機(jī)織物折皺回復(fù)各向異性的研究

王 蕾，劉建立，潘如如，高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

機(jī)織物折皺回復(fù)各向異性的研究

王 蕾，劉建立，潘如如，高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

針對織物的各向異性，研究了純棉平紋和斜紋織物的折皺回復(fù)性能隨取向角變化的情況。采用織物折皺回復(fù)動(dòng)態(tài)測試儀測量不同取向角的動(dòng)態(tài)回復(fù)指標(biāo)，包括初始回復(fù)速率、急彈時(shí)間、急彈回復(fù)角度、緩彈時(shí)間、緩彈回復(fù)角度。結(jié)果表明，僅回復(fù)角度隨取向角變化存在一定規(guī)律性，平紋織物的折皺回復(fù)角度隨著取向角的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，斜紋織物正面對折和反面對折試樣的趨勢有所不同。試驗(yàn)證明了織物對角線方向能較全面反映結(jié)構(gòu)均勻平紋織物的折皺回復(fù)性能，斜紋斜向和其垂直方向能作為斜紋織物的測試角度。

織物；折皺回復(fù)；各向異性；動(dòng)態(tài)測試

機(jī)織物是典型的各向異性、非均質(zhì)材料，其各個(gè)方向表現(xiàn)出不同的性能。雖然關(guān)于織物在力學(xué)性能、保形性、透氣透水性等方面各向異性的文章已較多，但針對織物折皺回復(fù)各向異性的研究卻很少被關(guān)注，而織物折皺回復(fù)情況直接影響織物的性能和美觀，而織物的結(jié)構(gòu)決定了其各向異性。

Hamburger等指出若組織結(jié)構(gòu)沿纖維和紗線的應(yīng)變狀態(tài)減小方向改變，則織物從折疊狀態(tài)回復(fù)得更多，然而，組織結(jié)構(gòu)的影響還沒能通過數(shù)值精確地預(yù)測出來[1]。Steele證明了紗線加捻的扭轉(zhuǎn)組件間的相互作用造成了織物折皺性能的各向異性[2]。Chapman 等采用彈性橡膠條狀物表示的平紋組織織物橡膠模型表明了織物的幾何結(jié)構(gòu)和內(nèi)部紗線間的摩擦作用可提高織物自身的折皺程度，他們發(fā)現(xiàn)若織物折疊位置在紗線上則能很好地回復(fù)，但如果折在紗線間或用力壓皺，這種強(qiáng)加的折皺狀態(tài)將繼續(xù)保持，因?yàn)榧喚€間的相對位移已經(jīng)產(chǎn)生，且被紗線內(nèi)部摩擦所維持[3]。他們還發(fā)現(xiàn)纖維集合從彎曲變形到回復(fù)是由所有方向纖維彎曲和扭轉(zhuǎn)(包括摩擦元件)時(shí)刻的平衡決定的[4]。Sengupta 等發(fā)現(xiàn)折痕位置在經(jīng)緯向平分線方向時(shí)的回復(fù)角比折疊在經(jīng)向和緯向的大[5]。Merati等測量緯紗為S捻和Z捻，且多種捻度平紋織物的抗皺性能，證明了不同捻向紗線交織成的織物的折皺性能存在各向異性[6]。綜上所述，織物彎曲和折皺性能各向異性的理論分析是值得研究的內(nèi)容。

針對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的通過測量織物經(jīng)向和緯向的折皺回復(fù)角度評價(jià)織物折皺回復(fù)性能的方法難以全面反映織物的各向異性問題，本文采用織物折皺回復(fù)動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)測量試樣的折皺回復(fù)角度，通過分析不同取向角試樣的動(dòng)態(tài)回復(fù)指標(biāo)與取向角之間的關(guān)系，研究織物折皺回復(fù)的各向異性。為綜合理解折皺回復(fù)性能，同時(shí)達(dá)到建立完善評價(jià)該性能指標(biāo)體系和為紡織品設(shè)計(jì)提供更好的參考數(shù)據(jù)的目的，通過不同取向角對應(yīng)的回復(fù)參數(shù)的計(jì)算選取最佳評價(jià)指標(biāo)。

1 折皺回復(fù)各向異性的研究方法

1.1 取向角

機(jī)織物是一種各向異性的材料?？椢镎郯櫥貜?fù)性能受纖維形態(tài)和性能(包括纖維長度、直徑、截面形態(tài)、卷曲和摩擦等)、紗線性能(包括捻度、線密度等)和組織結(jié)構(gòu)等因素影響。除這些因素以外，織物折皺回復(fù)情況還隨著測試方向變化而不同，即因取向角而異。

