應用CHES-FY系統的織物硬挺度測試

孫 草，杜趙群

(東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

織物硬挺度為織物的基本風格之一，是決定織物造型美和消費者喜好的關鍵指標之一，如西服的挺括、針織內衣的貼身柔軟、非織造布的硬挺等。織物硬挺度的客觀實驗測試［1－3］可有效評價其使用，如皮革類非織造布的硬挺度測試能更好地指導其在服用、家紡上的應用，針織物測試可以使其在內衣上達到更好的舒適度，機織物測試使其在西服、西褲等選材上更具指導意義。

織物硬挺度風格的測試方法常見的為KES、FAST、PhabrOmeter等［4－6］，以上基本上為小應力下的織物硬挺度定量測試，對于非織物、大衣等硬挺試樣的測試就變得較為困難，且分析繁瑣、儀器價格昂貴，而未能得到廣泛應用，因此，國內外企業所常采用簡易的斜面法測試儀分析織物硬挺度［4］，依據標準GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定第1部分:斜面法》和GB/T 18318.2—2009《紡織品彎曲性能的測定第2部分:心形法》。該方法測試簡易，成本低，但織物試樣制備過程中一端由于拆紗差異對結果影響較大，對剛硬的非織物和柔軟的針織物而言其測試亟待解決;基于此類原理的心形法測試織物的硬挺度，是將織物彎成心形形狀，測試彎曲剛度和長度，但對于柔軟織物而言，造型接近，分辨率低。

據此，本文基于紡織品性能測試儀(CHES-FY)對織物硬挺度進行測試［7－8］，探索其在測試織物柔軟硬挺度方面的實用性，選用針織布、機織布、非織造布和復合材料等柔軟、硬挺顯著差異，測試指標值為寬范圍的試樣進行測試，并與斜面法和心形法進行對比測試，驗證該系統測試的可適性。

1 實驗部分

1.1 CHES-FY系統彎曲性能測量基本原理

CHES-FY系統及主要機構［9］如圖1(a)所示，由托針、雙U形針、夾頭、主機和控制器構成。實驗時將試樣夾持在夾頭上，由托針完成試樣的抽拔。

托針抽拔織物的抽拔力由與托針相連的力傳感器獲得，抽拔距離由托針移動速度和采樣頻率計算獲得，所得抽拔力-位移曲線如圖1(b)所示。根據織物的抽拔變形形態與抽拔力-位移曲線形態，可知曲線特征值與織物的彎曲性能存在相關性。原因在于試樣在抽拔過程中存在彎曲變形，當托針托起試樣至雙U形針間的織物試樣為水平直線形態，托針和雙U形針構成三點梁結構［10］對試樣實施彎曲變形，為彎曲階段的開始位置，終止于抽拔力達到最大力值開始下降位置?？蓮膹澢A段的抽拔力-位移曲線提取左斜率k、峰值力Y和左面積S，因此，左斜率、峰值力和左面積用于CHES-FY系統評價織物的彎曲性能。

實驗樣品規格:機織物經緯向尺寸分別為200mm×20mm;針織物、非織造布、復合材料尺寸為200mm×20mm。所有試樣在溫度為(20±2)℃，濕度為(65±3)%的條件下平衡24 h。實驗測試中的儀器參數設置為:定夾頭距離60mm，夾頭到雙壓針的距離60mm，壓針直徑2mm，壓針間距離10mm。

1.2 斜面法實驗

根據斜面法彎曲性能測試標準(如圖2所示)，將矩形試樣放在水平平臺上，試樣長軸與平臺長軸平行，沿平臺長軸方向推進試樣，使其伸出平臺并在自重下彎曲，伸出端懸空，由尺子壓住平臺上試樣的另一部分。當試樣的頭端通過平臺的前緣達到與水平線呈41.5°傾角斜面時，可得彎曲長度。

圖1 CHES-FY系統示意圖和典型曲線圖Fig.1 System diagram of CHES-FY system and typicalcurve.(a)System diagram of CHES-FY system;(b)Typical pulling-out force＆displacement curve

圖2 斜面法示意圖Fig.2 Schematic of Cantilever bending meter

實驗樣品規格:機織物經、緯向尺寸分別為250mm×25mm;針織物、非織造布、復合材料尺寸為250mm×25mm。所有試樣在溫度為(20±2)℃、濕度為(65±3)%的條件下平衡24 h。

1.3 心形法

心形法測試原理如圖3所示，把長方形試樣兩端反向疊合后夾在試驗架上，試樣呈心形懸掛，測定心形環的高度，依此評定織物的彎曲性能。

圖3 心形法試樣及試樣夾持Fig.3 Schematic diagram of Heart Loop test

實驗樣品規格:機織物經、緯向尺寸分別為250mm×20mm;針織物、非織造布、復合材料尺寸為250mm×20mm。所有試樣在溫度為(20±2)℃，濕度為(65±3)%的條件下平衡24 h。

