書(shū)娟，等.Peirce平紋機(jī)織物結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算精確度［J］.紡織學(xué)報(bào)，2012，33(1):48-53.CAI Yu，ZHENGTianyong，JING Shujuan，et al.Calculated accuracy of Peirce's plain woven fabric model for geometric structure of plain woven fabrics［J］.Journal of Textile Research，2012，33(1):48-53.

［7］邢連華.紗線在織物的屈曲和織物厚度［J］.天津紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，9(3):19-25.XING Lianhua.The yarn crimp in fabric anb its thickness［J］.Tianjin Textile Institute of Technology，1990，9(3):19-25.

［8］朱美男，費(fèi)萬(wàn)春.織物厚度指標(biāo)的探討［J］.絲綢，2002(12):42-43.ZHU Meinan，F(xiàn)EI Wanchun.Disscussion on the fabric thickness index［J］.Journal of Silk，2002(12):42-43.