基于屈誘多形態(tài)測試的織物觸覺風格原位表征

胡霄睿,肖彩勤,崔榮榮,孫豐鑫

(1.江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫 214122; 2.江南大學 設計學院, 江蘇 無錫 214122)

織物作為一種多尺度的纖維集合體軟材料,在低應力下即可產(chǎn)生顯著的結(jié)構(gòu)調(diào)整和材料變形[1-2]。 織物觸覺風格作為人們對低應力作用下的織物多重形變特征和復合力學響應特性的綜合反應,成為評價織物物理屬性、穿著舒適性以及市場價值的較為重要和經(jīng)典的度量[3]。 因此,對織物觸覺風格的評定,尤其是客觀表征有利于促進優(yōu)質(zhì)觸感織物的設計與研發(fā),是紡織領域關注的基本問題之一[4]。

現(xiàn)行的織物觸覺風格測試儀器主要包括KESF 和FAST[5-6],但上述2 套通用的織物風格評價系統(tǒng)均采用多臺設備進行不同物理力學性能測試,進而對各測試設備獲得的織物力學指標進行綜合表征織物觸覺風格。 該類分離式測試方法容易引入測試系統(tǒng)誤差,給織物綜合性能評價帶來諸多障礙。 近年來,許多研究者開始探索采用單臺測試儀器對織物力學知覺性能進行綜合表征,如PhabrOmeter 風格儀[7]、CHES-FY 綜合風格測試系統(tǒng)[8]以及FTT織物觸感測試儀等[9],然而織物在穿著過程中,受到壓縮、拉伸、彎曲以及因關節(jié)活動導致的織物多維度折皺屈曲等復雜形變[10-11],且織物低應力下的變形以多維度的彎曲屈曲為主要特征,但現(xiàn)有研究對織物高曲率下的彎曲屈曲關注較少,且采用的單測多指標方法在織物觸覺風格表征和力學指標解析等方面大多具有局限性。

針對上述問題,本文提出一種時間、空間上連續(xù)(原位)的屈曲誘導織物多形態(tài)變化的織物觸覺風格的力學組合測試方法,該測試方法充分考慮了織物實際穿著過程中承受的力學作用和主要形態(tài)特征,基于測試曲線模式分析及特征指標提取,對織物的不同觸覺風格進行客觀高效表征,從而掌握力學性能對織物觸覺風格響應的影響,闡釋屈誘多形態(tài)力學測試方法在織物觸覺風格表征中的可靠性。

1 實 驗

1.1 試樣準備

選取30 種機織物,所選取的機織物均為經(jīng)過染整處理的商品化織物,原料材質(zhì)主要包括棉、棉/滌綸、粘膠、羊毛/滌綸等。 織物的基本規(guī)格參數(shù)如表1所示。 織物試樣壓平后裁剪為長×寬為30 mm×20 mm,放置于溫度為(20±2) ℃,相對濕度為65%±3%的標準大氣條件下平衡24 h 以上。 每種織物進行3 次重復實驗,取其平均值作為測試結(jié)果。

1.2 織物觸覺風格原位表征系統(tǒng)

1.2.1 物理結(jié)構(gòu)

織物觸覺風格原位表征系統(tǒng)主要由移動板、測試板、力傳感器以及伺服電動機和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成,基本框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示[12]。 測試板和移動板可同時夾持織物,使織物于2 板之間呈倒八字形懸掛狀,從而保證織物的初始彎曲屈曲過程以相對穩(wěn)定的后屈曲彎曲變形為主。 移動板和測試板相向平行設置,在伺服電動機驅(qū)動下移動板可相對測試板進行往復運動,從而構(gòu)造織物彎曲屈曲、壓縮、拉伸和相應的回復形變等多重構(gòu)形;同時安裝于測試板的力傳感器實時采集織物組合變形下的力值,通過數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)輸出測試過程中的力-位移曲線,實現(xiàn)織物多重性能的簡便、綜合測量。

表1 織物的基本規(guī)格參數(shù)