1.4 織物試樣規格

實驗共選擇20塊織物試樣，其中1號～3號為非織造布，4號為復合材料，5號和6號為針織布，7號為超高分子量聚乙烯纖維布，8號～20號為機織布。試樣的厚度和面密度如表1所示。

表1 20種試樣的規格Tab.1 Specifications of 20 samples

2 結果與分析

2.1 測試結果分析

分別采用CHES-FY系統、斜面法、心形法對織物進行彎曲性能測試，測試結果如表2所示。從表2的測試結果可知:由于1號試樣很硬，伸出的長度超過儀器范圍，故斜面法對1號試樣無法進行測試;心形法測試的彎曲長度數值很接近，由于誤差的存在可能無法進行彎曲性能測試。而CHES-FY系統能測試上述20種試樣，且測試指標結果對于柔軟和硬挺的織物存在明顯差異，較斜面法和心形法而言，可清晰地表達織物彎曲硬挺度的差異。

表2 20種試樣的測試結果Tab.2 Experimental results of 20 samples

2.2 CHES-FY系統測試與斜面法相關性

基于對CHES-FY系統測試的實驗分析，首先分別作每個變量與織物斜面法的彎曲長度的線性回歸分析，結果如圖4～6所示?？梢钥闯?，3個變量與織物斜面法的彎曲長度L之間有較好的線性關系。分析三者與斜面法彎曲長度的相關性知，三者與斜面法的相關系數分別為 0.934、0.905、0.858，說明用CHES-FY系統測試與斜面法的彎曲長度有較好的相關性，CHES-FY系統可準確地測量織物的彎曲性能。

圖4 左斜率k與斜面法彎曲長度的線性回歸分析Fig.4 Linear regression analysis of left slope k and bending length of Cantilever test

圖5 峰值Y與斜面法彎曲長度的線性回歸分析Fig.5 Linear regression analysis of peak Y and bending length of Cantilever test

圖6 CHES-FY的左面積S與斜面法彎曲長度的線性回歸分析Fig.6 Linear regression analysis of left area S and bending length of Cantilever test

CHES-FY系統測試曲線特征值中的左斜率k、峰值Y和左面積S與織物彎曲性能相關，利用SPSS軟件將CHES-FY系統測試中的3個相關特征值與斜面法測得彎曲長度作多元線性回歸分析，可更優地表征織物的彎曲性能。

采用SPSS相關性分析中的進入法對提取特征指標:左斜率k、峰值Y和左面積S(自變量)與斜面法測試時的彎曲長度(因變量)進行多元線性回歸分析。由于采用進入法，沒有剔除變量，保留了全部3個變量，其多元回歸結果如表3所示。

表3 回歸方程中的回歸系數(斜面法)Tab.3 Regression coefficient of regression equation(cantilever test)

多元線性回歸系數R為0.926，說明回歸方程建立的比較好，所以回歸方程可滿足線性與方差齊性的假設且擬合效果好。方差分析結果表明，當回歸方程包含3個不同自變量時，其顯著性概率小于0.001，即拒絕總體歸回系數為0的假設，因此，最終方程應包含著3個變量。

由表3中回歸結果分析得出其多元線性回歸方程為L=1.872+10.147k－2.184Y+0.204S。

2.3 CHES-FY系統測試與心形法相關性

為了分析CHES-FY系統測試實驗過程中提取的曲線特征值(左斜率k、峰值Y和左面積S)與心形法測得的彎曲長度的關系，首先分別作每個變量與心形法的彎曲長度的線性回歸分析，結果如圖7～9所示?？梢钥闯?，3個變量與織物心形法的彎曲長度之間有較好的線性關系，CHES-FY系統的左斜率k、峰值Y和左面積S與心形法的彎曲長度的相關系數分別為 0.646、0.642、0.648，說明用 CHES-FY系統與心形法測試的彎曲長度具有很好的相關性，CHES-FY系統能較為準確地測量織物的彎曲性能。

圖7 CHES-FY系統測試的左斜率k與心形法彎曲長度的線性回歸分析Fig.7 Linear regression analysis of left slope k and bending length of Heart Loop test

對于CHES-FY系統測試曲線特征值中的左斜率k、峰值Y和左面積S，采用SPSS軟件分析與心形法測得彎曲長度的多元線性回歸關系，采用SPSS相關性分析中的進入法分析左斜率k、峰值Y和左面積S(自變量)與心形法測試時的彎曲長度進行多元線性回歸分析，結果如表4所示。

