纖維及其制品摩擦性能測試方法的研究進展

向 忠， 劉 楊， 錢 淼， 吳震宇， 胡旭東， 周香琴

(浙江理工大學 機械與自動控制學院， 浙江 杭州 310018)

隨著復合材料工業的發展，各種新型材料不斷涌現，很多新型纖維以不同的形態存在于復合材料中[1]，推動了產業用紡織品行業的迅速崛起。為了最大限度地發揮產業用纖維在復合材料中的高強度特性，很多情況下它是以無捻纖維束及其交織的形式存在于紡織品中，但無捻纖維束交織成形和布卷成形過程中存在的技術難題又限制了該行業的發展。對纖維及其制品摩擦性能及其影響因素的研究，對于解決上述問題具有重要意義。

摩擦性能用于表征物體與另一物體沿接觸面切線方向運動或有相對運動的趨勢時，2個物體的接觸面之間阻礙其相對運動的力的作用特性，是描述物體表面性質的重要方式之一[2]。纖維及其制品摩擦性能一般用摩擦阻力或摩擦因數進行評價，由于纖維及其制品多由幾何尺度細小的纖維加工而成，且存在較好的柔韌性，使其摩擦性能與剛性物體摩擦性能變化規律存有較大差異。纖維與纖維之間、纖維與載體(如傳動機構、皮膚等)表面之間的摩擦貫穿于整個纖維加工和使用過程，并在較大程度上影響和決定了纖維制品的加工質量與風格參數，對纖維摩擦性能及其影響因素和測試方法展開研究，具有重要的科學與應用價值。

纖維的種類、線密度、捻度以及所采用的表面潤滑劑等參數的變化，均會改變纖維的摩擦性能。若摩擦過大，則易產生斷紗、斷頭和紗線起毛等現象，并對后續采用其織造成型的織物的質量、力學性能和手感造成一定影響。其次，在將紗線加工成織物的織造過程中，紗線的運動速度、張力、摩擦體半徑等工藝參數的變化，也在很大程度上影響著紗線的摩擦性能，繼而對織物性能造成影響，如出現卷邊、起毛等。再次，經織造而成的織物在后續加工中，還將經歷卷繞、退卷、染整等工藝處理。以織物卷繞為例，若織物的摩擦因數較小時，如玻璃纖維，則易造成多層織物之間因摩擦力過小而出現層間經向或緯向滑移[3]，嚴重影響成型布卷質量與后續工藝的進行；而在織物的連續傳遞過程中，若與機件之間存有過大的摩擦，同樣會造成織物表面起毛等。最后，織物在使用過程中，其表面摩擦性能還在很大程度上決定了柔順度和滑爽度，進而影響織物的手感與風格，對其展開研究還有利于掌握織物手感與織物設計方法之間的定量關系。

為此，大量研究者從纖維特性、工藝參數、接觸類型等方面分析了纖維摩擦性能的影響因素，并對纖維摩擦性測試方法展開了研究。本文詳細綜述了纖維絲束、紗線和織物的表面摩擦性能及其測試方法的發展狀況，并對該技術發展所面臨的問題進行了分析，以期為纖維及其制品摩擦性能的研究與應用提供幫助。

1 纖維及其制品摩擦性能測試方法

由于纖維摩擦的復雜性，對其研究多在實驗研究的基礎上展開；實現纖維摩擦性能的精確測量，是分析纖維摩擦性能的重要基礎。按照滑動體間的接觸類型可將纖維摩擦性能的測試方法分為點接觸型、線接觸型和面接觸型3類[2]。

1.1 點接觸型纖維摩擦性能測試方法

點接觸型纖維摩擦性能測試方法主要用于單根纖維表面摩擦性能的研究，根據纖維長短的不同，又可分為短纖維摩擦性能測定方法和長絲摩擦性能測定方法2種。

1.1.1短纖維摩擦性能測試方法

短纖維表面摩擦性能測試方法的基本原理是：通過讓2根纖維在一定力作用下交叉壓緊，測量相互之間發生移動時的摩擦力來實現纖維間摩擦因數的測定。圖1示出基于懸臂梁工作原理的短纖維摩擦性能測試原理。測試時，上方的纖維Fu首先豎直向下移動，在位置1碰到下方固定纖維Fd后繼續向下移動到位置2，根據在豎直方向上的變形量Δh可計算出施加的正壓力；此后，Fd在水平方向橫向移動時，由于摩擦力作用而引起Fu在水平面內的側彎，根據側彎量即可計算對應的摩擦力與摩擦因數。

