織物噴霧上漿霧化質量評價

王博文， 林森明， 岳曉麗， 鐘 毅， 陳慧敏

(1. 東華大學 機械工程學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織科技創新中心， 上海 201620)

數字噴墨印花技術是一項快速發展的印染紡織新技術[1]。上漿是織物噴墨印花前重要的前處理工藝，可以抑制噴射在織物上的墨水擴散，提高紡織品印花清晰度、色牢度等[2]。織物類型或組織結構不同，所使用的漿液配方、漿液屬性也不同[3]。大部分廠家采用連續印花機、拉幅機或臺板等對織物進行刮涂上漿或浸軋上漿，軋余率為60%～80%，易造成織物不平挺或上漿不均勻。漿液里的氣泡刮涂或浸軋在織物上時，氣泡破裂產生上漿不勻，形成印花疵品[4]。噴霧上漿可有效控制上漿總量和帶液率，且使上漿后的織物保持平整、舒展，不出現緯斜、起皺等各種形式的變形。織物上的噴墨印花圖案不連續時，還可僅在噴墨印花處進行噴霧上漿處理，減少能源消耗。

織物噴霧上漿工藝的推廣，存在兩大亟待解決的問題。一是織物上漿用漿液屬于非牛頓流體，具有較高的黏度，對溫度、切變速率敏感[5]，易造成噴霧上漿過程中漿液不易破碎，霧化顆粒不均勻、不穩定。霧化噴涂過程中，液體屬性、管路氣壓、液壓或流量等的微小變化，以及噴射系統中各元氣件的動態特性等，也會使霧化流場不穩定，繼而影響噴涂質量[6]。二是多噴頭空間布局復雜，任何一個噴射工藝參數的改變都會影響霧化流量場分布，繼而影響噴涂均勻性。國內外學者對水、燃油等液體的霧化發生裝置及其霧化流場做了廣泛研究。Matou? 等[7]用高速攝影機近距離拍攝噴霧圖像，采用點跟蹤法獲取液體的速度和尺寸，研究噴霧特性并設計和驗證了適用于低壓條件下霧化黏性燃油的霧化器。Jan等[8]研究了液體空心錐噴霧與周圍空氣之間的能量傳遞，并表征流體破碎過程，控制了噴霧空間形態和液滴大小。王青淼等[9]設計了織物噴霧上漿設備，該設備降低了漿料使用量，縮短了烘干時間和能源消耗。楊永利等[10]設計了一種低給液織物上漿機，使上漿量可調。劉福巖[11]設計了一種織物雙面上漿機，織物一側采用輥筒上漿，另一側采用多個高壓噴頭噴灑上漿。王錫彬等[12]設計了一種超聲高壓噴霧上漿裝置，利用超聲作用提高了上漿率。上述研究僅對低黏度液體的霧化發生裝置及其流場特性進行探討，或對織物噴霧上漿工藝及裝備進行設計，但高黏度漿液霧化顆粒極易受霧化噴射系統動態特性的影響而不穩定、不均勻，從而降低織物噴霧上漿質量。

近年來，高速攝像技術和圖像處理技術迅速發展，越來越多的企業已成功地將上述技術應用到在線生產與控制中。本文針對織物上漿液特性和織物噴霧上漿需求，采用圖像處理技術，對1組同一噴射工況下連續拍攝的漿液霧化流場圖像進行識別和計算，評價漿液霧化流場的穩定性和均勻性，從不同尺度分析霧化流場質量，為織物噴漿工藝參數微量調整和織物噴漿質量在線評價提供參考，為連續、大批量織物噴霧上漿提供可能。

1 漿液特性與織物噴霧上漿

1.1 漿液特性

織物類型不同或噴墨印花后的固色方法不同，根據墨水性能和噴墨印花質量要求，上漿使用的漿液配方也不同，配制后的漿液黏度、表面張力等屬性存在一定差異，其黏度隨液體溫度升高或輸送時的切變速率增大而下降[3]。

以2.0%海藻酸鈉、5.0%尿素、2.0%碳酸氫鈉和91.0%水配制而成的棉織物上漿液為例，其黏度與溫度的關系如圖1所示。可見，當棉織物上漿用漿液溫度從20 ℃上升到40 ℃時，其黏度由670 mPa·s 下降到400 mPa·s。加熱漿液可以降低其黏度，有利于液滴均勻霧化，但漿液黏度降低會影響與織物的黏合力，使噴墨印花后織物表面的表觀得色量和色牢度等降低。

