基于原位力學(xué)測試的織物折皺回復(fù)性表征

胡霄睿， 孫豐鑫， 肖彩勤， 高衛(wèi)東

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學(xué) 設(shè)計學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

織物作為一種典型的纖維集合體軟材料[1]，其在低應(yīng)力作用下便可產(chǎn)生復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)整、材料黏彈塑性與滯彈響應(yīng)協(xié)同作用下的屈曲折皺效應(yīng)，并直接影響織物的外觀和市場價值。因此織物折皺回復(fù)性的表征和調(diào)控是紡織領(lǐng)域面臨的基本問題之一[2]。

現(xiàn)行的織物折皺回復(fù)性測試方法包括折皺回復(fù)角法和外觀平整度法[3-4]。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，許多研究者在結(jié)合上述二類方法基礎(chǔ)上，將圖像技術(shù)引入到織物折皺回復(fù)性的評價中，包括用動態(tài)圖像檢測織物折皺回復(fù)角度[5]，構(gòu)建織物折皺外觀的表觀特征圖像[6]，以及通過雙目機(jī)器視覺等方法重構(gòu)織物表面三維折皺形貌等[7]。圖像技術(shù)的運(yùn)用使得織物折皺回復(fù)性評價的客觀性有了很大提升。然而，織物折皺回復(fù)角測試過程中由于織物自由端的扭轉(zhuǎn)和卷曲等現(xiàn)象，往往帶來較大的測量誤差；而現(xiàn)有外觀平整度的圖像檢測很難克服織物復(fù)雜紋理和花型對評價結(jié)果的干擾，同時需要復(fù)雜耗時的織物起皺處理過程，造成織物性能提升和產(chǎn)品創(chuàng)新的諸多障礙。

近來許多研究通過織物力學(xué)性能和折皺回復(fù)角相關(guān)性分析，說明了織物折皺回復(fù)性能與物理性質(zhì)的必然聯(lián)系[8-9]?？椢镎郯櫥貜?fù)性作為不同外力作用下的織物本征物理性質(zhì)的宏觀表現(xiàn)[10]，其力學(xué)表征具有潛在的優(yōu)勢。對此，本文針對織物黏彈響應(yīng)的高時間依賴性特征，提出了時間、空間上連續(xù)(原位)的織物保形性力學(xué)測試方法，并解析測試曲線及特征指標(biāo)的物理意義，通過與折皺回復(fù)角的相關(guān)性分析，闡明力學(xué)方法在織物折皺回復(fù)性測試中的潛在應(yīng)用價值。

1 實(shí) 驗

1.1 試樣準(zhǔn)備

從魯泰紡織股份有限公司和江蘇陽光集團(tuán)有限公司分別選取棉型織物和毛型織物，挑選代表性的抗皺性能不同的19種機(jī)織物，均為經(jīng)過染整的成品織物，原料主要涉及棉、棉/滌和毛/滌,具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 織物基本規(guī)格參數(shù)Tab.1 Primary parameters of fabrics

1.2 折皺回復(fù)性的力學(xué)測試

1.2.1 測試裝置

為實(shí)施織物折皺回復(fù)性的力學(xué)測試，設(shè)計了織物保形性原位力學(xué)測試系統(tǒng)如圖1所示，主要包括移動板、測試板、力傳感器、伺服電動機(jī)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)[11]?？椢锿ㄟ^移動板和測試板上的夾持器夾持于兩板之間，并呈倒八字形略微懸垂?fàn)顟B(tài)，以保證測試過程中織物彎曲屈曲的穩(wěn)定性。移動板在伺服電動機(jī)驅(qū)動下相對測試板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，從而構(gòu)造織物的多重形變狀態(tài)；同時力傳感器實(shí)時采集織物組合變形下的復(fù)合力值，輸出相應(yīng)的力-位移測試曲線。

圖1 織物保形性原位力學(xué)測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of shape retention in-situ evaluation system for fabrics

1.2.2 測試原理

原位力學(xué)測試方法可實(shí)現(xiàn)在時間和空間上對織物材料的連續(xù)測試，稱之為原位，同時區(qū)別于現(xiàn)有折皺回復(fù)角等通過角度測量或視覺圖像的測試手段而稱之為力學(xué)測試。根據(jù)織物的典型變形特征可將測試過程分為彎曲屈曲階段Ⅰ、壓縮階段Ⅱ、折皺回復(fù)階段Ⅲ、伸直階段Ⅳ、拉伸階段Ⅴ、拉伸回復(fù)階段Ⅵ等6個測試階段(見圖2)。測試中，移動板在伺服電動機(jī)驅(qū)動下向靠近測試板一側(cè)運(yùn)動，織物在測試板和移動板作用下產(chǎn)生彎曲屈曲變形，即I彎曲屈曲階段；直到彎折的織物兩翼相互接觸，隨著移動板繼續(xù)靠近測試板對織物施加壓縮載荷，進(jìn)行Ⅱ壓縮階段測試。移動板在壓縮力到達(dá)設(shè)定的最大值時停止對織物繼續(xù)加載，然后移動板反向遠(yuǎn)離測試板運(yùn)動，使夾持于測試板和移動板之間的織物壓縮和屈曲變形逐漸回復(fù)，此時對應(yīng)Ⅲ折皺回復(fù)階段。直到織物逐漸由彎曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)后，移動板繼續(xù)遠(yuǎn)離測試板，使得織物由伸直狀態(tài)開始產(chǎn)生伸長變形，直到力傳感器監(jiān)測到力值到達(dá)設(shè)定的最大拉伸力，完成V拉伸階段測試，最后移動板由拉伸位置反向靠近測試板直至運(yùn)動到測試初始位置結(jié)束，完成VI拉伸回復(fù)階段測試。

