超聲波無痕壓膠參數(shù)對針織運動裝縫口性能的影響

王建萍， 張宇婷， 鄭牧青， 袁魯寧， 張舒楊

[1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051；2.現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室(東華大學(xué))，上海 200051；3. 奎麗空間運動科技(上海)有限公司，上海 200040]

近年來，運動健康觀念逐漸深入人心[1],推動了針織運動裝向無痕方向發(fā)展，即通過熱熔接或超聲波熔接制作縫口，在整件服裝的制作過程中不使用縫針、縫線，避免了斷針、斷線的風(fēng)險[2]，同時避免了縫針刺穿針織面料造成的損傷，提高針織服裝的質(zhì)量。利用無痕技術(shù)制造的針織服裝，在穿著過程中無縫份對皮膚的摩擦[3]，能夠為消費者提供更好的穿著體驗，與傳統(tǒng)的縫紉工藝相比，無痕拼接工藝為服裝良好的外觀和穿著運動舒適性提供更大的發(fā)展空間[4]。

超聲波無痕工藝可分為兩類，即超聲波無痕拼接工藝和超聲波無痕壓膠工藝[5]。其中：超聲波無痕拼接工藝使用超聲波熔接機將拼合布料溶化互融，使得兩層面料縫份邊緣無痕拼接，具有密封性好、穩(wěn)定性高、焊切同步的優(yōu)點，但接縫強力仍需加強，有時需要額外加固處理[6]；超聲波無痕壓膠工藝先采用超聲波拼接工藝，使得面料裁片邊緣整齊圓順，再輔以熱熔膠條創(chuàng)造無痕縫口，其特點是縫份牢固、平整，接縫嚴密[7]。超聲波無痕壓膠工藝作為一種新型服裝成型技術(shù)，越來越多地運用在針織運動裝(如運動內(nèi)衣、緊身褲等)中，此類針織運動裝以其優(yōu)良的服用性能和整潔的外觀得到消費者的青睞。

然而，目前超聲波無痕壓膠工藝在針織運動裝上的應(yīng)用還未普及，針對針織面料的超聲波無痕壓膠工藝參數(shù)設(shè)置仍面臨參考資料零散、參考數(shù)據(jù)少等問題。工藝參數(shù)的設(shè)置將直接影響縫口的質(zhì)量，由于工藝參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致的針織運動裝縫口性能不佳問題亟待解決。已有學(xué)者針對貼膜防水織物、彈力復(fù)合織物、涂層織物以及層壓織物的超聲波熔接工藝參數(shù)、縫口性能進行研究[8-10]。也有學(xué)者將超聲波熔接縫口與傳統(tǒng)縫口對比，總結(jié)了超聲波熔接縫口的優(yōu)缺點[11-12]。

但針對針織運動裝超聲波無痕壓膠工藝參數(shù)的研究仍較少，因此文中圍繞超聲波振幅、花輪速度、熱風(fēng)溫度和風(fēng)嘴氣壓4個工藝參數(shù)對針織運動裝無痕縫口性能的影響，以接縫強力和膠條剝離強度為縫口性能的表征指標，從微觀角度分析無痕縫口形態(tài)變化，探究超聲波無痕壓膠工藝參數(shù)對針織運動裝縫口性能的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1原料 錦氨緯編針織運動面料,市售； Bemis srt4000c熱熔膠條(厚度0.06 mm，寬度10 mm)，市售。日常服裝中的縫口方向多為經(jīng)向，故選擇面料經(jīng)向作為無痕縫口的方向。面料參數(shù)見表1。超聲波無痕壓膠縫口類型如圖1所示。

表1 面料參數(shù)

圖1 超聲波無痕壓膠縫口類型Fig.1 Seam type of ultrasonic non-trace pressing

1.1.2儀器 飛端品牌超聲波熔接機，飛端品牌熱風(fēng)壓膠機，均由廣州飛端科技有限公司制造；Instron 3365型萬能材料試驗機，英斯特設(shè)備公司制造。

