織物折皺回復(fù)的各向異性表征

蔣雙歌， 王 蕾， 王 靜， 劉建立， 高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

織物折皺回復(fù)的各向異性表征

蔣雙歌， 王 蕾， 王 靜， 劉建立， 高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

針對(duì)織物折皺回復(fù)存在各向異性且難以描述的問(wèn)題，將通過(guò)研究試樣取向角與其對(duì)應(yīng)的折皺回復(fù)角的關(guān)系，尋找更科學(xué)的織物折皺回復(fù)性能表征方法。選擇純棉平紋和斜紋織物為實(shí)驗(yàn)材料，從經(jīng)紗方向(取向角定為0°)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每隔15°取一試樣，平紋織物取樣角度范圍為0°～90°，斜紋織物取樣角度范圍為0°～180°。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)方法測(cè)量每一試樣的折皺回復(fù)角，結(jié)果表明：平紋織物可用15°和75°取向角對(duì)應(yīng)的折皺回復(fù)角均值表征織物折皺回復(fù)性能；斜紋織物折皺回復(fù)角與其紋路角度密切相關(guān)，對(duì)于左斜120°左右的斜紋織物，正面用取向角15°、105°、120°的折皺回復(fù)角均值，反面用取向角0°、60°、120°的折皺回復(fù)角均值來(lái)表示織物折皺回復(fù)性能更加合理。關(guān)鍵詞 織物； 折皺回復(fù)； 各向異性； 動(dòng)態(tài)測(cè)試； 機(jī)器視覺(jué)

織物在服用和存放過(guò)程中，受外力作用產(chǎn)生局部變形，外力去除后也難以恢復(fù)到原來(lái)的平整狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為折皺[1]。織物折皺不僅影響外觀，并且沿著織物的折痕和皺紋，更易產(chǎn)生劇烈磨損，降低衣服的服用性能和穿著的耐久度，是評(píng)價(jià)織物性能的重要指標(biāo)之一。織物在實(shí)際使用過(guò)程中產(chǎn)生的折皺是多向立體的，而目前通常使用織物經(jīng)緯向折皺回復(fù)角的均值(或之和)來(lái)表征整塊織物的折皺回復(fù)角，這種表征方法沒(méi)有考慮織物其他方向上的折皺回復(fù)性能，無(wú)法全面地反映織物的折皺回復(fù)性能[2]。研究織物折皺回復(fù)各向異性是非常必要的。

已有學(xué)者對(duì)織物折皺各向異性進(jìn)行了一些研究。張才前[3]對(duì)滌/毛平紋織物各向抗皺性能差異進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，與織物經(jīng)向接近方向折皺回復(fù)復(fù)角與經(jīng)向差異較小，而與織物緯向接近方向折皺回角與緯向差異較大，王春燕[4]研究了毛平紋織物的折皺各向異性，提出經(jīng)緯回復(fù)角之和與綜合回復(fù)角的相關(guān)性并不高，僅用經(jīng)緯2個(gè)方向的回復(fù)角無(wú)法全面反映毛織物的綜合恢復(fù)能力，為提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性，經(jīng)向、緯向以及 45°斜向需同時(shí)考慮。王蕾等[5]、Ludmila Fridrichova等[6]、劉成霞等[7]提出運(yùn)用圖像處理的方法研究棉織物的折皺回復(fù)角，指出通過(guò)圖像采集的方法測(cè)試折皺回復(fù)角，可實(shí)現(xiàn)織物折皺回復(fù)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)試更加精確。Ludmila Fridrichova等[6]發(fā)現(xiàn)織物折皺回復(fù)角具有方向上的不對(duì)稱性，即各向異性。最大折皺回復(fù)角度出現(xiàn)在30°和60°方向，平紋織物密度太大，回復(fù)角將減小。