圖2 原位力學(xué)測試過程與主要特征階段Fig.2 In-situ mechanical testing process and featured testing steps

通過構(gòu)造織物彎曲屈曲、壓縮、壓縮和屈曲回復(fù)、拉伸以及拉伸回復(fù)等組合變形，同步監(jiān)測織物變形過程中的黏彈塑性力學(xué)響應(yīng)，采集相應(yīng)的測試力值獲得力-位移曲線，對織物的保形性進(jìn)行綜合表征。

1.2.3 實(shí)驗參數(shù)設(shè)置

原位力學(xué)測試中，實(shí)驗參數(shù)設(shè)置為：測試板和移動板的隔距為10 mm，最大壓縮力和最大拉伸力均為300 cN，移動板回復(fù)停滯時間為30 s，移動板運(yùn)動速度為20 mm/min，力值的采樣頻率為80 Hz[12]。所有織物試樣壓平后裁剪為長×寬為30 mm×20 mm， 放置于標(biāo)準(zhǔn)大氣((20±2)℃，濕度(65±3)%)下平衡24 h以上。每種織物備注3塊試樣進(jìn)行測試，取平均值作為測試結(jié)果。

1.3 折皺回復(fù)角法測試

參照AATCC 66—2006《機(jī)織物折皺回復(fù)性的測定:回復(fù)角法》，利用SDL-M003型折皺回復(fù)角測試儀，對標(biāo)準(zhǔn)大氣((20±2) ℃，濕度(65±3)%)下的織物折皺回復(fù)角(AWR)進(jìn)行測試。考慮到織物折皺回復(fù)性的各向異性，為方便力學(xué)測試與折皺回復(fù)角測試結(jié)果的對比分析，2種方法均對織物經(jīng)向進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 測試曲線分析與指標(biāo)提取

織物原位力學(xué)測試典型的力—位移曲線如圖3所示。根據(jù)測試的特征階段，測試曲線也對應(yīng)6個過程。本文主要基于織物折皺回復(fù)階段曲線分析，探討織物的折皺回復(fù)性的力學(xué)表征方法。在折皺回復(fù)階段，隨著彎折織物的緩慢回復(fù)，縱坐標(biāo)軸負(fù)方向曲線對應(yīng)的力絕對值逐漸下降到0 cN(如圖3測試曲線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)A所示)，然后又從0 cN 逐漸增大以克服織物黏塑響應(yīng)引起的殘余變形；換言之，原位力學(xué)測試過程中，當(dāng)移動板運(yùn)動到對應(yīng)于測試曲線的A點(diǎn)時，測試板和移動板對織物水平方向沒有外力作用，此時類似于織物自由回復(fù)狀態(tài)。因此，交點(diǎn)A與坐標(biāo)原點(diǎn)O的偏移量Dfr與織物折皺后的自然回復(fù)角度具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，可提取為織物折皺回復(fù)性的一個特征指標(biāo)。隨后力值繼續(xù)增大，織物因其固有的滯彈性而在移動板作用下開始被動回復(fù)過程，曲線與縱坐標(biāo)軸相交于點(diǎn)B，對應(yīng)的力值Fwr反映了折皺誘導(dǎo)的殘余力，也可用于織物折皺回復(fù)性表征。此外，由于織物彎曲滯后性與其折皺回復(fù)性間存在密切關(guān)聯(lián)[13]，可由標(biāo)度律[14]表達(dá)為：

圖3 原位力學(xué)測試系統(tǒng)典型的力-位移曲線Fig.3 Typical force displacement curve of in-situ mechanical tests

Bhm～αn

(1)

式中：Bhm為彎曲滯后矩；α為 折皺回復(fù)角；n為冪指數(shù)。因此，彎曲屈曲階段曲線與折皺回復(fù)階段的滯回曲線間的滯后矩Hfr也反映了織物折皺回復(fù)特性。