圖1 短纖維摩擦性能測定方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing method for staple fiber frictional properties

20世紀90年代前期，有研究人員基于此原理并配合顯微鏡對微觀變形進行觀測的方法對短纖維之間的摩擦因數進行測量[4]，但由于該方法是基于纖維形變量間接計算求解正壓力及纖維摩擦性能，故測量精度不高；為實現纖維間摩擦性能的精確測量，該方法還有待進一步改進與提高。

1.1.2長絲摩擦性能測試方法

圖2示出長絲摩擦性能測試平臺的基本構架。其工作原理為：長絲FL1的一端固定于O點，另外一端跨過固定纖維絲FL2在重力G作用下自由懸掛。記FL2與O點的水平距離為s，FL1與FL2所在平面法線方向夾角為β，則FL2所受正壓力值為Gsinβ；當FL2在水平方向上移動時，在摩擦力作用下帶動FL1的自由端一起移動，直到FL1自由端有滑動趨勢，根據此時FL2的偏轉角α及滑動距離x可知，長絲所受摩擦力值為Gsinα。據此，獲取s、x值后，即可求解獲得對應的摩擦因數μs，計算公式為

圖2 長絲摩擦性能測定方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of testing method for filament frictional properties

由圖2可知，長絲摩擦性能測試方法結構簡單，使用方便，但由于長絲尺度小，摩擦因數值數量級小，造成該方法測試精度較難控制。隨著硬件精度的提高，出現了諸多針對長絲[5-6]、有捻紗線[7]等摩擦性能研究的基于此原理改進的測試平臺。

1.2 線接觸型纖維摩擦性能測試方法

線接觸型纖維摩擦多發生于無捻纖維束內部纖維間及纖維加捻過程中。開展無捻纖維束內部纖維絲之間的摩擦性能研究，對玻璃纖維/碳纖維等復合增強材料及產業用紡織品行業具有重要意義。常用的無捻纖維束內部纖維絲之間摩擦因數的測量方法有抽拔法和平鋪法2種；纖維加捻是增強纖維強度的主要紡紗工藝，對有捻紗線內部纖維之間的摩擦性能展開研究，有益于改進加捻工藝參數，對其多采用扭曲法進行測量。

1.2.1無捻纖維束摩擦性能測試方法

抽拔法是對無捻纖維束間摩擦性能進行測試研究的方法，可較好地獲取實際使用過程中無捻纖維束內部纖維在自由工況下的摩擦性能，其基本原理如圖3所示。測試時，在施加恒定正向壓力后，通過測量將單根纖維或紗線從組織中抽出的力Fc，即可通過計算獲得纖維間的摩擦因數。

圖3 無捻纖維束間摩擦性能測試方法Fig.3 Test method for fiber frictional properties in untwisted filaments

近年來，纖維增強復合材料的快速發展，使得抽拔法在界定復合材料界面性能方面得到了廣泛應用和長足發展[8-9]，提高單絲拔出測量精度是提高成型產品性能的重要發展方向[10-12]。

1.2.2纖維層間摩擦性能測試方法

平鋪法主要用于研究纖維排列夾角對纖維之間摩擦性能的影響，其基本原理如圖4所示。圖4(a)示出測試時纖維的分層排列情況，夾角Φ可在0°～90°之間變換；對應的測試平臺如圖4(b)所示，在平板Pu、Pd上如圖4(a)所示均勻平鋪纖維，Pu的一端與力傳感器相連接，Pd固定在分度盤上并與分度盤一起被固定在帶滾輪的小車上。利用恒速電動機帶動小車和Pd一起移動，則力傳感器測得的力Fp即為板間纖維之間的摩擦力。通過轉動分度盤即可改變層間夾角Φ，實現上下層纖維之間角度的變化，研究不同夾角下纖維之間摩擦因數的差異性。

圖4 纖維層間摩擦性能測試方法Fig.4 Test method for frictional properties of fiber layers. (a)Principle of layered dislocation; (b)Test rig of tiling method

早期研究中，研究者主要采用該方法研究錦綸纖維間夾角對摩擦因數的影響[13]。近年來，纖維增強復合材料的高速發展，使得該方法在研究纖維鋪層結構對提高復合材料表面性能、力學性能方面的重要性日趨明顯。