目前，織物折皺回復(fù)角測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 3819—1997《紡織品 織物折痕回復(fù)性的測(cè)定 回復(fù)角法》和AATCC 66—2008《織物折皺回復(fù)：回復(fù)角》。GB/T 3819—1997規(guī)定將試樣裁剪成規(guī)定的“品”字形，回復(fù)翼向內(nèi)對(duì)折，施加壓力一段時(shí)間，卸除壓力后等回復(fù)一定時(shí)間再測(cè)量織物折皺回復(fù)角。AATCC 66—2008規(guī)定測(cè)試試樣裁剪為40 mm×15 mm的長(zhǎng)方條，負(fù)載壓重5 min后移至刻度盤(pán)，靜置5 min后讀出折皺回復(fù)角度。2種方法應(yīng)用廣泛，但是手工測(cè)量難以保證測(cè)量時(shí)間的準(zhǔn)確以及角度測(cè)量的精度。本文采用文獻(xiàn)[8]的實(shí)驗(yàn)裝置(織物折皺回復(fù)視頻系統(tǒng))進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程符合 AATCC 66—2008的標(biāo)準(zhǔn)要求，可實(shí)現(xiàn)織物折皺回復(fù)性能的動(dòng)態(tài)測(cè)試，自動(dòng)化程度高，所測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。選取純棉平紋和斜紋織物，運(yùn)用視頻序列的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法測(cè)試織物折皺回復(fù)過(guò)程，獲得更精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究織物折皺回復(fù)各向異性，探尋更全面地表征整塊織物折皺回復(fù)性能的方法，為織物折皺回復(fù)各向異性進(jìn)一步研究及織物折皺性能測(cè)試提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

規(guī)定取向角θ為織物折痕與緯紗方向所成的夾角，取向角示意圖如圖1所示，即與緯紗平行方向取向角θ為0°，與經(jīng)紗平行方向取向角θ為90°，試樣規(guī)格為40 mm×15 mm的矩形。根據(jù)織物組織的對(duì)稱性，平紋織物取樣角范圍為0°～90°，斜紋織物取樣角范圍為0°～180°。試樣裁剪方案按順時(shí)針?lè)较颍扛?5°取1個(gè)試樣。

實(shí)驗(yàn)選用4種不同規(guī)格的純棉平紋織物，編號(hào)為1#～4#；4種不同規(guī)格的純棉斜紋織物，編號(hào)為5#～8#，織物具體的參數(shù)如表1所示。

表1 試樣規(guī)格Tab.1 Parameters of samples

注：5#～8#試樣的斜紋組織為3上1下；4#試樣的紗線為雙股。

1.2 織物折皺回復(fù)角測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用文獻(xiàn)[8]中所述實(shí)驗(yàn)裝置—織物折皺回復(fù)視頻系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)主要包括取樣器、織物折痕產(chǎn)生裝置和視頻圖像采集裝置3部分。其中，折痕產(chǎn)生裝置壓制試樣的動(dòng)力源于空壓機(jī)，其壓力和加壓時(shí)間均可調(diào)節(jié)。視頻圖像采集裝置包括CCD相機(jī)、光源等部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。壓塊壓力由空壓機(jī)提供，用來(lái)壓制試樣；金屬片用來(lái)夾持試樣并防止試樣自由翼和固定翼黏連。固定在織物的垂直上方的相機(jī)可實(shí)時(shí)捕獲試樣自由翼的位置，采集視頻序列參數(shù)為640像素×480像素；光源提供水平方向光照，為視頻序列或圖像采集提供光照。系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程符合 AATCC 66—2008的標(biāo)準(zhǔn)要求，可實(shí)現(xiàn)織物折皺回復(fù)性能的動(dòng)態(tài)測(cè)試，易操作，自動(dòng)化程度高，所測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確[9]。

為保證后續(xù)圖像處理的可行性，需要保證采集的圖像具有較高對(duì)比度，所以測(cè)試過(guò)程中，適當(dāng)調(diào)整光源，保證試樣在視頻圖像中與背景有較高對(duì)比度、無(wú)陰影、無(wú)光斑。實(shí)驗(yàn)加壓5 N，加壓時(shí)間5 min，壓塊從試樣表面撤去時(shí)開(kāi)始，相機(jī)對(duì)試樣折皺回復(fù)過(guò)程進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為5 min的連續(xù)圖像采集，采集速度為0.67幀/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 取向角對(duì)試樣折皺回復(fù)角的影響

采用單因素方差分析，研究取向角對(duì)織物折皺回復(fù)角影響的顯著性。影響因素為取向角，平紋有7個(gè)水平，斜紋有12個(gè)水平。因變量為各取向角對(duì)應(yīng)的折皺回復(fù)角。

