紡織品單向導水性能測試方法分析

江燕婷， 嚴慶帥， 辛斌杰， 高 琮， 施楣梧

(1. 上海工程技術大學 紡織服裝學院， 上海 201620； 2. 軍事科學院系統工程研究院 軍需工程技術研究所， 北京 100010)

吸濕速干性是表征功能用服裝面料舒適性和功能性的重要指標之一，通常吸濕速干性能評定分吸濕性和速干性2個方面：吸濕性包括吸水率、滴水擴散時間、芯吸高度；速干性包括蒸發速率、透濕量[1]。單向導水的主要原理為差動毛細效應，是指利用織物內外層纖維間產生的毛細效應附加壓力差，實現汗液自動從織物內層，即疏水層，傳遞到織物外層，即親水層，并且水分難以從織物外層傳導回內層，這種具有汗液自動由內層導向外層傳導的功能織物稱為單向導水織物。采用單向導水面料制作的服裝能夠最大限度地減少因出汗導致的吸收汗液后面料黏貼皮膚而帶來不舒服感，具有良好的熱濕舒適性[2]，汗液在外層快速蒸發帶走大量熱量，人體感覺涼爽。由吸濕速干性與單向導水性定義可知，二者都屬于面料導濕性能的一部分，都是表征面料熱濕舒適性的指標，但二者的側重點各不相同[3]。

測試織物吸濕速干性的方法可以參照GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性能的評定 第1部分：單項組合試驗法》和GB/T 21655.2—2009《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分：動態水分傳遞法》以及相關的企業標準。而測試織物單向導水性能的方法主要參照GB/T 21655.2—2009，這也是目前國內大部分檢測機構和企業參照的標準。同時軍隊面料標準JXUB 2118—2012《07 短袖體能訓練服規范》和武警面料標準WHB 9309—2016《07武警單向導水滌綸針織布規范》中也有單向導水性能測試的相關方法，但這些方法仍比較過于簡略[4-5]。GB/T 21655.1—2008中用吸水率、滴水擴散時間和芯吸高度3個指標表征織物對水分的吸附能力；用水分蒸發速率和透濕量表征織物的速干性。而在GB/T 21655.2—2009中，用浸濕時間、吸水速率表征織物的吸濕性；用最大浸濕半徑、液態水擴散速度和單向傳遞指數表征織物的速干性；用單向傳遞指數表征織物的排汗性[6]。從吸濕速干性與單向導水性的表征可看出，單向導水性更側重織物的排汗性能。吸濕速干性的測試方法有很多，如芯吸法、滴液法、保水率測試法、吸水率測試法、干燥速率法等[7]，方法簡便，成本較低。而測量織物單向導水性能主要采用液態水分管理測試儀(MMT)[8]進行表征。MMT是最常用的測試紡織品單向導水性能的儀器，其應用已有數十年，在織物的吸濕排汗性能測試方面得到較為廣泛的應用;但是，隨著單向導水織物的快速發展，比如點狀整理加工方法的普遍使用、織物中使用導電材料等，實際測試過程中發現，MMT法存在一些原理上、適應面上的比較大的問題，有必要探索一種新的紡織品單向導水性能評價方法。

20世紀90年代以來，數字圖像處理技術快速發展，不少研究人員開始應用計算機視覺技術客觀評價織物的導濕性能，取得了一些創新性的研究成果。謝梅娣等[9]利用電荷耦合器件CCD攝像頭采集滴液法的潤濕圖像，通過圖像采集卡獲取數字圖像，然后由計算機進行分析計算；賀慶樓[10]運用CCD攝像頭和采集卡動態地采集了織物液滴的擴散過程；余紹勇[11]運用圖像處理對不同材料的織物進行了研究，比較了親水性、半親水性以及疏水性織物的導濕性能的差別；杜文豪等[12]對高速攝影連續拍攝的織物導濕圖像進行一系列處理，取得圖像特征信息，并繪制織物導濕動態曲線，探討不同結構參數織物之間導濕性能的差別。但是以上方法大都是采用垂直芯吸法，采集的圖像存在徑向畸變的問題，且多用于分析織物的吸濕性能。目前幾乎沒有專門搭建圖像采集系統并運用圖像處理技術對織物的單向導水性能作出分析的方法。

本文結合現有的測試方法，先用MMT法對織物進行測試，然后設計開發一種新型的計算機圖像分析法用于表征單向導水性能，搭建圖像采集設備采集圖像，并運用合適的圖像預處理方法對圖像信息進行提取，對獲取的數據進行分析，最后對2種方法進行比較分析。

