量化織物皮膚接觸舒適感的快速測(cè)量方法研究

江海星+簡(jiǎn)志光+鄭化龍

摘要：介紹了一種新型的， 可用于量化織物皮膚接觸舒適感的多指標(biāo)集成測(cè)量方法，即FTT（Fabric Touch Tester）織物觸感測(cè)試儀法。此方法通過集成熱傳遞測(cè)試模塊、壓縮測(cè)試模塊、彎曲測(cè)試模塊及表面測(cè)試模塊于一臺(tái)儀器上，通過10分鐘的快速測(cè)量即可以分別獲得經(jīng)緯雙向、正反兩面的一系列與織物的熱傳遞屬性、紋理屬性和變形屬性相關(guān)的物理量，從而得出織物的柔軟度、光滑度及冷暖感進(jìn)而評(píng)估織物的接觸舒適感。

關(guān)鍵詞：量化；接觸舒適感； FTT織物觸感測(cè)試儀；FAST；KES-FB

根據(jù)調(diào)查，消費(fèi)者選購服裝的一般模式是：“眼看選款選色，手摸知感覺，試穿再確認(rèn)”，其中手感和穿著的舒適感是極其抽象的，消費(fèi)者難以用具體的數(shù)字去表達(dá)和交流。而相同的問題同樣一直困擾著整個(gè)紡織服裝供應(yīng)鏈。“十三五”是紡織工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵五年，切實(shí)解決好品牌商、零售商或是電子商務(wù)企業(yè)與其供應(yīng)商、采購商之間關(guān)于織物手感的傳遞和交流的問題，是確保紡織工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步向前邁進(jìn)的關(guān)鍵舉措之一。

1 研究進(jìn)展

為了客觀地表達(dá)織物的觸感，科學(xué)家們長(zhǎng)期致力于對(duì)紡織品觸摸感覺的研究，早在1930年P(guān)eirce就提出了消費(fèi)者的手感并不僅僅是織物的物理特性，還與消費(fèi)者的個(gè)人經(jīng)歷相關(guān)。AATCC Evaluation Procedure 5也對(duì)織物手感的主觀評(píng)價(jià)提出了對(duì)應(yīng)的評(píng)估程序和指導(dǎo)方針[1]。2012年，美國(guó)紡織品染化師協(xié)會(huì)提出了AATCC TM202的測(cè)量方法用于測(cè)量織物的相對(duì)手感值。這些研究歸納出了很多可能構(gòu)成織物觸感的因素，盡管這些因素使用了不同的術(shù)語來表達(dá)，但通常包括光滑度、柔軟度和剛度感覺這三個(gè)方面。其中較為著名的測(cè)量方法有澳大利亞羊毛局研制的FAST測(cè)試系統(tǒng)及日本川端設(shè)計(jì)的KES-FB評(píng)價(jià)系統(tǒng)[2]。這兩種測(cè)量方法通過對(duì)織物物理屬性的測(cè)試來預(yù)測(cè)紡織品的手感。然而，這兩種方法卻都需要將織物試樣分別在多臺(tái)儀器上進(jìn)行測(cè)量，并且織物經(jīng)緯向的差異也不能同時(shí)進(jìn)行測(cè)量或者需要花費(fèi)較高的成本和較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，無法滿足產(chǎn)業(yè)化、大批量的測(cè)試需求。

織物與皮膚的接觸感是對(duì)人手摸、體觸織物的綜合性能所產(chǎn)生的感覺的一種描述，是接觸感覺效果的主觀反映。通常，人們通過將手平放在織物上以檢驗(yàn)面料的柔軟性、厚度或冷暖感；通過手在織物表面上的移動(dòng)以檢驗(yàn)織物的光滑性；通過將織物放在手上捏摸以檢驗(yàn)其柔軟性和重量，最后綜合這些特征以評(píng)價(jià)織物的最終接觸感覺。基于冷暖感在接觸舒適感中起到的重要影響，為此 KES-FB在原來的基礎(chǔ)上還專門增加了一臺(tái)新設(shè)備THERMO-LABE IIB用于測(cè)量冷暖感。

