基于環形風格儀的針織物風格曲線特征參數

邵亞文，鄭冬明，潘行星，鄒昊宸，劉真銳，劉 貴，杜趙群

(1.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；2.江西省羽絨制品質量監督檢驗中心，江西 共青城 332020；3.福建省紡織品檢測技術重點實驗室(福建省纖維檢驗中心)，福建 福州 350026)

織物觸覺風格是通過皮膚與織物接觸而產生的綜合感覺效應。手感通常指以手觸摸、抓捏織物所產生的主觀感覺，用以衡量織物的物理特征，因其具有較高的靈敏性而多用于評價織物的宏觀力學性能[1]。織物手感的定量評價是對織物觸覺性能進行綜合評估的必要組成部分。

20世紀30年代，Peirce[2]以懸臂梁法表征了織物的彎曲剛度和彎曲長度，織物手感的客觀評價由此開始。KES-F(Kawabata evaluation systems for fabric)和FAST(fabric assurance by simple testing)系統是最具代表性的織物風格客觀評價測試儀器。KES-F系統通過4臺儀器測試織物低應力下的拉伸、彎曲、摩擦、壓縮性能得出16個力學性能指標，再通過多元線性回歸計算得出織物的綜合風格[3-4]；FAST系統通過3臺儀器和1種測試方法評價織物的風格和成型性[5]。這兩種測試系統屬于多臺、多測、多指標測試儀器的代表，由于其在測試織物力學性能時需多個樣品在不同儀器上進行，因此，測試時間較長且成本較高。近年來，研究者探索出一種將同一測試樣本通過同一測試標準與測試儀器直接測試出多個指標的單臺、多測、多指標測試方法[6]。例如：東華大學TMT團隊[7-9]的CHES-FY(comprehensive hand evaluation system for fabrics and yarns)可原位測量織物與紗線的質量，彎曲、摩擦與拉伸性能，以及基本的織物風格。潘寧[10-11]的PhabrOmeter織物評估系統定義了3個指標即手感值剛度、平滑度和柔軟度，通過與標準試樣比對可得出測試樣品的相對手感。

風格環法是一種簡單、快捷評價織物風格的方法。20世紀90年代已有國內學者對環孔形風格儀評價織物風格的可行性進行了探索，例如：北京毛紡紡織科學研究所的下柱體軸心式風格環[12]和西北紡織學院(現為西安工程大學)的環孔法風格儀[13]。筆者課題組基于風格環法的原理設計了一種環形風格儀，其與手指觸摸織物的捏、壓等動作以及手指對織物的拉伸行為具有較好的相關性，且是一種新型單臺、多測、多指標測試儀器。本文旨在識別新型環形風格儀測試曲線的特征，為織物風格客觀評價算法的研究與選擇提供參考，通過提取環形風格儀測得曲線的特征參數，并同CHES-FY低應力下的力學性能指標進行相關性分析，驗證環形風格儀在表征針織物基本力學性能方面的可行性。

1 環形風格儀介紹

1.1 環形風格儀原理

環形風格儀的原理圖如圖1所示。試樣被放置在風格環上，通過推桿緩慢推動織物通過風格環，其中推桿的底部為半球體接觸面，更符合人手指觸摸織物的狀態，可更好地模擬織物復雜的應力變化情況。在推桿作用下，織物先發生彎曲變形，隨著推桿的繼續運動，織物會發生壓縮、摩擦、拉伸、剪切等復雜變形，如圖2所示。具體過程為：推桿下端開始接觸織物上表面；推桿向下頂出織物；織物發生變形并逐漸產生褶皺，直至從風格環中頂出來。織物抽拔過程中的推桿推力和位移由高靈敏的力學傳感器和位移傳感器記錄。

圖1 環形風格儀的測試原理圖Fig.1 Schematic of the ring-shaped style tester

圖2 環形風格儀在測試過程中推桿與織物間的相對狀態Fig.2 Relative states between push rod and the fabric during the test of ring-shaped style tester

1.2 環形風格儀曲線特征參數

在測試過程中，記錄推桿與織物接觸時力與位移曲線，從中提取織物與人手接觸的客觀性能指標，從而評價織物的觸感風格。為更好地定量表征織物觸感風格，提取環形風格儀典型力-位移曲線的特征參數，其具體定義如圖3所示。其中：x為突變點與峰值點間的位移；A1和A2分別為曲線左側和右側的面積；h為曲線的峰值；k1和k2分別為左側曲線和右側曲線線性段的斜率。記L為左側曲線的線性度[L=2A1/(hx)]，C為左側曲線面積與右側曲線面積的比值。

圖3 環形風格儀典型的力-位移曲線特征參數Fig.3 Typical force-displacement curve parameters of ring-shaped style tester