1 MMT法測試單向導水性

1.1 測試原理

MMT[8]的裝置原理如圖1所示。一共有100多個金屬傳感器，分為上下兩層，且上下兩層的傳感器位置一一對應，呈同心圓形狀排列，各個環形直徑分別為5、10、15、20、25和30 mm，環形排列的排針間距約5 mm，測試時被測織物夾持在上下兩層同心傳感器之間。開始檢測后，頂部位于圓心位置的供液管自動從水箱中抽出一定的模擬汗液[13]，滴定在待測織物上，模擬汗液在織物上沿三維方向進行傳遞。上表面通常是織物的疏水層，即穿著時接觸穿著者皮膚的一側。然后，織物的親水層在測試中向下，與底部傳感器接觸，當氯化鈉溶液傳遞到針排所在位置時，傳感器之間的電壓發生變化，根據電壓信號曲線圖，進一步計算出織物內液態水的動態傳遞情況，可得到織物的潤濕時間、吸水速度、鋪展速度、織物頂部和底部的最大潤濕半徑、累積單向導濕能力和總體水分管理能力。

圖1 MMT基本原理圖Fig.1 Testing principle of moisture management tester

從其基本原理可發現，MMT在測試原理和適應面上存在比較大的問題。因為MMT采用針排以及電阻接觸的原理，使得其對于某些單向導水織物，尤其是以點狀整理為加工方法的單向導水織物的適應能力很差，容易產生測試結果不穩定、重現性不佳等現象，已有的文獻證明其測試誤差很大[14]。具體來說，MMT采用了針排的方式，使2個針尖之間的電阻可以看作是線性及離散點測量的結構，是一種相對落后的測試思路，依靠短片段內做線性內插的測試原理，不如近代高速發展的光學測試方法；針排扎入上下層材質不一樣的雙層織物時，特別是采用點狀整理加工方法所得的單向導水織物時，因2種纖維材料含水量的差異及針排扎入深度的差異，針排扎向拒水點還是扎向親水區域，將造成所測的電阻值大小的波動，而且針排扎入的位置具有隨機性，其與織物之間不同的位置的電連接的接觸電阻大小不一；對于含有導電纖維的織物，針排可能會扎到導電纖維，也可能接觸不到導電纖維，因此，將進一步導致電阻值的測試結果差異。

總的來說，針對采用Coolmax等異形截面纖維以達到吸濕快干為目的的、均一結構的織物，MMT的適應性較好，但是對于含有導電纖維的織物，或者以點狀整理為加工方法的單向導水面料，其適應性不佳。

1.2 測試樣品

以4種不同類型的單向導水織物為測試對象，試樣大小規格均為10 cm×10 cm，均由山東沃源新型面料股份有限公司提供。樣品1、樣品2和樣品3都是通過織物多層結構設計和不同紗線配置的方法，使織物內層疏水、外層親水，形成差動毛細效應，實現織物的單向導水功能，樣品4通過疏水劑整理的方式實現織物單向導水功能。

樣品1的結構：雙層滌綸針織物，親水面的紗線織入至疏水面，在疏水面呈點狀分布，該點狀親水區域在疏水面的面積為2 mm2左右，點狀親水區域之間的距離在2～3 mm之間；樣品2的結構：滌綸/丙綸交織雙層針織物，疏水層針織結構緊密，親水層針織結構相對疏松，雙層組織間織入有導電絲，導電絲之間的距離在5 mm左右；樣品3的結構：親水滌綸和拒水滌綸組成的雙層滌綸針織物，織物兩表面針織密度存在差異，針織物兩面橫密與縱密相同，但親水面相對疏水面多了空隙結構，空隙大小約為0.2 mm2，空隙間的間距約為1 mm，因此疏水層結構緊密，親水層結構相對疏松；樣品4的結構：平紋純棉機織物，經過點狀加工疏水劑整理在織物內層，使織物內層點狀透明印花部分疏水，印花大小約為1 mm2，間距在2 mm左右，織物內外2層產生潤濕梯度差，由此使水分便于從內層傳導到外層，實現該機織物的單向導水功能。

1.3 實驗方法及條件

依據GB/T 6529—2008《紡織品調濕和試驗用標準大氣》，實驗環境溫度控制在(20±1) ℃，相對濕度為(65±2)%。使用液態水分管理測試儀(深圳錫萊亞太拉斯有限公司)對試樣進行測試。