從神經(jīng)科學(xué)上看，有四種類型的觸感刺激能夠被人體接受器接收，包括熱刺激、皮膚刺激、本體感受刺激以及刺痛刺激。熱刺激反映了接觸物體時(shí)的相對(duì)溫差，皮膚刺激反映了物體的形狀和紋理特征，本體感受刺激承載著跟人體接觸狀態(tài)有關(guān)如位置、力和位移等信息，刺痛刺激反映了由接觸物引起的刺癢疼痛的感覺。很明顯在織物樣品上完成一個(gè)完整測(cè)試動(dòng)作應(yīng)當(dāng)包含上述所有的刺激，因此相應(yīng)的物理屬性包括熱傳遞屬性、紋理屬性和變形屬性[3]。

表1總結(jié)了一些測(cè)量方法，重點(diǎn)關(guān)注了FAST和KES-FB系統(tǒng)的相對(duì)售價(jià)過高及測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)等不足之處，這導(dǎo)致其在業(yè)界應(yīng)用受到了局限，同時(shí)它們之中都沒有把熱屬性作為織物觸感的影響因素來進(jìn)行考量。另外重要的一點(diǎn)是目前的測(cè)量方法中都沒有考慮到觸感的同步感知機(jī)理，因此很難研究不同觸感之間的相互影響。

為了填補(bǔ)織物與皮膚的接觸舒適感客觀測(cè)量研究的空白，織物觸感測(cè)試儀（FTT）應(yīng)運(yùn)而生，如圖1所示。這是一臺(tái)包含了能夠同時(shí)測(cè)量織物熱學(xué)屬性、機(jī)械力學(xué)特性以及表面幾何紋理特性三大類不同范疇的物理參數(shù)的綜合快速客觀測(cè)試儀器，它可以在短短的5分鐘內(nèi)同步完成包含所有織物物理參數(shù)的經(jīng)緯向單次測(cè)量，而10分鐘內(nèi)即可獲得經(jīng)緯雙向、正反兩面的所有織物物理參數(shù)。

2 測(cè)試原理

FTT包含的四個(gè)模塊，能夠同時(shí)動(dòng)態(tài)地記錄來自樣品的響應(yīng)。這四個(gè)模塊分別為壓縮模塊、熱流模塊、彎曲模塊和表面模塊，如圖1、圖2所示。FTT在測(cè)試過程中運(yùn)用了一種獨(dú)特的帶動(dòng)測(cè)試樣品運(yùn)動(dòng)的方法。測(cè)試樣品被裁剪成兩臂分別長(zhǎng)為200mm的L形形狀（如圖3所示）。L形樣品水平放置于下測(cè)試盤，兩臂平展于相鄰的經(jīng)緯向測(cè)試平臺(tái)，樣品中間的方形區(qū)將做向下垂直運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)兩臂區(qū)域在水平方向運(yùn)動(dòng)。壓縮模塊和熱感模塊測(cè)試樣品的中心方形區(qū)，彎曲模塊和表面模塊測(cè)試兩臂區(qū)域。分別鏡像對(duì)稱設(shè)計(jì)的兩組彎曲模塊和表面模塊是為了在單次測(cè)試中完成對(duì)于試驗(yàn)樣品的經(jīng)緯兩個(gè)方向的同時(shí)測(cè)試。

2.1 壓縮測(cè)試模塊

織物的壓縮特性通常與織物的豐滿感相對(duì)應(yīng)。在壓縮過程中，手指的力作用到了樣品上，根據(jù)牛頓第三定律，同時(shí)手指也得到了樣品對(duì)其的反作用力。圖4所示的示意圖展現(xiàn)了兩個(gè)手指捏壓織物的過程。FTT利用上下兩盤對(duì)樣品進(jìn)行壓縮動(dòng)作。其中牽引裝置使得上盤做勻速向下運(yùn)動(dòng)，并提供了連續(xù)變化的壓力。測(cè)試過程中，動(dòng)態(tài)地記錄了施加于下盤的壓力機(jī)上下兩盤的相對(duì)距離的變化。因此可以得到壓縮測(cè)試曲線。

2.2 熱流測(cè)試模塊

織物和人體皮膚之間的熱傳遞被感知為涼爽感，如圖5所示，由于人體皮膚和織物之間存在溫差，熱刺激將會(huì)被觸發(fā)。當(dāng)剛開始接觸織物時(shí)熱流將會(huì)很快地產(chǎn)生。FTT的上盤將會(huì)被加熱至高于下盤10℃，而下盤保持在與周圍環(huán)境一致的常溫狀態(tài)。測(cè)試過程中傳感器動(dòng)態(tài)獲取在整個(gè)壓縮回彈過程中的熱流變化數(shù)值。