2 試驗部分

2.1 試樣

從市場上選取20種針織物，其具體結構參數如表1所示。其中：w為橫密，指針織物線圈橫列方向5 cm內的縱行數；f為縱密，指線圈縱行方向5 cm內的橫列數；T為織物厚度；M為織物的面密度。

表1 試樣規格參數Table 1 Specifications of the knitted fabric specimens

2.2 環形風格儀測試

風格環的質量為229.3 g，環孔直徑為6 cm，測試桿的下降速度設置為60 mm/min。每種針織物裁取3個100 cm2的圓形試樣。將樣品放置在環形面上，再放置合適風格環，每種針織物試樣測試3次，取平均值。

2.3 CHES-FY測試

CHES-FY通過1次測試即可獲得織物在低應力下的壓縮、彎曲、摩擦、拉伸等階段的力與位移曲線[14]。就手感風格而言，CHES-FY不僅是一套商業化的力學性能測試儀器，而且測試結果與手感評價織物風格最為接近，故選擇CHES-FY風格評價系統進行對比研究。CHES-FY的控制單元設置如下：壓縮力末值為200 cN；彎曲位移為25 mm；摩擦階段雙壓輥的壓力均為50 cN，位移為30 mm；拉伸階段末雙壓輥壓力為900 cN，拉伸力上限為400 cN，拉伸最大位移為25 mm。按照平行取樣法從針織物的縱向、橫向、45°方向各裁取3個50 cm×5 cm的矩形試樣，作為CHES-FY的測試樣品。試驗前將所有樣品放置在標準大氣環境(溫度為(20±1)℃，相對濕度為(65±2)%)下處理24 h以上。每種試樣縱向、橫向、45°方向各測試3次取結果平均值。

3 結果與分析

3.1 環形風格儀的曲線特征

通過環形風格儀測試得到的20種針織物的力-位移曲線如圖4所示。從力-位移曲線中提取出的特征參數值如表2所示。由圖4可知，不同針織物的力-位移曲線形態基本一致，即隨著推桿位移的增加，推力迅速增大，達到峰值后，推力逐漸減小。根據曲線的形態特征可明顯區分性能差異較大的針織物，其中曲線的斜率與面積對針織物的特性變化較為敏感。

圖4 環形風格儀測試的20種針織物力-位移曲線圖Fig.4 Force-displacement curves of 20 knitted fabrics measured by ring-shaped style tester

表2 環形風格儀測得的20種針織物樣品的曲線特征參數值Table 2 Feature parameter values of 20 knitted fabric samples measured by ring-shaped style tester

環形風格儀的特征參數之間的相關性分析結果如表3所示。由表3可知，h與k1、k2，以及k1與k2的相關系數分別為0.884、-0.875、-0.689，兩兩之間具有較強的相關性，這可能是針織物試樣受到的彎曲、摩擦、壓縮與拉伸作用的綜合結果。L與k1的相關系數為-0.899，表明力-位移曲線的左側線性度隨左側斜率的增大而減小。由此可見，環形風格儀的特征參數之間具有較強的相關性。

表3 環形風格儀測得的針織物特征參數間的相關系數Table 3 Correlation coefficient among knitted fabric feature parameters measured by ring-shaped style tester

3.2 環形系統曲線特征值的相關性分析

環形風格儀測得的曲線的8個特征值可以反映針織物的觸感風格。為檢驗這些特征參數的有效性，采用Spearman相關分析法對環形風格儀的特征參數和CHES-FY 4個階段的力學性能指標進行相關性分析。CHES-FY的測試結果如表4所示。為消除數據取值范圍的差異，先采用Z-Score標準化方法對上述兩種方法測得的數據進行標準化處理。

表4 針織物樣品的CHES-FY測試結果Table 4 Test results of the knitted fabric samples by CHES-FY

3.2.1 壓縮階段指標相關性分析

織物在厚度方向的壓縮性能反映了其手感的蓬松豐滿程度[15]。壓縮階段兩種測試系統指標參數的相關性分析結果如表5所示。由表5可知，環形風格儀測得曲線的特征參數C與樣品的ΔT和Ac之間的相關性在置信度為0.01時顯著，表明織物越蓬松，力-位移曲線左右側的面積比越小，說明特征參數C可以在一定程度上反映織物的蓬松程度。由于壓縮過程中環形風格儀的推桿與織物一直接觸，故環形風格儀的多項指標(h、k1、k2、A1、A2、L)都與TL展現出較好的相關性。但環形風格儀測得的曲線為壓縮、拉伸等復雜過程復合的曲線，不能單一反映壓縮過程中針織物的黏性與彈性的具體特點。

表5 壓縮階段兩種測試系統所得指標的相關系數Table 5 Correlation coefficient of indexes obtained from two test systems in compression stage