1.2.3有捻纖維內部摩擦性能測試方法

扭曲法是測試以一定的轉數捻合在一起的纖維間或紗線間摩擦性能的方法，其測試原理如圖5所示。以2根捻合在一起的纖維為例，記扭轉次數為n，捻回角為ψ，測試時在2根纖維相異的兩端施加初始張力Ft0，然后逐步增加纖維另一端的拉力，并記錄2根纖維相對滑動時的拉力臨界值Ft1，則可根據下式來測定纖維之間的摩擦因數：

圖5 扭曲法測定纖維摩擦性能示意圖Fig.5 Schematic diagram of twist method for fiber frictional properties

扭曲法作為研究有捻紗線內部纖維之間摩擦因數的一種方法，具有普遍適用性和簡潔性的特點，可真實地反映織物內部紗線間接觸的情況。尤其是隨著硬件設備精度的不斷提高，該方法已成為研究有捻紗線內部纖維間摩擦因數的一種重要方法[14-15]。

1.3 面接觸型摩擦性能測試方法

面接觸型纖維摩擦性能測試方法用于實現對織物表面摩擦性能的測試，包括織物之間和織物與其他載體表面之間的摩擦性能。根據測試平臺的結構和運動形式的不同，測試方法又可分為平面摩擦法、圓盤摩擦法和絞盤摩擦法3種。

1.3.1平面摩擦法

在對織物表面摩擦性能的研究中，基于平面摩擦法的測試系統具有重要地位。圖6示出平面摩擦法原理。根據牽引方式不同，其又可分為滑塊牽引式和織物牽引式2種。

圖6 平面摩擦法測試原理示意圖Fig.6 Schematic diagrams for fabric surface friction coefficient test system. (a) Horizontal method; (b) KES-F system; (c) Distribution curve of KES-F system; (d) Inclined method

在滑塊牽引式結構中，正壓力N一般由滑塊自身質量提供，根據測得的摩擦力Fh即可進行摩擦因數的計算；而為確保正壓力的恒定性，牽引機構和滑塊之間必須采用柔性連接機構，這在很大程度上增加了確保牽引力方向一致性的難度，故其測試精度較低，后期許多研究人員對牽引的方式進行了改進[16-18]，一定程度上提高了測試的精度。在織物牽引式結構中，正壓力可通過伺服機構比例給定，而織物則可在張緊后平移，測試精度較高，如：Bertaux等[19-20]基于此研究了織物表面的摩擦因數與人體觸感的關系；王華吉[21]等則是研究了復合材料摩擦性能的各向異性；而Das等[22-23]立足于此方法，對實驗平臺進行持續改進；最為典型的案例為日本KES-F系統，其基本測試原理如圖6(b)所示。通過控制摩擦頭的結構尺寸，在進行摩擦性能測試的同時，還可獲取摩擦力與織物織造參數之間的制約關系。圖6(c)示出通過該系統獲得的摩擦因數μh與水平位移xh的分布曲線，計算織物表面的平均摩擦因數μa，該計算結果還可為進行織物風格分析及織物設計提供參照。μa的計算公式為

此外，還可采用圖6(d)所示的斜面法測試系統來分析織物表面摩擦性能，該方法通過改變平面的傾斜角θ來測量靜摩擦因數。當θ值逐漸增加時，滑塊在重力作用下產生的下滑趨勢加劇，當滑塊開始滑動時測得靜摩擦力Fi，由對應的傾斜角和滑塊質量即可求解出靜摩擦因數。該測試方法的主要優點是實現簡單，但測試精度一般,且只能對靜摩擦因數進行測量[24]。

1.3.2圓盤摩擦法

纖維種類、織造參數、整理工藝等均會對紡織品表面摩擦性能造成影響，其中各向異性特性是紡織品表面摩擦性能與剛性物體表面摩擦性能的主要區別之一。采用平面法進行織物摩擦性能測試時，一般只可獲取織物經緯紗2個正交方向上的表面性能，而難以對織物的總體表面性能進行描述[25]。據此，陳貴翠等[26-28]提出了纖維制品旋轉圓盤法摩擦性能測試系統，該系統的基本構造如圖7所示。其工作原理為：將待測樣品鋪放在旋轉臺上，并與之一起旋轉，上方設有可施加正壓力的球形摩擦頭，并通過力傳感器實時接收每個接觸點的摩擦力。這樣，在1個旋轉周期內，即可測量獲取織物在各個方向上的摩擦性能，提高了測試效率。

