滾筒洗滌負載類型對織物運動及其洗滌性能的影響

劉 紅， 丁雪梅， 吳雄英

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 同濟大學 上海國際設計創新研究院, 上海 200080；3. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室(東華大學)， 上海 200051； 4. 上海海關， 上海 200135)

隨著生活水平和消費方式的轉變，機洗成為消費者日常服裝護理的主要方式。滾筒洗衣機在國內的市場占有率也呈逐年上升的趨勢。

滾筒洗滌的主要影響因素包括時間、熱作用、機械作用和化學作用[1]。目前的研究主要集中在化學作用如表面活性劑和酶在洗滌劑產品中的應用[2-3]，以及洗滌參數如溫度、時間、轉速、轉停比等對洗滌效果影響[4-6]。織物洗滌過程是一個復雜的多相流(洗滌介質、織物、空氣)過程，伴隨著織物卷曲、翻折，水流流動以及洗滌介質穿過多孔紡織材料。過程的復雜性及洗衣機結構(非透明結構)限制了洗滌過程中織物運動形態的觀察。只有部分學者研究了影響織物運動的因素[7-10]及單一作用力，如摩擦力、拉伸力、水流沖擊力對去污的影響[11-13]，鮮有文章研究不同種類織物對滾筒洗滌過程機械作用的影響。織物洗滌的本質就是借助離心力、摩擦力及重力的復合作用帶動衣物不斷運動，同時滾筒內液體水流也存在相互作用，因此，為提高織物洗凈效果，研究洗滌過程中作用力在洗衣機內的變化及對織物運動情況影響顯得尤為重要。織物類型不同也會影響其在洗衣機內的受力情況和洗滌效果。為了解織物運動與洗滌效果之間的影響機制，有必要對織物本身熱物理性進行深入研究。本文通過單因素試驗，研究滌綸、滌/棉混紡織物、純棉3種不同負載對織物運動機制的影響，借助高速攝像機記錄織物(所有試驗中，選擇同一塊黃色織物作為示蹤織物)在洗滌過程中的運動軌跡，提取運動指標，研究不同運動指標對洗滌效果的影響。

1 滾筒洗衣機內織物運動分析

1.1 運動形態分析

家庭滾筒洗滌是一個織物不斷被抬高、滑落或拋散的過程。在這一過程中織物發生彎曲、拉伸和剪切變形，同時伴隨著液態水分在外力作用下穿透多孔織物。圖1(a)示出一定時間(180 s)內織物質心順時針運動軌跡圖像；圖1(b)為35 s運動周期內，織物質心高度隨時間變化圖像。由圖可知，織物質心高度隨時間周期性波動。運動過程中，織物越過舉升筋，運動方向與滾筒旋轉方向相反時，發生滑移運動。當舉升筋的提升作用和織物間的摩擦作用足夠大，織物隨滾筒內筒旋轉，到達一定高度后，在重力作用下發生摔落運動，并與筒壁、織物或液態水分發生沖擊作用。當滾筒轉速足夠大，提供的離心力足以克服織物重力時，織物隨滾筒旋轉運動(脫水階段)。

注：R表示滾筒洗衣機內筒半徑。圖1 洗滌階段織物質心運動軌跡

Fig.1 Textile centroid motion path. (a) Textile (b)xandyco-ordinates

1.2 受力分析

當織物尺寸、種類、洗衣機參數發生變化時，織物的運動形態也隨之發生變化。滾筒洗滌織物運動狀態主要分為3類：滑移、拋落和旋轉。滑移和拋落運動主要出現在洗滌和漂洗階段，織物形變如拉伸、剪切、壓縮，和與筒壁的撞擊，有利于污漬的去除；旋轉運動主要出現在脫水階段，強大的離心力作用有利于將滯留在織物和纖維內部的水分脫離，達到去除水分的目的。

織物受力不同，運動形式也不同。洗滌過程中，織物會同時受到來自滾筒的離心力、筒壁和織物之間的摩擦力以及織物自身重力作用。以洗衣機內筒筒心為原點，將內筒橫截面分為4個象限，如圖2(a)所示，在第3象限時，織物運動受離心力Fc、摩擦力f和重力的分力影響。織物隨滾筒上升運動，角度θ逐漸增大，重力分力作用增大，摩擦力f減小。當摩擦力較小，且織物越過舉升筋，織物表現為順著滾筒旋轉的反方向運動，即產生滑移運動。當洗滌轉速較小或織物質量較輕時，易出現此種情況。當織物停留在舉升筋上，隨舉升筋一起運動至第2象限時，織物受力可分解為維持織物隨滾筒旋轉的力，包括來自滾筒的離心力Fc及摩擦力F1，和阻礙其旋轉重力分力Fg。第2象限中，織物與垂直方向的夾角逐漸增大，滾筒轉速一定時，摩擦力逐漸減小，當維持織物旋轉的力小于阻礙織物旋轉的力時，織物發生拋物運動。當織物隨舉升筋運動至最大角度θ=π，維持織物隨滾筒旋轉的力仍大于阻礙織物旋轉的力時，織物不會摔落，繼續跟隨滾筒旋轉。