3.2.2 彎曲階段指標相關性分析

織物在受到與自身平面垂直的力的作用下很容易發生彎曲變形[15]。在測試過程中，不論是CHES-FY的壓板向下運動還是環形風格儀推桿的運動，都會使織物產生彎曲變形。彎曲階段兩種測試系統指標參數的相關性分析結果如表6所示。由表6可知，與織物的彎曲性能最為相關的是環形風格儀測得的參數h、k1、A1、A2、L。環形風格儀測得曲線的特征參數k1與CHES-FY的指標P和Ab的相關系數分別為0.741和0.777，具有顯著相關性。左側曲線的線性度L與CHES-FY的彎曲性能指標呈負相關，表明織物彎曲性能越好，環形風格儀測得曲線的屈曲程度越小。右側曲線面積A2與CHES-FY的指標P的相關系數為0.814，表明二者具有較顯著的相關性。總體而言，環形風格儀測得的左側曲線的特征參數與彎曲性能更為相關。

表6 彎曲階段兩種測試系統所得指標的相關系數Table 6 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in bending stage

3.2.3 摩擦階段指標相關性分析

面料表面的滑爽度主要與織物的表面摩擦性能有關。由于摩擦階段CHES-FY的指標F與μ成線性關系，故在做相關性分析時只考慮CHES-FY摩擦階段的摩擦因數μ和摩擦因數標準偏差s與環形風格儀測得曲線特征參數間的關系。摩擦階段兩種測試系統指標參數的相關性分析結果如表7所示。由表7可知，環形風格儀的h、k1、k2與CHES-FY的s的相關系數分別是-0.658、-0.634、0.710，h和k1都與s呈負相關，表明左側曲線斜率越小則織物的表面越粗糙，這說明推桿在運動過程中，織物表面粗糙程度對其推力變化率的影響較大。環形風格儀的右側面積A2與織物摩擦因數μ的相關系數為0.675，二者具有顯著性，表明針織物試樣在大部分伸出風格環后，織物表面越粗糙，推桿做功越多。

表7 摩擦階段兩種測試系統所得指標的相關系數Table 7 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in friction stage

3.2.4 拉伸階段指標相關性分析

織物在低應力下的拉伸性能反映了織物的松緊程度。拉伸階段兩種測試系統指標參數的相關性分析結果如表8所示。由表8可知，與織物拉伸性能最相關的參數是環形風格儀測得曲線的h、k1、k2、A1、A2和x。其中，h、k2、A1與CHES-FY的At的相關系數分別為0.762、-0.776和0.702，一般情況下，織物的At越大，織物越容易變形，這說明h和A1與織物的變形程度呈正相關。CHES-FY拉伸階段曲線的斜率St反映了織物單位變形所需的力的大小，環形風格儀測得曲線的A2和x與CHES-FY拉伸階段斜率St的相關系數分別為0.786和-0.704，A2與St呈正相關，x與St呈負相關。總體而言，環形風格儀測得曲線右半部分的特征參數反映了織物在一定變形下的拉伸效果，這些參數與織物的拉伸性能更為相關。

表8 拉伸階段兩種測試系統所得指標的相關系數Table 8 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in stretching stage

CHES-FY在拉伸階段中，試樣在壓板的作用下被拉伸，45°方向的試樣拉伸性能還可以反映織物的剪切性能[9]。CHES-FY 45°試樣拉伸階段指標與環形風格儀的指標相關性如表9所示。由表9可知，環形風格儀與織物剪切性能最相關的參數是環形風格儀的h、k1、A2與x。h與At的相關系數為0.783，k1、A2、x與St的相關系數分別為0.817、0.738和-0.755，在置信度0.01的水平下較為顯著。

表9 CHES-FY 45°試樣拉伸階段指標與環形風格儀的指標相關性Table 9 Correlation between tensile stage indexes of CHES-FY 45° specimen and ring-shaped style indexes

4 結 語

從環形風格儀測得的力-位移曲線中提取8個特征參數用于描述織物風格。通過與CHES-FY的壓縮、彎曲、摩擦、拉伸等4階段的力學性能指標對比發現：環形風格儀的力-位移曲線的左側參數與織物彎曲性能相關性較強；右側參數與織物拉伸性能具有較好的相關性；左、右側曲線面積比可反映織物的壓縮性能；曲線的峰值、右側面積和左右曲線線性段斜率與織物的摩擦性能具有很好的相關性；曲線的峰值、曲線左右側的線性段斜率與織物的壓縮、彎曲、摩擦、拉伸性能均具有很高的相關性，這是織物整體力學性能綜合作用的結果。通過與CHES-FY的測試結果對比可知，環形風格儀在表征針織物的基本力學性能方面具有可行性。