取向角的具體含義如圖1所示。在圖中，矩形試樣上的折痕從x軸旋轉(zhuǎn)到X軸，轉(zhuǎn)過了θ角度，其中，x軸與織物最初擺放位置的緯紗方向平行，y軸與經(jīng)向平行，X軸對應(yīng)于折痕方向，Y軸方向表示試樣折痕旋轉(zhuǎn)了一定角度后試樣經(jīng)紗對應(yīng)的方向。角θ稱為取向角，是指從初始位置的緯紗方向轉(zhuǎn)到試樣折痕方向的夾角。

圖1 不同方向取樣Fig.1 Sampling in different orientations

1.2 測試參數(shù)

根據(jù)AATCC 66—2008《織物折皺回復(fù)：回復(fù)角》測試方法設(shè)計(jì)的織物折皺回復(fù)動(dòng)態(tài)測試儀[7]，采用氣動(dòng)加壓方法對試樣施壓，采用視頻序列采集設(shè)備處理織物折皺回復(fù)階段回復(fù)角的變化。相機(jī)采集速：回復(fù)階段前30 s為25幀/s；之后為1幀/s，每幀圖像大小為1280像素×640像素。

提取到的織物折皺回復(fù)動(dòng)態(tài)評價(jià)指標(biāo)分別為初始回復(fù)速率(Ri)、急彈時(shí)間(T1)、急彈回復(fù)角(α1)、緩彈時(shí)間(T2)和緩彈回復(fù)角(αT)。初始回復(fù)速率為試樣在回復(fù)階段初期回復(fù)角隨時(shí)間變化呈線性增長的斜率；急彈時(shí)間為折皺回復(fù)角隨時(shí)間變化擬合的曲線方程所對應(yīng)的曲率最大值的時(shí)刻，表示回復(fù)角度變化由急變緩的時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)；急彈角度為急彈時(shí)間所對應(yīng)的回復(fù)角度；緩彈時(shí)間為連續(xù)10 s內(nèi)回復(fù)角度增幅小于0.1°的時(shí)刻，表示折皺回復(fù)測試的終止時(shí)間；緩彈角度為緩彈時(shí)間所對應(yīng)的回復(fù)角度[8]。

2 試驗(yàn)部分

采用6種純棉織物進(jìn)行試驗(yàn)，包括3種平紋和3種斜紋組織織物，其參數(shù)如表1所示。

表1 純棉織物的參數(shù)Tab.1 Parameters of cotton fabrics

所選織物的經(jīng)、緯紗的捻向都是Z捻。織物折皺回復(fù)角測試試驗(yàn)的試樣大小為40 mm × 15 mm。所有試樣的長邊平行于經(jīng)向。由于平紋織物具有對稱的組織結(jié)構(gòu)，取向角范圍選取逆時(shí)針方向從0°到90°，斜紋織物取向角則從0°到180°，2種織物均間隔30°取樣。同樣因?yàn)榻M織的對稱性，平紋織物僅測試正面對折的試樣，每種織物裁剪5塊試樣進(jìn)行試驗(yàn)；對于斜紋織物，相同的取向角裁剪10塊試樣，并在它們的正面做記號，其中5塊做正面對折試驗(yàn)，余下的做反面對折試驗(yàn)。5塊相同條件試樣的測試結(jié)果的均值為試樣結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

3.1 平紋織物折皺回復(fù)的各向異性

由于在預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，取向角間隔為10°的回復(fù)角度均值與取向角間隔為30°的非常接近，為提高試驗(yàn)效率，選擇取向角間隔為30°進(jìn)行該試驗(yàn)。1#到3#織物按取向角每隔30°取樣的動(dòng)態(tài)回復(fù)指標(biāo)結(jié)果如表2所示。表中的每個(gè)數(shù)據(jù)為5個(gè)相同取向角試樣試驗(yàn)結(jié)果的均值。如表中所列，取向角、織物種類等因素影響了折皺回復(fù)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)測試結(jié)果。初始回復(fù)速率、急彈時(shí)間和緩彈時(shí)間隨取向角的變化規(guī)律不明顯，3種織物的初始回復(fù)速率在487.5(°)/s到532.7 (°)/s之間，織物1#的急彈時(shí)間比其他2種織物略小，而緩彈時(shí)間比其他的略長。急彈回復(fù)角和緩彈回復(fù)角的結(jié)果表明，雖然織物和折疊方式相同，由于取向角不同，同種織物的急彈回復(fù)角差異在28.4°～31.7°之間，緩彈回復(fù)角在28.2°～31.5°之間，每塊試樣的緩彈回復(fù)角比急彈回復(fù)角大20°左右。對于所測試的3種平紋織物，回復(fù)角的最大值均出現(xiàn)在取向角為60°，因而，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的經(jīng)向、緯向回復(fù)角作為織物折皺回復(fù)性能的評價(jià)指標(biāo)是否合理，是個(gè)值得探討的問題。