圖7 圓盤摩擦法原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of rotary disc method for frictional properties

1.3.3絞盤摩擦法

無論是平面摩擦法還是圓盤摩擦法，其本質上還是屬于平面摩擦機制的研究，而在實際的生產和應用中，無論是纖維束、紗線還是織物，多數以卷筒的形式進行存儲和運輸，故對曲面摩擦機制的研究和相關測試平臺的設計，對提高紗線質量、織物卷繞質量有著重要的意義。1953年，Howell首次對絞盤式曲面摩擦性能測試方法的測試原理進行了完備的理論分析，并基于此研究了羊毛的摩擦性能[29]。由于結構簡單、使用便捷和測試精度高等優點，現普遍用于纖維、織物等的摩擦因數的測定，諸多織物摩擦性能測試實驗系統和織物風格儀及摩擦因數儀也基于該原理設計。圖8為絞盤摩擦法原理示意圖。工作時，將待測樣品懸掛于一圓形摩擦輥上，記纖維包絡角度為φ，樣品的一端施加張力Fj0，另一端連接力傳感器等測力元件，通過測得該端張力Fj1，即可按下式計算纖維摩擦因數：

圖8 絞盤摩擦法原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of capstan method for frictional properties

在實際應用過程中，可通過改變摩擦輥的材料來研究樣品與不同材料表面的摩擦因數。設計摩擦輥為被動狀態時，一端施加固定拉力Fj0，另一端設計為可拉動，觀察摩擦輥有開始轉動的趨勢時，認為此時的拉力Fj1為靜摩擦力，即可進行靜摩擦因數的測量。若設計摩擦輥為主動轉動的狀態，則可進行動摩擦因數的測量研究。

絞盤摩擦法是針對纖維制品等柔性材料表面摩擦性能設計的測試方法。在應用初期，仍是基于Amonton線性摩擦定律對諸多實驗現象和結果進行分析，隨著非線性摩擦定律在纖維及其制品摩擦性能研究領域的廣泛使用，有研究人員將非線性摩擦定律和樣品抗彎剛度考慮進絞盤摩擦法的分析原理中，對絞盤法的測試原理進行了理論補充[30]。許多研究基于絞盤的基本原理，設計測試平臺從纖維性能參數[31]、紡紗工藝參數[33-35]、織造工藝參數[36-38]以及實際應用中的諸多運動參數[32,35]等角度對纖維制品的摩擦性能進行了研究。

2 纖維產品摩擦性能影響因素分析

2.1 紗線摩擦性能研究

文獻[31,40，42]研究了纖維類型、尺寸、線密度等參數對紗線摩擦性能的影響；Kilic等[14]通過研究發現,在混紡紗線中，各成分的占比不同，對紗線之間和紗線與其他物質載體之間的摩擦性能有著相異的影響；劉曉明等[41]研究發現，玻璃纖維的線密度對紗線的耐磨性有影響。也有一些研究人員從織造過程的工藝參數角度出發，研究了紡紗速度、退捻工藝、表面處理方式等對紗線摩擦性能的影響[39,42]，如Lang等[33]研究發現，紗線的摩擦力隨著表面潤滑油膜厚度的減小而上升。還有一些研究人員將關注點聚焦在紗線本身的應用工況上，研究載體種類、載體半徑、移動速度和張力等對其摩擦性能的影響，研究發現：纖維束間的摩擦因數與纖維束間的相對運動方向有關，且與移動速度呈負相關，而纖維束和其他物質載體間的摩擦因數與載體表面形貌有關，且與相對移動速度呈正相關；而紗線表面摩擦因數隨著紗線移動速度的增加而增大，隨著張力的增加而減小。

分析發現，基于實驗法對纖維束、紗線等摩擦性能進行研究得出的諸多現象、結論，在理論分析上忽視纖維作為柔性材料所具有的性能與金屬材料的差異性。對此，Gassara等[43]利用拍攝織物運動狀態圖片的方法，將纖維受力變形作為摩擦因數計算過程的重要依據進行研究，對理解和分析纖維接觸模型與摩擦性能的關系具有重要借鑒意義。也有一些研究人員從纖維表面的微觀結構入手，構建了纖維接觸的微觀模型，為理解和分析纖維與纖維之間、與其他物體表面之間的摩擦特性提供了理論參考[44-45]。