提出假設(shè)H0：取向角對(duì)試樣折皺回復(fù)角的大小無(wú)顯著影響。備擇假設(shè)H1：取向角對(duì)試樣折皺回復(fù)角大小有顯著影響。設(shè)定顯著性水平α為0.05。分析結(jié)果如表2、3所示。其中F為檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量，P-value為用于檢驗(yàn)的P值，F(xiàn)臨界值為給定顯著水平α下的臨界值。

表2 平紋試樣方差分析表Tab.2 Varince analysis on plain fabric

表3 斜紋試樣方差分析表Tab.3 Variance analysis on twill fabric

由表2中可知，對(duì)于平紋織物，計(jì)算的F值為8.54，大于F臨界值2.29，同時(shí)P值為2.30×10-6，明顯小于顯著性水平0.05，說(shuō)明拒絕原假設(shè)，即平紋織物取向角對(duì)織物折皺回復(fù)角有顯著影響，平紋織物折皺回復(fù)存在各向異性。從表3可看出，對(duì)于斜紋織物，計(jì)算的F值為4.60，大于F臨界值1.91，同時(shí)P值為1.89×10-5，明顯小于顯著性水平0.05，說(shuō)明拒絕原假設(shè)，即斜紋取向角對(duì)折皺回復(fù)角有顯著影響，斜紋織物折皺回復(fù)存在各向異性。

2.2 平紋織物折皺回復(fù)的各向異性

由于平紋織物分別在經(jīng)紗和緯紗方向軸對(duì)稱，實(shí)驗(yàn)中將選取向角0°到90°進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。圖3示出平紋織物正反面折皺回復(fù)各向異性曲線。在圖3(a)中，平紋織物的折皺回復(fù)角度隨著取向角的變化，呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，最大角度與最小角度差值將近40°。平紋織物試樣在取向角60°對(duì)應(yīng)的折皺回復(fù)角最大，即該方向織物的抗皺性能較好。然而，在取向角為0°和90°時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的折皺回復(fù)角相對(duì)較小，織物在經(jīng)向和緯向抗皺性能較差。對(duì)比圖3(a)可發(fā)現(xiàn)，反面的折皺回復(fù)角各向異性趨勢(shì)與正面相似，但是各取向回復(fù)角度變化幅度較小，曲線較平穩(wěn)。

織物彈性回復(fù)力和摩擦阻力決定了織物折皺回復(fù)性能。回復(fù)力越大，摩擦阻力越小，織物的折痕回復(fù)性能就越好[10]。在平紋織物試樣取向角為60°時(shí)，試樣經(jīng)紗和緯紗受到的外力作用接近，可將壓力較好的分解，內(nèi)摩擦阻力較小，所以折皺回復(fù)角較大。而經(jīng)紗(或者緯紗)方向，外力絕大部分作用在經(jīng)紗(或者緯紗)上，另一方向紗線的摩擦阻力較大，所以折皺回復(fù)角較小。

綜上所述，平紋織物折皺回復(fù)各向異性明顯， 取向角0°和90°方向試樣的折皺回復(fù)角在總體折皺回復(fù)角中偏小，作為評(píng)價(jià)整塊織物折皺回復(fù)性能的指標(biāo)不合理，應(yīng)增加或改用其他取向角對(duì)應(yīng)的折皺回復(fù)角來(lái)表征織物整體折皺回復(fù)性能。

2.3 斜紋織物折皺回復(fù)的各向異性

斜紋試樣選取取向角0°到165°進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。圖4示出斜紋試樣正面和反面的折皺回復(fù)各向異性曲線。

與平紋試樣相同的是試樣反面的各向差異較小一些，不同的是，試樣正反兩面的折皺回復(fù)各向異性趨勢(shì)有所不同。試樣正面在取向角60°到150°方向?qū)?yīng)的折皺回復(fù)角較大，抗皺能力較好，最大回復(fù)角在取向角105°方向，最小回復(fù)角在取向角15°方向。試樣反面的折皺回復(fù)各向異性整體趨勢(shì)與正面相反，取向角30°到75°方向?qū)?yīng)的折皺回復(fù)角較大，其余方向的折皺回復(fù)角較小，且相差不大。

