取樣方向與皮革物理力學(xué)性能的關(guān)系研究

陳燕婷

（興業(yè)皮革科技股份有限公司福建省皮革綠色設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建晉江362200）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，皮革及皮革制品已經(jīng)從高端產(chǎn)品的定位逐漸向平民化延伸，利用皮革邊角余料加工制造的收納袋、擺件、掛飾等也隨處可見。隨著皮革及皮革制品的普及，加之標(biāo)準(zhǔn)化的觀念逐漸深入人心，需要對皮革及皮革制品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究。中輕檢驗(yàn)、溫州質(zhì)量技術(shù)檢測、深圳海關(guān)技術(shù)中心和寧夏質(zhì)量計(jì)量檢驗(yàn)等多家檢測、質(zhì)量監(jiān)測機(jī)構(gòu)已經(jīng)對皮革化學(xué)性能指標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做出了相關(guān)研究，但是對物理力學(xué)性能的研究卻鮮見報(bào)道[1-4]。皮革的物理力學(xué)性能的測試方法、測試原理與紡織品類似，甚至有部分測試是直接使用紡織品設(shè)備完成的[5,6]。以摩擦色牢度為例，GB/T 3920-2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取分幸?guī)定將紡織試樣分別與干摩擦布和濕摩擦布摩擦，評定摩擦布沾色程度[7]，而QB/T 2537-2001《皮革 色牢度試驗(yàn)往復(fù)式摩擦色牢度》則是規(guī)定用毛氈對皮革的表面進(jìn)行往復(fù)式摩擦[8]。GB/T 30128-2013《紡織品負(fù)離子發(fā)生量的檢測和評價(jià)》是適用于織物的負(fù)氧離子釋放和評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，皮革便是直接使用紡織品的設(shè)備對負(fù)氧離子釋放性能進(jìn)行檢測和評價(jià)[9,10]。在物理力學(xué)性能的測試上，皮革與紡織品類似，都要考慮測試方向與物理力學(xué)性能的關(guān)系，這種方向性在紡織品中被稱為（平行于）經(jīng)紗、緯紗，而在皮革中則是通過背脊線判定，即平行于背脊線和垂直于背脊線。通常情況下，將平行于背脊線的試樣稱之為平行方向，垂直于背脊線的稱為垂直方向。由于皮膠原纖維的排列具有方向性，因此平行方向和垂直方向的物理力學(xué)性能也有所不同。從分析測試報(bào)告中看，平行方向的物理力學(xué)性能總體上略優(yōu)于垂直方向，這與纖維的定向排列有關(guān)，順著纖維生長方向施加作用力，其物理力學(xué)性能也會較強(qiáng)。而在皮革后加工企業(yè)（如鞋廠、服裝廠、沙發(fā)廠等）對物理力學(xué)性能的具體要求并非按照平行方向與垂直方向的平均值計(jì)，而是按照平行/垂直方向的最小值對皮革物理力學(xué)性能進(jìn)行要求。姚慶達(dá)[11]分析了皮革取樣部位對動(dòng)態(tài)防水性能和靜態(tài)吸水性能的影響，發(fā)現(xiàn)皮膠原纖維的狀態(tài)對數(shù)據(jù)的離散性、穩(wěn)定性有較大影響，越松散的部位（如腹肷部）數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越差，離散度最大可達(dá)15%以上。為了防止產(chǎn)品在抽檢時(shí)因物理力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致折價(jià)、退貨、返工，通常情況下，內(nèi)部管控時(shí)會使用腹肷部檢測，但是腹肷部的檢測數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，加之平行方向、垂直方向數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，如何有效地利用腹肷部的數(shù)據(jù)成為了一大難題。本文測試了同一批次30個(gè)樣品的撕裂力、抗張強(qiáng)度、規(guī)定負(fù)荷伸長率等物理力學(xué)性能指標(biāo)，通過常規(guī)控制圖計(jì)算不同物理力學(xué)性能的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、離散度等指標(biāo)以確定取樣方向?qū)ζじ镂锢砹W(xué)性能的影響。

1 測試

1.1 測試材料與儀器

成品革：興業(yè)皮革科技股份有限公司。

拉力強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)：AI-7000-SUI，高鐵檢測儀器有限公司。

1.2 測試與分析

1.2.1 物理力學(xué)性能

撕裂力參照QB/T 2711-2018《皮革物理和機(jī)械試驗(yàn)撕裂力的測定：雙邊撕裂》；

抗張強(qiáng)度和規(guī)定負(fù)荷伸長率參照QB/T 2710-2018《皮革物理和機(jī)械試驗(yàn)抗張強(qiáng)度和伸長率的測定》。

