基于環(huán)形風(fēng)格儀的針織物風(fēng)格曲線特征參數(shù)

邵亞文，鄭冬明，潘行星，鄒昊宸，劉真銳，劉 貴，杜趙群

(1.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.江西省羽絨制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江西 共青城 332020；3.福建省紡織品檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省纖維檢驗(yàn)中心)，福建 福州 350026)

織物觸覺(jué)風(fēng)格是通過(guò)皮膚與織物接觸而產(chǎn)生的綜合感覺(jué)效應(yīng)。手感通常指以手觸摸、抓捏織物所產(chǎn)生的主觀感覺(jué)，用以衡量織物的物理特征，因其具有較高的靈敏性而多用于評(píng)價(jià)織物的宏觀力學(xué)性能[1]?？椢锸指械亩吭u(píng)價(jià)是對(duì)織物觸覺(jué)性能進(jìn)行綜合評(píng)估的必要組成部分。

20世紀(jì)30年代，Peirce[2]以懸臂梁法表征了織物的彎曲剛度和彎曲長(zhǎng)度，織物手感的客觀評(píng)價(jià)由此開(kāi)始。KES-F(Kawabata evaluation systems for fabric)和FAST(fabric assurance by simple testing)系統(tǒng)是最具代表性的織物風(fēng)格客觀評(píng)價(jià)測(cè)試儀器。KES-F系統(tǒng)通過(guò)4臺(tái)儀器測(cè)試織物低應(yīng)力下的拉伸、彎曲、摩擦、壓縮性能得出16個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)，再通過(guò)多元線性回歸計(jì)算得出織物的綜合風(fēng)格[3-4]；FAST系統(tǒng)通過(guò)3臺(tái)儀器和1種測(cè)試方法評(píng)價(jià)織物的風(fēng)格和成型性[5]。這兩種測(cè)試系統(tǒng)屬于多臺(tái)、多測(cè)、多指標(biāo)測(cè)試儀器的代表，由于其在測(cè)試織物力學(xué)性能時(shí)需多個(gè)樣品在不同儀器上進(jìn)行，因此，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)且成本較高。近年來(lái)，研究者探索出一種將同一測(cè)試樣本通過(guò)同一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試儀器直接測(cè)試出多個(gè)指標(biāo)的單臺(tái)、多測(cè)、多指標(biāo)測(cè)試方法[6]。例如：東華大學(xué)TMT團(tuán)隊(duì)[7-9]的CHES-FY(comprehensive hand evaluation system for fabrics and yarns)可原位測(cè)量織物與紗線的質(zhì)量，彎曲、摩擦與拉伸性能，以及基本的織物風(fēng)格。潘寧[10-11]的PhabrOmeter織物評(píng)估系統(tǒng)定義了3個(gè)指標(biāo)即手感值剛度、平滑度和柔軟度，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)試樣比對(duì)可得出測(cè)試樣品的相對(duì)手感。

風(fēng)格環(huán)法是一種簡(jiǎn)單、快捷評(píng)價(jià)織物風(fēng)格的方法。20世紀(jì)90年代已有國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)環(huán)孔形風(fēng)格儀評(píng)價(jià)織物風(fēng)格的可行性進(jìn)行了探索，例如：北京毛紡紡織科學(xué)研究所的下柱體軸心式風(fēng)格環(huán)[12]和西北紡織學(xué)院(現(xiàn)為西安工程大學(xué))的環(huán)孔法風(fēng)格儀[13]。筆者課題組基于風(fēng)格環(huán)法的原理設(shè)計(jì)了一種環(huán)形風(fēng)格儀，其與手指觸摸織物的捏、壓等動(dòng)作以及手指對(duì)織物的拉伸行為具有較好的相關(guān)性，且是一種新型單臺(tái)、多測(cè)、多指標(biāo)測(cè)試儀器。本文旨在識(shí)別新型環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)試曲線的特征，為織物風(fēng)格客觀評(píng)價(jià)算法的研究與選擇提供參考，通過(guò)提取環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得曲線的特征參數(shù)，并同CHES-FY低應(yīng)力下的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，驗(yàn)證環(huán)形風(fēng)格儀在表征針織物基本力學(xué)性能方面的可行性。

