自制耐磨儀及其對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性測(cè)試

管昳昳，劉曉霞，王澤凡，邱昱琛，高 琮

(上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海 201620)

自制耐磨儀及其對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性測(cè)試

管昳昳，劉曉霞，王澤凡，邱昱琛，高 琮

(上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海 201620)

為探索新的織物耐磨性測(cè)試方法，設(shè)計(jì)并制造出自制耐磨儀。介紹了自制耐磨儀的原理、結(jié)構(gòu)以及測(cè)試方法。在一定充氣壓力下應(yīng)用自制耐磨儀對(duì)織物折皺點(diǎn)進(jìn)行摩擦，通過(guò)氣流量的變化實(shí)時(shí)反映織物的磨損情況，通過(guò)伯努利方程將變化氣流量轉(zhuǎn)化為等效孔徑，選取等效孔徑值來(lái)評(píng)價(jià)織物折皺點(diǎn)的耐磨性能。采用正交試驗(yàn)，選取摩擦速度、充氣壓力、面料厚度3個(gè)測(cè)試參數(shù)，對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能進(jìn)行了測(cè)試，分析了它們對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)耐磨性能的影響。結(jié)果表明，自制耐磨儀在一定條件下，可表征羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能。充氣壓力和面料厚度對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能有顯著影響，摩擦速度對(duì)其影響不顯著，充氣壓力的影響最為顯著。研究結(jié)果為改善羽絨服面料折皺點(diǎn)的耐磨性提供了借鑒方法。

紡織機(jī)械設(shè)計(jì)與制造；耐磨儀；氣流量；羽絨面料；折皺點(diǎn)；耐磨性能

管昳昳，劉曉霞，王澤凡，等. 自制耐磨儀及其對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性測(cè)試[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017,38(1):66-72. GUAN Yidie, LIU Xiaoxia, WANG Zefan,et al.Homemade abrasion tester and its application for abrasion resistance testing of crease points on down fabrics[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(1):66-72.

織物在穿著和使用過(guò)程中會(huì)受到各種外界因素的影響，特別是與周?chē)矬w接觸并相互摩擦造成織物性能的損失[1]。在織物摩擦過(guò)程中，其表面首先被改變，然后其內(nèi)在結(jié)構(gòu)受到影響，進(jìn)而外觀(guān)被影響，其服用性能大大降低[2-3]。因此，紡織品表面的耐磨性是檢驗(yàn)紡織品的重要指標(biāo)[4]。

織物的磨損類(lèi)型很多，主要有曲面磨損、平面磨損、翻動(dòng)磨損、折邊磨損、動(dòng)態(tài)磨損等，對(duì)服裝的不同部位有著不同狀態(tài)的磨損[5]。針對(duì)這些磨損的耐磨性測(cè)試方法已基本成熟，并已被列入紡織品耐磨性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。比如美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)關(guān)于紡織品耐磨性的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)主要有：旋轉(zhuǎn)式平臺(tái)雙頭法[6]、曲磨法[7]、充氣膜片法[8]、振動(dòng)汽缸法[9]、均勻磨損法[10]。美國(guó)紡織化學(xué)師與印染師協(xié)會(huì)(AATCC)采用?？宋鱽?lái)羅試驗(yàn)儀法[11]，其余大多數(shù)國(guó)家均采用馬丁代爾磨損試驗(yàn)儀法[12]對(duì)織物耐磨性進(jìn)行檢測(cè)。這些耐磨性測(cè)試方法基本都是面料與磨料以面與面的方式接觸摩擦，無(wú)法得知某些應(yīng)力集中點(diǎn)比如折角尖端處的磨損狀態(tài)。而且這些耐磨性測(cè)試方法不能連續(xù)測(cè)定織物磨損狀態(tài)，無(wú)法得知測(cè)試過(guò)程中摩擦?xí)r間或摩擦次數(shù)與織物磨損之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)于耐磨性能的評(píng)定大都需要人工觀(guān)測(cè)。有商家反映，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有的耐磨測(cè)試方法測(cè)定羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能，并以此來(lái)評(píng)價(jià)羽絨面料是否失效?？v觀(guān)國(guó)內(nèi)外的耐磨性測(cè)試方法，尚未見(jiàn)到對(duì)織物折角或折皺點(diǎn)進(jìn)行摩擦測(cè)試的相關(guān)或類(lèi)似研究報(bào)道。本課題組研制了一種新型氣流式耐磨性能測(cè)試儀器，專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量織物在折皺狀態(tài)下折皺尖端的耐磨性能，并探討測(cè)試參數(shù)——耐磨儀的摩擦速度、充氣壓力以及面料厚度對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能的影響。