測試過程中，每個實驗測試3個重復樣，第1次和第2次測試取樣的位置距離較大，第3次測試是在第2次測試結束烘干后，相較第2次測試位置移動微量距離的位置。參照GB/T 21655.2—2009對樣品進行測試。實驗一共測得9項指標，包括浸濕時間(上、下表面)、吸水速率(上、下表面)、最大浸濕半徑(上、下表面)、液態水分擴散速度(上、下表面)以及單向傳遞指數。

1.4 MMT法實驗結果與分析

樣品1、2、3、4的MMT測試結果如表1所示。可看出，樣品1的單向傳遞指數測試結果離散性較大，樣品3其次，樣品2和樣品4測得的單向傳遞指數相對穩定。

表1 4種不同結構樣品的MMT測試結果Tab.1 MMT test results of 4 different fabrics

從測試樣品的結構組成以及MMT裝置的測試方式考慮，樣品1的單向傳遞指數離散性過高，可能是由于該試樣的多層結構設計和不同紗線配置的方法使親水面全部為親水性紗線，而疏水面存在結構性的點狀親水區域，該點狀親水區域的面積比MMT針排的接觸面積略大，因此當樣品1與MMT的上下針排接觸時，可產生2種接觸方式：1)上下針排中間所夾的區域中，上層為疏水區，下層為親水區；2)上下針排中間所夾的區域中，上下層均為親水區。在MMT測試過程中，針排不同的接觸方式會導致MMT的電阻接觸獲得的數據產生很大的差異，使織物測得的單向傳遞指數非常不穩定，這可能是樣品1單向傳遞指數CV值異常高的原因。綜上，類似樣品1結構的織物不適應MMT的針排。

經由點狀加工將疏水劑整理在織物內層的單向導水織物，即樣品4，在MMT測單向傳遞指數時，其測試結果穩定性相對較好，可能是樣品4本身單向傳遞指數相對較小，單向導水性能不佳，且織物紗線結構單一，沒有樣品1織物中間存在結構性的親疏水區域的差別，因此在MMT測試時，其織物測試位置不同導致的排針不同接觸方式對測試結果的影響不大。

從測試數據看出，樣品2的上表面浸濕時間和下表面浸濕時間存在3次測試結果都相同的現象。考慮到織物中存在導電絲，而MMT檢測時測得的接觸電阻越大表示織物的含水量越高，接觸電阻越小則表示織物的含水量越低，浸濕時間指的是從液體接觸到織物表面到含水量與時間關系曲線的斜率等于15°時所需的時間[15];因此推測可能是由于織物中存在導電結構，MMT的針排接觸到導電絲時，引起MMT的電阻接觸異常。可見，織物具有良好的導電性時，也會影響MMT的接觸電阻，使檢測數據產生異常。

樣品3是由親水滌綸與拒水滌綸做成的雙層組織，與樣品2組成結構相似，但不含導電絲。樣品3的上表面浸濕時間和下表面浸濕時間沒有出現如樣品2的異常，但樣品3的單向傳遞指數CV值偏大，說明MMT對此類組織結構的織物的單向傳遞指數測試結果不太穩定。

從上下表面的最大浸濕半徑的數據發現，當最大浸濕半徑超過30.00 mm就無法再測得有效的浸濕半徑數據，而且最大浸濕半徑以5 mm為梯度，顯然與其真實的浸濕半徑差異較大，其最大浸濕半徑的精確度低。

綜上所述，由于MMT存在原理性缺陷，對某些特定種類的單向導水織物，如有織物內存在結構性點狀親水區域，或者織物具有一定的導電性等狀況時，實驗結果顯示其測試性能結果不穩定，說明MMT對于某些結構均一的織物還能適應，但是已經不能適應某些加工方式下的品種，如樣品1和樣品3這種結構類型的測試。點狀整理是現在加工單向導水面料的主要方法，單純使用MMT法會給很多面料生產商評估新產品的設計和質量控制造成影響，因此，有必要設計一種新的方案來檢測面料的單向導水性能。為此，提出了基于光學測試的圖像法，并和MMT法進行比較。

2 圖像法測試單向導水性

2.1 圖像法系統設計

本文研究所用的單向導水測試系統主要分為硬件和軟件2部分：硬件包括CCD攝像頭和圖像采集卡等組成的圖像采集系統、照明系統、整個系統框架的支撐系統；軟件包括圖像預處理模塊、數據提取模塊。基于圖像法的單向導水測試研究主要包括3部分內容：1)圖像硬件系統的搭建； 2)圖像處理與提取算法的開發；3)實驗數據分析。

