紡織品及纖維制品壓縮回彈性及蓬松度全自動檢測儀的研制及應用

張后兵　涂紅雨　陳麗華　王俊蘇　劉浩　李賢良　王國民

摘要：采用滾珠絲桿和激光測距相結合的方式，創造性研制全自動壓縮回彈性及（羽絨）蓬松度檢測儀。通過實驗測試，該檢測儀同時具備紡織品用絮片、絎縫制品、被子、蠶絲被等壓縮率、回復率和蓬松度全自動檢測功能，且具備羽絨蓬松度全自動檢測功能，實現一機多用。與現有檢測方式相比，本儀器徹底將檢驗人員從繁瑣的體力勞動中解放出來，真正實現了自動、快速、高效率的檢測，且儀器消除了實驗過程中的人為干擾、樣品在檢測過程中的膨出等對檢測數據的影響等系列問題，進一步提高了檢測數據的準確性、重現性，檢測精度進一步提高。

關鍵詞：紡織品；壓縮回彈性；蓬松度；全自動檢測儀；對比分析

壓縮回彈性測試的主要原理為紡織品及纖維制品試樣在一定時間和壓力作用下，其厚度產生受壓壓縮和去負荷回彈恢復，測定其不同壓力時的厚度值，以計算試樣的壓縮和回復的性能。隨著經濟快速發展，以及中國人口結構的不斷變化，使得中國長期以來所依仗的勞動力成本優勢不復存在，勞動力成本呈現不斷上升的趨勢。檢測機構作為勞動密集型行業之一同樣面臨著勞動力成本大幅增加、用工高度緊張的情況，如何通過自動檢測儀器來緩解傳統檢測方式占用大量勞動力的弊端，實現快速、高效、且少用或不用勞動力的檢測方式，成為各試驗室不斷努力的方向。壓縮回彈性檢測作為紡織品物理性能檢測項目中占用較多勞動力的項目之一，由于缺乏合適的檢測設備，導致檢測費時費力，測試過程人為干擾大，檢測結果復現性差等諸多問題。

1.壓縮回彈性測試儀研究現狀

有關壓縮回彈性測試儀的研究國內較早的文獻記錄可以追溯到1988年，楊如禧對紡織材料壓縮回彈性進行了比較系統的介紹，其研制的儀器可以測試材料的壓縮彈性、疲勞、松弛及蠕變等機械性能。

在其之后，2008年中國專利（授權公告號CN201014974Y）公開了一種絲綿被的壓縮回彈性測試儀。該發明專利利用工作臺底部轉盤機構及四角設置的測量標尺實現對絲綿被試樣在不同荷重下四角高度的測量。2014年中國專利（授權公告號CN203587458U）公開了一種電子式絲綿被壓縮回彈性測試儀，該儀器采用砝碼塊加壓，砝碼塊之間采用柔性繩索連接。由于纖維在制品的加工過程中趨向的不一致性，在受壓時，纖維受到的力很復雜，既有軸向力又有橫向力，既有拉伸、壓縮，又有彎曲、扭轉等，加之上述設備均是在一定的容器內進行壓縮測試，試樣加壓后很容易向四周膨出或纖維移動而發生傾斜，導致纖維觸碰容壁而影響測試結果。

中國知識產權局2014年10月22日公開了一種用于紡織產品厚度、壓縮回復性能及纖維壓縮性能測試儀（申請號：201310078092.0），其采用交流伺服電機經過同步帶輪減速后，通過滾珠絲桿傳動來帶動安裝在橫梁上的壓腳上下運動，實現對厚度和壓縮回彈性的檢測。該方法采用滾珠絲桿帶動壓腳進行加壓釋壓和測距，但其壓縮回彈性測試方法與現有標準存在一定程度的差異。

由此可見，雖然經歷了數十年的發展，直到近幾年壓縮回彈性檢測儀器的研究才逐步有了新的進展，但現有技術還不足以徹底的將檢測人員從繁瑣的檢測工作中解脫出來，或者還無法徹底消除試驗過程中的各種干擾。

2.壓縮回彈性及蓬松度測試標準分析

2.1壓縮回彈性測試標準

通過對現有涉及壓縮回彈性測試方法標準進行分析，不同產品標準對壓縮回彈性指標要求并不完全不一致，指標一致的為：樣品尺寸20×20 cm，重錘A 2kg，重錘加釋壓重復操作3次，重錘B 4kg，重錘B取下后放置3 min。其他見表1。

