皮革感官特性參數(shù)測試評價系統(tǒng)的分析與發(fā)展

宇文歡，董繼先，張明

（陜西科技大學機電工程學院，陜西西安710021）

皮革感官特性參數(shù)測試評價系統(tǒng)的分析與發(fā)展

宇文歡，董繼先，張明

（陜西科技大學機電工程學院，陜西西安710021）

系統(tǒng)論述了現(xiàn)階段國內(nèi)外在皮革感官特性參數(shù)測試方面的研究現(xiàn)狀、設(shè)備組成、測試方法、使用優(yōu)缺點及適用范圍，分析其內(nèi)在發(fā)展規(guī)律和外在市場需求，提出了今后的研究方向。

感官特性；測試方法；評價系統(tǒng)；KES-F系統(tǒng)；FAST系統(tǒng)；PhabrOmeter系統(tǒng)

前言

皮革行業(yè)是我國的傳統(tǒng)工業(yè)，也是輕工業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)，其變革發(fā)展影響著人民群眾的日常生活，隨著改革開放的不斷推進，經(jīng)濟快速發(fā)展的今天我國已經(jīng)成為全球制革生產(chǎn)大國，在世界皮革貿(mào)易市場中占據(jù)重要地位。

2013年以來，我國皮革行業(yè)基本實現(xiàn)平穩(wěn)運行，從銷售利潤率看，2013年皮革主體行業(yè)銷售收入利潤率為6.7%，同比增長0.2%。2014年上半年，全國皮革企業(yè)完成銷售收入5873.8億元，同比增長10.4%[1]。

目前我國是世界上最大的皮革生產(chǎn)國，但仍稱不上皮革強國，如何成為一個皮革強國，這是由多層次、多方面的綜合因素決定的，然而在其中很重要的一方面就是如何快速簡便、科學客觀地評價皮革的好壞及其使用性能。由皮革大國向皮革強國的過渡中，探尋和發(fā)展快速、客觀的評價方法及系統(tǒng)無疑具有重要的意義。

1 皮革感官特性

長久以來，人們在生產(chǎn)中檢驗成品皮革時一直沿用的方法就是依靠有經(jīng)驗人員的手摸眼看來鑒別，而皮革感官特性就是人手觸摸皮革時的感覺，其隸屬于人類感官特性的一部分。皮革的重要性能一般包括平整度、柔軟度、豐滿度、彈性及厚度均勻性等，而主要表達皮革感官特性的參數(shù)可歸納為3個，柔軟度、豐滿度和彈性度。

皮革的柔軟度通常體現(xiàn)膠原纖維活動空間的大小和膠原纖維相對滑移的難易程度；豐滿度指當皮革受外力發(fā)生變形時，人體感官所能感受到的擠壓的感覺；彈性度指皮革在受力發(fā)生變形的狀態(tài)下恢復原狀的能力，這些是衡量皮革品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標[2]。

表1 KES-FB系統(tǒng)測量的物理指標

2 主觀測試方法

隨著勞動力的不斷解放，人們對皮革感官特性的測試不僅僅局限于依靠有經(jīng)驗的人員，而是更多地依靠儀器來實現(xiàn)，所以在測試方法上就產(chǎn)生了區(qū)別，分為主觀測試方法和客觀測試方法兩種。主觀測試法是通過人的感官形成綜合感覺進而評價皮革的品質(zhì)，對于成品皮革的重要品質(zhì)性能，即柔軟度、豐滿度和彈性度，多年來一直沿襲的方法稱為手檢法（HEM-Hand Evaluation Method）[3]，即讓受過專業(yè)培訓的人員通過手摸眼看的方式進行皮革好壞的鑒定。

該方法是評定皮革感官特性的基礎(chǔ)，但是該方法也有很大的缺陷，一是其評定結(jié)果受到個人的影響太多，無法排除主觀任意性；二是評定方法缺乏定量的描述，不能區(qū)分皮革間的細微差別，因此需要有更客觀的方法和系統(tǒng)去評價皮革成品的感官特性。

3 客觀測試評價系統(tǒng)

皮革感官特性的客觀評價方法是指將感官特性參數(shù)化，通過儀器測得具體量化的物理量，再利用已有經(jīng)驗建立一定的量化標準來鑒定皮革，即測量皮革受力應變下的力學性能，采集測試信號，與分析歸納出的標準進行對比從而判斷成品皮革的優(yōu)劣。