實(shí)驗(yàn)選取的4種斜紋試樣的斜紋與緯紗方向的夾角ψ如圖5所示。依據(jù)文獻(xiàn)[11]的方法，測(cè)得4種斜紋試樣紋路斜向角ψ如表4所示。可發(fā)現(xiàn)4種試樣紋路與緯紗夾角ψ都在120°左右，其平均值為119.3°。正面取向角120°方向正好與織物紋路方向一致，即斜紋織物正面在其紋路方向折皺回復(fù)角較大，抗皺能力好。與斜紋紋路垂直的方向，折皺回復(fù)角較小，抗皺能力差，反面則相反。

試樣編號(hào)5#6#7#8#ψ/°118.8120.3117.7120.3

3 織物折皺回復(fù)性能評(píng)價(jià)方法

可用各向折皺回復(fù)角均值來(lái)表征整塊織物的折皺回復(fù)性能。對(duì)于平紋織物若按每隔15°裁剪一試樣，則可裁剪7個(gè)不同取向角對(duì)應(yīng)的試樣。實(shí)驗(yàn)中將計(jì)算這7個(gè)試樣的折皺回復(fù)角度的均值作為評(píng)價(jià)平紋織物的各向折皺回復(fù)角平均值。相應(yīng)地，斜紋織物的折皺回復(fù)性則可采用12個(gè)取向角的折皺回復(fù)角度的均值表示。但是這種評(píng)價(jià)方法的測(cè)試工作量較大，耗時(shí)長(zhǎng)，應(yīng)用在實(shí)際測(cè)試中有困難。因此，建議采用本文改進(jìn)的方法來(lái)表征織物折皺回復(fù)性能。

3.1 改進(jìn)的平紋織物折皺回復(fù)角表征方法

通過(guò)對(duì)織物折皺回復(fù)角度數(shù)值的計(jì)算分析可發(fā)現(xiàn)，取向角為15°、75°時(shí)，試樣的這2個(gè)折皺回復(fù)角平均值φ2與7個(gè)取向角對(duì)應(yīng)試樣的折皺回復(fù)角的均值φ接近，具體數(shù)值如表5所示。其中φ為7個(gè)取向角對(duì)應(yīng)試樣的折皺回復(fù)角的均值，φ1為經(jīng)緯向折皺回復(fù)角的均值，φ2為取向角為15°和75°時(shí)對(duì)應(yīng)的試樣的折皺回復(fù)角均值。

表5 平紋織物不同計(jì)算方法的結(jié)果比較Tab.5 Comparison of different calculation methods for plain fabric (°)

從表5中可看出，試樣各向回復(fù)角均值與經(jīng)、緯向折皺回復(fù)角均值相差較大，最小差值為3.0°，最大達(dá)19.4°。這表明現(xiàn)有計(jì)算方法得出的計(jì)算值與真實(shí)值相差較大，只用經(jīng)、緯向折皺回復(fù)角均值(或之和)表示整塊織物的折皺回復(fù)性能不夠全面。取向角15°和75°對(duì)應(yīng)的試樣折皺回復(fù)角的均值與各向回復(fù)角均值近似相等，差值為0.3°～3.1°，說(shuō)明改進(jìn)的計(jì)算方法有一定的可行性，用來(lái)表征織物的折皺回復(fù)性能更為科學(xué)、合理。

3.2 改進(jìn)的斜紋織物折皺回復(fù)角表征方法

斜紋織物正反兩面的折皺回復(fù)各向異性情況不同，其評(píng)價(jià)方法也應(yīng)該分別討論。不同計(jì)算方法得到的斜紋試樣的回復(fù)角度值如表6所示。對(duì)于斜紋試樣正面，計(jì)算取向角15°(最小值)、105°(最大值)、120°(斜紋紋路方向)對(duì)應(yīng)的折皺回復(fù)角的平均值作為改進(jìn)的方法，計(jì)算值為φ2；對(duì)于斜紋試樣反面，計(jì)算取向角0°(最小值)、60°(最大值)、120°(斜紋紋路方向)對(duì)應(yīng)的折皺回復(fù)角的平均值作為改進(jìn)的方法，計(jì)算值為φ2。從表中可看出，改進(jìn)方法計(jì)算值φ2與各向回復(fù)角均值φ的差值為0.2°～2.5°，遠(yuǎn)小于經(jīng)緯平均值φ1與各向回復(fù)角均值φ的差值3.1°～8.2°，說(shuō)明用改進(jìn)方法計(jì)算φ2以表征斜紋織物折皺回復(fù)性能更加合理。

