量化織物皮膚接觸舒適感的快速測量方法研究

江海星+簡志光+鄭化龍

摘要：介紹了一種新型的， 可用于量化織物皮膚接觸舒適感的多指標(biāo)集成測量方法，即FTT（Fabric Touch Tester）織物觸感測試儀法。此方法通過集成熱傳遞測試模塊、壓縮測試模塊、彎曲測試模塊及表面測試模塊于一臺儀器上，通過10分鐘的快速測量即可以分別獲得經(jīng)緯雙向、正反兩面的一系列與織物的熱傳遞屬性、紋理屬性和變形屬性相關(guān)的物理量，從而得出織物的柔軟度、光滑度及冷暖感進(jìn)而評估織物的接觸舒適感。

關(guān)鍵詞：量化；接觸舒適感； FTT織物觸感測試儀；FAST；KES-FB

根據(jù)調(diào)查，消費者選購服裝的一般模式是：“眼看選款選色，手摸知感覺，試穿再確認(rèn)”，其中手感和穿著的舒適感是極其抽象的，消費者難以用具體的數(shù)字去表達(dá)和交流。而相同的問題同樣一直困擾著整個紡織服裝供應(yīng)鏈?！笆濉笔羌徔椆I(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵五年，切實解決好品牌商、零售商或是電子商務(wù)企業(yè)與其供應(yīng)商、采購商之間關(guān)于織物手感的傳遞和交流的問題，是確保紡織工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步向前邁進(jìn)的關(guān)鍵舉措之一。

1 研究進(jìn)展

為了客觀地表達(dá)織物的觸感，科學(xué)家們長期致力于對紡織品觸摸感覺的研究，早在1930年P(guān)eirce就提出了消費者的手感并不僅僅是織物的物理特性，還與消費者的個人經(jīng)歷相關(guān)。AATCC Evaluation Procedure 5也對織物手感的主觀評價提出了對應(yīng)的評估程序和指導(dǎo)方針[1]。2012年，美國紡織品染化師協(xié)會提出了AATCC TM202的測量方法用于測量織物的相對手感值。這些研究歸納出了很多可能構(gòu)成織物觸感的因素，盡管這些因素使用了不同的術(shù)語來表達(dá)，但通常包括光滑度、柔軟度和剛度感覺這三個方面。其中較為著名的測量方法有澳大利亞羊毛局研制的FAST測試系統(tǒng)及日本川端設(shè)計的KES-FB評價系統(tǒng)[2]。這兩種測量方法通過對織物物理屬性的測試來預(yù)測紡織品的手感。然而，這兩種方法卻都需要將織物試樣分別在多臺儀器上進(jìn)行測量，并且織物經(jīng)緯向的差異也不能同時進(jìn)行測量或者需要花費較高的成本和較長的測量時間，無法滿足產(chǎn)業(yè)化、大批量的測試需求。

織物與皮膚的接觸感是對人手摸、體觸織物的綜合性能所產(chǎn)生的感覺的一種描述，是接觸感覺效果的主觀反映。通常，人們通過將手平放在織物上以檢驗面料的柔軟性、厚度或冷暖感；通過手在織物表面上的移動以檢驗織物的光滑性；通過將織物放在手上捏摸以檢驗其柔軟性和重量，最后綜合這些特征以評價織物的最終接觸感覺。基于冷暖感在接觸舒適感中起到的重要影響，為此 KES-FB在原來的基礎(chǔ)上還專門增加了一臺新設(shè)備THERMO-LABE IIB用于測量冷暖感。

從神經(jīng)科學(xué)上看，有四種類型的觸感刺激能夠被人體接受器接收，包括熱刺激、皮膚刺激、本體感受刺激以及刺痛刺激。熱刺激反映了接觸物體時的相對溫差，皮膚刺激反映了物體的形狀和紋理特征，本體感受刺激承載著跟人體接觸狀態(tài)有關(guān)如位置、力和位移等信息，刺痛刺激反映了由接觸物引起的刺癢疼痛的感覺。很明顯在織物樣品上完成一個完整測試動作應(yīng)當(dāng)包含上述所有的刺激，因此相應(yīng)的物理屬性包括熱傳遞屬性、紋理屬性和變形屬性[3]。

表1總結(jié)了一些測量方法，重點關(guān)注了FAST和KES-FB系統(tǒng)的相對售價過高及測試時間過長等不足之處，這導(dǎo)致其在業(yè)界應(yīng)用受到了局限，同時它們之中都沒有把熱屬性作為織物觸感的影響因素來進(jìn)行考量。另外重要的一點是目前的測量方法中都沒有考慮到觸感的同步感知機(jī)理，因此很難研究不同觸感之間的相互影響。

