棉織物透氣性能的預(yù)測(cè)研究

徐瑤瑤，朱俐莎，杜 磊，鄒奉元，b

(浙江理工大學(xué),a.服裝學(xué)院；b.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，杭州 310018)

棉織物透氣性能的預(yù)測(cè)研究

徐瑤瑤a，朱俐莎a，杜 磊a，鄒奉元a，b

(浙江理工大學(xué),a.服裝學(xué)院；b.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，杭州 310018)

采用兩種計(jì)算孔徑的方法，分別計(jì)算出織物孔徑dp、dh。在特定紗線線密度下，研究織物孔徑和織物透氣率之間變化規(guī)律。其次改變紗線線密度，觀察紗線線密度變化對(duì)織物透氣率大小的影響。利用Origin軟件擬合織物透氣率與紗線線密度、織物經(jīng)緯紗密度、孔徑dp或孔徑dh之間的函數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果表明，當(dāng)孔徑分別采用dp、dh用作擬合參數(shù)時(shí)，所得函數(shù)計(jì)算的透氣率與實(shí)測(cè)透氣率的相關(guān)系數(shù)分別為0.9927、0.9952。由此可見，所建立的擬合函數(shù)可用于全棉織物的透氣性預(yù)測(cè)。對(duì)于孔徑計(jì)算方法的選擇，采用dh時(shí)要比采用dp時(shí)，透氣率的預(yù)測(cè)精度略高。

棉織物；擬合；透氣性；相關(guān)性

織物透氣性是指織物兩側(cè)存在壓差時(shí)，空氣從織物的孔隙透過(guò)的性能[1]。根據(jù)所需紡織品透氣性需求，通過(guò)透氣性預(yù)測(cè)，在投入生產(chǎn)之前便可準(zhǔn)確進(jìn)行織物的規(guī)格設(shè)定。因此織物的透氣性預(yù)測(cè)對(duì)于紡織品的生產(chǎn)及使用具有指導(dǎo)意義。

目前，對(duì)于織物透氣性預(yù)測(cè)主要有兩類，一類是通過(guò)人工網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)所選取的影響因子進(jìn)行擬合訓(xùn)練，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)σ活愄囟ǖ目椢镙^為準(zhǔn)確地進(jìn)行織物透氣性預(yù)測(cè)。所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]、PPR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]。3種模型中，PPR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為擬合效果最佳。另一類是公式計(jì)算法，利用流體動(dòng)力學(xué)原理、擬合得出預(yù)測(cè)公式，通過(guò)公式計(jì)算求得預(yù)測(cè)值。兩類方法在特定訓(xùn)練樣本下得到特定類型織物的透氣性預(yù)測(cè)值都能達(dá)到一定的預(yù)測(cè)精度，但是公式計(jì)算法相對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是相對(duì)更加泛化[5]，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選取固定的影響因子作為輸入層數(shù)據(jù)，輸入層單元會(huì)自動(dòng)計(jì)算權(quán)重，而不同的織物其透氣性大小影響因子權(quán)重[6]會(huì)有所差異，公式計(jì)算法選用織物參數(shù)作為公式擬合依據(jù)，不受特定影響因子束縛，所以應(yīng)用范圍廣；二是公式計(jì)算法相對(duì)簡(jiǎn)單方便，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立相對(duì)復(fù)雜，專業(yè)性要求高。公式擬合許多數(shù)據(jù)處理軟件均能直接應(yīng)用，為非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究提供諸多便利[4-6]。因此本文選取公式計(jì)算法，對(duì)棉織物透氣性能進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。公式計(jì)算中的參數(shù)孔徑有兩種計(jì)算方法，對(duì)兩種孔徑計(jì)算方法通過(guò)擬合得出兩種織物透氣率預(yù)測(cè)公式，分析預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)性，從而得到預(yù)測(cè)精度較高的一種織物透氣率預(yù)測(cè)公式。

1 孔徑計(jì)算方法

在公式計(jì)算法中通常采用的一個(gè)參數(shù)是孔徑，孔徑主要是為了表示織物紗線間孔隙的大小。研究思路不同對(duì)孔徑的數(shù)學(xué)定義有所差異，而孔徑的計(jì)算方法主要有以下兩種。

1.1 孔徑dp

Marie Havlova認(rèn)為可以將織物經(jīng)緯向交織所形成的孔隙理想化，假設(shè)每個(gè)孔隙為方形、大小相同且分布均勻,Dj、Dw(根/10cm)分別表示織物經(jīng)向密度和織物緯向密度，dj、dw(mm)分別表示織物經(jīng)向紗線直徑和緯向紗線直徑，定義dp為織物紗線間孔隙半徑。可得孔徑dp計(jì)算公式[7]：

(1)