2.2 圖像采集模塊

選用MMT測試中的樣品4進行對比實驗，使用自制的圖像采集系統，其示意圖如圖2所示。

圖2 圖像采集系統示意圖Fig.2 Image acquisition system

采用環形光源以上下投射方式光照，使樣品上下表面中央的潤濕圖案得到均勻充分照明，2個CCD工業相機攝像頭分別位于樣品的上側和下側。整個采集系統放置在暗箱內，暗箱的作用是使光線遇到樣品的反射光和散射光時能被暗箱上的黑紙板吸收，有利于提高CCD工業相機采集圖像的質量。針筒在測試時滴入試液，試液為5%的書寫用藍墨水和蒸餾水混合液，針筒口距樣品1 cm以內。反映織物上下表面的浸濕變化的一系列圖像同時被固定于織物上下2側的2個攝像頭拍攝到。試樣在高幀率模式下以相同的時間間隔采集20張圖片。CCD工業相機獲得的圖像存儲為空間分辨率為2 592像素×1 944像素的圖像，采集到的序列圖像經計算機處理后，得到圖像相關的特征參數信息。最后與MMT法的測試結果進行比較，證明圖像法與MMT法相比具有良好的應用前景。

2.3 圖像處理模塊

圖3所示為采集的樣品4潤濕圖像序列。在樣品上方將1滴試液滴在織物上，樣品開始浸濕時，通過設定相機在單位時間內的拍攝數量控制相鄰2張照片的時間間隔，以相同的時間間隔分別在親水層和疏水層各采集20張圖像。相鄰序列圖像的時間間隔約為0.5 s，一共采集了10 s內織物潤濕區域的變化。考慮到織物剛開始潤濕的10 s內浸潤面積變化較大，其后浸濕面積變化相對平穩，因此采集初始10 s內的圖像進行處理，對圖像法的效果作初步的嘗試。由于織物的圖案背景較為單純，因此圖像中試液浸濕區域與背景區分明顯。不過疏水層由于面料的疏水作用，液體含量較少，墨水浸濕區域與背景區分程度不如親水層。

圖3 樣品4的原始潤濕圖像序列Fig.3 Raw wetting image sequence of sample 4. (a)Hydrophilic surface; (b)Hydrophobic surface

樣品浸濕序列圖像處理的目的是從采集到的圖像中提取浸濕邊緣、面積等信息，為進一步的圖像分析提供數據，其浸濕序列圖像特征提取算法流程如圖4所示。

圖4 液態水傳遞圖像分析的算法結構圖Fig.4 Algorithm structure diagram of liquid water transfer image analysis

首先把采集的織物潤濕圖像與背景圖像進行減法處理。圖像減法也稱為差分運算，常用于檢測一系列相同場景圖像的差異，因此適合用來處理動態系列圖像。采用此時刻的滲透過程圖片減去背景圖片，如果相減后像素值小于零，則直接令該點像素值為零。減法處理可減少光照不均，抑制織物花色紋理因素對圖像后續處理造成的影響。圖5(a)示出單向導水織物的背景圖，即樣品開始浸濕之前的靜態拍攝圖，圖5(b)示出實驗過程中織物上墨水傳遞時的圖像。

圖5 織物親水層浸濕對比Fig.5 Comparison of fabric hydrophilic surface wetting.

織物浸濕圖像與織物背景圖作減運算處理后得到差值圖像,但是圖像顏色較深，缺乏顏色層次變化對比;因此，需要對圖像的灰度進行調整。圖6(a)所示為根據灰度直方圖分布調整的圖像，灰度變換可使圖像對比度擴展，圖像變清晰，特征明顯，是圖像增強的重要手段之一。

圖6 圖像預處理過程圖Fig.6 Preprocessing diagram of images.

一般用高斯濾波、均值濾波等濾波器降噪時，會比較明顯地模糊邊緣，而雙邊濾波在平滑濾波的同時能大量保留圖像的邊緣和細節特征。雙邊濾波是一種非線性的濾波方法，是結合圖像空間鄰近度和像素相似度的一種折中處理，同時考慮空域信息和灰度相似性。雙邊濾波有2個權重：空間權重與相似權重，賦予相似權重更大的值，可減少圖像背景的干擾，起到保持邊緣，去除噪聲的作用。雙邊濾波的表達式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：f(x,y)為濾波后圖像在(x，y)處的灰度值；Sx,y為以(x,y)為中心點的(2N+1)×(2N+1)大小的鄰域；g(i，j)為輸入圖像在(i，j)處的輸入點；δr、δs為程序輸入值，根據實際情況自行設定;ws(i,j)為空間鄰近因子的權重，即與空間距離相關的權值，一般由高斯濾波直接計算得到;wr(i,j)為亮度相似因子的權重，是與周圍像素灰度值相關的權值。