為了填補織物與皮膚的接觸舒適感客觀測量研究的空白，織物觸感測試儀（FTT）應(yīng)運而生，如圖1所示。這是一臺包含了能夠同時測量織物熱學(xué)屬性、機(jī)械力學(xué)特性以及表面幾何紋理特性三大類不同范疇的物理參數(shù)的綜合快速客觀測試儀器，它可以在短短的5分鐘內(nèi)同步完成包含所有織物物理參數(shù)的經(jīng)緯向單次測量，而10分鐘內(nèi)即可獲得經(jīng)緯雙向、正反兩面的所有織物物理參數(shù)。

2 測試原理

FTT包含的四個模塊，能夠同時動態(tài)地記錄來自樣品的響應(yīng)。這四個模塊分別為壓縮模塊、熱流模塊、彎曲模塊和表面模塊，如圖1、圖2所示。FTT在測試過程中運用了一種獨特的帶動測試樣品運動的方法。測試樣品被裁剪成兩臂分別長為200mm的L形形狀（如圖3所示）。L形樣品水平放置于下測試盤，兩臂平展于相鄰的經(jīng)緯向測試平臺，樣品中間的方形區(qū)將做向下垂直運動從而帶動兩臂區(qū)域在水平方向運動。壓縮模塊和熱感模塊測試樣品的中心方形區(qū)，彎曲模塊和表面模塊測試兩臂區(qū)域。分別鏡像對稱設(shè)計的兩組彎曲模塊和表面模塊是為了在單次測試中完成對于試驗樣品的經(jīng)緯兩個方向的同時測試。

2.1 壓縮測試模塊

織物的壓縮特性通常與織物的豐滿感相對應(yīng)。在壓縮過程中，手指的力作用到了樣品上，根據(jù)牛頓第三定律，同時手指也得到了樣品對其的反作用力。圖4所示的示意圖展現(xiàn)了兩個手指捏壓織物的過程。FTT利用上下兩盤對樣品進(jìn)行壓縮動作。其中牽引裝置使得上盤做勻速向下運動，并提供了連續(xù)變化的壓力。測試過程中，動態(tài)地記錄了施加于下盤的壓力機(jī)上下兩盤的相對距離的變化。因此可以得到壓縮測試曲線。

2.2 熱流測試模塊

織物和人體皮膚之間的熱傳遞被感知為涼爽感，如圖5所示，由于人體皮膚和織物之間存在溫差，熱刺激將會被觸發(fā)。當(dāng)剛開始接觸織物時熱流將會很快地產(chǎn)生。FTT的上盤將會被加熱至高于下盤10℃，而下盤保持在與周圍環(huán)境一致的常溫狀態(tài)。測試過程中傳感器動態(tài)獲取在整個壓縮回彈過程中的熱流變化數(shù)值。

典型的熱流-厚度曲線如圖6所示。根據(jù)ASTM D1777在織物承受標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)的條件下分別定義了壓縮熱導(dǎo)率和回彈熱導(dǎo)率（TCC和TCR）?？紤]到厚度的影響，樣品的保暖率也可以從中獲得。另一個指標(biāo)定義為最大熱流量（Qmax），指的是在整個測試過程中最大的熱流值。這個瞬間響應(yīng)的熱流數(shù)值為涼爽感提供了直接的參考。

2.3 彎曲測試模塊

彎曲力是當(dāng)試圖使得織物變形的另一種響應(yīng)，彎曲屬性關(guān)聯(lián)了織物的硬挺感。通常使用兩個手指來彎折織物，如圖7所示。FTT 夾持織物的一端并彎折另一端來模擬彎曲過程。兩組相同的模組被安裝于跟下盤相鄰的位置。彎曲測試桿位于與下盤保持水平的位置，測試過程中被施加垂直向下的壓力。位于彎曲桿下方的壓力傳感器記錄了測試過程中彎曲力的變化。

與壓縮模塊指標(biāo)定義類似，所記錄的力被轉(zhuǎn)換為彎曲力矩，同時樣品的位移也通過轉(zhuǎn)換獲得。如圖8所示，定義的指標(biāo)包括了平均彎曲剛度（BAR）和彎曲功（BW）。BW通過曲線的積分所得，BAR定義為曲線中彎曲力矩中心位置60%區(qū)域的斜率。

2.4 表面測試模塊

織物的表面屬性討論的是織物的紋理及光滑感。皮膚刺激包含了如圖9（a）所示的紋理信息，同時由于表面的不均勻極易引起如圖9（b）所示的刺激或疼痛。當(dāng)手指在織物表面滑動時，將對這些屬性進(jìn)行測量，如圖9（c）所示。FTT表面模塊同時包含了對織物摩擦性能和表面粗糙度性能的測量。這些模塊的安裝位置靠近于彎曲模塊，而樣品將會平鋪于測試平臺上。金屬滑塊表面和樣品表面將產(chǎn)生動摩擦力，滑塊將在布樣被牽引時推動力學(xué)傳感器。滾輪放置于樣品之上，針形探測器用于表面粗糙度測試，探針的運動通過杠桿作用偵測到樣品表面高低起伏的幾何變化。表面摩擦性能用表面摩擦系數(shù)（SFC）表示。