1.2 孔徑dh

織物其實(shí)是一種典型的多孔介質(zhì)材料，空氣透過(guò)織物的過(guò)程與流體流過(guò)多孔介質(zhì)的過(guò)程相似,因此織物的多孔隙結(jié)構(gòu)可以視為平行毛細(xì)管束集聚體模型[5,8]。通過(guò)流體力學(xué)原理，模擬織物間孔隙通道為圓形通道，可得圓形通道孔徑dh計(jì)算公式[9]：

(2)

式(2)中：A為織物孔隙截面面積；p為織物孔隙截面周長(zhǎng)。

計(jì)算織物孔隙截面面積及截面周長(zhǎng)，可得孔徑dh計(jì)算公式為式(3)：

(3)

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試樣

排除織物材質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)對(duì)織物透氣性的影響，選用全棉平紋織物共29塊作為試樣。其中21塊為擬合樣，8塊為驗(yàn)證樣。采用樣本均由紹興縣紡業(yè)良紡織有限公司提供。具體織物規(guī)格詳見表1。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及孔徑計(jì)算結(jié)果

2.2.1 織物紗線直徑測(cè)定

為了更好地表征織物紗線直徑，采用江南永新MV2100金相顯微鏡獲取經(jīng)緯向紗線圖片、利用Scope image9.0中的測(cè)量工具對(duì)同一紗線取10個(gè)有效點(diǎn)進(jìn)行直徑測(cè)量，取平均值，獲取織物經(jīng)緯向紗線表觀直徑[10]。如圖1所示，測(cè)試結(jié)果見表2。

表1 樣本織物結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：1～21為擬合樣，22～29為驗(yàn)證樣。

圖1 紗線直徑測(cè)試示意

2.2.2 織物厚度測(cè)定

利用YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀測(cè)量織物厚度L(mm)，樣品在測(cè)試前放置于恒溫恒濕室預(yù)調(diào)濕24h。測(cè)試過(guò)程選取10組有效點(diǎn)數(shù)據(jù)，取平均值。

2.2.3 織物透氣率測(cè)定

使用YG461型織物透氣儀進(jìn)行織物透氣率測(cè)試。測(cè)試條件：織物兩側(cè)壓差設(shè)為100Pa，圓形測(cè)試試樣的直徑為20mm。

2.2.4 孔徑dp、dh的計(jì)算

通過(guò)所給的公式(1)、公式(3)，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算得出每塊樣本的孔徑dp、dh。其中織物紗線線密度T(tex)、織物經(jīng)緯向密度由樣本制造商提供，經(jīng)緯向紗線表觀直徑由實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得。

織物經(jīng)緯向紗線表觀直徑、織物厚度、透氣率及織物孔隙直徑計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 織物測(cè)試數(shù)據(jù)及孔徑計(jì)算結(jié)果

3 透氣性預(yù)測(cè)計(jì)算公式構(gòu)建

分別選取經(jīng)緯紗線線密度為28.12、19.69、18.46、14.76tex和9.84tex的織物，改變織物經(jīng)緯紗密度，計(jì)算出孔徑dp、dh，繪制dp、dh與透氣率之間的散點(diǎn)圖。其結(jié)果如圖2、圖3。

通過(guò)觀察所得散點(diǎn)圖可知，隨著織物紗線線密度的增大，透氣率先增大后減小，說(shuō)明織物透氣性能大小不僅受織物經(jīng)緯紗密度影響，同樣也受織物紗線線密度等其他因素影響。在特定紗線線密度下，織物透氣率隨孔徑的增大而增大，觀察圖2、圖3可發(fā)現(xiàn)兩者之間呈線性關(guān)系。變化規(guī)律同時(shí)適用于dp、dh。可見在紗線線密度確定的條件下，織物透氣率大小可表示為，

圖2 dp與透氣率之間關(guān)系

圖3 dh與透氣率之間的關(guān)系

(4)

式(4)中：Ap表示透氣率，d表示孔徑dp或dh，K、B為待定參數(shù)。

相同紗線線密度下，對(duì)孔徑和透氣率之間線性關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得出在給定的紗線線密度下，織物孔徑和透氣率之間的函數(shù)關(guān)系式。圖4是織物紗線線密度在14.76tex時(shí)，織物孔徑dp與透氣率之間的線性擬合。圖5是織物紗線線密度在14.76tex時(shí)，織物孔徑dh與透氣率之間的線性擬合。

圖4 dp與透氣率之間擬合關(guān)系

圖5 dh與透氣率之間擬合關(guān)系

采用同種擬合方法，對(duì)其他紗線規(guī)格下的孔徑與透氣率之間進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出在不同紗線規(guī)格下，孔徑分別為dp、dh與透氣率之間的函數(shù)關(guān)系，如表3，表4。