各標準壓縮回彈性試驗過程為：將樣品在標準大氣中調濕規定時間（4～24 h），將每組20×20 cm的一定質量的試樣分別整齊疊放在工作臺上。將測試壓片放在試樣上，然后再加上重錘A，30 s后取下重錘，放置30 s，如此重復操作3次后，去掉重錘放置30 s，立即測量試樣從工作臺到測試壓片的四角高度，取其算術平均值為‰；在測試壓片上再加上重錘B，30 s后立即測量試樣從工作臺到測試壓片的四角高度，取其算術，平均值為h1。取下重錘B，放置3 min后，立即測量試樣從工作臺到測試壓片的四角高度，取其算術平均值為h2。其計算公式如下：

3.全自動壓縮回彈性及蓬松度測試儀的研制方案

為滿足紡織品及纖維制品壓縮回彈性檢測，同時滿足不同材料的蓬松度檢測，項目組參考各壓縮回彈性、蓬松度（包括羽絨蓬松度）測試方法標準中的相關技術參數要求，研制了一臺用于紡織品或纖維制品壓縮回彈性及羽絨蓬松度全自動檢測儀（FZ-HTTU01壓縮回彈性及（羽絨）蓬松度全自動檢測儀），其由電源裝置、伺服電機、數據處理器、龍門架、滾珠絲桿、激光測距傳感器、力值傳感器等結構組成。

圖1（a）為壓縮回彈性及羽絨蓬松度全自動檢測儀主視圖，也是壓縮回彈性測試的主要構件，包括高精度壓力傳感器支架1（傳感器固定在支架的底端位置）、固定在檢測支架底部四角位置用以測量距離的激光傳感器2、固定在檢測支架底部正中間位置用以給壓板施加壓力的檢測壓頭3、用以壓縮回彈性試驗放置樣品和壓板的壓縮回彈性試驗平臺4、固定在龍門架構底部用以絲桿驅動的伺服電機5、用以羽絨蓬松度檢測放置測量筒的羽絨蓬松性試驗平臺6等結構組成。圖1（b）為羽絨蓬松度檢測時主視圖，其與壓縮回彈性檢測的主要區別在于，專門針對羽絨蓬松度檢測建立了用于羽絨蓬松度檢測的施壓裝置，即壓盤7，以及放置羽絨的有機玻璃桶8。

4.全自動壓縮回彈性及蓬松度測試儀應用對比分析

4.1試驗材料及儀器

4.1.1試驗材料

3.5 kg棉被（2.0×2.3 m，重慶市奧斯夢床上用品有限公司）、2.5kg機制精梳棉絮（2.0×2.3 m，重慶市奧斯夢床上用品有限公司）、90%水洗白鴨絨（重慶四方制裝有限公司）。

4.1.2試驗儀器

FZ-HTTLJ01壓縮回彈性及（羽絨）蓬松度全自動檢測儀（重慶出入境檢驗檢疫局）；常規壓縮回彈性測試儀：包括30 cm鋼直尺（d=0.5 mm，長城牌），2、4 kg砝碼（F1級，南京蘇測計量儀器有限公司），壓板（200 g，實驗室自制），秒表（精確度1 s）。

4.2常規檢測方式和全自動檢測儀對比分析

常規壓縮回彈性和蓬松度檢測方式對設備的配置要求比較低，大多數檢測機構的檢測設備均為自行配置，主要包括鋼直尺，2kg、4kg砝碼，壓板，秒表，其測試過程同2.1和2.2中測試程序，其與全自動檢測方式的區別在于：全自動壓縮回彈性及蓬松度測試儀測試過程除樣品放置外，檢測過程和結果計算全部為儀器自行完成，全程不需要人為參與，而常規檢測方式測試的全部過程均需人為控制，容易受到人為因素的影響。由于在檢測儀器的評定指標中，重復性和準確性是最重要的兩項指標。重復性表示在相同條件下對同一被測量進行連續多次測量所得結果之間的一致性，它反映了設備適應檢測工作的能力。準確性是指被測量的檢測結果與真實值相一致的程度，是一個定性指標，是測量結果中系統誤差和隨機誤差的綜合反映，在實際應用中主要通過比對試驗來確認準確性。