1.2 無痕縫口制作工藝

超聲波無痕壓膠縫口的制作工藝包括兩個部分，即超聲波熔接工藝和熱風(fēng)壓膠工藝。

1.2.1超聲波熔接工藝 利用超聲波熔接機制作超聲波無痕拼接縫口，在此過程中有兩個主要工藝參數(shù)影響超聲波無痕拼接縫口性能，即超聲波振幅和花輪速度，可通過設(shè)備自帶的DELTA控制面板設(shè)置相應(yīng)的工藝參數(shù)。根據(jù)設(shè)備量程以及企業(yè)常用的針織面料超聲波熔接工藝參數(shù)，將每個因素設(shè)置5個水平，即超聲波振幅為10%，20%，30%，40%和50%，花輪速度為100，150，200，250和300 cm/min。

1.2.2熱風(fēng)壓膠工藝 利用熱風(fēng)壓膠機對超聲波無痕拼接縫口輔以熱熔膠條，制作超聲波無痕壓膠縫口。影響無痕縫口性能的主要工藝參數(shù)有熱風(fēng)溫度和風(fēng)嘴氣壓，每個工藝參數(shù)同樣設(shè)置5個水平，即熱風(fēng)溫度為270，290，310，330和350 ℃，風(fēng)嘴氣壓為0.04，0.05，0.06，0.07和0.08 MPa，通過設(shè)備自帶的DELTA控制面板對工藝參數(shù)進行設(shè)置。

為探究超聲波無痕壓膠工藝參數(shù)對針織服裝無痕縫口性能的影響，基于以上4個工藝參數(shù)設(shè)置單因素實驗，工藝參數(shù)組合方案見表2。每項實驗重復(fù)5次，取平均值。

表2 工藝參數(shù)組合方案

1.3 無痕縫口性能測試

1.3.1接縫強力測試 根據(jù)FZ/T01031—2016《針織物和彈性機織物接縫強力及伸長率的測定 抓樣法》，采用萬能材料試驗機測試無痕縫口的接縫強力，用以表征針織面料超聲波無痕壓膠縫口的強度。試樣尺寸為200 mm×100 mm，長度方向為面料緯向，上下夾鉗隔距為100 mm，實驗時以100 mm/min的速度沿接縫垂直方向等速拉伸，直至試樣斷裂，試樣的最大斷裂強力即為無痕縫口的接縫強力。

1.3.2膠條剝離強度測試 根據(jù)FZ/T80007.1—2006《使用黏合襯服裝剝離強力測試方法》，采用萬能材料試驗機測試無痕縫口熱熔膠條的剝離強度，用以表征針織面料超聲波無痕壓膠縫口上熱熔膠條的黏結(jié)牢度。試樣尺寸為200 mm×100 mm，長度方向為面料經(jīng)向，上下夾鉗隔距為50 mm。先手工剝離膠條50 mm，作為測試起點，再以100 mm/min的速度繼續(xù)剝離7.5 cm，在此過程中膠條剝離的平均載荷即為膠條的剝離強度。

1.3.3微觀形貌分析 為了更好地分析超聲波無痕壓膠工藝參數(shù)對縫口性能的影響，對試樣進行噴金處理，使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察無痕縫口的橫截面微觀形貌，輔助分析工藝參數(shù)變化對無痕縫口性能影響的原理。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對無痕縫口性能的影響

2.1.1超聲波振幅對無痕縫口性能的影響 超聲波振幅對針織面料無痕縫口性能的影響如圖2所示。由圖2可以看出，接縫強力和剝離強度均隨著超聲波振幅的增加而增大，但是到達一個極限值后又隨著超聲波振幅的增加而減小。當(dāng)超聲波振幅大于40%時，接縫強力開始減小；當(dāng)超聲波振幅大于30%時，熱熔膠條的剝離強度也隨之減小。

圖2 超聲波振幅對無痕縫口性能的影響Fig.2 Influence of ultrasonic amplitude on quality of seamless seam