關(guān)于表面摩擦性能，相對應(yīng)的指標(biāo)為表面摩擦系數(shù)（SFC），典型的測量曲線及計算示意圖如圖10 所示。關(guān)于表面粗糙度，相對應(yīng)的兩個指標(biāo)命名為表面粗糙度波幅（SRA）和表面粗糙度波長（SRW），這兩個指標(biāo)描述了由織物表面單個重復(fù)單元的基本形狀，這些不平整的單元對接受器產(chǎn)生了刺激。典型的測量曲線及計算示意圖如圖11 所示。

2.5 織物接觸舒適感的評估

表2總結(jié)了FTT測量的物理指標(biāo)，分別對應(yīng)織物的彎曲性能、表面性能、壓縮性能和熱傳遞性能。通過與香港理工大學(xué)合作，經(jīng)過長期對織物接觸感的主觀調(diào)查，我們建立了FTT客觀測量數(shù)據(jù)與人體主觀感覺之間的關(guān)系與轉(zhuǎn)換模型，初步實現(xiàn)了客觀測量與主觀感覺之間的預(yù)測。相信隨著數(shù)據(jù)的積累，其效果將會越來越完善。

此外，為了滿足用戶在生產(chǎn)管理和新產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用需求，該儀器特別開發(fā)了一款雷達(dá)圖的應(yīng)用軟件。用戶可以直接用于比較不同織物之間物理機(jī)械性能的差異，同時根據(jù)所測量的物理指標(biāo)以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模型可以得出織物之間柔軟度、順滑度和冷暖感的值并進(jìn)行比較。圖12為3種樣品的主要感官指數(shù)的雷達(dá)圖的比較，可以看出B樣品和E樣品的線條幾乎重合，即其柔軟度、光滑度和冷暖感非常接近，是性能相近的織物，而D樣品的線條則偏離較遠(yuǎn)，與B樣品和E樣品的性能差異較大。此外，根據(jù)需要所有的物理指標(biāo)都可以做雷達(dá)圖比較。

3 最新應(yīng)用

織物皮膚接觸感測量方法（FTT方法）已經(jīng)得到了廣大用戶的認(rèn)可和使用，目前用戶已經(jīng)覆蓋了中國、美國、英國、韓國、比利時、印度、孟加拉、巴基斯坦及荷蘭等紡織業(yè)活躍的國家。其在全球廣泛的覆蓋范圍有效地為歐美發(fā)達(dá)國家為主的服裝品牌及以亞洲主要國家為主的紡織工廠之間搭建了一個客觀評估織物接觸舒適感的橋梁，極大地縮短了買家與賣家之間的溝通時間并降低了因織物接觸舒適感主觀評估差異而引起的貿(mào)易爭端。

同時，新近發(fā)表的研究論文，如“含濕度對純棉襯衫面料手感的影響”一文介紹了利用最新的FTT測量方法以對面料中不同水分含量的襯衣面料對皮膚接觸舒適感的影響首次進(jìn)行了定量分析與研究，比較了不同含濕度對純棉襯衫面料的彎曲性能、壓縮性能、熱學(xué)性能和表面性能的影響。研究結(jié)果表明：含濕度對面料的彎曲性能、壓縮性能和熱性能有顯著性影響。隨著含濕度在8%～23%范圍升高，面料的徑向彎曲強(qiáng)度降低而緯向彎曲強(qiáng)度增大；面料的壓縮強(qiáng)度增大而回復(fù)強(qiáng)度減??；面料的涼感度增大[4]。

另一研究論文“磨毛對純棉襯衫面料手感的影響”對經(jīng)磨毛處理的純棉襯衫面料的手感進(jìn)行了測試，分析和比較了磨毛對面料手感各項指標(biāo)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，磨毛工藝對織物的彎曲性能、壓縮性能、熱學(xué)性能和表面性能都有顯著的影響，經(jīng)過磨毛工藝后，純棉襯衫面料的彎曲強(qiáng)度降低，壓縮強(qiáng)度和回彈強(qiáng)度減小，熱導(dǎo)性和最大熱流量降低，表面摩擦系數(shù)增大[5]。

上述研究論文進(jìn)一步表明，F(xiàn)TT測量方法將傳統(tǒng)的只局限于機(jī)械力學(xué)性能表達(dá)的織物手感測量，拓展到與冷暖感相關(guān)的感覺，更進(jìn)一步地契合了人體的生理反應(yīng)機(jī)理。由于獨特的設(shè)計，F(xiàn)TT能夠迅速地測量織物的經(jīng)緯向以及織物的正反面性能，這大大提高了測試效率并降低了測試成本。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 蔡濤，李毅，胡軍巖.含濕度對純棉襯衫面料手感的影響[J].中國纖檢，2014（18）：66-69.

[5] 蔡濤.磨毛對純棉襯衫面料手感的影響[J].紡織導(dǎo)報 2014 （8）：50-52.

[作者單位：錫萊亞太拉斯（深圳）有限公司]