由表4可知，多元線性回歸系數R為0.838，說明回歸方程建立的比較好。方差分析結果表明，當回歸方程包含3個不同自變量時，其顯著性概率小于0.001，即拒絕總體歸回系數為0的假設，因此，最終方程應包含3個變量，其方程擬合效果較好。

圖8 CHES-FY系統測試的峰值Y與心形法彎曲度的線性回歸分析Fig.8 Linear regression analysis of peak Y and bending length of Heart Loop test

圖9 CHES-FY系統測試的左面積S與心形法彎曲長度的線性回歸分析Fig.9 Linear regression analysis of left area S and bending length of Heart Loop test

表4 回歸方程中的回歸系數(心形法)Tab.4 Regression coefficient of regression equation(heart loop test)

表4為回歸結果分析表，其多元線性回歸方程為L=4.246+4.26k－0.861Y+0.079S。

2.4 儀器特征值的分辨率和重現性

在分析了CHES-FY系統測試特征值與斜面法、心形法測試結果的相關性之后，為了進一步確定CHES-FY系統測試是否能有效地表征織物彎曲性能，對當前條件下的測試結果進行了靈敏度(對不同硬挺度織物的區分和硬挺測試數據的范圍作為本次測量的靈敏度)和重現性分析。

2.4.1 CHES-FY系統測試特征值的靈敏度

為了定量表征CHES-FY系統測試的優越性，采用左斜率、峰值和左面積的靈敏度［9］作為評價指標，對20組CHES-FY系統測試的曲線特征值和斜面法、心形法的彎曲長度進行靈敏度分析，結果如表5所示。

表5 CHES-FY系統測試和斜面法、心形法靈敏度分析Tab.5 Sensitivity analysis of CHES-FY system test，Cantilever test and Heart Loop test

由表5知，CHES-FY系統測試的曲線3個特征值的 CV值和極差分別是 1.15、2.93，1.09、2.71，1.03、2.11，而斜面法和心形法的CV值和極差分別為 0.23、0.62;0.2、－0.19，CHES-FY 系統特征值的CV值和極差比斜面法和心形法的測試值的CV值和極差都高，說明CHES-FY系統能更好地區分不同硬挺度的織物及更廣泛的測試數據范圍，表明CHES-FY系統有更高的靈敏度，能區分明顯差異的柔軟和硬挺織物，也能區分硬挺度較為接近的織物。

斜面法測試彎曲長度中1號試樣無法進行測量，心形法測試結果非常接近，表明難以區分硬挺接近的織物試樣;而CHES-FY系統不僅定量測試了其彎曲性能，而且能較大地區分硬挺度接近的織物，表明其測試靈敏度高，測試試樣的適用性更廣。

2.4.2 3臺儀器測試的重現性

在相同實驗條件下，用CHES-FY系統對20種試樣進行了3次重復測試，在測試曲線中分別提取左斜率、峰值和左面積，并根據已經分析出來的斜面法彎曲長度與3個指標的方程關系:L=1.872+10.147k－2.184Y+0.204S，將3個指標帶入方程，得到理論彎曲長度值;然后，計算試樣3次重復測時所得的彎曲長度的CV值;同時計算斜面法和心形法的彎曲長度的CV值，其結果見表6。

表6 20組試樣的CV值Tab.6 CV of 20groups of sample

從表6可以看出，所測織物試樣的彎曲長度的CV值全部小于5%，說明在本文實驗參數組合下，CHES-FY、斜面法和心形法的測試結果穩定，重復性好，可有效地用于測試試樣的彎曲性能。

基于CHES-FY系統測試的彎曲階段的特征值較為穩定，并能高靈敏度地鑒別硬挺度接近的織物和寬范圍的適用性，表明儀器在測試非織造、復合材料、針織、機織等織物彎曲性能的穩定性較好，可以比較穩定、真實地反映織物的彎曲性能。

3 結論

本文在相同實驗條件下采用CHES-FY系統對20組織物試樣(包含非織造布、復合材料、針織物、機織物)進行了測試，從抽拔力-位移曲線上提取左斜率、峰值和左面積3個特征值;采用SPSS對3個特征值與斜面法、心形法的彎曲長度進行了相關性分析，結果表明相關性較好。同時，對CHES-FY系統的靈敏度和實驗重現性進行了分析，其靈敏度遠高于斜面法和心形法測試彎曲性能，實驗重現性穩定。CHES-FY系統能較為準確清晰地反映織物的彎曲性能，并且有很好的靈敏度和實驗重現性，因此，能客觀準確地表達織物的硬挺性能。

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