3.3 各表征方法結(jié)果的相關(guān)性分析

對(duì)各向折皺回復(fù)角均值φ、經(jīng)緯平均值φ1、改進(jìn)方法計(jì)算值φ2進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表7所示。φ與φ1的相關(guān)系數(shù)為0.86，φ1與φ2的相關(guān)系數(shù)為0.83，φ與φ2的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98，均大于0.8，高度相關(guān)，說(shuō)明3種表征方法的結(jié)果具有高度一致性。而φ與φ2的相關(guān)系數(shù)最大，非常接近于1，說(shuō)明改進(jìn)的表征方法比經(jīng)緯向均值更加接近各向折皺回復(fù)角均值，作為織物折皺回復(fù)綜合表征方法更為合適。

表7 相關(guān)系數(shù)Tab.7 Correlation coefficient

4 結(jié) 論

研究表明，織物折皺回復(fù)各向異性顯著，而現(xiàn)有表征織物折皺回復(fù)性能的方法忽略了織物的各向異性，對(duì)織物折皺回復(fù)性能的評(píng)價(jià)方法存在明顯誤差，且用現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)得到的測(cè)試結(jié)果不精確，無(wú)法全面地反映織物的折皺回復(fù)性能。雖然織物的各向回復(fù)角均值可全面反映織物的折皺回復(fù)性能，但是測(cè)試數(shù)據(jù)量大，很難應(yīng)用在實(shí)際測(cè)試中。本文通過(guò)對(duì)織物折皺回復(fù)各向異性的探索，提出了織物折皺回復(fù)性表征的新方法，以代替現(xiàn)有表征方法的不足。

對(duì)于平紋織物，計(jì)算取向角為15°和75°時(shí)試樣的折皺回復(fù)角的均值以表征該平紋織物的折皺回復(fù)性。斜紋織物的折皺回復(fù)角與其織物紋路方向相關(guān)，正面計(jì)算取向角為15°、105°、120°時(shí)試樣的折皺回復(fù)角的均值，反面計(jì)算取向角為0°、60°、120°時(shí)試樣的折皺回復(fù)角的均值來(lái)表征該斜紋織物的折皺回復(fù)性能。

改進(jìn)的方法在沒(méi)有顯著增加實(shí)驗(yàn)工作量的前提下，其結(jié)果近似各向回復(fù)角均值，可較全面地表征整塊織物的折皺回復(fù)性能。

FZXB

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Characterization on anisotropy of fabric wrinkle recovery

JIANG Shuangge, WANG Lei, WANG Jing, LIU Jianli, GAO Weidong

(Key Laboratory of Eco-Textiles (Jiangnan University), Ministry of Education, Wuxi, Jiangsu 214122, China)

Aiming to the research on the anisotropy of fabric wrinkle recovery, the relationship between the wrinkle recovery angle and the orientation angle of sample are studied to find out a more reasonable method to evaluate the fabric wrinkle recovery property. The cotton plain and twill fabrics are selected as materials. The specimens of plain fabrics are cut from the orientation angle of 0° to 90°. The twill specimens are cut from the orientation angle of 0° to 180°. The orientation angles of both types of fabrics are in the clockwise direction and at the interval of 15°, and the warp direction is set as 0°. The wrinkle recovery angles are tested by the machine vision method. The result show that the average recovery angle of 15° and 75° orientation angles can be used to assess the property of cotton plain fabric. For the twill fabrics, the property is dependent on the twill direction of the fabric. For the left inclined 120° twill fabric, it is suggested that the average recovery angle of 15°, 105° and 120° orientation angles could represent the property of face-to-face folded specimens, and the average recovery angle of 0°, 60° and 120° orientation angles could represent the property of back-to-back ones.

fabric; wrinkle recovery; anisotropy; dynamic measurement; machine vision

10.13475/j.fzxb.20150405406

2015-04-27

2015-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61203364)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性研究項(xiàng)目(BY2015019-07)

蔣雙歌(1990—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)榛跈C(jī)器視覺(jué)的織物折皺回復(fù)各向異性。劉建立，通信作者，E-mail：jian-li.liu@hotmail.com。

TS 101.9； TS 107.4

A