機織物折皺回復各向異性的研究

王 蕾，劉建立，潘如如，高衛東

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

機織物折皺回復各向異性的研究

王 蕾，劉建立，潘如如，高衛東

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

針對織物的各向異性，研究了純棉平紋和斜紋織物的折皺回復性能隨取向角變化的情況。采用織物折皺回復動態測試儀測量不同取向角的動態回復指標，包括初始回復速率、急彈時間、急彈回復角度、緩彈時間、緩彈回復角度。結果表明，僅回復角度隨取向角變化存在一定規律性，平紋織物的折皺回復角度隨著取向角的增加呈現先增大后減小的趨勢，斜紋織物正面對折和反面對折試樣的趨勢有所不同。試驗證明了織物對角線方向能較全面反映結構均勻平紋織物的折皺回復性能，斜紋斜向和其垂直方向能作為斜紋織物的測試角度。

織物；折皺回復；各向異性；動態測試

機織物是典型的各向異性、非均質材料，其各個方向表現出不同的性能。雖然關于織物在力學性能、保形性、透氣透水性等方面各向異性的文章已較多，但針對織物折皺回復各向異性的研究卻很少被關注，而織物折皺回復情況直接影響織物的性能和美觀，而織物的結構決定了其各向異性。

Hamburger等指出若組織結構沿纖維和紗線的應變狀態減小方向改變，則織物從折疊狀態回復得更多，然而，組織結構的影響還沒能通過數值精確地預測出來[1]。Steele證明了紗線加捻的扭轉組件間的相互作用造成了織物折皺性能的各向異性[2]。Chapman 等采用彈性橡膠條狀物表示的平紋組織織物橡膠模型表明了織物的幾何結構和內部紗線間的摩擦作用可提高織物自身的折皺程度，他們發現若織物折疊位置在紗線上則能很好地回復，但如果折在紗線間或用力壓皺，這種強加的折皺狀態將繼續保持，因為紗線間的相對位移已經產生，且被紗線內部摩擦所維持[3]。他們還發現纖維集合從彎曲變形到回復是由所有方向纖維彎曲和扭轉(包括摩擦元件)時刻的平衡決定的[4]。Sengupta 等發現折痕位置在經緯向平分線方向時的回復角比折疊在經向和緯向的大[5]。Merati等測量緯紗為S捻和Z捻，且多種捻度平紋織物的抗皺性能，證明了不同捻向紗線交織成的織物的折皺性能存在各向異性[6]。綜上所述，織物彎曲和折皺性能各向異性的理論分析是值得研究的內容。

針對現有標準中規定的通過測量織物經向和緯向的折皺回復角度評價織物折皺回復性能的方法難以全面反映織物的各向異性問題，本文采用織物折皺回復動態測試系統測量試樣的折皺回復角度，通過分析不同取向角試樣的動態回復指標與取向角之間的關系，研究織物折皺回復的各向異性。為綜合理解折皺回復性能，同時達到建立完善評價該性能指標體系和為紡織品設計提供更好的參考數據的目的，通過不同取向角對應的回復參數的計算選取最佳評價指標。

1 折皺回復各向異性的研究方法

1.1 取向角

機織物是一種各向異性的材料。織物折皺回復性能受纖維形態和性能(包括纖維長度、直徑、截面形態、卷曲和摩擦等)、紗線性能(包括捻度、線密度等)和組織結構等因素影響。除這些因素以外，織物折皺回復情況還隨著測試方向變化而不同，即因取向角而異。

取向角的具體含義如圖1所示。在圖中，矩形試樣上的折痕從x軸旋轉到X軸，轉過了θ角度，其中，x軸與織物最初擺放位置的緯紗方向平行，y軸與經向平行，X軸對應于折痕方向，Y軸方向表示試樣折痕旋轉了一定角度后試樣經紗對應的方向。角θ稱為取向角，是指從初始位置的緯紗方向轉到試樣折痕方向的夾角。

圖1 不同方向取樣Fig.1 Sampling in different orientations

1.2 測試參數

根據AATCC 66—2008《織物折皺回復：回復角》測試方法設計的織物折皺回復動態測試儀[7]，采用氣動加壓方法對試樣施壓，采用視頻序列采集設備處理織物折皺回復階段回復角的變化。相機采集速：回復階段前30 s為25幀/s；之后為1幀/s，每幀圖像大小為1280像素×640像素。

提取到的織物折皺回復動態評價指標分別為初始回復速率(Ri)、急彈時間(T1)、急彈回復角(α1)、緩彈時間(T2)和緩彈回復角(αT)。初始回復速率為試樣在回復階段初期回復角隨時間變化呈線性增長的斜率；急彈時間為折皺回復角隨時間變化擬合的曲線方程所對應的曲率最大值的時刻，表示回復角度變化由急變緩的時間轉折點；急彈角度為急彈時間所對應的回復角度；緩彈時間為連續10 s內回復角度增幅小于0.1°的時刻，表示折皺回復測試的終止時間；緩彈角度為緩彈時間所對應的回復角度[8]。