原位力學(xué)測試曲線的折皺特征指標(biāo)(偏移量Dfr、折皺誘導(dǎo)的殘余力Fwr以及滯后矩Hfr)以及對應(yīng)織物折皺回復(fù)角測試結(jié)果，如表2所示。表中數(shù)據(jù)均為織物縱向3次測試結(jié)果的平均值，則3次測試曲線的折皺特征指標(biāo)變異系數(shù)CVD、CVF和CVH以及折皺回復(fù)角AWR的變異系數(shù)CVA計算結(jié)果如圖4 所示。從圖中數(shù)據(jù)可見，原位力學(xué)測試方法獲得的折皺特征指標(biāo)的變異系數(shù)均低于0.10，而折皺回復(fù)角法所測的折皺回復(fù)角數(shù)據(jù)波動性略大，特別是4#、12#和15#織物，測試結(jié)果穩(wěn)定性較低，折皺回復(fù)角的變異系數(shù)大于0.16。因此從測試數(shù)據(jù)總體來看，原位力學(xué)測試方法的穩(wěn)定性好于折皺回復(fù)角法。主要原因為：折皺回復(fù)角法測試中，織物自由翼的卷曲和扭轉(zhuǎn)會引起讀數(shù)誤差，而且將織物從壓縮塊下取出轉(zhuǎn)移到角度測試盤的過程存在一定人為干預(yù)誤差。原位力學(xué)測試方法，織物在夾持狀態(tài)下進(jìn)行力學(xué)測試，直接測試織物的折皺回復(fù)性能，避免了織物折皺回復(fù)角的讀取過程，沒有織物扭轉(zhuǎn)等因素的干擾，而且基于高精度力傳感器的力學(xué)測試方法避免了圖像測試中的隨機(jī)性，具有可重復(fù)性高、精確可靠的優(yōu)勢。

表2 折皺特征指標(biāo)與織物折皺回復(fù)角測試結(jié)果Tab.2 Results of feature indices and wrinkle recovery angles

圖4 折皺特征指標(biāo)和折皺回復(fù)角CV值比較Fig.4 Comparisons of coefficients of variation between feature indices and wrinkle recovery angles

2.2 折皺特征指標(biāo)與折皺回復(fù)角關(guān)系

表3示出原位力學(xué)測試的折皺特征指標(biāo)與折皺回復(fù)角的Pearson相關(guān)系數(shù)?？梢?，3個折皺特征指標(biāo)均與折皺回復(fù)角在0.01水平具有顯著的相關(guān)性，說明原位力學(xué)測試獲得的折皺特征指標(biāo)與折皺回復(fù)角具有必然關(guān)聯(lián)，可以用來表征織物的折皺回復(fù)性。其中偏移量Dfr與折皺回復(fù)角相關(guān)系數(shù)最大，進(jìn)一步驗證了該指標(biāo)的物理意義：原位力學(xué)測試中對測試力值為0 cN時的織物回復(fù)偏移量與折皺回復(fù)角法所測織物自由翼的自由回復(fù)狀態(tài)時候的折皺回復(fù)角度之間的對應(yīng)關(guān)系。

表3 折皺特征指標(biāo)與折皺回復(fù)角的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of feature indices and wrinkle recovery angles

為進(jìn)一步分析3個指標(biāo)與折皺回復(fù)角的相互關(guān)系，以折皺特征指標(biāo)作為自變量，以折皺回復(fù)角作為因變量，采用逐步回歸法，p<0.05和p>0.10分別作為自變量進(jìn)入和剔除回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建多元線性回歸方程，如式(2)所示：

(2)

從式(2)可見，偏移量Dfr和滯后矩Hfr被納入回歸方程，而基于方差分析在95%概率下沒有將折皺誘導(dǎo)的殘余力Fwr納入回歸方程。這主要是由于折皺誘導(dǎo)的殘余力Fwr指標(biāo)反映了織物從折皺狀態(tài)回復(fù)到自由狀態(tài)后再被拉伸而展平所需要的額外作用力，此過程是折皺回復(fù)角所不能反映的。因此Fwr指標(biāo)沒被納入折皺回復(fù)角的回歸方程。然而此指標(biāo)作為評價織物折皺回復(fù)性的有效指標(biāo)，可以更好反映織物折皺回復(fù)到原始狀態(tài)整個過程的回復(fù)性能，具有重要意義。從這一點(diǎn)來看，原位力學(xué)測試方法提供了比折皺回復(fù)角更為豐富的評價指標(biāo)，更能全面反映織物的折皺回復(fù)性能，且上述回歸模型及其構(gòu)建方法有望應(yīng)用于織物折皺回復(fù)角的高效、客觀評價。

3 結(jié) 論

本文提出織物折皺回復(fù)性的原位力學(xué)測試方法，通過解析力-位移測試曲線，提取偏移量、折皺誘導(dǎo)的殘余力和滯后矩3個折皺特征指標(biāo)；結(jié)合折皺回復(fù)角和折皺特征指標(biāo)的變異系數(shù)對比分析，說明力學(xué)測試方法穩(wěn)定性和可靠性好于折皺回復(fù)角法。采用逐步多元回歸和Pearson相關(guān)系數(shù)對折皺特征指標(biāo)與折皺回復(fù)角相關(guān)性進(jìn)行了分析，表明力學(xué)測試曲線提取的折皺特征指標(biāo)與折皺回復(fù)角在0.01水平具有顯著相關(guān)性，可以用來表征織物的折皺回復(fù)性，且原位力學(xué)測試方法提供了比折皺回復(fù)角更豐富的評價指標(biāo)，因此能全面、客觀表征織物折皺回復(fù)性能。