1.2.2 測試原理

圖1 織物觸覺風格原位表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

測試系統(tǒng)可實現(xiàn)時間和空間上對織物材料的連續(xù)測試,在可接受的尺度范圍內(nèi)遵循“時空同點”測試的基本原則,故稱之為原位表征。 采用后屈曲彎曲理論模型,通過2 板分別對固定織物兩端的作用,實施對織物的力—變形實驗,織物觸覺風格原位表征過程與主要特征階段如圖2 所示。 根據(jù)織物的典型變形特征,整個測試過程可分為以下7 個階段:第1 階段(I)為彎曲屈曲階段,移動板在伺服電動機驅(qū)動下向靠近測試板一側(cè)運動,織物在測試板和移動板作用下產(chǎn)生彎曲屈曲變形,可表征織物的彎曲硬挺度、彎曲變形量等;第2 階段(II)為壓縮階段,即織物彎曲到對折的兩翼相互接觸后,隨著移動板繼續(xù)靠近測試板對織物施加壓縮載荷,進行織物的壓縮測試;第3 階段(III)為壓縮回復階段,即壓縮力到達設定值時,移動板停止對織物加載,并開始反向背離測試板移動,表征織物的壓縮回彈性能;第4階段(IV)為彎曲回復階段,即織物對折的雙翼隨著測試板和移動板向背移動而分離,織物開始在移動板夾持作用下回復,從而可以獲得織物的彎曲回彈性能,進而分析織物的高曲率彎曲滯彈性;第5 階段(V)為伸直階段,即織物逐漸由自然彎曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài),此階段看作拉伸階段的準備階段,給試樣施加預加張力;第6 階段(VI)為拉伸階段,即達到設定的預加張力值后,移動板繼續(xù)相對測試板背向移動拉伸織物,可以獲得織物的拉伸模量、拉神功等特征量;第7 階段(VII)為拉伸回復階段,即織物被拉伸到設定值后,移動板由拉伸位置反向運動,直到回復到其初始位置,完成織物拉伸回彈性表征。

圖2 織物觸覺風格原位表征過程與主要特征階段

1.2.3 典型測試曲線與特征指標

測試系統(tǒng)通過構(gòu)造織物連續(xù)的彎曲屈曲、壓縮、壓縮回復和彎曲回復、拉伸以及拉伸回復等組合變形,實時獲取織物變形過程中的力值,將織物的變形與力學響應關系表達為相應的力-位移曲線,織物觸覺風格原位表征系統(tǒng)典型的力-位移曲線如圖3所示。

圖3 織物觸覺風格原位表征系統(tǒng)典型的力-位移曲線

1.2.4 實驗參數(shù)設置

觸覺風格原位表征系統(tǒng)可針對織物類型和測試需求設置相應的實驗參數(shù),本文對服用織物的觸覺風格測試過程中實驗參數(shù)設置為:測試板和移動板的隔距為5 mm,最大壓縮力和最大拉伸力均為300 cN,考慮到織物試樣的黏彈性特征,測試過程中移動板從壓縮測試到壓縮回復以及從拉伸測試到拉伸回復的停滯時間均設置為30 s,移動板運動速度為20 mm/min,力值的采樣頻率為80 Hz。

1.3 織物觸覺風格的主觀評價

主觀評價結(jié)果來自6 位紡織專業(yè)從業(yè)者對織物觸覺風格的獨立評估與分等。 每位主觀評價者隨機對各試樣的觸覺風格進行評價,評價過程在與儀器測試相同的溫濕環(huán)境中進行,每塊試樣每人分別進行3 次獨立評價,完成對試樣的等級劃分。 在主觀評價實驗開始之前,對評估者進行簡單的培訓使其明確織物觸覺風格各基本風格量的含義,包括“彎曲硬挺度”“壓縮柔軟性”和“拉伸松緊度”3 個維度的觸感空間。 其中,彎曲硬挺度主要通過評價者對織物彎曲折疊后的彎曲軟硬度進行評級,壓縮柔軟度表達評價者揉捏和抓握織物時產(chǎn)生的蓬松和回彈觸感,拉伸松緊度表達了織物在被拉拽等作用下的回彈特性。 評估者將各屬性分為5 個等級,分別從“等級1—柔軟易彎曲”到“等級5—硬挺難彎曲”;從“等級1—柔軟蓬松”到“等級5—板結(jié)緊實”;從“等級1—伸縮性好”到“等級5—緊繃無彈性”的原則對30 塊織物進行依次評級。