注：m表示織物質量；mg表示織物重力；Fc=mωr2表示離心力；f=μmgcosθ表示摩擦力(圖2(a))，μ表示摩擦因數，θ表示織物重力與離心力間夾角；F=mgsinθ表示重力的分力；ω表示滾筒旋轉角速度；r表示織物質心至內筒筒心的距離；Fg=mgcosθ表示重力沿垂直方向的分力；F1=μmωr2-μmgsinθ，表示圖2(b)中的摩擦力。圖2 織物運動受力分析

Fig.2 Force analysis of textile motion. (a)Force analysis when textiles at bottom of inner drum； (b) Force analysis when textiles at top of inner drum

2 試驗設計

2.1 設備與標準布

為分析織物在滾筒內順時針方向旋轉時的運動狀況，織物運動追蹤系統[14]用于記錄織物運動情況，每秒鐘記錄120幀，記錄整個洗滌過程25 min。記錄的運動數據用MatLab2014b進行處理，將織物的運動指標進行可視化處理。同時，為研究織物性能、織物運動以及洗凈性能之間的關系，濕態織物性能、洗凈率和磨損率等指標按照相關標準進行測量。

織物運動追蹤系統由2部分構成：高速攝像機，捕捉并記錄織物運動形態；圖像處理和數據分析系統，將高速攝像機捕捉到的織物圖像進行處理，轉化為二值化圖像，根據幾何矩原理計算二值化圖像幾何中心，作為織物質心運動軌跡。試驗設備與標準物質見表1。

表1 試驗設備與標準物質

Tab.1 Facilities and standard materials

設備/標準布型號應用廠家全自動滾筒洗衣機WH7560P2洗滌青島海爾滾筒洗衣機有限公司白度計 WSB-3測試污染布洗滌前后反射率溫州大榮紡織儀器有限公司織物運動追蹤系統-記錄織物運動-標準磨損布EMPA 304機械力上海標準研究所炭黑污染布WFK 16053洗凈率WFK Testgewebe GmbH

2.2 試驗材料

選擇純棉、滌/棉(55/45)和滌綸織物進行相關洗滌過程運動研究，并探討織物特性對運動狀態的影響，試驗樣品的參數如表2所示。其中一塊試樣被染成黃色作為示蹤織物。

表2 試驗材料

Tab.2 Materials′ properties

纖維成分結構濕態柔軟度濕態表面摩擦性厚度/mm面密度/(g·m-2)100%滌綸平紋58.5649.280.1569滌/棉混紡平紋49.5554.960.20115100%棉平紋35.0663.640.52185

注：織物濕態柔軟度和表面摩擦性由法寶儀通過位移-載荷曲線獲得；柔軟度數值越大，織物越柔軟；摩擦性數值越大，織物表面越粗糙，具體計算方法見文獻[15-16]。

2.3 洗凈效果評價方法

2.3.1 洗凈率計算公式

用白度計測試污染布洗滌前后的反射率。測試時，5塊污染布疊放，以防透光。每塊污布在正反面各取2個點。根據式(1)計算污布被洗凈的程度。每組試驗10塊污布，10塊污染布的洗凈率均值作為該程序的洗凈率。

(1)

式中：Dr為洗凈率，%；Rw為污染布洗凈后反射率，%；Rs為污染布洗凈前反射率，%；Ro為原布反射率，%，使用的原布反射率為88%。

2.3.2 磨損率計算公式

磨損率的計算方法如式(2)所示：測量洗滌后織物紗線剩余根數，根據IECPAS62473—2007《家用洗衣機 家用洗衣機機械作用的測定方法》中的計算方法計算磨損率。

(2)

式中：F為磨損率，%；Nr為脫落紗線根數，根；Nt為織物中紗線總根數，根。

3 結果與討論

3.1 織物成分對運動的影響

3.1.1 速度分布

洗滌過程織物運動狀態變化規律如圖3、4所示。滌/棉混紡織物的運動區域面積占比(織物質心在洗滌過程中運動覆蓋區域面積與滾筒橫截面面積之比)最大，運動區域面積占比為64%，滌綸為49%，純棉織物運動區域面積為44%。由表2可知，濕態滌綸織物柔軟度最好，洗滌過程中，織物易纏結在一起，從而限制單一織物的運動形態，導致整體運動區域面積占比較小。此外，由圖4可知，示蹤滌綸織物速度接近為0的觀測次數非常高，證明織物易被困在一定位置。因此，針對柔軟性高的織物，應適當減小轉動時間，增大正反轉交替頻率和轉動速度，有利于提高織物的拋散，增加織物間的相互作用，從而提高洗凈性能。純棉織物吸水性好，1 kg純棉織物吸濕后質量明顯大于滌/棉混紡織物，由受力分析可知，織物的運動形態受滾筒提供的離心力，織物吸水后質量及摩擦力決定。其中離心力和摩擦力是維持織物隨滾筒旋轉的作用力，重力是阻礙織物旋轉的力。在滾筒轉速相同(假設滾筒提供的離心力相同)情況下，織物質量越大，阻礙織物運動的作用力越大，因此純棉織物的運動區域面積小于滌綸織物。對于純棉等吸水后質量明顯增大的織物，可適當增大旋轉速度，改善織物的拋散狀態，增加織物與織物及織物與筒壁間的相互作用。

