絲綢織物懸垂性影響因子定量相關性分析

李 鋼，胡新榮，姚 迅，崔樹芹

(武漢紡織大學，a.紡織產業鏈共性技術湖北省協同創新中心；b.湖北省紡織新材料與先進加工技術省部共建國家重點實驗室培育基地，武漢 430074)

絲綢織物懸垂性影響因子定量相關性分析

李 鋼a，b，胡新榮a，b，姚 迅b，崔樹芹b

(武漢紡織大學，a.紡織產業鏈共性技術湖北省協同創新中心；b.湖北省紡織新材料與先進加工技術省部共建國家重點實驗室培育基地，武漢 430074)

絲綢織物具有良好的手感和懸垂性，是研究織物懸垂性的優良材料。為研究織物懸垂性的影響因素，選擇常見的15種絲綢面料，分別利用KES、織物懸垂儀等設備對其結構參數，拉伸、彎曲、剪切、摩擦等力學性能參數以及各種懸垂特性參數進行測量，然后對所測得的各項參數進行相關性分析，得出影響絲綢織物動靜態懸垂性的影響因子序列。實驗結果表明，絲綢織物動靜態懸垂性受到多方面性能的影響基本相似，但彎曲性能和剪切性能對靜態懸垂性的影響稍強一些，各影響因子中，緯向拉伸性能影響最大。

絲綢；懸垂性；相關性分析；影響因子

織物的懸垂性，是指織物因自重而下垂的程度及其形態，是評價織物手感、外觀、質量和三維形態的重要指標。根據織物所處的狀態，懸垂性又可以分為靜態懸垂性和動態懸垂性。織物的靜態懸垂性是描述織物在自然狀態下的懸垂程度和形態，織物的動態懸垂性則描述織物在運動狀態下的懸垂形態。由于織物的動態懸垂性受織物各項參數影響較大，織物不同的原料類型、結構差異、織造方法，甚至試驗方法的不同都將導致測量出來的懸垂性存在明顯的差異，特別是對于動態懸垂性[1]。一個好的測量方法和評價指標對于紡織行業具有重要意義。近年來，眾多學者在如何評價織物懸垂性上進行了相關的研究。文獻[2-4]通過對原有測量數據的建模方法進行了改進，李強等[5]研究通過改進試驗的測量方法來獲得更加精確的測量數據，沈毅等[6]則通過對單一的懸垂性的影響因素進行分析。

絲綢面料具有良好的手感和懸垂性，同時兼具散濕及保健功能，是市場上的常見面料。本文通過對比絲綢織物靜態與動態懸垂性，分析各因素對絲綢織物的動靜態懸垂性的影響。為了較好地描述織物在運動狀態下的懸垂性，對運動狀態下織物進行的三維仿真，選取15種市場上常見的絲綢織物，對影響絲綢織物懸垂性的各種織物結構參數、力學性能、懸垂性等參數進行測量，并對參數進行評價分析，力求得到最能影響絲綢織物懸垂特性影響因子，從而為織物動態仿真模型參數的選取奠定理論依據[7]。

1 絲綢織物的參數測試

1.1 織物結構特征測試

為了比較絲綢織物的懸垂性差異[8]，本文選取了市場上常見的15種絲綢織物，所有面料的成分均為100%桑蠶絲，包括：建宏縐、雙喬、絹紡、塔夫綢、電力紡、斜紋綢、雙宮、素縐、雙縐、珍珠緞、順紆緞、重縐、桑波緞、絹絲、杭羅。將這些織物進行編號，分別以1到15號表示，測得其基本結構參數如表1所示。

表1 絲綢織物基本結構參數測量值

按試樣織物結構可將上述材料分為三大類，包括平紋、斜紋和緞紋。5號織物杭羅為平紋與紗羅組織聯合構成。

從試樣織物的加捻特性來看，1號、3號、13號、14號均為縐織物，經絲不加捻或弱捻，緯絲采用二左二右強捻絲，整體呈現縐效應。2號、8號和15號屬于紡類織物，經緯線都不加捻。

1.2 織物力學性能測試

為測試各種絲綢織物的力學性能，在試樣織物的經緯向，每種織物分別裁取20cm×20cm試樣3塊，在低應力環境下利用全自動織物風格評價系統KES-FB-AUTO-A(Kawabata evaluation system for fabric system)分別對15種絲綢織物進行測試。