1.2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差S的計(jì)算公式見式(1)[11-13]，變異系數(shù)CV的公式見式(2)[11,12]：

式中：Xi——物理力學(xué)性能測試值；

n——測試次數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)處理分析參照GB/T 4091-2001常規(guī)控制圖。常規(guī)控制圖需要假設(shè)數(shù)據(jù)符合高斯分布，偏離影響控制圖結(jié)果，結(jié)合正態(tài)性假設(shè)，計(jì)算各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)的控制限系數(shù)[11,12]。根據(jù)中心極限定理，對于單值X的控制圖而言，對極差R作正態(tài)性假設(shè)可檢驗(yàn)出數(shù)值變化偏大的異常數(shù)據(jù)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)），即可判定數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與誤差值[11,12]。對于皮革的物理力學(xué)性能而言，撕裂力、抗張強(qiáng)度和規(guī)定負(fù)荷伸長率并無標(biāo)準(zhǔn)值，因此計(jì)量控制圖的控制限公式如表1。

表1 常規(guī)計(jì)量控制圖控制限公式[13]Tab.1 Control limit formulaof conventional measurement control chart[13]

E2、D3和D4為常規(guī)控制圖的控制限系數(shù)，其數(shù)值與分析組數(shù)有關(guān)，當(dāng)數(shù)據(jù)組數(shù)為1時(shí)，控制限系數(shù)E2、D3和D4分別為2.660、0.000和3.267[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 撕裂力

取同一批次皮革對其撕裂力進(jìn)行測試，取樣部位為腹肷部，對其水平方向數(shù)據(jù)和垂直方向測試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2所示。

表2 撕裂力測試結(jié)果Tab.2 Test resultsof tearingforce

因此，當(dāng)平行于背脊線取樣時(shí)，即取樣方向?yàn)樗椒较驎r(shí)，對于撕裂力而言，可計(jì)算出（以下涉及撕裂力單位均為N）：

極差R的移動(dòng)極差控制圖如圖1所示，29個(gè)極差均位于上控制限和下控制限間，極差呈現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)（若單值或極差的狀態(tài)超出了控制限，則應(yīng)剔除異常數(shù)據(jù)，同時(shí)異常數(shù)值的出現(xiàn)也說明了數(shù)據(jù)的波動(dòng)性極大）。

圖1 水平方向撕裂力的移動(dòng)極差控制圖Fig.1 Movingrangecontrol chart of tearing force in horizontal direction

因此水平方向的單值X的控制狀態(tài)為：

因此水平方向撕裂力的單值控制圖如圖2所示。

圖2 水平方向撕裂力的單值控制圖Fig.2 Singlevaluecontrol chart of tearing force in horizontal direction

從圖1和圖2中可以看出，當(dāng)測試的方向?yàn)樗椒较驎r(shí)，測試得到的30個(gè)撕裂力的極差R和單值X均未偏離其上控制限UCL和下控制限LCL，均為有效數(shù)據(jù)。此時(shí)可計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)差S為8.653，變異系數(shù)為11.34%。

圖3 垂直方向撕裂力的移動(dòng)極差控制圖Fig.3 Movingrange control chart of tearing force in vertical direction

從圖1到圖4可以發(fā)現(xiàn)，水平方向和垂直方向的撕裂力數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)，其計(jì)算分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。當(dāng)變異系數(shù)≤10%時(shí)，認(rèn)為數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好[14]，但是水平方向和垂直方向撕裂力的變異系數(shù)均大于10%，說明腹肷部的數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大，具體的是水平方向?yàn)?6.31±8.653N，垂直方向63.70±7.479N，從數(shù)值上看，垂直方向的物理力學(xué)性能較水平方向差，數(shù)據(jù)變異系數(shù)也最大，為11.74%。即在皮革生產(chǎn)加工制造過程中，應(yīng)留意垂態(tài)，未出現(xiàn)異常，由此可計(jì)算得出X的單值控制圖上控制限UCL為87.40，下控制限LCL為39.99，中心線為63.70，由上述數(shù)據(jù)繪制的單值控制圖如圖4所示，垂直方向的撕裂力均為可控?cái)?shù)據(jù)，因此測試數(shù)據(jù)有效。此時(shí)極差S和變異系數(shù)CV分別為7.479和11.74%。直方向的撕裂力，且垂直方向撕裂力的平均值乘以（100%-變異系數(shù)）為理論撕裂力最小值。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，撕裂力最大變異系數(shù)為11.74%，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中在分析驗(yàn)證腹肷部撕裂力數(shù)據(jù)時(shí)，可將變異系數(shù)提升至15%以確保產(chǎn)品性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 不同方向撕裂力測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果Tab.3 Analysisresults of tearing forcetest datain differentdirections