1 自制耐磨儀

1.1 自制耐磨儀原理及等效孔徑概念

本課題組研制了一種新型氣流式耐磨性能測(cè)試儀器(公開(kāi)號(hào)：CN204831951U，實(shí)用新型，已授權(quán)。公開(kāi)號(hào)：CN105043912A，發(fā)明專(zhuān)利，已公告)，用此來(lái)專(zhuān)門(mén)測(cè)量織物在折皺狀態(tài)下折皺點(diǎn)的耐磨性能。在一定充氣壓力下，耐磨儀對(duì)織物折皺點(diǎn)進(jìn)行摩擦。采用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集氣體流量數(shù)據(jù)，通過(guò)Labview軟件組成的虛擬儀器來(lái)獲知摩擦過(guò)程與變化氣流量的關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)伯努利方程得出摩擦過(guò)程與等效孔徑的關(guān)系，以等效孔徑值的大小來(lái)反應(yīng)織物的磨損狀態(tài)[13-15]。該耐磨測(cè)試方法能實(shí)時(shí)反應(yīng)織物的磨損狀態(tài)(公開(kāi)號(hào)：CN105043911A，發(fā)明專(zhuān)利，已公告)。通過(guò)該儀器的運(yùn)動(dòng)控制模塊可控可調(diào)相關(guān)參數(shù)，如摩擦量、摩擦速度、摩擦對(duì)偶之間的壓力、充氣壓力等，模擬衣服的袖口、肘部和一些背包邊角的折皺情況，以滿(mǎn)足不同試樣的耐磨性測(cè)試。

折皺織物的尖端在磨損過(guò)程中由于不同面料紗線(xiàn)損壞方式的差異性，并不能形成規(guī)則圓形，其孔洞都是不規(guī)則圖形，用常規(guī)方法無(wú)法對(duì)孔洞幾何面積進(jìn)行定義，而用肉眼直接比較不規(guī)則孔洞是不現(xiàn)實(shí)的。但是無(wú)論是規(guī)則孔洞或是不規(guī)則孔洞，當(dāng)其有氣流通過(guò)時(shí)，在流體力學(xué)上都有共通性?？梢园堰@些不規(guī)則孔洞和能夠通過(guò)與其相同氣體流量的規(guī)則孔洞相等效，提出在織物磨損時(shí)等效孔徑的概念，解決織物折皺點(diǎn)磨損后，無(wú)法測(cè)量其破損孔洞面積的難點(diǎn)。

等效孔徑即等效規(guī)則圓形孔洞的直徑。等效孔徑的測(cè)量是通過(guò)將流體力學(xué)中普遍使用的伯努利方程應(yīng)用在自制耐磨儀上實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)氣流從輸氣管中流出通過(guò)織物的破孔時(shí)，可將其看成孔口出流，符合根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性原理和伯努利方程推導(dǎo)出的流量公式[16-17]：

(1)

式中：qv表示氣體的體積流量，m3/s；c表示流出系數(shù)，無(wú)量綱；d表示工況下孔板內(nèi)徑，mm；D表示工況下上游管道的內(nèi)徑，mm；β表示d/D，無(wú)量綱；ε表示可膨脹系數(shù)，無(wú)量綱；Δpx表示孔板前后的壓差值，Pa；ρ表示工況下的流體密度，kg/m3。

(2)

所有傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)單位按公式進(jìn)行統(tǒng)一，體積流量qv為最終流量減去初始流量表示為X1-X4，壓差Δpx表示為X2，溫度t表示為X3。則等效孔徑在自制耐磨儀Labview程序中的修正公式為