2.2 織物摩擦性能研究

在織物摩擦性能研究方面[46-47]，一些研究人員從織物性能參數的角度分析了纖維類型、紗線結構、織物結構等對織物表面摩擦性能的影響,發現單面針織物表面摩擦因數最低，同時緊密結構的織物和含彈性紗的織物表現出較大的摩擦值[18,22，49]。另外一些研究人員還分析了滑移速度、摩擦方向和濕度等對織物應用過程中摩擦性能的影響，研究表明：織物的摩擦阻力隨著滑移速度的增加而增大[16];對于含彈性紗的織物，表面摩擦因數隨著濕度的增加而增加；而對于碳纖維，其在濕態下的摩擦因數值相對穩定[22,48-49]。隨著對織物實驗研究的深入，研究人員發現傳統的Amonton線性摩擦定律并不適用于織物摩擦性能的研究，并且提出只用動摩擦因數和靜摩擦因數不能完全表征纖維織物表面摩擦性能的觀點[17,23]。對此，一些研究人員提出用摩擦功、表面摩擦因數分布等新的方法來表征纖維織物表面摩擦性能[46-47]；隨著對服裝面料的手感和舒適度要求的提高，越來越多的研究人員將織物表面摩擦性能與人的主觀觸感結合起來，綜合分析評定織物的表面摩擦性能與面料舒適度之間的關系[19-20,50]，其中較為典型的案例為東華大學研發的CHES-FY系統[51]。

3 結束語

目前，對天然纖維等傳統紡織產品摩擦性能的研究已日趨完善，與纖維、紗線、織物相關的測試方法及數學模型等均得到了長足的改進與提升，但是，隨著纖維增強復合材料在航空、汽車、軍事、環保、仿生學等領域的應用推廣，推動了產業用紡織品行業的興起，對玻璃纖維、碳纖維等以纖維束形式進行層鋪或編制紡織品的摩擦性能的理論與實驗研究仍不夠深入，前期研究結果的不足也逐漸顯現。如在對纖維束中纖維摩擦性能的理論研究方面，雖然許多研究人員基于纖維表面的微觀結構，提出了纖維間微觀接觸模型，為纖維間摩擦性能的研究提供了基礎依據，但是在無捻纖維束相互接觸過程中，存有纖維互相嵌入等現象，載荷變化、纖維線密度等參數變化均會造成摩擦性能的變化；此外，玻璃纖維、碳纖維織物的經緯密一般較小，由經緯紗交織疊加形成的峰谷幅值差異較大，織物與織物間或織物與其他物質載體表面之間的接觸方式并不是嚴格意義上的平面接觸，而是由多個峰值點形成的多點接觸，或是波面與波面之間的線或面接觸。當改變織物之間的相互位置時，上下層織物間的接觸模型也發生改變，摩擦性能也隨之改變，并對織造、卷繞等工藝造成影響，有關這方面的研究仍相當匱乏。

此外，在實驗研究方面，通過對前述諸多研究方法的總結發現，測試過程中存在的最大問題仍是精度問題。實際應用中，往往會出現測試條件相同但測試結果偏差較大、重復性差等現象；同時，多數摩擦性能測試方法的設計原理與纖維制品在生產織造過程中的工藝特性仍存有較大差異，實驗結果對生產實踐的指導作用仍有待提升。

前期的研究已為人們進行纖維及其制品微觀接觸數學建模提供了方法上的指導。為了提高纖維及其制品摩擦性能數學模型與測試系統的可靠性和準確性，可從微觀接觸模型角度入手，對纖維、織物之間，纖維、織物與其他物質載體之間的微觀接觸模型進行研究，建立織物紡織學性能參數與織物表面摩擦性能之間的數學模型，并開發與之相匹配的測試系統，采用摩擦功、表面摩擦因數分布等新的方法來表征纖維織物表面摩擦性能，為分析和理解纖維和織物表面摩擦性能提供理論基礎。

總之，對纖維摩擦性能的研究是涉及材料學、數學和紡織學的多學科交叉的前沿研究，處在并將長期處在一個不斷探索和完善的階段，仍需要進行大量的學習和研究。

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