紡織行業(yè)中，H.Bennio首先在織物手感評價方法的研究方向上提出感官檢測想法，而在20世紀30年代F.T.Peirce開創(chuàng)了從力學特性來研究織物感官特性的先例，1936年他首次提出采用物理測量數(shù)據(jù)來評價織物手感的思想，并使用懸臂梁法評定織物的剛?cè)嵝訹4]。

3.1 KES-F系統(tǒng)

3.1.1 KES-F測試系統(tǒng)的組成

直至1968年，日本的川端季雄提出了用織物基本力學特性客觀評價織物感官特性的計劃并開發(fā)出了一套功能比較齊全的KES-F織物風格測量系統(tǒng)。40多年來，該測評系統(tǒng)主要經(jīng)歷了2次升級換代；1978年，改進型號KES-FB系統(tǒng)問世；2000年，全自動測試系統(tǒng)KES-FB-AUTO-A研制工作完成，并投入商品化生產(chǎn)[5]。KES-FB型織物風格儀由四臺測試儀和一臺計算機組成，四臺測試儀的實驗進行、數(shù)據(jù)處理都由計算機控制，該系統(tǒng)較為全面地測量了織物的6大性能，具體見表1。

3.1.2 評價方法

織物的柔軟度主要與彎曲、剪切性能有關(guān)，織物的滑爽度主要與表面摩擦性有關(guān)，織物的豐滿度主要與壓縮性有關(guān)，因此KES-F系統(tǒng)基于盡可能全面地反映織物特性的出發(fā)點，測試并采用曲線表征了織物在小應力、小形變條件下的拉伸、剪切、彎曲、壓縮的全過程[6]。織物的拉伸-剪切性能是由FB1試驗儀測定的，將織物置于試驗臺，通過夾頭向其施力得到力學特性曲線；織物的彎曲性能是由FB2試驗儀測定的，將織物豎直放置，測量其正向純彎曲和反向純彎曲曲率的變化；織物的壓縮性能是由FB3試驗儀測定的，將織物固定于試驗臺，通過接觸一個勻速下降的壓頭，測量其變化；織物的表面性能則是通過FB4試驗儀測定的，該儀器有兩個探頭，一個測試織物在載荷作用下相對滑動的動摩擦系數(shù)曲線，一個測試織物在相對運動中厚度的變化。

表2 FAST系統(tǒng)測量的物理指標

圖1 豐寶儀

3.2 FAST系統(tǒng)

3.2.1 FAST測試系統(tǒng)的組成

同時代還有一種評價方法應運誕生，這就是澳大利亞科學家研發(fā)的FAST織物性能快速測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)包括三臺儀器和一種試驗方法，即FAST-1壓縮儀FAST-2彎曲儀、FAST-3伸長儀和FAST-4織物尺寸穩(wěn)定試驗方法[7]。通過測定織物壓縮、彎曲、剪切、延伸等四基本力學性能和尺寸穩(wěn)定性，可測得20個力學指標，從而客觀評價織物外觀手感，見表2。

3.2.2 評價方法

與KES系統(tǒng)相似，F(xiàn)AST系統(tǒng)也是測量織物小應力下的力學性能，通過測定織物壓縮、彎曲、剪切、延伸等四基本力學性能和尺寸穩(wěn)定性，可測得20個力學指標，從而客觀評價織物外觀手感，具體見表2。織物的壓縮性能是由壓縮儀FAST-1測量的，通過對織物兩點施加載荷測得織物厚度的變化從而計算表層厚度；織物的彎曲性能是由彎曲儀FAST-2測量的，通過測試織物的彎曲長度計算彎曲剛度；織物的拉伸性能是由伸長儀FAST-3測量的，以低載荷在試樣的經(jīng)緯向及對角線方向測量織物的伸長率。

3.3 PhabrOmeter系統(tǒng)

3.3.1 PhabrOmeter測試系統(tǒng)的組成

2007年美國潘寧教授利用抽出發(fā)研制的PhabrOmeter織物手感評價系統(tǒng)使織物手感的客觀評價達到一個新的高度，其發(fā)明的儀器名為“PhabrOmeter”，譯名為“豐寶儀”[8]，見圖1。該系統(tǒng)由一個測試裝置和一個計算機組成，其中測試裝置主要包括3部分：噴嘴、壓力砝碼和推桿[10]。