圖4 垂直方向撕裂力的單值控制圖Fig.4 Single value control chartof tearing forcein vertical direction

2.2 抗張強(qiáng)度

取同一批次皮革30塊，對其抗張強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示。

表4 抗張強(qiáng)度測試結(jié)果Tab.4 Test resultsof tensile strength

圖5 水平方向抗張強(qiáng)度的移動(dòng)極差控制圖Fig.5 Movingrangecontrol chart of tensile strength in horizontal direction

圖6 水平方向抗張強(qiáng)度的單值控制圖Fig.6 Singlevaluecontrol chart of tensile strength in horizontal direction

結(jié)合表4和圖5-圖8可以發(fā)現(xiàn)，水平方向的抗張強(qiáng)度整體優(yōu)于垂直方向，具體地，水平方向和垂直方向抗張強(qiáng)度的最小值、最大值、平均值分別為13.42 N/mm2、17.86 N/mm2、15.46 N/mm2和8.39 N/mm2、14.68 N/mm2、10.99 N/mm2。對抗張強(qiáng)度的分析結(jié)果如表5所示，水平方向和垂直方向抗張強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差S和變異系數(shù)CV分別為1.269、8.207%和1.700、15.46%。水平方向上的抗張強(qiáng)度變異系數(shù)≤10%，但是垂直方向的變異系數(shù)超過了15%，波動(dòng)性過大。即在考慮皮革的抗張強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)主要檢測平方向的抗張強(qiáng)度均為有效數(shù)值。同理可得垂直方向的抗張強(qiáng)度平均值和平均極差分別為10.99和1.932。移動(dòng)極差控制圖和單值控制圖分別如圖7和圖8所示，其中上控制限UCL和下控制限LCL分別為6.313、0.000和16.13和5.852。垂直方向的抗張強(qiáng)度，變異系數(shù)可適當(dāng)放寬至20%。在本批次產(chǎn)品中，水平方向抗張強(qiáng)度為15.46±1.269 N/mm2，垂直方向?yàn)?0.99±1.700 N/mm2。對比水平方向和垂直方向抗張強(qiáng)度的單組數(shù)據(jù)還能發(fā)現(xiàn)，性能差異極大，以第27組數(shù)據(jù)為例，水平方向和垂直方向的抗張強(qiáng)度分別為17.06 N/mm2和9.29 N/mm2，水平方向是垂直方向的1.836倍，因此，即便水平方向的抗張強(qiáng)度遠(yuǎn)超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，仍需對垂直方向進(jìn)行測試。

圖7 垂直方向抗張強(qiáng)度的移動(dòng)極差控制圖Fig.7 Movingrangecontrol chart of tensile strength in vertical direction

圖8 垂直方向抗張強(qiáng)度的單值控制圖Fig.8 Singlevaluecontrol chart of tensile strength in vertical direction

表5 不同方向抗張強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果Tab.5 Analysis results of tensilestrength test datain different directions

2.3 規(guī)定負(fù)荷伸長率

抗張強(qiáng)度除了是衡量皮革物理力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)外，還決定著皮革的規(guī)定負(fù)荷伸長率大小。QB/T 1873-2010《鞋面用皮革》中規(guī)定，規(guī)定負(fù)荷伸長率的測試中規(guī)定負(fù)荷（即抗張強(qiáng)度）為10 N/mm2，家具用皮革、汽車裝飾用皮革等也對規(guī)定負(fù)荷伸長率有相關(guān)要求[15-17]。本試驗(yàn)檢驗(yàn)的皮革為鞋面用皮革，從表4的測試結(jié)果可以看出，腹肷部水平方向的抗張強(qiáng)度符合測試規(guī)定負(fù)荷伸長率的基本要求，但是垂直方向30個(gè)數(shù)據(jù)有9個(gè)數(shù)據(jù)抗張強(qiáng)度＜10 N/mm2，約有30%的樣品未到規(guī)定負(fù)荷。在測試規(guī)定負(fù)荷伸長率時(shí)，試樣未到規(guī)定負(fù)荷便發(fā)生斷裂，即判定為不合格。經(jīng)與中紡聯(lián)檢、方圓檢測、天紡標(biāo)等皮革檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行溝通，鞋面革中普遍存在垂直方向規(guī)定負(fù)荷伸長率不合格的情況，而試樣未到規(guī)定負(fù)荷便斷裂的情況更是常有發(fā)生。為了更好地探究取樣方向與規(guī)定負(fù)荷伸長率的關(guān)系，將未到規(guī)定負(fù)荷試樣斷裂的數(shù)據(jù)剔除，對試樣斷裂的樣品重新取樣，直至試樣不斷裂并測試出具體數(shù)值（在實(shí)際送檢時(shí)，并不會因試樣斷裂而進(jìn)行二次取樣，本文僅是以統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度分析測試數(shù)據(jù)），30個(gè)樣品的有效規(guī)定負(fù)荷伸長率測試結(jié)果如表6所示。