這是因為超聲波振幅大小直接影響著超聲波輸出能量的大小。由超聲波聲強公式可知[13]，隨著超聲波振幅的增大，其輸出的能量呈幾何倍數(shù)增加。超聲波熔接過程實為面料熔接界面高分子之間的互溶，形成無痕熔接縫口，隨著超聲波振幅的增大，釋放的能量增加，使得高分子從玻璃態(tài)向高彈態(tài)繼而向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變。當(dāng)超聲波振幅較小時，高分子處于玻璃態(tài)或高彈態(tài)，分子間作用力大，高分子活躍度低，使得分子間互溶不充分，從而導(dǎo)致無痕縫口性能不佳；隨著超聲波振幅逐漸增大，高分子從高彈態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，高分子活躍度高，分子鏈段運動更多，使得分子間的互溶更充分，縫口性能最佳；超聲波振幅若繼續(xù)增加，高分子完全進入黏流態(tài)，整個大分子產(chǎn)生相對移動，從而產(chǎn)生不可逆的永久變形，在熔接縫口處出現(xiàn)黏流液體，冷卻后結(jié)成硬塊，導(dǎo)致熱熔膠條與面料黏結(jié)不牢，縫口接縫強度和剝離強度降低。因此，超聲波振幅為30%～40%時，針織面料超聲波無痕縫口性能最佳。

2.1.2花輪速度對無痕縫口性能的影響 花輪速度對針織面料超聲波無痕縫口性能的影響如圖3所示。由圖3可以看出，隨著花輪速度的增加，無痕縫口接縫強力和剝離強度均呈現(xiàn)下降的趨勢。花輪的速度直接影響超聲波熔接時間，即花輪與面料的接觸時間。當(dāng)花輪速度較小時，熔接過程持續(xù)時間較長，花輪與面料接觸時傳遞的能量較多，使得縫口熔接充分，縫口性能較佳；當(dāng)花輪速度較大時，熔接過程持續(xù)時間較短，面料受到的超聲波傳導(dǎo)熱量較少，縫口熔接不充分，使得縫口的接縫強力和剝離強度較小，無痕縫口性能不佳。綜合考慮縫口熔接效率以及設(shè)備量程，當(dāng)花輪速度為100～150 cm/min時，針織面料超聲波無痕壓膠縫口性能最佳。

圖3 花輪速度對無痕縫口性能的影響Fig.3 Influence of wheel speed on quality of seamless seam

2.1.3熱風(fēng)溫度對無痕縫口性能的影響 一定溫度的熱風(fēng)溶解膠條表面的熱熔膠，使得膠條與面料更好地黏結(jié)。熱風(fēng)溫度對針織面料無痕縫口性能的影響如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)熱風(fēng)溫度從270 ℃升至310 ℃時，接縫強力隨之增大到95.85 N；熱風(fēng)溫度繼續(xù)增加時，接縫強力隨之減小；而膠條的剝離強度隨著熱風(fēng)溫度的升高均呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖4 熱風(fēng)溫度對無痕縫口性能的影響Fig.4 Influence of hot air on quality of seamless seam

這是因為熱風(fēng)溫度較小時，膠條表面熱熔膠溶解不充分，與面料黏結(jié)不牢，導(dǎo)致無痕縫口接縫強力較低；隨著熱風(fēng)溫度的升高，膠條表面熱熔膠溶解較充分，膠條與面料黏結(jié)的熱熔膠較多，無痕縫口的接縫強力增大；若熱風(fēng)溫度繼續(xù)升高，膠條表面熱熔膠過度溶解，部分熱熔膠滲入織物孔隙中，膠條與織物表面黏結(jié)的熱熔膠較少，使得黏結(jié)不充分，無痕縫口的接縫強力降低。然而，隨著溫度逐漸升高，膠條上的熱熔膠溶解逐漸增多，與面料的黏結(jié)牢度逐漸增大，因此膠條的剝離強度逐漸增大。綜合考慮無痕縫口的接縫強力和膠條的剝離強度，當(dāng)熱風(fēng)溫度為310 ℃時，針織面料超聲波無痕壓膠縫口性能最佳。

2.1.4風(fēng)嘴氣壓對無痕縫口性能的影響 一定的風(fēng)嘴氣壓有助于熱熔膠條與面料的黏結(jié)。風(fēng)嘴氣壓對針織面料無痕縫口性能的影響如圖5所示。

圖5 風(fēng)嘴氣壓對無痕縫口性能的影響Fig.5 Influence of air pressure of air nozzle on quality of seamless seam

由圖5可以看出，隨著風(fēng)嘴氣壓的增大，縫口的接縫強力和剝離強度均逐漸增大。風(fēng)嘴氣壓有助于排除膠條與面料黏結(jié)處的空氣，在一定程度上增大膠條與面料的有效黏結(jié)面積。