(3)

假設(shè)孔板前后的壓差值與工作條件下的溫度都為定值，等效孔徑的大小與變化氣體體積流量的大小呈冪函數(shù)關(guān)系，即等效孔徑值會(huì)隨著變化氣體體積流量的增大而增大。等效孔徑越大，表明其對(duì)應(yīng)的不規(guī)則孔洞面積越大，意味著該織物折皺點(diǎn)的磨損程度越嚴(yán)重，即該折皺織物折皺點(diǎn)的耐磨性能越差，反之則越好。

1.2 自制耐磨儀的結(jié)構(gòu)

圖1 自制耐磨儀機(jī)構(gòu)示意圖
Fig.1 Schematic diagram of homemade abrasion tester mechanisms

自制耐磨儀由外接氣源機(jī)構(gòu)、氣流輸送機(jī)構(gòu)、測(cè)試機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)4部分組成。機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。氣源機(jī)構(gòu)指的是外接于自制耐磨儀的氣體壓縮機(jī)，即為自制耐磨儀提供氣流的機(jī)構(gòu)。氣流輸送機(jī)構(gòu)主要包括氣流輸送管、氣流控制閥、調(diào)壓閥、數(shù)顯表和氣體流量計(jì)。調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)充氣壓力，氣體流量計(jì)用于測(cè)量輸出氣體的流量。測(cè)試機(jī)構(gòu)包括測(cè)試連接管、柔性輸氣管、摩擦構(gòu)件和夾持頭。其中摩擦構(gòu)件為一組偏心輪，如圖2所示。偏心輪上需包覆摩擦材料。夾持頭即固定待測(cè)試樣的裝置。動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括第一電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、往復(fù)平臺(tái)、固定支撐架和第二電機(jī)。自制耐磨儀實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 偏心輪
Fig.2 Eccentric wheel

圖3 自制耐磨儀
Fig.3 Homemade abrasion tester

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試探討

2.1 測(cè)試參數(shù)及實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 測(cè)試參數(shù)

采用自制耐磨儀進(jìn)行測(cè)試，選用耐磨儀的摩擦速度和充氣壓力以及羽絨面料的面料厚度3個(gè)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的考察變量。摩擦速度即每秒偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，摩擦速度越大，其磨損產(chǎn)生的能量越高，織物越容易被破壞；充氣壓力的大小決定了織物尖端的硬挺程度，充氣壓力越大試樣尖端越硬越容易被磨損；面料厚度是衡量織物耐磨性能的一個(gè)較重要的指標(biāo)，在面料紋理、種類(lèi)等其他條件相同的情況下，面料越厚對(duì)摩擦抵抗能力越強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，設(shè)置三因素并對(duì)應(yīng)三水平，以等效孔徑為考察指標(biāo)，探討各因素對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能即等效孔徑的影響[18-19]。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為3種普通羽絨面料，其面料規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。羽絨面料都經(jīng)過(guò)涂層或壓光防鉆絨處理，透氣量較小。

表1 羽絨面料規(guī)格參數(shù)

2.2 折皺點(diǎn)耐磨性測(cè)試

2.2.1 試樣制作

圖4 錐形試樣
Fig.4 Cone sample

在面料上切取半徑為42.5mm的圓，在圓上畫(huà)出一條半徑并以該半徑為起始邊量取105.4°的夾角，畫(huà)出另一條半徑，將2條半徑中間折疊，使得2條半徑重合，制出圓錐形立體狀。折疊部分用雙面膠黏合，靠近圓錐尖頭部分不能用雙面膠黏合，避免雙面膠對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。所有試樣正反面以及折邊朝向必須一致。實(shí)物圖如圖4所示。

2.2.2 折皺點(diǎn)的耐磨測(cè)試方法

1) 將錐形試樣裝入夾持頭內(nèi)，錐形試樣的尖端需安裝在夾持頭的中心，確保摩擦范圍為試樣的尖頭部分。內(nèi)錐形圓盤(pán)與錐形磨頭相互擰緊，確保夾持頭在摩擦過(guò)程中不漏氣。夾持頭的安裝示意圖如圖5所示。通過(guò)自制耐磨儀顯示屏上的手動(dòng)控制界面調(diào)整夾持頭的位置，使得錐形試樣的尖端不與偏心輪觸碰，防止觸碰使得試樣尖端凹癟。