1 環(huán)形風(fēng)格儀介紹

1.1 環(huán)形風(fēng)格儀原理

環(huán)形風(fēng)格儀的原理圖如圖1所示。試樣被放置在風(fēng)格環(huán)上，通過(guò)推桿緩慢推動(dòng)織物通過(guò)風(fēng)格環(huán)，其中推桿的底部為半球體接觸面，更符合人手指觸摸織物的狀態(tài)，可更好地模擬織物復(fù)雜的應(yīng)力變化情況。在推桿作用下，織物先發(fā)生彎曲變形，隨著推桿的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，織物會(huì)發(fā)生壓縮、摩擦、拉伸、剪切等復(fù)雜變形，如圖2所示。具體過(guò)程為：推桿下端開(kāi)始接觸織物上表面；推桿向下頂出織物；織物發(fā)生變形并逐漸產(chǎn)生褶皺，直至從風(fēng)格環(huán)中頂出來(lái)?？椢锍榘芜^(guò)程中的推桿推力和位移由高靈敏的力學(xué)傳感器和位移傳感器記錄。

圖1 環(huán)形風(fēng)格儀的測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic of the ring-shaped style tester

圖2 環(huán)形風(fēng)格儀在測(cè)試過(guò)程中推桿與織物間的相對(duì)狀態(tài)Fig.2 Relative states between push rod and the fabric during the test of ring-shaped style tester

1.2 環(huán)形風(fēng)格儀曲線特征參數(shù)

在測(cè)試過(guò)程中，記錄推桿與織物接觸時(shí)力與位移曲線，從中提取織物與人手接觸的客觀性能指標(biāo)，從而評(píng)價(jià)織物的觸感風(fēng)格。為更好地定量表征織物觸感風(fēng)格，提取環(huán)形風(fēng)格儀典型力-位移曲線的特征參數(shù)，其具體定義如圖3所示。其中：x為突變點(diǎn)與峰值點(diǎn)間的位移；A1和A2分別為曲線左側(cè)和右側(cè)的面積；h為曲線的峰值；k1和k2分別為左側(cè)曲線和右側(cè)曲線線性段的斜率。記L為左側(cè)曲線的線性度[L=2A1/(hx)]，C為左側(cè)曲線面積與右側(cè)曲線面積的比值。

圖3 環(huán)形風(fēng)格儀典型的力-位移曲線特征參數(shù)Fig.3 Typical force-displacement curve parameters of ring-shaped style tester

2 試驗(yàn)部分

2.1 試樣

從市場(chǎng)上選取20種針織物，其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中：w為橫密，指針織物線圈橫列方向5 cm內(nèi)的縱行數(shù)；f為縱密，指線圈縱行方向5 cm內(nèi)的橫列數(shù)；T為織物厚度；M為織物的面密度。

表1 試樣規(guī)格參數(shù)Table 1 Specifications of the knitted fabric specimens

2.2 環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)試

風(fēng)格環(huán)的質(zhì)量為229.3 g，環(huán)孔直徑為6 cm，測(cè)試桿的下降速度設(shè)置為60 mm/min。每種針織物裁取3個(gè)100 cm2的圓形試樣。將樣品放置在環(huán)形面上，再放置合適風(fēng)格環(huán)，每種針織物試樣測(cè)試3次，取平均值。

2.3 CHES-FY測(cè)試

CHES-FY通過(guò)1次測(cè)試即可獲得織物在低應(yīng)力下的壓縮、彎曲、摩擦、拉伸等階段的力與位移曲線[14]。就手感風(fēng)格而言，CHES-FY不僅是一套商業(yè)化的力學(xué)性能測(cè)試儀器，而且測(cè)試結(jié)果與手感評(píng)價(jià)織物風(fēng)格最為接近，故選擇CHES-FY風(fēng)格評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究。CHES-FY的控制單元設(shè)置如下：壓縮力末值為200 cN；彎曲位移為25 mm；摩擦階段雙壓輥的壓力均為50 cN，位移為30 mm；拉伸階段末雙壓輥壓力為900 cN，拉伸力上限為400 cN，拉伸最大位移為25 mm。按照平行取樣法從針織物的縱向、橫向、45°方向各裁取3個(gè)50 cm×5 cm的矩形試樣，作為CHES-FY的測(cè)試樣品。試驗(yàn)前將所有樣品放置在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境(溫度為(20±1)℃，相對(duì)濕度為(65±2)%)下處理24 h以上。每種試樣縱向、橫向、45°方向各測(cè)試3次取結(jié)果平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)形風(fēng)格儀的曲線特征