KES-FB-AUTO-A儀器由KES-FB1拉伸與剪切試驗儀、KES-FB2純彎曲試驗儀、KES-FB3壓縮試驗儀、KES-FB4摩擦與表面性能試驗儀以及相關的數據處理裝置組成，用來測量織物處于低應力環境下的拉伸、剪切、彎曲、壓縮、摩擦性能，測量的織物物理性能指標共計17個。所測環境均為標準大氣條件[9]。

1.2.1 拉伸性能測試

測量試樣的拉伸比功WT(拉伸至500 cN/cm時的能量)、拉伸線性度LT(拉伸曲線下面積與假設拉伸曲線為直線時的面積之比)、拉伸功回復率RT(拉伸形變下回復能量的百分比)、拉伸延伸率EMT(在500 cN/cm負載下擴展百分比)。織物的拉伸性能反映了織物常規受力時的變形效果。織物受自重下垂產生的懸垂性與與拉伸性能顯然具有相關性。本文中測試的拉伸特性參數如表2所示。

表2 織物的拉伸特性參數測量值

1.2.2 彎曲性能和剪切性能測試

織物的彎曲性是指織物受到與自身平面垂直的力或力矩作用時產生的形變。它影響織物的剛柔性，對于織物的懸垂形態和懸垂程度都有影響。彎曲性能參數包括試樣織物的彎曲剛度B(試樣彎曲曲率k在0.5～1.5 cm-1之間滯后曲線的平均斜率)，彎曲滯后值2HB(試樣彎曲曲率k為0.5cm-1時的滯后矩)。

織物的剪切性是反映織物的成型性的重要性能，它影響織物面料的成形時的曲面造型。這對織物的懸垂形態具有影響。剪切性能參數分別包括經緯向的剪切剛度G(剪切角在0.5～5°之間滯后曲線的平均斜率)，剪切滯后值2HG(剪切角為0.5°時滯后曲線剪切力矩差)，剪切滯后值2HG5(剪切角為5°時滯后曲線剪切力矩差)。

本文中測試的彎曲性能和剪切性能參數如表3所示。

表3 織物的剪切性能和彎曲性能參數測量值

1.2.3 壓縮性能、摩擦與表面性能測試

織物的壓縮性能是反映織物柔軟性、承載能力和舒適性的物理指標，該性能既與織物的內在質量密切相關，又與織物在厚度方向上的壓縮性能、織物的蓬松豐滿度及表面的滑糯性有關。主要測試試樣的壓縮比功WC(壓縮曲線下面積)、壓縮功回復率RC(壓縮回復功與壓縮功之比)、壓縮線性度LC(壓縮曲線下的面積與假設壓縮曲線為直線時的面積之比)、表觀厚度T0(織物在0.5cN/cm2壓力作用下的厚度)、穩定厚度Tm(織物在50cN/cm2壓力作用下的厚度)。

織物的摩擦與表面性能反映織物與其他物體之間的摩擦行為，是影響織物手感的主要因素。織物的摩擦與表面性能主要與織物的表面滑糯性與滑爽性有關。主要測試試樣的動摩擦因數MIU(積分長度2cm范圍內，織物正反向移動時摩擦因數平均值)，摩擦因數變化平均差MMD(摩擦因數瞬時值與平均值的絕對差值的平均)，表面粗糙度SMD(織物表面高低變化的平均差系數)。測試結果見表4。

表4 織物的壓縮性能與摩擦性能參數測量值

1.3 織物懸垂性測試

織物的懸垂性包括懸垂程度和懸垂形態兩個指標，懸垂程度指織物在自重作用下，其自由邊界下垂的程度。按照國家標準GB/T23329—2009紡織品織物懸垂性的測定，測定裝置如圖1所示。通常用懸垂系數F來表示織物懸垂程度大小[10]。懸垂形態主要是指懸垂曲面的三維外觀形態。由于織物的各向異性，織物的三維形態具有不對稱的效果。實際過程中，一般通過懸垂輪廓曲線的波紋展開圖來表示[6]。具體通過懸垂波數、最大波幅、最小波幅和平均波幅來表示。

圖1 YG811型織物懸垂測定儀

本試驗所用儀器為YG811-F型織物懸垂儀，裁取直徑為24cm的圓形試樣，在標準大氣環境下，分別在試樣處于靜態，和處于40r/min轉動時，測得試樣的懸垂性數據(如表5所示)包括：靜態懸垂系數F0和動態懸垂系數F1(單位：%)，靜態時波峰個數為N0，動態時波峰個數為N1。