圖5 夾持頭安裝示意圖
Fig.5 Schematic diagram of installing clamping head

2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案在電腦程序中更改摩擦速度，啟動(dòng)耐磨儀使得氣流輸送機(jī)構(gòu)通氣，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥設(shè)定充氣壓力。

3) 檢查其余傳感器部分顯示數(shù)據(jù)正常后，再次啟動(dòng)自制耐磨儀，儀器進(jìn)入初始流量測(cè)定階段，聽(tīng)到一聲長(zhǎng)鳴后，開(kāi)啟Labview中的數(shù)據(jù)記錄程序。等待摩擦停止，聽(tīng)到另一聲長(zhǎng)鳴后停止實(shí)驗(yàn)記錄。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀(guān)察電腦上數(shù)據(jù)記錄面板中的初始流量、溫度、氣體流量、等效孔徑等各信號(hào)是否正常。按照正交表中的對(duì)應(yīng)參數(shù)，更改面料種類(lèi)、摩擦速度以及充氣壓力。實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)錐形試樣進(jìn)行編號(hào)并原樣保存。

實(shí)驗(yàn)中一定要注意以下幾點(diǎn)。

1) 偏心輪中2個(gè)摩擦輪的砂紙必須貼合摩擦輪，不得有高出凸起的部分，確保2個(gè)摩擦輪在同一水平位置，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)所用砂紙一致。

2) 試樣安裝的過(guò)程中，如面料較厚，會(huì)造成折疊部分空隙過(guò)大，需用工具將內(nèi)錐形圓盤(pán)與錐形磨頭擰緊；如面料較薄，則最好把試樣懸垂放置夾持頭中進(jìn)行安裝，且不可擰太緊防止面料變形。保持安裝完畢的試樣折邊線(xiàn)在同一位置。

3) 為保證實(shí)驗(yàn)中的摩擦次數(shù)相當(dāng)，設(shè)定為100次左右，在改動(dòng)摩擦輪摩擦速度的同時(shí)，需改動(dòng)夾持頭橫移的速度。按照表2中設(shè)定的摩擦速度為2,4,6r/s，相應(yīng)的橫移速度為10,20,30m/s。

3 測(cè)試結(jié)果與討論

摩擦速度、充氣壓力、面料厚度3個(gè)因素以及平均等效孔徑的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 耐磨測(cè)試正交試驗(yàn)記錄表

用方差分析法對(duì)表2耐磨測(cè)試正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(設(shè)置顯著性水平為0.05)得表3[20]。

表3 耐磨測(cè)試影響因素方差分析表

由表3可知因素摩擦速度的顯著性水平為0.491，遠(yuǎn)大于0.05，表明摩擦速度對(duì)等效孔徑的影響不顯著。按常理來(lái)分析，增大摩擦速度會(huì)增大磨損產(chǎn)生的能量，織物會(huì)更容易被破壞。但數(shù)據(jù)顯示其對(duì)等效孔徑的影響不顯著，這可能由于設(shè)置的摩擦速度差過(guò)小或者摩擦速度過(guò)小所產(chǎn)生的能量不足以破壞織物等原因造成。因素充氣壓力的顯著性水平為0.023，小于0.05，表明充氣壓力對(duì)等效孔徑的影響顯著。充氣壓力越大，錐形試樣的尖端對(duì)磨料的作用力就越大。在其他測(cè)試參數(shù)一致的情況下，試樣尖端對(duì)磨料作用力越大，試樣被磨損地就越厲害。因素面料厚度的顯著性水平為0.046，小于0.05，表明面料厚度對(duì)等效孔徑的影響顯著?？椢锩媪虾穸仁呛饬靠椢锬湍バ阅艿囊粋€(gè)較為重要的指標(biāo)。在其他條件一致的情況下，面料越厚，耐磨性能越好。但是從為自制耐磨儀設(shè)計(jì)一組最適合的測(cè)試參數(shù)這一角度出發(fā)，相比其他因素，面料厚度對(duì)織物折皺點(diǎn)的耐磨性能影響顯著性越小，這組測(cè)試參數(shù)才會(huì)越合理。以這組測(cè)試參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)才能測(cè)試更多的織物，而不是局限于一定厚度范圍的織物。3個(gè)因素對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能影響大小的排序是：充氣壓力>面料厚度>摩擦速度。