2 試驗部分

采用6種純棉織物進行試驗，包括3種平紋和3種斜紋組織織物，其參數如表1所示。

表1 純棉織物的參數Tab.1 Parameters of cotton fabrics

所選織物的經、緯紗的捻向都是Z捻。織物折皺回復角測試試驗的試樣大小為40 mm × 15 mm。所有試樣的長邊平行于經向。由于平紋織物具有對稱的組織結構，取向角范圍選取逆時針方向從0°到90°，斜紋織物取向角則從0°到180°，2種織物均間隔30°取樣。同樣因為組織的對稱性，平紋織物僅測試正面對折的試樣，每種織物裁剪5塊試樣進行試驗；對于斜紋織物，相同的取向角裁剪10塊試樣，并在它們的正面做記號，其中5塊做正面對折試驗，余下的做反面對折試驗。5塊相同條件試樣的測試結果的均值為試樣結果。

3 結果與討論

3.1 平紋織物折皺回復的各向異性

由于在預試驗中發現，取向角間隔為10°的回復角度均值與取向角間隔為30°的非常接近，為提高試驗效率，選擇取向角間隔為30°進行該試驗。1#到3#織物按取向角每隔30°取樣的動態回復指標結果如表2所示。表中的每個數據為5個相同取向角試樣試驗結果的均值。如表中所列，取向角、織物種類等因素影響了折皺回復的動態指標測試結果。初始回復速率、急彈時間和緩彈時間隨取向角的變化規律不明顯，3種織物的初始回復速率在487.5(°)/s到532.7 (°)/s之間，織物1#的急彈時間比其他2種織物略小，而緩彈時間比其他的略長。急彈回復角和緩彈回復角的結果表明，雖然織物和折疊方式相同，由于取向角不同，同種織物的急彈回復角差異在28.4°～31.7°之間，緩彈回復角在28.2°～31.5°之間，每塊試樣的緩彈回復角比急彈回復角大20°左右。對于所測試的3種平紋織物，回復角的最大值均出現在取向角為60°，因而，現行的標準規定的經向、緯向回復角作為織物折皺回復性能的評價指標是否合理，是個值得探討的問題。

表2 平紋織物折皺回復試驗結果Tab.2 Crease recovery test results of plain fabrics

為進一步研究織物折皺回復性能與取向角的關系，采用單向方差分析方法[9]檢驗織物折皺回復各向異性是否存在。3種織物在同一取向角下得到的同一指標作為一組變量，采用Lilliefors檢驗[10-11]和Bartlett檢驗[12]分別對各個變量的正態性和方差齊性進行檢驗，只有當各個變量的正態性和方差齊性得到檢驗后，才能確保接下來的方差檢驗的有效性。檢驗結果表明，織物1#到3#的每組變量呈正態分布，且方差齊性的假設為真，符合單向方差分析的要求。

單向方差分析采用F分布比較了織物1#～3#，取向角從0°～90°的不同指標的每列數據，每列數據表示包括互相獨立觀測值的獨立樣本。從F累積分布函數中產生的p值，用它來判斷在給定的置信區間內原假設是否成立，原假設為每個取向角的所有回復角有相同的均值，若p≤α，其中α為給定的置信度，則原假設不成立，存在至少一個樣本的均值顯著不同于其他樣本均值。通過方差分析，急彈回復角和緩彈回復角的p值分別為0.008 3和0.003 3，均比給定的置信度0.05小，說明了急彈回復角的均值之間和緩彈回復角的均值之間有顯著差異，即織物折皺回復角度存在各向異性，但是，初始回復速率、急彈時間、緩彈時間的p值大于置信度，說明這些指標隨取向角的變化沒有明顯趨勢，而受織物種類的影響較大。

分析這3種平紋織物的回復角和取向角的關系易看出，急彈回復角和緩彈回復角均隨著取向角的變化呈現先增大后減小趨勢，回復角最大值均出現在取向角為60°時，而在取向角為0°和90°時回復角相對較小。在實際評價工作中，對每個織物都測量4個不同取向角試樣的回復角過于繁瑣，需要找出一個更快捷、精確的評價方法。某緩彈回復角與所有取向角緩彈回復角的均值可采用均方根誤差分析之間的關系，計算公式為

由于所選的平紋織物的經緯紗線密度較接近，因此織物有一定的對稱性。為驗證折皺回復性能是否存在這種對稱性，還測量了取向角為45°時的回復角度，結果如表3所示。

實驗結果表明，45°取向角測得的回復角與4個取向角對應回復角的均值較相近，它們之間的差值小于2°。均方根誤差分析結果為2.0°，比其他取單個取向角的測量值與均值比較的均方根誤差都要小。考慮到評價的綜合性并且兼顧試驗量，當平紋織物的經、緯紗線密度相近的情況下，建議采用測量45°取向角的回復角來評價平紋織物折皺回復性能。