試樣3的懸垂性投影見圖2。

表5 織物的懸垂性參數

圖2 試樣3的靜態和40r/min的動態懸垂投影圖

2 測試數據的處理

2.1 相關性分析

本文對測試的數據進行了相關性分析。相關性分析是一種在實際應用中經常用到的數理統計方法，對多個具備相關性的變量因素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。其基本方法是通過計算序列的協方差矩陣，來得到相關系數矩陣，得到的相關系數顯示了兩個隨機變量之間線性關系，然后通過相關系數來判斷參數之間的相關性。

目前，通常使用織物的懸垂系數來表示織物的懸垂程度大小，懸垂系數越小，懸垂程度越大。在本試驗中，需要得到絲綢織物力學與結構方向上的指標與絲綢織物的懸垂性之間的相關程度。通過測量得到的基本參數和力學性能參數，然后加上代表絲綢織物懸垂性程度的動態懸垂性指標，總共有40種指標參數來表示一種絲綢織物，將這些指標參數組成一個序列，通過對這個序列進行相關性分析來得出結論。

首先將所測得的每一種織物試樣的各測試指標組成一個序列，每一列Xi=(x1,x2,…x15)T表示15種織物的其中一項測量指標參數，為方便計算，本文指定第一列X1為織物的動態懸垂系數F1。

對于測得的這個序列X中，由于各項數據指標之間的計量單位不一致，需要對這些指標的數據進行標準化處理。將測得原始數據化為無量綱的指標測評值，使各指標處于同一數量級上，從而能夠對各指標進行比較與處理。常用的數據標準化方法包括min-max標準化和Z-score標準化。本文采用Z-score標準化的方法。對試驗中所測得的每一列序列按式(1)進行變換：

(1)

其中：Yi為對原始數據，Xi進行標準化處理后所得的無量綱數，μ為測量的所有數據的平均值，σ為測量所有數據的標準方差。原始數據序列X經過處理就后得到對應的標準化序列Y=(Y1,Y2,Y3,…,Yn)。這樣處理后所得序列的每一列的指標參數的均值為0，方差為1。

不僅是故事的內容，還包括講故事的方式，都會傳遞給小人兒許多信息：一個單純的故事，呼應著孩子世界的單純，而一個附加了其他意味的故事，則會打破這種自然純粹的狀態；教育的姿態，哪怕是隱藏在故事背后，也會引發雙方位置的高下之別。所以我如果給孩子講故事，那就是講故事而已，不附帶任何其他的目的；許多時候，我還會設法讓故事變成我和小人兒共同參與的事。

(2)

式中：Y=(Y1,Y2,Y3,…,Yn)是序列X經過標準化之后的序列，按照前面指定的第一列X1為織物的動態懸垂系數F1，則Y1表示標準化之后的動態懸垂系數ri,j=Cov(Yi,Yi)表示第i列與第j列的協方差，即相關系數，它反映了這兩列屬性之間的相關性強弱。

下面選取相關系數矩陣R的第一行，其中每一個相關系數r表示織物的動態懸垂系數指標F1與其他的指標之間的相關性強弱，其中r1,1=1。對相關系數ri,j取絕對值，按照相關系數絕對值大小排列。

2.2 結果分析

試驗所得絲綢織物動靜態懸垂系數與其他參數之間的相關系數如表6所示。表內數值為衡量各變量之間線性相關性的指標，其值r取值范圍在[-1,1]之間，當r=0時，稱X、Y不相關；當|r|=1時，稱X、Y完全相關，此時，X、Y之間具有線性函數關系；當|r|<1時，X的變動引起Y的部分變動，r的絕對值越大，X的變動引起Y的變動就越大，當|r|>0.8時稱為高度相關，當|r|<0.3時，稱為低度相關，其他為中度相關。

表6 各影響指標與靜態懸垂系數F0、動態懸垂系數F1對比的情況

圖3是按照表6的順序分別將絲綢織物各力學與結構參數和絲綢織物的動靜態懸垂系數進行對比，得到的相關性走勢圖。虛線代表靜態懸垂性與各參數之間的對比，實線代表了動態懸垂性與各參數之間的對比。從圖3中可以看出，實驗測得的絲綢織物的靜態懸垂性與動態懸垂性與各力學參數之間的相關性影響基本相似，但是從第11至19號參數對絲綢織物靜態懸垂性影響要偏高點，這些參數主要包含絲綢織物的彎曲和剪切性能。