當(dāng)風(fēng)嘴氣壓較小時，膠條與面料黏結(jié)處仍有多余空氣，縫口處的有效黏結(jié)面積較小，因此無痕縫口的接縫強力和剝離強度較低，縫口性能較差。當(dāng)風(fēng)嘴氣壓增大時，膠條與面料黏結(jié)時多余空氣被排空，縫口處的有效黏結(jié)面積較大，使得縫口的接縫強力和剝離強度增大，縫口性能較佳。綜合考慮縫口性能以及設(shè)備量程，當(dāng)風(fēng)嘴氣壓為0.08 MPa時，針織面料超聲波無痕壓膠縫口性能最佳。

2.2 工藝參數(shù)與接縫強力關(guān)系分析

為分析工藝參數(shù)對針織面料無痕縫口接縫強力的影響，對接縫強力數(shù)據(jù)進行單因素方差分析。方差齊性檢驗結(jié)果顯示假設(shè)成立，可進行方差分析。接縫強力主體間效應(yīng)檢驗結(jié)果見表3。由表3可知，超聲波振幅的主效應(yīng)F(4,66)=5.941，顯著性水平P<0.001；花輪速度的主效應(yīng)F(4,66)=8.670，P<0.001；熱風(fēng)溫度的主效應(yīng)F(4,66)=19.924，P<0.001；風(fēng)嘴氣壓的主效應(yīng)F(4,66)=92.734，P<0.001，4個因素均達到極其顯著水平。因此，超聲波振幅、花輪速度、熱風(fēng)溫度以及風(fēng)嘴氣壓4個工藝參數(shù)對針織面料超聲波無痕壓膠縫口的接縫強力影響顯著。

表3 接縫強力主體間效應(yīng)檢驗

為進一步探究工藝參數(shù)與接縫強力的關(guān)系，對接縫強力(y1)與超聲波振幅(x1)、花輪速度(x2)、熱風(fēng)溫度(x3)及風(fēng)嘴氣壓(x4)進行多元線性回歸分析，得到

y1=-9.932+67.079x1-0.160x2-
0.109x3+2 403.172x4

(1)

回歸模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.488，超聲波振幅對接縫強力的影響概率P=0.045<0.05，花輪速度對接縫強力的影響概率P=0.020<0.05，熱風(fēng)溫度對接縫強力的影響概率P=0.501>0.05，風(fēng)嘴氣壓對接縫強力的影響概率P<0.001。模型的相關(guān)系數(shù)雖不高，但超聲波振幅、花輪速度以及風(fēng)嘴氣壓對接縫強力的影響概率均小于0.05。因此,超聲波振幅、花輪速度和風(fēng)嘴氣壓對接縫強力的影響在一定程度上有較顯著的線性關(guān)系。

2.3 工藝參數(shù)與剝離強度關(guān)系分析

為分析工藝參數(shù)對熱熔膠條剝離強度的影響，對剝離強度數(shù)據(jù)進行單因素方差分析。數(shù)據(jù)滿足方差分析的前提條件，可進行方差分析。剝離強度主體間效應(yīng)檢驗結(jié)果見表4。由表4可知，超聲波振幅的主效應(yīng)F(4,66)=14.204，P<0.001；花輪速度的主效應(yīng)F(4,66)=4.025，P<0.001；熱風(fēng)溫度的主效應(yīng)F(4,66)=31.905，P<0.001；風(fēng)嘴氣壓的主效應(yīng)F(4,66)=105.435，P<0.001，4個因素均達到極其顯著水平。因此超聲波振幅、花輪速度、熱風(fēng)溫度以及風(fēng)嘴氣壓4個工藝參數(shù)對針織面料超聲波無痕壓膠縫口的接縫強力影響顯著。

表4 剝離強度主體間效應(yīng)檢驗

為進一步探究工藝參數(shù)與剝離強度的關(guān)系，對剝離強度(y2)與超聲波振幅(x1)、花輪速度(x2)、熱風(fēng)溫度(x3)及風(fēng)嘴氣壓(x4)進行多元線性回歸分析，得到

y2=-15.744+3.448x1-0.002x2+
0.040x3+157.339x4

(2)