4.2.1壓縮回彈性全自動檢測儀零點重復性測試

由于在壓縮回彈性重復性試驗過程中發現纖維制品反復加壓、釋壓，導致樣品疲勞無法準確評價設備的重復性能，因此采用空載零點重復性測試來表征該設備的重復性測試性能。通過測試20組數據統計分析，4個激光傳感器零點的平均值為-0.002 mm，其99%置信區間為-0.002±0.013 mm，重復20次讀數的標準偏差S=0.020 mm；而95%置信區間為-0.001±0.009 mm，重復20次讀數的標準偏差S=0.020 mm。

4.2.2紡織品及纖維制品壓縮回彈性測試對比分析

按照GB/T 22796-2009《壓縮回彈性測試方法》對棉被進行測試，將全自動檢測結果和常規檢測結果進行對比測試，并將測試結果按GB/T 8170-2008修約至1位小數，對比結果見表3。

對照表3全自動檢測方式和常規方式：常規方式壓縮率測試結果極差為5.1%，而全自動檢測為2.7%；常規方式回復率測試結果極差為6.6%，而全自動檢測為0.5%。由此可見，全自動檢測方式極差明顯小于常規檢測方式。同時，項目組對同一樣品的30組子樣品進行了壓縮回彈性可置信度區間比對測試：全自動檢測方式壓縮率99%置信區間為32.65±0.56%，回復率99%置信區間為97.02±0.12%。常規檢測方式壓縮率99%置信區間為32.42±1.00%，回復率99%置信區間為96.18±1.85%。全自動檢測方式99%可置信度區間明顯小于常規檢測方式，由此可以說全自動壓縮回彈性及蓬松度測試儀準確性明顯優于常規檢測方式。

4.2.3蓬松度測試對比分析

為了驗證蓬松度的測試效果，試驗人員針對棉絮片和羽絨分別安排了各自同一樣品的15組子樣進行測試，測試結果分別見表4和表5。

按照FZ/T 64003-2003（（噴膠棉絮片》附錄A的要求對棉絮進行檢測，檢測結果數據修約至整數位，從表4可以看到常規檢測和全自動檢測結果完全一致，不存在任何差異。

將90%水洗白鴨絨按照GB/T 10288-2003《羽絨羽毛檢驗方法》進行測試，測試結果修約至兩位小數，從表5可以看到常規檢測和全自動檢測結果同樣幾乎不存在差異。

通過對壓縮回彈性全自動檢測儀器在紡織品及纖維制品的壓縮回彈性、蓬松度、羽絨蓬松度等試驗結果表明：該設備重復性、準確性好，且檢測精度進一步提高、抗干擾能力更好。

4.2.4檢測效率分析

通過對壓縮回彈性常規檢測用時進行分析，每個試樣常規檢測用時為8 min左右，而壓縮回彈性全自動檢測用時也在8 min左右，但在采用全自動壓縮回彈性檢測儀之后，檢驗員只需要花費幾秒鐘更換測試樣品和點擊啟動程序，全程不再需要檢驗員參與，且檢測結果完全自動分析處理，不需要人工計算，檢測過程徹底的將檢驗員從繁瑣的檢測工作中解脫出來，8 h用人時間縮短至30 min以內，人力節約至少16倍以上。

5.結論

通過壓縮回彈性、蓬松度等項目的測試對比分析，采用滾珠絲桿和激光測距相結合的方式所研制的全自動壓縮回彈性及蓬松度測試儀完全滿足現有標準測試方法，且該儀器順利通過河南、浙江、江蘇出入境檢驗檢疫局、重慶市纖維檢驗局實驗室比對驗證，其具備以下特點：

a）該儀器徹底將檢驗人員從繁瑣的體力勞動中解放出來，8 h用人時間縮短至30 min以內，人力節約至少16倍以上，真正實現了自動、快速、高效檢測。

b）由于采用滾珠絲桿和激光測距相結合的非接觸式讀數方式，該儀器全面消除了實驗過程中因壓板傾斜、試樣膨出等導致鋼直尺無法接觸壓板導致讀數偏差較大的不利影響，使得樣品不同階段高度值測量的準確性進一步提高，檢測結果的可置信度區間明顯優于常規檢測方式。

c）該儀器不僅能夠用于壓縮回彈性和蓬松度檢測，還融合了羽絨蓬松度檢測功能，真正實現一機多用，且有利于降低了檢測機構設備購置成本，提高設備使用率。