2 結(jié)果與討論

2.1 觸覺風格預測模型

織物觸覺風格主觀評價結(jié)果如圖4 所示。 可見,織物的彎曲硬挺度、壓縮柔軟度和拉伸松緊度等觸覺風格均涵蓋了1 ～5 級,且分布相對廣泛,說明所選用的織物試樣包含的織物種類和手感類型豐富,適于織物客觀觸覺風格預測模型的研究。

圖4 織物觸覺風格的主觀分等結(jié)果

采用織物觸覺風格原位表征系統(tǒng)進行30 塊織物試樣的測試,根據(jù)測試力—位移曲線獲得相應的觸覺風格特征指標統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。 變異系數(shù)(CV)和最大值與最小值結(jié)果顯示了織物特征指標具有較大差異性,說明測試系統(tǒng)可以較好地區(qū)分織物試樣的力學性能。

在上述主觀評價結(jié)果和客觀特征指標基礎上,以1#～20#織物觸覺風格原位表征系統(tǒng)測試的特征指標為自變量,以相應織物主觀評價等級為因變量,采用多元逐步回歸法,P＜0.05 和P＞0.10 分別作為特征指標進入和剔除回歸方程的標準,構(gòu)建回歸方程,結(jié)果如表3 所示。 可見,3 類觸覺風格的主觀評價等級均可由構(gòu)建的原位表征系統(tǒng)的所測的特征指標進行預測,根據(jù)判定系數(shù)R2在P＜0.001 情況下均大于0.682,顯示了主觀評級結(jié)果和客觀特征指標間較強的相關性。 因此所構(gòu)建的預測模型可以用來進行織物觸覺風格的評級,有利于實現(xiàn)織物觸覺風格的高效、客觀評價。

表2 原位表征系統(tǒng)測試曲線的特征指標

表3 主觀評價和測試系統(tǒng)特征指標關系

2.2 模型檢驗與分析

為了進一步研究構(gòu)建的預測模型的可靠性,采用21#～30#織物試樣作為檢驗樣本進行獨立實驗。將原位表征系統(tǒng)測試的對應織物特征值分別代入彎曲硬挺度、壓縮柔軟度和拉伸松緊度的預測模型,得到觸覺風格的預測值并與相應的主觀評價等級進行對比,觸覺風格主觀評價和預測值對比結(jié)果見圖5。可見,3 類基本觸覺風格屬性的預測值與主觀評價具有較好的一致性,其線性相關性的判定系數(shù)均高于0.88。 該結(jié)果進一步說明基于本文提出的織物觸覺風格表征系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)建的預測模型可以實現(xiàn)織物觸覺風格的高效、客觀表征。

3 結(jié) 論

圖5 觸覺風格主觀評價和預測值對比結(jié)果

本文提出了一種新型的織物觸覺風格原位表征測試方法,可通過構(gòu)造織物彎曲屈曲、壓縮、拉伸以及壓縮回彈、彎曲回復和拉伸回復等多重形變,實現(xiàn)織物彎曲硬挺度、壓縮柔軟度和拉伸松緊度等觸覺屬性的連續(xù)、高效表征,且該方法構(gòu)造的織物形變更貼近織物穿著過程中的實際變形特征;通過測試的力—位移曲線分析,提取表征觸覺風格的特征指標,并采用逐步回歸分析結(jié)合主觀評級結(jié)果構(gòu)建了3 類觸覺風格屬性的預測模型。 借助一組獨立實驗對預測結(jié)果進行檢驗,預測值和主觀評級結(jié)果相關性的判定系數(shù)均大于0.88,表明預測模型可以有效表征織物的彎曲硬挺度、壓縮柔軟度和拉伸松緊度等3類觸覺風格屬性,說明構(gòu)建的測試系統(tǒng)和預測模型具有較好的可靠性,可用于織物觸覺風格的客觀、高效表征。