典型的熱流-厚度曲線如圖6所示。根據(jù)ASTM D1777在織物承受標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)的條件下分別定義了壓縮熱導(dǎo)率和回彈熱導(dǎo)率（TCC和TCR）。考慮到厚度的影響，樣品的保暖率也可以從中獲得。另一個(gè)指標(biāo)定義為最大熱流量（Qmax），指的是在整個(gè)測(cè)試過程中最大的熱流值。這個(gè)瞬間響應(yīng)的熱流數(shù)值為涼爽感提供了直接的參考。

2.3 彎曲測(cè)試模塊

彎曲力是當(dāng)試圖使得織物變形的另一種響應(yīng)，彎曲屬性關(guān)聯(lián)了織物的硬挺感。通常使用兩個(gè)手指來彎折織物，如圖7所示。FTT 夾持織物的一端并彎折另一端來模擬彎曲過程。兩組相同的模組被安裝于跟下盤相鄰的位置。彎曲測(cè)試桿位于與下盤保持水平的位置，測(cè)試過程中被施加垂直向下的壓力。位于彎曲桿下方的壓力傳感器記錄了測(cè)試過程中彎曲力的變化。

與壓縮模塊指標(biāo)定義類似，所記錄的力被轉(zhuǎn)換為彎曲力矩，同時(shí)樣品的位移也通過轉(zhuǎn)換獲得。如圖8所示，定義的指標(biāo)包括了平均彎曲剛度（BAR）和彎曲功（BW）。BW通過曲線的積分所得，BAR定義為曲線中彎曲力矩中心位置60%區(qū)域的斜率。

2.4 表面測(cè)試模塊

織物的表面屬性討論的是織物的紋理及光滑感。皮膚刺激包含了如圖9（a）所示的紋理信息，同時(shí)由于表面的不均勻極易引起如圖9（b）所示的刺激或疼痛。當(dāng)手指在織物表面滑動(dòng)時(shí)，將對(duì)這些屬性進(jìn)行測(cè)量，如圖9（c）所示。FTT表面模塊同時(shí)包含了對(duì)織物摩擦性能和表面粗糙度性能的測(cè)量。這些模塊的安裝位置靠近于彎曲模塊，而樣品將會(huì)平鋪于測(cè)試平臺(tái)上。金屬滑塊表面和樣品表面將產(chǎn)生動(dòng)摩擦力，滑塊將在布樣被牽引時(shí)推動(dòng)力學(xué)傳感器。滾輪放置于樣品之上，針形探測(cè)器用于表面粗糙度測(cè)試，探針的運(yùn)動(dòng)通過杠桿作用偵測(cè)到樣品表面高低起伏的幾何變化。表面摩擦性能用表面摩擦系數(shù)（SFC）表示。

關(guān)于表面摩擦性能，相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)為表面摩擦系數(shù)（SFC），典型的測(cè)量曲線及計(jì)算示意圖如圖10 所示。關(guān)于表面粗糙度，相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)指標(biāo)命名為表面粗糙度波幅（SRA）和表面粗糙度波長(zhǎng)（SRW），這兩個(gè)指標(biāo)描述了由織物表面單個(gè)重復(fù)單元的基本形狀，這些不平整的單元對(duì)接受器產(chǎn)生了刺激。典型的測(cè)量曲線及計(jì)算示意圖如圖11 所示。

2.5 織物接觸舒適感的評(píng)估

表2總結(jié)了FTT測(cè)量的物理指標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)織物的彎曲性能、表面性能、壓縮性能和熱傳遞性能。通過與香港理工大學(xué)合作，經(jīng)過長(zhǎng)期對(duì)織物接觸感的主觀調(diào)查，我們建立了FTT客觀測(cè)量數(shù)據(jù)與人體主觀感覺之間的關(guān)系與轉(zhuǎn)換模型，初步實(shí)現(xiàn)了客觀測(cè)量與主觀感覺之間的預(yù)測(cè)。相信隨著數(shù)據(jù)的積累，其效果將會(huì)越來越完善。