圖3 靜態懸垂系數與動態懸垂系數分別與各參數對比

下面將各性能指標按照測試屬性的不同分為6組，這6組數據分別與織物的動態和靜態懸垂性的對比的相關度如圖4所示，相關度取相關系數的絕對值。由表6和圖4中可以看出，絲綢織物動態懸垂性與代表織物壓縮性能的指標(LC,RC,WC,T0,Tm)、代表織物摩擦與表面特性的指標(MIU,MMD,SMD)以及織物密度指標(S)相關性較小，與代表織物靜態懸垂性的指標(F0)、代表織物緯向拉伸性能指標(RT緯,WT緯,LT緯,EMT緯)以及代表織物彎曲和剪切性能指標(G,2HG5,2HG,B,2HB)具有較強相關性。

圖4 絲綢織物各指標屬性與織物懸垂性的相關度

圖4中可以看出，靜態與動態懸垂性的拉伸性能參數波動比較明顯，主要是由于RT經的影響造成的，總體來看，經向的織物拉伸性能指標(RT經，WT經，LT經，EMT經)與織物懸垂性指標相關度較低，而緯向的織物拉伸性能指標(RT緯，WT緯，LT緯，EMT緯)與織物動態懸垂性指標相關度較高，這說明絲綢織物的經緯向選擇對織物懸垂性能影響較大，需要著重考慮。

對比2號織物與15號織物，同為絹紡的這兩種織物懸垂性，2號斜紋絹紡的懸垂系數較大，懸垂性明顯好于平紋絹紡。同樣的11號斜紋綢的懸垂性要好于同樣是綢類的9號織物。

3 結 論

織物的懸垂性是影響織物外觀美感和服用貼身性的諸多因素中重要的因素之一，絲綢織物普遍具有較好的懸垂性，是研究織物懸垂性較好的材料。通過測量絲綢織物的各項指標參數，可以定量地全面評價織物的懸垂性受各參數的影響程度。這為繼續研究織物懸垂的仿真提供了一個基礎。由本文中的試驗可以得到以下結論：

a)各個影響因子對絲綢織物的動態懸垂性與靜態懸垂性影響基本相似，但絲綢織物的彎曲性能與剪切性能方面對靜態懸垂性能的影響稍強一些，這一現象可能與織物動靜態懸垂性的測試方法有關，也可能與絲綢織物質地輕薄等相關，但尚需要作進一步驗證。

b)絲綢織物的緯向拉伸性能指標對其懸垂程度影響較大，其次是剪切性能指標與彎曲性能指標。摩擦性能指標、壓縮性能指標經向拉伸性能指標與織物密度對絲綢織物的懸垂性的影響較小。

c)相關系數的絕對值大部分都處于0.3～0.5之間，說明影響絲綢織物的懸垂性參數是多方面的。

d)對織物的動靜態懸垂性影響結果中，拉伸、彎曲性能各指標等具有較強的波動，主要是受經緯向的選擇不同的影響。

下一步的研究可使用本文分析得到的最能影響織物懸垂性的參數來表征絲綢織物的懸垂性，建立數學模型方程，為織物的懸垂性模擬及動態仿真提供理論依據。

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(責任編輯：康 鋒)

Correlation Analysis of Quantifying Drapability Impact Factors of Silk Fabric

LIGanga,b,HUXinronga,b,YAOXunb,CUIShuqinb

(a.Hubei Provice Collaborative Innovation Center for Common technology of Textile Industry Chain；b.The State Key Laboratories Cultivation Base Co-constructed by Province and Ministry by Hubei Province of Textile Materials and Advanced Processing Technology, Wuhan Textile University, Wuhan 430074, China)

Silk fabric has good feeling and drapability, and it’s a suitable material for study of fabric drapability. In order to study impact factors of dynamic drapability of silk fabric, 15 kinds of common silk fabrics were selected to measure their structural parameters, mechanical properties such as stretching, bending, shear and friction and drapability characteristics by KES instrument, drapability measuring instrument and so on. Then, correlation analysis of the fabric parameters measured was done to acquire the impact factor sequence of dynamic and static drapability of silk fabric. Experimental results show that dynamic and static drapability of silk fabric suffers basic similar impacts in multiple aspects, but bending property and shear property strongly influence static drapability. Among all impact factors, weft tensile property imposes the greatest impact.

silk; drapability; correlation analysis; impact factor

2014-12-24

國家自然科學基金項目(61103085)；湖北省教育廳重點項目(D20131604)

李 鋼(1986-)，碩士研究生，研究方向為圖像處理、可視化計算與仿真建模。

胡新榮，E-mail:hxr@wtu.edu.cn

TS141.8

A

1009-265X(2015)05-0036-07