回歸模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.571，超聲波振幅對剝離強度的影響概率P=0.074>0.05，花輪速度對剝離強度的影響概率P=0.558>0.05，熱風(fēng)溫度對剝離強度的影響概率P<0.001，風(fēng)嘴氣壓對剝離強度的影響概率P<0.001。其中,熱風(fēng)溫度和風(fēng)嘴氣壓對剝離強度的影響概率均小于0.001，因此熱風(fēng)溫度和風(fēng)嘴氣壓對剝離強度的影響在一定程度上有極其顯著的線性關(guān)系。

2.4 無痕縫口橫截面微觀形貌分析

縫口接縫強力測試過程中發(fā)現(xiàn)，接縫最先斷裂的是超聲波熔接縫口，熱熔膠條與面料之間的黏結(jié)力阻礙縫口的斷裂，同時熱熔膠條與面料的黏結(jié)力也影響膠條的剝離強度。由以上分析可知,風(fēng)嘴氣壓對接縫強力和剝離強度具有顯著性影響，并且在一定程度上呈現(xiàn)出極其顯著的線性關(guān)系。為了進一步探究風(fēng)嘴氣壓對針織面料無痕縫口的影響，在超聲波振幅(30%)、花輪速度(200 cm/min)和熱風(fēng)溫度(210 ℃)固定的情況下，分析風(fēng)嘴氣壓在0.04，0.06，0.08 MPa時無痕縫口橫截面的微觀形態(tài)。

圖6為針織面料超聲波無痕壓膠縫口截面SEM圖。由圖6可以看出，當(dāng)風(fēng)嘴壓力為0.04 MPa時，熱熔膠條與面料之間仍有較多的孔空隙，膠條與纖維的有效黏結(jié)面積較小，使得接縫質(zhì)量不佳；當(dāng)風(fēng)嘴壓力增至0.06 MPa時，熱熔膠條與面料之間的空隙相對減少，膠條與纖維的有效黏結(jié)面積增多，因此無痕縫口的接縫強力和剝離強度相對增大；當(dāng)風(fēng)嘴壓力為0.08 MPa時，熱熔膠條與纖維的有效黏結(jié)面積最多，無痕縫口的質(zhì)量達到最佳。

A-熱熔膠條；B-面料；C-膠條與面料黏結(jié)區(qū)域；D-膠條與面料之間空隙。圖6 無痕縫口橫截面SEM圖Fig.6 SEM micrographs of seamless seam cross section

從微觀角度看，熱熔膠條與面料之間空隙越小，有效黏結(jié)面積越大，無痕縫口接縫強力和剝離強度越高；熱熔膠條與面料之間空隙越大，有效黏結(jié)面積越小，無痕縫口接縫強力和剝離強度越低。因此，提高無痕縫口性能需增大膠條與纖維的有效黏結(jié)面積，減小縫口處多余的空隙。

3 結(jié) 語

文中針對針織運動面料使用超聲波無痕壓膠工藝，以接縫強力和剝離強度為指標對其4個工藝參數(shù)進行優(yōu)化，通過單因素實驗得到如下結(jié)論。

1)無痕縫口的接縫強力隨著超聲波振幅的增加先增大后減小，隨著花輪速度的增加而減小，隨著熱風(fēng)溫度的升高先增大后減小，隨著風(fēng)嘴氣壓的增加而增大。

2)無痕縫口的剝離強度隨著超聲波振幅的增加先增大后減小，隨著花輪速度的增加而降低，隨著熱風(fēng)溫度的升高而增大，隨著風(fēng)嘴氣壓的增加而增大。

3)無痕縫口性能較佳工藝參數(shù)如下：超聲波振幅為30%～40%，花輪速度為100～150 cm/min，熱風(fēng)溫度為310 ℃，風(fēng)嘴壓力為0.08 MPa。

4)超聲波振幅、花輪速度、熱風(fēng)溫度和風(fēng)嘴氣壓對針織面料無痕縫口的接縫強力和剝離強度均有顯著性影響。且超聲波振幅、花輪速度以及風(fēng)嘴氣壓對接縫強力的影響在一定程度上有較顯著的線性關(guān)系，熱風(fēng)溫度和風(fēng)嘴氣壓對剝離強力的影響在一定程度上有極其顯著的線性關(guān)系。

5)通過SEM分析可知，無痕縫口的接縫強力和剝離強度越大，熱熔膠條與面料之間空隙越小，有效黏結(jié)面積越大，可依據(jù)此原理優(yōu)化工藝參數(shù)以改進無痕縫口性能。