此外，為了滿足用戶在生產(chǎn)管理和新產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用需求，該儀器特別開發(fā)了一款雷達(dá)圖的應(yīng)用軟件。用戶可以直接用于比較不同織物之間物理機(jī)械性能的差異，同時(shí)根據(jù)所測(cè)量的物理指標(biāo)以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模型可以得出織物之間柔軟度、順滑度和冷暖感的值并進(jìn)行比較。圖12為3種樣品的主要感官指數(shù)的雷達(dá)圖的比較，可以看出B樣品和E樣品的線條幾乎重合，即其柔軟度、光滑度和冷暖感非常接近，是性能相近的織物，而D樣品的線條則偏離較遠(yuǎn)，與B樣品和E樣品的性能差異較大。此外，根據(jù)需要所有的物理指標(biāo)都可以做雷達(dá)圖比較。

3 最新應(yīng)用

織物皮膚接觸感測(cè)量方法（FTT方法）已經(jīng)得到了廣大用戶的認(rèn)可和使用，目前用戶已經(jīng)覆蓋了中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)、比利時(shí)、印度、孟加拉、巴基斯坦及荷蘭等紡織業(yè)活躍的國(guó)家。其在全球廣泛的覆蓋范圍有效地為歐美發(fā)達(dá)國(guó)家為主的服裝品牌及以亞洲主要國(guó)家為主的紡織工廠之間搭建了一個(gè)客觀評(píng)估織物接觸舒適感的橋梁，極大地縮短了買家與賣家之間的溝通時(shí)間并降低了因織物接觸舒適感主觀評(píng)估差異而引起的貿(mào)易爭(zhēng)端。

同時(shí)，新近發(fā)表的研究論文，如“含濕度對(duì)純棉襯衫面料手感的影響”一文介紹了利用最新的FTT測(cè)量方法以對(duì)面料中不同水分含量的襯衣面料對(duì)皮膚接觸舒適感的影響首次進(jìn)行了定量分析與研究，比較了不同含濕度對(duì)純棉襯衫面料的彎曲性能、壓縮性能、熱學(xué)性能和表面性能的影響。研究結(jié)果表明：含濕度對(duì)面料的彎曲性能、壓縮性能和熱性能有顯著性影響。隨著含濕度在8%～23%范圍升高，面料的徑向彎曲強(qiáng)度降低而緯向彎曲強(qiáng)度增大；面料的壓縮強(qiáng)度增大而回復(fù)強(qiáng)度減小；面料的涼感度增大[4]。

另一研究論文“磨毛對(duì)純棉襯衫面料手感的影響”對(duì)經(jīng)磨毛處理的純棉襯衫面料的手感進(jìn)行了測(cè)試，分析和比較了磨毛對(duì)面料手感各項(xiàng)指標(biāo)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，磨毛工藝對(duì)織物的彎曲性能、壓縮性能、熱學(xué)性能和表面性能都有顯著的影響，經(jīng)過磨毛工藝后，純棉襯衫面料的彎曲強(qiáng)度降低，壓縮強(qiáng)度和回彈強(qiáng)度減小，熱導(dǎo)性和最大熱流量降低，表面摩擦系數(shù)增大[5]。

上述研究論文進(jìn)一步表明，F(xiàn)TT測(cè)量方法將傳統(tǒng)的只局限于機(jī)械力學(xué)性能表達(dá)的織物手感測(cè)量，拓展到與冷暖感相關(guān)的感覺，更進(jìn)一步地契合了人體的生理反應(yīng)機(jī)理。由于獨(dú)特的設(shè)計(jì)，F(xiàn)TT能夠迅速地測(cè)量織物的經(jīng)緯向以及織物的正反面性能，這大大提高了測(cè)試效率并降低了測(cè)試成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] AATCC Evaluation Procedure 5， Fabric Hand： Guidelines for the Subjective Evaluation of[S].

[2] S. Kawabata.The Standardization and Analysis of Hand Evaluation.[M].2nd ed. Osaka， Japan ：Textile Machinery Society of Japan ， 1980.

[3] S. S. Hsiao.The Handbook of Touch： Neuroscience， Behavioral， and Health Perspectives （M. J. Hertensteinand S. J. Weiss Eds.）[M]. New York：Springer Publishing Co.，2011.

[4] 蔡濤，李毅，胡軍巖.含濕度對(duì)純棉襯衫面料手感的影響[J].中國(guó)纖檢，2014（18）：66-69.

[5] 蔡濤.磨毛對(duì)純棉襯衫面料手感的影響[J].紡織導(dǎo)報(bào) 2014 （8）：50-52.

[作者單位：錫萊亞太拉斯（深圳）有限公司]