和常用的高斯濾波相比，雙邊濾波多了1個高斯方差，能較好地保留圖像的高頻細節，使圖像邊緣信息得到較好地保留。

圖6(b)所示為雙邊濾波處理后的圖像，與圖6(a)相比，圖像背景更干凈，而且浸濕區域的形狀邊緣保留的較好。隨后對圖6(b)進行二值化，所得圖像如圖6(c)所示。

雙邊濾波是一種非線性的濾波方法，是結合圖像空間鄰近度和像素相似度的一種折中處理，同時考慮對二值圖像進行開運算和閉運算，分別得到圖6(d)和圖6(e)，開運算和閉運算去除了圖像中較小的點，并使浸濕區域變得相對平滑。最后對圖像進行去噪，去除圖像中的小面積，得到如圖6(f)所示的圖像。

依據以上算法，對親水面序列全部圖像進行批量處理，結果如圖7(a)所示。圖7(a)與圖3(a)有較好的對應性。圖7可反映面料潤濕時浸濕區域的動態變化。對疏水面圖像作同樣的處理，得到的效果如圖7(b)所示。

圖7 預處理圖像序列Fig.7 Preprocessing image sequence. (a)Hydrophilic surface; (b)Hydrophobic surface

2.4 圖像法實驗結果與分析

本文采用像素累積法統計樣品浸濕區域的面積，對處理后圖像的像素點進行統計，繪制像素點與時間的關系曲線，如圖8所示。可看出，開始時疏水面曲線高于親水面，隨后隨著時間變化，親水面的浸濕區域明顯高于疏水面，因為液體由疏水層透過織物浸入親水層，疏水面浸濕區域面積變化緩慢，親水面的曲線明顯高于疏水面。該曲線與MMT測得的2個面含水量隨時間變化趨勢相比，開始部分有較好的一致性，說明該方法可較好地模擬水滴剛開始在面料上擴散的狀態。

圖8 像素點與圖像序列關系曲線Fig.8 Pixel and image sequence relationship curve

圖像法精確到像素級測量，同一個織物表面可獲得百萬級甚至千萬級的像素矩陣，而MMT采用針式傳感器測量，針間距離大，測量的數據點少；因此，圖像法與MMT法相比，圖像法的精確度更高，并且可結合攝像技術捕捉液體在織物表面的瞬時流速，是客觀表征液體的液態水分管理性能的另一種方向。除了數據精準，圖像法對于測量點狀整理加工所得的單向導水織物和含有導電纖維的單向導水織物面料都有良好的適應性。而且，目前國內外對單向導水織物做了大量研究，但很少有涉及到水分從貼身內層傳導到織物外層，并從外層擴散的動態流動過程的系統研究[16];因此，圖像法在這方面具有非常大的應用潛力。此外，圖像法除了檢測質量濃度為9 g/L的氯化鈉水溶液，即模擬汗液的傳遞過程，還可檢測一些不能在MMT上測試的，比如油和某些有機溶劑[7]等一些使織物導電的液體，檢測的適用范圍更廣。

基于光學測試的墨水圖像法用于純色淺色織物時效果較好，采集的圖像清晰分明，但用于深色及花色圖案復雜的織物時，采集的圖像質量不佳，難以進行后續圖像處理;因此，采用墨水法測量織物單向導水性能有待進一步的研究。

3 結 論

1)目前采用液態水分管理測試儀(MMT)法是獲得織物單向導水能力直觀數據的通用方法，但其表征卻存在適應性的問題。MMT可適應以吸濕快干為目的的均一結構的織物，但是對于含有導電纖維的織物，或者以點狀整理為加工方法的單向導水織物，MMT的原理性缺陷給某些種類的單向導水織物的測試造成了困難。

2)圖像法能夠更好地解決MMT法測試原理缺陷帶來的問題，不需考慮離散化的點接觸，具有獲得數據精確度高的優點，因此不論是以點狀整理為主要加工方法的單向導水織物，還是帶有導電纖維的單向導水織物，都能得到較好的檢測。

本文基于光電測試的圖像法實驗，雖然還只是一個初步的嘗試，精確度有待進一步提高，但也可以看出圖像法測試設備的制造成本與MMT法相比更低，理論上測試結果也會更穩定;因此，圖像法有其獨有的優勢，具有良好的應用前景。