表6 規(guī)定負(fù)荷伸長率測試結(jié)果Tab.6 Test resultsof specified load elongation

根據(jù)表6對水平方向和垂直方向的規(guī)定負(fù)荷伸長率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其分析結(jié)果如圖9~圖12所示，計(jì)算分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示，數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)，且具有一定的穩(wěn)定性。從數(shù)據(jù)的分布上看，水平方向和垂直方向規(guī)定負(fù)荷伸長率主要分布在30%~40%的區(qū)間內(nèi)，垂直方向（9.691%）具有較水平方向（11.65%）更好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。從分析結(jié)果上看，水平方向的規(guī)定負(fù)荷伸長率為31.22±3.636%，垂直方向?yàn)?8.57±3.738%，在分析鞋面革的物理力學(xué)性能時(shí)，更需考慮垂直方向的規(guī)定負(fù)荷伸長率。從單組的結(jié)果上看，水平方向的規(guī)定負(fù)荷伸長率都可以滿足相關(guān)產(chǎn)品要求，即便是垂直方向試樣斷裂，水平方向的規(guī)定負(fù)荷伸長率都未超過標(biāo)準(zhǔn)要求，但是垂直方向與水平方向不同，主要表現(xiàn)在：一是試樣容易斷裂，導(dǎo)致無法測出規(guī)定負(fù)荷伸長率；二是規(guī)定負(fù)荷伸長率極易超過40%，表5中30個(gè)試樣中便有超過30%的試樣垂直方向規(guī)定負(fù)荷伸長率超出標(biāo)準(zhǔn)要求。如果無法有效管控皮革的規(guī)定負(fù)荷伸長率，將有可能造成產(chǎn)品的大規(guī)模降級、退貨甚至索賠?？傮w上看，水平方向和垂直方向的規(guī)定負(fù)荷伸長率的平均值能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是需要留意垂直方向的規(guī)定負(fù)荷伸長率。

表7 不同方向規(guī)定負(fù)荷伸長率測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果Tab.7 Analysisresultsof specified load elongation test datain different directions

圖9 水平方向規(guī)定負(fù)荷伸長率的移動(dòng)極差控制圖Fig.9 Movingrange control chart of specified load elongation in horizontal direction

圖10 水平方向規(guī)定負(fù)荷伸長率的單值控制圖Fig.10 Singlevaluecontrol chart of specified load elongation in horizontal direction

圖12 垂直方向規(guī)定負(fù)荷伸長率的單值控制圖Fig.12 Singlevaluecontrol chart of specified load elongation in vertical direction

圖11 垂直方向規(guī)定負(fù)荷伸長率的移動(dòng)極差控制圖Fig.11 Moving rangecontrol chart of specified load elongation in vertical direction

3 總結(jié)

(1)變異系數(shù)：撕裂力水平方向和垂直方向的變異系數(shù)均≈11%；抗張強(qiáng)度水平方向變異系數(shù)＜10%，垂直方向＞15%；規(guī)定負(fù)荷伸長率水平方向和垂直方向的變異系數(shù)均≈10%，因此在評估樣品的物理力學(xué)性能時(shí)，撕裂力和規(guī)定負(fù)荷伸長率的變異系數(shù)可適當(dāng)放寬至15%，垂直方向抗張強(qiáng)度放寬至20%。

(2)測試結(jié)果：總的來看，垂直方向的物理力學(xué)性能較水平方向差，垂直方向的撕裂力比水平方向低約17%；垂直方向抗張強(qiáng)度比水平方向最大可低45.5%；測試規(guī)定負(fù)荷伸長率時(shí)，與水平方向相比，垂直方向易未到規(guī)定負(fù)荷便發(fā)生斷裂。