3.3.2 評價方法

該儀器采用模式識別方法提取織物感官性能并以人的感覺相標定的數(shù)學模型為依據(jù)，被測樣品通過一個測試裝置，由計算機操作控制以提取所得抽取力與位移曲線，從而得出織物的相對手感值、柔軟度、抗壓縮性、硬挺度、光滑度、懸垂系數(shù)及折皺回復率等量化數(shù)據(jù)[9]。該系統(tǒng)的工作原理是先將樣品裝到噴嘴上并加以適當?shù)募訅喉来a，然后由電機驅(qū)動使傳感桿向下移動從而推動面料樣品通過噴嘴以完成測量。

3.4 其他國內(nèi)測試儀器及系統(tǒng)

國內(nèi)有關(guān)皮革觸覺特性研究較早，可以追溯到四川大學的蘇真?zhèn)ソ淌?，他?993年研制成功了便攜式皮革柔軟度測定儀[11]。2003年陜西科技大學的張曉鐳教授研制出了皮革柔軟度和豐滿度測量分級裝置[12]。2004年，四川大學的李志強教授以皮革柔軟度與其抗彎強度和壓縮性能的關(guān)系為理論依據(jù)，提出了皮革柔軟度的定量測定方法，并在2004年設(shè)計出了測量儀器[13]。

3.4.1 新型皮革感官測試系統(tǒng)的組成

2008年，陜西科技大學的董繼先教授，張曉鐳教授等通過研究表明，皮革的感官參數(shù)與皮革的頂伸、壓縮、彎曲、拉伸4項指標有密切的關(guān)系。同年，陜西科技大學的董繼先教授等人研制了一種新型皮革感官參數(shù)測定儀器[14]，主要由機械運動結(jié)構(gòu)、控制箱及計算機組成，機械運動結(jié)構(gòu)主要由步進電機、傳動機構(gòu)、工作臺、夾具和傳感器組成，見圖2。

3.4.2 評價方法

相比原有的單一參數(shù)測試儀器，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)皮革感官參數(shù)性能的綜合檢測，主要有4種檢測功能：拉伸性能測定，壓縮性能測定，頂伸性能測定，彎曲性能測定。皮革的彎曲性能測試是測量皮革的變形和載荷，頂伸和拉伸性能測試需要固定皮革，使其受力均勻，壓縮性能需要壓頭和平臺平行，因此該系統(tǒng)需要四套專用的夾具。檢測儀器通過控制單元控制步進電機產(chǎn)生運動，之后通過減速器變速，滿足各種測量所需的載荷。光柵尺和壓力傳感器分別采集位移信號和載荷信號，控制單元采集并處理信號，最后在計算機顯示結(jié)果。

圖2 新型皮革感官特性參數(shù)自動測試儀器

4 皮革感官特性參數(shù)測試評價系統(tǒng)的分析

縱觀國內(nèi)外皮革感官特性參數(shù)測試系統(tǒng)的發(fā)展，大多儀器都是以皮革的力學性能為載體，模擬并測量皮革在受力狀態(tài)下的形變，同時建立適用自己的評判標準，從而分析皮革制品的性質(zhì)。最初研究只能針對單一參數(shù)進行測量，測量誤差大結(jié)果不準確。隨著研究的不斷深入，基本實現(xiàn)了皮革感官特性參數(shù)測試的綜合檢測，可以較為全面地反映皮革的性能。

（1）KES-F系統(tǒng)是測試低應力下織物的力學性能，因此給定任意試樣都可以測量其指標，后代入相關(guān)方程式計算出該試樣的HV值（基本風格值）和THV值（綜合風格值），從而精準地判斷試樣的品質(zhì)。同時川端在研發(fā)該系統(tǒng)時參考了日本國內(nèi)的幾乎所有織物類型，這使得用儀器測定的結(jié)果與專家手感評定的結(jié)果高度一致，應用起來便捷準確。盡管如此其缺點也很明顯，作為最早開發(fā)并推廣使用的系統(tǒng)，其測試指標過多，多機臺操作處理復雜，系統(tǒng)價格昂貴，更為重要的一點，該系統(tǒng)是由日本專家結(jié)合日本當?shù)乜椢锾匦匝兄频?，對其他各國的使用往往具有一定的地域局限性?/p>