3.2 斜紋織物折皺回復的各向異性

表3 取向角為45°的折皺回復角度Tab.3 Crease recovery angle of 45° orientation angle (°)

斜紋織物4#到6#按取向角每隔30°取樣的動態回復指標結果如表4所示。

表4 斜紋織物折皺回復試驗結果Tab.4 Crease recovery test results of twill fabrics

從表4可看出，與平紋織物的結果相似，斜紋織物的初始回復速率、急彈時間和緩彈時間均沒有隨取向角變化的明顯規律。初始回復速率范圍在524.4°～584.4°之間，比平紋織物的大；急彈時間和緩彈時間也比平紋織物的長。同一試樣在相同取向角下的急彈回復角和緩彈回復角的差值在21.3°～23.0°之間，該差值比平紋織物的稍大。急彈回復角和緩彈回復角隨取向角的變化趨勢相似，因而僅針對緩彈回復角進行分析。正面對折試樣的緩彈回復角從取向角0°到60°逐漸上升之后逐漸下降，當取向角為60°時回復角最大；反面對折試樣的回復角隨取向角的增大呈現逐漸上升的趨勢，僅在取向角為90°時有所下降，最大回復角出現在取向角為150°時。2種折疊方式的回復角在取向角為0°時均較小。正面對折的回復角平均值比反面對折的大。與平紋織物的分析方法相同，方差分析結果顯示，正面對折和反面對折試樣的p值分別為0.041 2和0.040 8，說明斜紋織物的折皺回復存在各向異性。

采用均方根誤差方法尋找更合理的評價織物折皺回復性能的指標：1個取向角的正面、反面對折的結果顯示最小均方根誤差分別為3.1°和2.8°，分別出現在取向角為30°和60°時；2個取向角的最小均方根誤差分別為2.4°和1.7°，正、反面對折的取向角均為30°和120°，因此，建議測試取向角為30°和120°的折皺回復角，作為評價經、緯紗線密度接近的斜紋織物的折皺回復性能。

此外，推薦的斜紋織物最佳測試方法與織物紋理方向存在一定關系。所選的斜紋織物的斜向與緯紗方向所成的角度分別為119.5°、117.8°和117.5°，它們與120°取向角接近，因此，說明了斜紋織物折皺回復性能測試取向角其中之一與斜紋的斜向平行，另一個與斜向垂直。

從平紋和斜紋織物的試樣結果可看出，取向角為0°和90°的回復角都相對于其他取向角的試驗結果小，這主要是由于折痕處的交織情況不同。因為在交織處紗線間的相互摩擦使織物更難以變形、更易在折疊后回復，所以若折痕不與紗線平行能很好地回復。

4 結 論

本文研究了織物折皺回復動態指標隨取向角的變化趨勢。對平紋和斜紋織物以不同取向角、不同折疊方式進行試驗，經過單因素方差分析證明了織物折皺回復性能的確存在各向異性。試驗結果證明了織物的折皺回復角度在取向角為經向或緯向(取向角為0°或90°)時較小，因而現有的測試方法采用經緯向作為測試方向的辦法并不能全面反映織物的折皺回復性能。平紋織物在取向角為45°時，其回復角最接近于各取向角所測得的回復角的均值，因此該方向適合用來測試平紋織物的折皺回復性能。對于斜紋織物，建議采用斜紋斜向及其垂直方向的回復角均值作為評價其回復性能的取向角。

FZXB

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Research on anisotropic crease recovery properties of woven fabrics

WANG Lei,LIU Jianli,PAN Ruru,GAO Weidong

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Aiming at the anisotropy of woven fabric,the changes of the crease recovery properties of 100% plain and twill fabrics with the orientation angle are explored in this research.The recovery parameters,such as initial recovery rate,instant recovery time,instant recovery angle,stable recovery time and stable recovery angle,were obtained by a dynamic crease recovery tester.The test results illustrate that only the recovery angles changes with the orientation angle.The trend of plain fabric shows that its recovery angle generally increases at first and then decreases with the increase of the orientation angle.The trend of twill fabric differs from folding ways.It is proved that the diagonal direction is the optimal orientation angle for a balanced plain fabric,while the two orthogonal directions,the twill direction and its perpendicular direction,were found to be more reasonable for testing a twill fabric.

fabric; crease recovery; anisotropy; dynamic testing

10.13475/j.fzxb.20151001405

2015-08-09

2015-11-02

高等學校博士學科點專項科研基金項目(20120093130001)；江蘇省產學研前瞻性研究項目(BY2013015-20)

王蕾(1987—)，女，博士生。主要研究方向為基于機器視覺的織物折皺回復性能。高衛東,通信作者,E-mail: gaowd3@163.com。

TS 131.9

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