表3 孔徑dp在不同線密度下對(duì)應(yīng)的參數(shù)K、B值

表4 孔徑dh在不同線密度對(duì)應(yīng)的參數(shù)K、B值

由表3、表4可發(fā)現(xiàn)，透氣率計(jì)算公式中的參數(shù)K、B隨織物紗線線密度變化而變化，繪制散點(diǎn)圖，觀察分析兩者之間符合指數(shù)函數(shù)曲線，利用Origin8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出K、B與織物紗線線密度之間的函數(shù)關(guān)系。如圖6、圖7為孔徑dp時(shí)參數(shù)K、B與線密度之間的擬合關(guān)系。

圖6 線密度與參數(shù)K之間的擬合曲線

圖7 線密度與參數(shù)B之間的擬合曲線

同樣，在孔徑dh的情況下，對(duì)紗線線密度和參數(shù)K、B之間分別繪制散點(diǎn)圖。擬合紗線線密度與參數(shù)K、B之間的相關(guān)函數(shù)關(guān)系。分別將dp、dh所得參數(shù)K、B回代至式(4)中，得到透氣率預(yù)測(cè)計(jì)算式如式(5)、式(6)。

Ap=114910T-2.15563dp-763859.013T-2.022697

(5)

Ap=1233480T-2.20088dh-998435.021T-2.14753

(6)

4 驗(yàn) 證

根據(jù)擬合所得織物透氣率預(yù)測(cè)計(jì)算式，選取8塊面料進(jìn)行驗(yàn)證，與前面擬合樣相同，計(jì)算孔徑dp、dh,測(cè)量驗(yàn)證樣透氣率及厚度。參數(shù)見表6。

表6 驗(yàn)證樣各項(xiàng)參數(shù)

將所得的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，驗(yàn)證所得預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性。通過(guò)相關(guān)性分析可得孔徑計(jì)算方法選取dp時(shí)，將擬合方程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間進(jìn)行相關(guān)性分析，其相關(guān)系數(shù)為0.9927。選取dh時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間相關(guān)系數(shù)為0.9952。

5 結(jié) 論

a) 使用兩種計(jì)算方法計(jì)算織物孔徑大小dp、dh，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試織物透氣率。繪制織物孔徑和透氣率之間散點(diǎn)圖，觀察發(fā)現(xiàn)在線密度不變的情況下，織物透氣率和孔徑dp、dh呈線性相關(guān)。透氣率和孔徑之間計(jì)算公式中的參數(shù)K、B隨織物紗線線密度增大而減小。

b) 利用軟件擬合平紋全棉織物透氣率預(yù)測(cè)計(jì)算式。所得擬合式用于平紋棉織物透氣率計(jì)算，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.99以上。表明通過(guò)數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，分析相關(guān)參數(shù)與所求值之間的函數(shù)關(guān)系，有針對(duì)性進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，該種方法用于織物的透氣性預(yù)測(cè)具有較高的可行性。

c) 兩種不同的孔徑dp、dh用來(lái)擬合織物透氣率預(yù)測(cè)公式，所得計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間相關(guān)系數(shù)分別為0.9927、0.9952。結(jié)果表明：對(duì)于平紋棉織物的透氣率預(yù)測(cè)公式擬合，選用孔徑dh時(shí)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間相關(guān)性相對(duì)更高，在后期的平紋棉織物透氣性預(yù)測(cè)研究中，選用孔徑dh作為預(yù)測(cè)參數(shù)可行性更高。

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(責(zé)任編輯：許惠兒)

Prediction of Air Permeability of Cotton Fabrics

XUYaoyaoa,ZHULishaa,DULeia，ZOUFengyuana，b

(a.School of Fashion Design and Engineering; b.Zhejiang Garment Engineering Technology Research Center, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Two methods of calculation of the aperture were adopted to calculate thedpand thedh. Under particular yarn linear density, change rules between aperture and air permeability of fabrics were studied. Then, yarn linear density was changed to observe effects of changes in yarn linear density on air permeability of fabrics. Origin software was used to fit the relationship among air permeability, yarn linear density, weft and warp yarn density, aperturedpor aperturedh. The results show whendpand dh are used as fitting parameters, correlation coefficients of air permeability calculated according to the function and actual air permeability are 0.9927 and 0.9952, respectively. It thus can be seen that the fitting function can be used to predict air permeability of cotton fabrics. for aperture selection, prediction accuracy whendhis adopted is slightly higher than that whendpis adopted.

cotton fabric; fitting; air permeability; relevance

2014-09-10

紡織科學(xué)與工程重中之重一級(jí)學(xué)科2013年學(xué)生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(11110031211202)

徐瑤瑤(1991—)，女，浙江衢州人，碩士研究生，主要從事服裝人體工程與舒適性方面的研究。

鄒奉元，E-mail:zfy166@zstu.edu.cn

TS195.644

A

1009-265X(2015)03-0026-05