通過(guò)環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)試得到的20種針織物的力-位移曲線如圖4所示。從力-位移曲線中提取出的特征參數(shù)值如表2所示。由圖4可知，不同針織物的力-位移曲線形態(tài)基本一致，即隨著推桿位移的增加，推力迅速增大，達(dá)到峰值后，推力逐漸減小。根據(jù)曲線的形態(tài)特征可明顯區(qū)分性能差異較大的針織物，其中曲線的斜率與面積對(duì)針織物的特性變化較為敏感。

圖4 環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)試的20種針織物力-位移曲線圖Fig.4 Force-displacement curves of 20 knitted fabrics measured by ring-shaped style tester

表2 環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得的20種針織物樣品的曲線特征參數(shù)值Table 2 Feature parameter values of 20 knitted fabric samples measured by ring-shaped style tester

環(huán)形風(fēng)格儀的特征參數(shù)之間的相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，h與k1、k2，以及k1與k2的相關(guān)系數(shù)分別為0.884、-0.875、-0.689，兩兩之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這可能是針織物試樣受到的彎曲、摩擦、壓縮與拉伸作用的綜合結(jié)果。L與k1的相關(guān)系數(shù)為-0.899，表明力-位移曲線的左側(cè)線性度隨左側(cè)斜率的增大而減小。由此可見(jiàn)，環(huán)形風(fēng)格儀的特征參數(shù)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

表3 環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得的針織物特征參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient among knitted fabric feature parameters measured by ring-shaped style tester

3.2 環(huán)形系統(tǒng)曲線特征值的相關(guān)性分析

環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得的曲線的8個(gè)特征值可以反映針織物的觸感風(fēng)格。為檢驗(yàn)這些特征參數(shù)的有效性，采用Spearman相關(guān)分析法對(duì)環(huán)形風(fēng)格儀的特征參數(shù)和CHES-FY 4個(gè)階段的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。CHES-FY的測(cè)試結(jié)果如表4所示。為消除數(shù)據(jù)取值范圍的差異，先采用Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)上述兩種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表4 針織物樣品的CHES-FY測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of the knitted fabric samples by CHES-FY

3.2.1 壓縮階段指標(biāo)相關(guān)性分析

織物在厚度方向的壓縮性能反映了其手感的蓬松豐滿程度[15]。壓縮階段兩種測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果如表5所示。由表5可知，環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得曲線的特征參數(shù)C與樣品的ΔT和Ac之間的相關(guān)性在置信度為0.01時(shí)顯著，表明織物越蓬松，力-位移曲線左右側(cè)的面積比越小，說(shuō)明特征參數(shù)C可以在一定程度上反映織物的蓬松程度。由于壓縮過(guò)程中環(huán)形風(fēng)格儀的推桿與織物一直接觸，故環(huán)形風(fēng)格儀的多項(xiàng)指標(biāo)(h、k1、k2、A1、A2、L)都與TL展現(xiàn)出較好的相關(guān)性。但環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得的曲線為壓縮、拉伸等復(fù)雜過(guò)程復(fù)合的曲線，不能單一反映壓縮過(guò)程中針織物的黏性與彈性的具體特點(diǎn)。

表5 壓縮階段兩種測(cè)試系統(tǒng)所得指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient of indexes obtained from two test systems in compression stage

3.2.2 彎曲階段指標(biāo)相關(guān)性分析

織物在受到與自身平面垂直的力的作用下很容易發(fā)生彎曲變形[15]。在測(cè)試過(guò)程中，不論是CHES-FY的壓板向下運(yùn)動(dòng)還是環(huán)形風(fēng)格儀推桿的運(yùn)動(dòng)，都會(huì)使織物產(chǎn)生彎曲變形。彎曲階段兩種測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果如表6所示。由表6可知，與織物的彎曲性能最為相關(guān)的是環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得的參數(shù)h、k1、A1、A2、L。環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得曲線的特征參數(shù)k1與CHES-FY的指標(biāo)P和Ab的相關(guān)系數(shù)分別為0.741和0.777，具有顯著相關(guān)性。左側(cè)曲線的線性度L與CHES-FY的彎曲性能指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，表明織物彎曲性能越好，環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得曲線的屈曲程度越小。右側(cè)曲線面積A2與CHES-FY的指標(biāo)P的相關(guān)系數(shù)為0.814，表明二者具有較顯著的相關(guān)性?？傮w而言，環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得的左側(cè)曲線的特征參數(shù)與彎曲性能更為相關(guān)。

表6 彎曲階段兩種測(cè)試系統(tǒng)所得指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in bending stage