通過(guò)直觀(guān)分析法對(duì)每個(gè)因素與平均等效孔徑的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。邊際平均值即剔除其他變量影響，僅在一個(gè)因素作用下，得出平均等效孔徑的均值。

圖6 三因素與平均等效孔徑關(guān)系
Fig.6 Relationship between three factors and average equivalent aperture

從圖6可知，平均等效孔徑與摩擦速度的相關(guān)性不顯著。隨著充氣壓力的增大，平均等效孔徑也呈上升趨勢(shì)，即充氣壓力越大，試樣折皺點(diǎn)的磨損程度越嚴(yán)重。相反，隨著面料厚度的增大，平均等效孔徑在減小，即面料越厚，試樣折皺點(diǎn)的耐磨性能越好。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)自制耐磨儀的初步探討得到以下結(jié)論。

1)通過(guò)伯努利方程把變化氣體流量轉(zhuǎn)化成等效孔徑來(lái)衡量織物折皺點(diǎn)的耐磨性能，能實(shí)時(shí)反映織物的磨損狀態(tài)，表征羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能。

2)在摩擦條件相同的情況下，等效孔徑可反映織物的磨損情況，孔徑越大代表該織物折皺點(diǎn)處的耐磨性能越差，反之則較好。

3)摩擦速度、充氣壓力、面料厚度這3個(gè)因素中，充氣壓力與羽絨面料厚度對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能具有顯著影響，摩擦速度對(duì)其影響不顯著。3個(gè)因素對(duì)羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能影響顯著性的大小排序?yàn)槌錃鈮毫?面料厚度>摩擦速度。

4)定性測(cè)試表明，自制耐磨儀可表征羽絨面料折皺點(diǎn)的耐磨性能。但是，儀器初始測(cè)試參數(shù)的確定，各參數(shù)對(duì)織物磨損情況的影響，以及對(duì)其余織物折皺點(diǎn)的耐磨性能的表征，尚需要更大量的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

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Homemade abrasion tester and its application for abrasion resistance testing of crease points on down fabrics

GUAN Yidie, LIU Xiaoxia, WANG Zefan, QIU Yuchen, GAO Cong

(Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 201620 China)

In order to explore a new method for testing the fabric abrasion resistance, a homemade abrasion tester is designed and manufactured. The principle, structure and test method of the homemade abrasion tester are introduced. The crease points on fabrics are rubbed using the abrasion tester under certain air pressure and the abrasion of fabrics is reflected on real time through the change of gas flow. The change of gas flow is converted into equivalent aperture by Bernoulli equation and the equivalent aperture is used to evaluate the abrasion resistance of the crease point on fabric. Three measuring parameters of friction velocity, gas pressure and fabric thickness influencing on the abrasion resistance of crease point on down fabrics are tested by orthogonal experiment. The influence of the three elements on the abrasion resistance is analyzed. The results show that the homemade abrasion tester can represent the abrasion resistance of crease point under certain conditions. The gas pressure and fabric thickness have significant influence on the abrasion resistance, but the influence of friction velocity is not significant. Above all, the gas pressure has the most high influence. The research result prevides reference for improving the abrasion resistance of crease points on down fabrics.

textile machinery design and manufacture; abrasion tester; gas flow; down fabrics; crease point; abrasion resistance

1008-1542(2017)01-0066-07

10.7535/hbkd.2017yx01011

2016-08-19；

2016-10-22；責(zé)任編輯：張 軍

上海市教委產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(15cxy36)；上海紡織有限公司創(chuàng)新項(xiàng)目(2014-zx-01-2)

管昳昳(1993—)，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事紡織機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的研究。

劉曉霞教授。E-mail: liuxiaoxialucky@126.com

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