圖3 織物質心歐拉速度分布

Fig.3 Eulerain velocity distribution. (a) Polyester；(b) Blend of polyester and cotton；(c) Cotton

圖4 織物拉格朗日速度分布

Fig.4 Lagrangian velocity distribution. (a) Polyester；(b) Blend of polyester and cotton；(c) Cotton

由圖3可知，3種織物的質心運動速度呈單峰分布，且速度峰值分布范圍集中在0.2～0.5 m/s之間。其中，滌綸織物質心速度接近為0的頻率最高，即織物被困在某一區域無法脫離的次數最多，其次為滌/棉混紡織物，純棉織物質心速度被觀測為0的次數最小。這可能是因為純棉織物在運動過程中不容易發生纏繞，織物運動形態以滑落和拋散為主，單一織物運動形態受其他織物影響較小。

3.1.2 滯留時間分布

滯留時間占比是示蹤織物在某一區域內停留的平均時間與總時間的比值。這一指標可能是質心速度和特定區域內織物質心通過次數的函數。圖5示出織物質心在滾筒橫截面內的停留時間占比分布。由圖可知，織物在滾筒左下側停留時間較長，且滯留時間隨織物成分不同而變化。此外，滯留時間的分布與圖4中運動速度較慢的區域一致。這一區域內，以滑移運動為主，織物之間的相互作用較多，以摩擦作用為主。此外，停留在滾筒底部，有利于織物與洗滌液充分接觸，為化學反應提供一定的反應時間。純棉織物在滾筒左下側停留的時間明顯高于滌綸和滌/棉織物，主要因為純棉織物吸濕后，單位面積濕態質量大于滌綸織物，提升織物并拋落需要更大的摩擦力及內筒旋轉提供的向心力。滌綸織物在底部的停留時間大于滌/棉混紡織物，主要因為滌綸織物更為柔軟，懸垂性更好，所有織物纏繞在一起，形成織物團，需要更大的力提升織物團。

圖5 織物質心在滾筒橫截面內的停留時間占比分布

Fig.5 Residual time distribution. (a) Polyester；(b) Blend of polyester and cotton；(c) Cotton

3.2 織物運動對洗滌效果的影響

通過記錄織物運動形態，提取8個運動指標表征不同的織物運動方式，并研究各指標與洗凈性能的相互關系。表3示出織物質心運動指標及洗滌效果。由表可知，隨著棉含量的增大，洗凈率和磨損率都呈現增大的趨勢，二者之間存在顯著相關性[17]。根據Person相關性測試結果，織物質心被動運動(見圖2(c))面積占比(被動運動占整個運動區域面積的比值)與洗凈率和磨損率間存在正相關關系，相關系數為0.969。隨著被動運動面積占比增大，磨損率和洗凈率均增大。這是因為被動運動區域以滑移運動為主，織物間的相互作用如剪切和摩擦作用較大，有利于炭黑污漬的去除[18]。基于上述分析，建立洗凈率與運動織物的經驗預測模型

W=(0.23+0.969P)×100%

(3)

式中：W為炭黑污染布洗凈率，%；P為織物運動質心被動運動面積占比。

表3 織物質心運動指標及洗滌效果

Tab.3 Textile movement index and washing efficiency

織物種類運動指數洗滌效果質心平均速度/(m·s-1)被動運動面積占比/%運動區域總面積占比/%質心到內筒筒心平均距離/m質心運動距離/m質心交換頻率/Hz預估摔落次數/(次·min-1)洗凈率/%磨損率/%滌綸0.440.410.490.1129.930.4450396.60滌/棉0.410.540.590.1034.600.50584114.60棉0.410.620.470.1030.900.70534424.50

注：質心平均運動速度是指在整個運動過程中，織物質心拉格朗日速度的平均值；被動運動是指隨滾筒內筒筒壁運動且運動速度較小的運動區域；質心交換頻率是單位時間內，織物從內筒筒心運動到內筒筒壁的次數。

4 結 論

滾筒洗衣機的運動模式可分為滑落、摔落和旋轉運動。滑落和摔落運動主要出現在洗滌階段，有利于增加織物之間、織物與筒壁及織物與液態水分之間的相互作用。織物吸水性、濕態柔軟度和表面摩擦性顯著影響運動形態。被動運動面積占比是影響洗凈率和磨損率的主要運動指標，純棉負載被動運動面積最大，洗凈率最高，磨損也最大，因這一區域主要以織物間摩擦為主。

柔軟度較大的織物，運動過程中易糾纏在一起，可適當增大轉速或正反轉交換頻率，打散織物的纏繞，增加織物間的相互作用。吸水性能較好的織物，吸水后質量明顯增大，洗滌過程可適當增大轉速，提高織物的摔落頻率等。家庭滾筒洗衣機不同洗滌程序的設計應結合織物物理化學性能。

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