3.2.3 摩擦階段指標(biāo)相關(guān)性分析

面料表面的滑爽度主要與織物的表面摩擦性能有關(guān)。由于摩擦階段CHES-FY的指標(biāo)F與μ成線性關(guān)系，故在做相關(guān)性分析時(shí)只考慮CHES-FY摩擦階段的摩擦因數(shù)μ和摩擦因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差s與環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得曲線特征參數(shù)間的關(guān)系。摩擦階段兩種測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果如表7所示。由表7可知，環(huán)形風(fēng)格儀的h、k1、k2與CHES-FY的s的相關(guān)系數(shù)分別是-0.658、-0.634、0.710，h和k1都與s呈負(fù)相關(guān)，表明左側(cè)曲線斜率越小則織物的表面越粗糙，這說(shuō)明推桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，織物表面粗糙程度對(duì)其推力變化率的影響較大。環(huán)形風(fēng)格儀的右側(cè)面積A2與織物摩擦因數(shù)μ的相關(guān)系數(shù)為0.675，二者具有顯著性，表明針織物試樣在大部分伸出風(fēng)格環(huán)后，織物表面越粗糙，推桿做功越多。

表7 摩擦階段兩種測(cè)試系統(tǒng)所得指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in friction stage

3.2.4 拉伸階段指標(biāo)相關(guān)性分析

織物在低應(yīng)力下的拉伸性能反映了織物的松緊程度。拉伸階段兩種測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果如表8所示。由表8可知，與織物拉伸性能最相關(guān)的參數(shù)是環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得曲線的h、k1、k2、A1、A2和x。其中，h、k2、A1與CHES-FY的At的相關(guān)系數(shù)分別為0.762、-0.776和0.702，一般情況下，織物的At越大，織物越容易變形，這說(shuō)明h和A1與織物的變形程度呈正相關(guān)。CHES-FY拉伸階段曲線的斜率St反映了織物單位變形所需的力的大小，環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得曲線的A2和x與CHES-FY拉伸階段斜率St的相關(guān)系數(shù)分別為0.786和-0.704，A2與St呈正相關(guān)，x與St呈負(fù)相關(guān)?？傮w而言，環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得曲線右半部分的特征參數(shù)反映了織物在一定變形下的拉伸效果，這些參數(shù)與織物的拉伸性能更為相關(guān)。

表8 拉伸階段兩種測(cè)試系統(tǒng)所得指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in stretching stage

CHES-FY在拉伸階段中，試樣在壓板的作用下被拉伸，45°方向的試樣拉伸性能還可以反映織物的剪切性能[9]。CHES-FY 45°試樣拉伸階段指標(biāo)與環(huán)形風(fēng)格儀的指標(biāo)相關(guān)性如表9所示。由表9可知，環(huán)形風(fēng)格儀與織物剪切性能最相關(guān)的參數(shù)是環(huán)形風(fēng)格儀的h、k1、A2與x。h與At的相關(guān)系數(shù)為0.783，k1、A2、x與St的相關(guān)系數(shù)分別為0.817、0.738和-0.755，在置信度0.01的水平下較為顯著。

表9 CHES-FY 45°試樣拉伸階段指標(biāo)與環(huán)形風(fēng)格儀的指標(biāo)相關(guān)性Table 9 Correlation between tensile stage indexes of CHES-FY 45° specimen and ring-shaped style indexes

4 結(jié) 語(yǔ)

從環(huán)形風(fēng)格儀測(cè)得的力-位移曲線中提取8個(gè)特征參數(shù)用于描述織物風(fēng)格。通過(guò)與CHES-FY的壓縮、彎曲、摩擦、拉伸等4階段的力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：環(huán)形風(fēng)格儀的力-位移曲線的左側(cè)參數(shù)與織物彎曲性能相關(guān)性較強(qiáng)；右側(cè)參數(shù)與織物拉伸性能具有較好的相關(guān)性；左、右側(cè)曲線面積比可反映織物的壓縮性能；曲線的峰值、右側(cè)面積和左右曲線線性段斜率與織物的摩擦性能具有很好的相關(guān)性；曲線的峰值、曲線左右側(cè)的線性段斜率與織物的壓縮、彎曲、摩擦、拉伸性能均具有很高的相關(guān)性，這是織物整體力學(xué)性能綜合作用的結(jié)果。通過(guò)與CHES-FY的測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，環(huán)形風(fēng)格儀在表征針織物的基本力學(xué)性能方面具有可行性。