（2）FAST系統(tǒng)實際上就是KES-F系統(tǒng)的簡化版本，在原有基礎(chǔ)上有選擇性地減少測量量，測試織物在小應力、小形變條件下拉伸、剪切、彎曲、壓縮的力學性能，給予相應的測量評判基準。然而由于其原理不變，只是人為簡化測量過程，這使得該系統(tǒng)同樣無法避免主觀感覺帶來的問題，但其于KES-F系統(tǒng)相比測量時間縮短，操作簡單，價格便宜。

（3）PhabrOmeter系統(tǒng)也是測量織物在各種小載荷作用下的形變，相比于之前兩種儀器，該儀器的作用模式更貼近于現(xiàn)實，因此可以更好地反應織物的力學性能，其測得的物理量相對獨立，與實際值更加接近，這使得系統(tǒng)的評價更為客觀、準確。同時該系統(tǒng)充分利用虛擬儀器開發(fā)操作便捷、人機界面友好等優(yōu)勢，使測試過程更加智能、直觀。但是該系統(tǒng)還有一定漏洞，其定量力學指標較少，量化指標與感官性能參數(shù)關(guān)聯(lián)有待加強，市場占有率較小，有待進一步地開發(fā)和完善。

（4）國內(nèi)董繼先教授，張曉鐳教授等人制造的新型皮革感官參數(shù)測定儀器進一步的簡化測量物理量，同時實現(xiàn)多機臺的整合，將測試時間大大降低，提高了工作效率，為今后感官特性評價系統(tǒng)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，但是該設(shè)備測試皮革不同性能時需要改換相應夾具，操作較為復雜，同時其僅用于科研教學中，并沒有大量生產(chǎn)投入市場。

5 皮革感官特性參數(shù)測試評價系統(tǒng)的發(fā)展

這些年我國在皮革感官特性參數(shù)測試方面取得了不錯的進展，由過去單一參數(shù)測試發(fā)展為皮革感官性能的綜合測試，多機臺整合為單機臺，測試儀器不斷優(yōu)化，評價系統(tǒng)更加完善，但是隨著生產(chǎn)力和高新科技的高速發(fā)展，人們對皮革制品要求的不斷提高，我們?nèi)杂芯薮蟮倪M步空間。

一方面，原有系統(tǒng)大多以皮革的力學性能為評判標準，但是人體接觸皮革時的信號傳輸、采集并不僅限于力學性能，還有進一步的血液流動、腦電、心電等變化，為了更全面地表達，原有儀器需要增加新的測試參數(shù)，并運用新型材料和新型傳感器來測量相關(guān)參數(shù)，目前國外已實現(xiàn)并成熟運用利用光學性能來測量人體血液參數(shù)以達到無創(chuàng)檢測的目的。同時隨著近年來微電子技術(shù)、智能化機器人等新技術(shù)的開發(fā)和成熟，微波技術(shù)和電子技術(shù)甚至納米技術(shù)都會運用到這方面來；另一方面，現(xiàn)有成熟的測試系統(tǒng)均是國外專家研制成功的，國內(nèi)測試系統(tǒng)均以其為藍本創(chuàng)立，但是隨著國外技術(shù)壁壘越來越嚴苛，我們應該大力發(fā)展適用自己國家的皮革感官測試系統(tǒng)，突破技術(shù)壁壘，以實現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展。

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Analysis and Development of Leather Sensory Characteristics Parameter Testing Evaluation System

YU WEN-huan,DONG Ji-xian,ZHANG Ming
（Shannxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China）

This paper systematically discusses the research status at home and abroad at this stage in leather organoleptic characteristic parameter testing,and equipment components,test methods,the use of the advantages and disadvantages and the scope of analysis of its internal law of development and external demand,the direction of future research is proposed.

organoleptic properties;test methods;evaluation system;KES-F system;FAST system；PhabrOmeter system

TS 57

A

1671-1602（2016）21-0055-05

宇文歡（1992-），男，碩士研究生，聯(lián)系方式：18220521664，郵箱：352561273@qq. com。研究方向：化工過程機械。