表2 平紋織物折皺回復(fù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Crease recovery test results of plain fabrics

為進(jìn)一步研究織物折皺回復(fù)性能與取向角的關(guān)系，采用單向方差分析方法[9]檢驗(yàn)織物折皺回復(fù)各向異性是否存在。3種織物在同一取向角下得到的同一指標(biāo)作為一組變量，采用Lilliefors檢驗(yàn)[10-11]和Bartlett檢驗(yàn)[12]分別對各個(gè)變量的正態(tài)性和方差齊性進(jìn)行檢驗(yàn)，只有當(dāng)各個(gè)變量的正態(tài)性和方差齊性得到檢驗(yàn)后，才能確保接下來的方差檢驗(yàn)的有效性。檢驗(yàn)結(jié)果表明，織物1#到3#的每組變量呈正態(tài)分布，且方差齊性的假設(shè)為真，符合單向方差分析的要求。

單向方差分析采用F分布比較了織物1#～3#，取向角從0°～90°的不同指標(biāo)的每列數(shù)據(jù)，每列數(shù)據(jù)表示包括互相獨(dú)立觀測值的獨(dú)立樣本。從F累積分布函數(shù)中產(chǎn)生的p值，用它來判斷在給定的置信區(qū)間內(nèi)原假設(shè)是否成立，原假設(shè)為每個(gè)取向角的所有回復(fù)角有相同的均值，若p≤α，其中α為給定的置信度，則原假設(shè)不成立，存在至少一個(gè)樣本的均值顯著不同于其他樣本均值。通過方差分析，急彈回復(fù)角和緩彈回復(fù)角的p值分別為0.008 3和0.003 3，均比給定的置信度0.05小，說明了急彈回復(fù)角的均值之間和緩彈回復(fù)角的均值之間有顯著差異，即織物折皺回復(fù)角度存在各向異性，但是，初始回復(fù)速率、急彈時(shí)間、緩彈時(shí)間的p值大于置信度，說明這些指標(biāo)隨取向角的變化沒有明顯趨勢，而受織物種類的影響較大。

分析這3種平紋織物的回復(fù)角和取向角的關(guān)系易看出，急彈回復(fù)角和緩彈回復(fù)角均隨著取向角的變化呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，回復(fù)角最大值均出現(xiàn)在取向角為60°時(shí)，而在取向角為0°和90°時(shí)回復(fù)角相對較小。在實(shí)際評價(jià)工作中，對每個(gè)織物都測量4個(gè)不同取向角試樣的回復(fù)角過于繁瑣，需要找出一個(gè)更快捷、精確的評價(jià)方法。某緩彈回復(fù)角與所有取向角緩彈回復(fù)角的均值可采用均方根誤差分析之間的關(guān)系，計(jì)算公式為

由于所選的平紋織物的經(jīng)緯紗線密度較接近，因此織物有一定的對稱性。為驗(yàn)證折皺回復(fù)性能是否存在這種對稱性，還測量了取向角為45°時(shí)的回復(fù)角度，結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，45°取向角測得的回復(fù)角與4個(gè)取向角對應(yīng)回復(fù)角的均值較相近，它們之間的差值小于2°。均方根誤差分析結(jié)果為2.0°，比其他取單個(gè)取向角的測量值與均值比較的均方根誤差都要小?？紤]到評價(jià)的綜合性并且兼顧試驗(yàn)量，當(dāng)平紋織物的經(jīng)、緯紗線密度相近的情況下，建議采用測量45°取向角的回復(fù)角來評價(jià)平紋織物折皺回復(fù)性能。

3.2 斜紋織物折皺回復(fù)的各向異性

表3 取向角為45°的折皺回復(fù)角度Tab.3 Crease recovery angle of 45° orientation angle (°)

斜紋織物4#到6#按取向角每隔30°取樣的動(dòng)態(tài)回復(fù)指標(biāo)結(jié)果如表4所示。

表4 斜紋織物折皺回復(fù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Crease recovery test results of twill fabrics

從表4可看出，與平紋織物的結(jié)果相似，斜紋織物的初始回復(fù)速率、急彈時(shí)間和緩彈時(shí)間均沒有隨取向角變化的明顯規(guī)律。初始回復(fù)速率范圍在524.4°～584.4°之間，比平紋織物的大；急彈時(shí)間和緩彈時(shí)間也比平紋織物的長。同一試樣在相同取向角下的急彈回復(fù)角和緩彈回復(fù)角的差值在21.3°～23.0°之間，該差值比平紋織物的稍大。急彈回復(fù)角和緩彈回復(fù)角隨取向角的變化趨勢相似，因而僅針對緩彈回復(fù)角進(jìn)行分析。正面對折試樣的緩彈回復(fù)角從取向角0°到60°逐漸上升之后逐漸下降，當(dāng)取向角為60°時(shí)回復(fù)角最大；反面對折試樣的回復(fù)角隨取向角的增大呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，僅在取向角為90°時(shí)有所下降，最大回復(fù)角出現(xiàn)在取向角為150°時(shí)。2種折疊方式的回復(fù)角在取向角為0°時(shí)均較小。正面對折的回復(fù)角平均值比反面對折的大。與平紋織物的分析方法相同，方差分析結(jié)果顯示，正面對折和反面對折試樣的p值分別為0.041 2和0.040 8，說明斜紋織物的折皺回復(fù)存在各向異性。

采用均方根誤差方法尋找更合理的評價(jià)織物折皺回復(fù)性能的指標(biāo)：1個(gè)取向角的正面、反面對折的結(jié)果顯示最小均方根誤差分別為3.1°和2.8°，分別出現(xiàn)在取向角為30°和60°時(shí)；2個(gè)取向角的最小均方根誤差分別為2.4°和1.7°，正、反面對折的取向角均為30°和120°，因此，建議測試取向角為30°和120°的折皺回復(fù)角，作為評價(jià)經(jīng)、緯紗線密度接近的斜紋織物的折皺回復(fù)性能。

此外，推薦的斜紋織物最佳測試方法與織物紋理方向存在一定關(guān)系。所選的斜紋織物的斜向與緯紗方向所成的角度分別為119.5°、117.8°和117.5°，它們與120°取向角接近，因此，說明了斜紋織物折皺回復(fù)性能測試取向角其中之一與斜紋的斜向平行，另一個(gè)與斜向垂直。

從平紋和斜紋織物的試樣結(jié)果可看出，取向角為0°和90°的回復(fù)角都相對于其他取向角的試驗(yàn)結(jié)果小，這主要是由于折痕處的交織情況不同。因?yàn)樵诮豢椞幖喚€間的相互摩擦使織物更難以變形、更易在折疊后回復(fù)，所以若折痕不與紗線平行能很好地回復(fù)。

4 結(jié) 論

本文研究了織物折皺回復(fù)動(dòng)態(tài)指標(biāo)隨取向角的變化趨勢。對平紋和斜紋織物以不同取向角、不同折疊方式進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過單因素方差分析證明了織物折皺回復(fù)性能的確存在各向異性。試驗(yàn)結(jié)果證明了織物的折皺回復(fù)角度在取向角為經(jīng)向或緯向(取向角為0°或90°)時(shí)較小，因而現(xiàn)有的測試方法采用經(jīng)緯向作為測試方向的辦法并不能全面反映織物的折皺回復(fù)性能。平紋織物在取向角為45°時(shí)，其回復(fù)角最接近于各取向角所測得的回復(fù)角的均值，因此該方向適合用來測試平紋織物的折皺回復(fù)性能。對于斜紋織物，建議采用斜紋斜向及其垂直方向的回復(fù)角均值作為評價(jià)其回復(fù)性能的取向角。

FZXB

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Research on anisotropic crease recovery properties of woven fabrics

WANG Lei,LIU Jianli,PAN Ruru,GAO Weidong

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Aiming at the anisotropy of woven fabric,the changes of the crease recovery properties of 100% plain and twill fabrics with the orientation angle are explored in this research.The recovery parameters,such as initial recovery rate,instant recovery time,instant recovery angle,stable recovery time and stable recovery angle,were obtained by a dynamic crease recovery tester.The test results illustrate that only the recovery angles changes with the orientation angle.The trend of plain fabric shows that its recovery angle generally increases at first and then decreases with the increase of the orientation angle.The trend of twill fabric differs from folding ways.It is proved that the diagonal direction is the optimal orientation angle for a balanced plain fabric,while the two orthogonal directions,the twill direction and its perpendicular direction,were found to be more reasonable for testing a twill fabric.

fabric; crease recovery; anisotropy; dynamic testing

10.13475/j.fzxb.20151001405

2015-08-09

2015-11-02

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20120093130001)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性研究項(xiàng)目(BY2013015-20)

王蕾(1987—)，女，博士生。主要研究方向?yàn)榛跈C(jī)器視覺的織物折皺回復(fù)性能。高衛(wèi)東,通信作者,E-mail: gaowd3@163.com。

TS 131.9

A