圖1 漿液黏度隨溫度的變化Fig.1 Variation of sizing liquid viscosity with change of temperature

1.2 織物噴霧上漿

常規上漿方式中，都需要以一定壓力將漿液填補入織物的纖維結構內。織物噴霧上漿是一種新型上漿方式，其機制是液體流經噴頭時，在加壓氣體作用下形成高速氣流，與液體形成相對較大的速度差，使得液柱在氣動阻力、黏性力、液體表面張力和慣性力4種力的相互作用下發生分裂、破碎，使液體以極細微的顆粒噴射而出，均勻分散在受噴對象表面[13]。通過合理設置漿液噴射系統的氣、液壓力比，可以增大漿液切變速率降低漿液黏度，實現黏稠狀織物上漿液均勻霧化。霧化后的漿液粒徑合適時，可直接填補于空隙之中，在上漿的同時完成織物的預縮，避免織物在以后的印花過程中出現收縮現象，從而達到提高上漿質量、減少能源消耗的目的。通過噴霧的方式還可有效控制上漿總量以及軋余率，在綠色低碳環保的理念下，符合清潔生產的要求，具有廣闊的發展前景。

2 漿液霧化圖像采集與預處理

2.1 霧化圖像采集

為霧化具有較高黏度的織物上漿用漿液，選用日本明治機械株式會社A-100氣動霧化噴頭(口徑為1.5 mm，耗氣量為290 L/min，質量為325 g)。該噴頭共有3個入口：1路為漿液入口，另外2路為氣體入口。噴頭開啟時，一路氣體頂開液體出口處的頂針，另一路氣體與漿液產生相對速度，經2級霧化生成許多微小液滴。圖2示出在自主研制的織物噴霧上漿實驗裝置上采集漿液霧化流場圖像的布局圖。

圖2 漿液霧化流場圖像采集Fig.2 Image acquiration of sizing liquid atomization field

當環境溫度為26 ℃時，漿液黏度為625 mPa·s(漿液配方與圖1漿液相同)。為增大漿液切變速率，設置噴射系統的氣、液壓力比為2∶1，即當噴頭入口處的氣壓為0.4 MPa時，漿液壓力為0.2 MPa。使用NIKON D7100數碼相機拍攝霧化流場圖像，圖像大小為4 000像素×4 000像素，圖像捕獲間隔為10 s。拍攝整體漿液霧化流場圖像時，相機參數設置為：感光度ISO12800，光圈值2.8，曝光時間1/320 s。 拍攝近織物面局部圖像時，相機參數設置為：感光度ISO6400，光圈值3.2，曝光時間1/640 s。為避免氣流和其他光源對實驗產生影響，圖像獲取的整個過程須在無干擾氣流的暗室中進行，并用一塊0.7 m×0.7 m的黑色幕布作為拍攝背景。噴射1 min后，4幅連續的整體漿液霧化流場圖像如圖3 所示。截取整體圖像中位于距噴頭出口垂直距離200 mm處的局部圖像，近織物面的4幅連續局部漿液霧化流場圖像如圖4所示。

圖3 整體漿液霧化流場圖像Fig.3 Full images of sizing liquid atomization field.(a)At 60th second；(b)At 70th second；(c)At 80th second；(d)At 90th second

圖4 局部漿液霧化流場圖像Fig.4 Local images of sizing liquid atomization field.(a)At 60th second；(b)At 70th second；(c)At 80th second；(d)At 90th second

2.2 整體霧化圖像預處理

圖像拍攝和傳輸過程中，不可避免地受到環境、設備等干擾；漿液噴霧透光性明顯，導致漿液霧化圖像不清晰、邊界模糊等。為獲得漿液霧化流場圖像的數字化信息，需對原始漿液霧化流場圖像進行一系列預處理[14]。

整體漿液霧化流場圖像預處理時，首先采用Rgb2gray函數將真彩色圖像(RGB 值)轉換為灰度化圖像(灰度值)；為消除混雜在圖像中的電子電路或脈沖噪聲的干擾，采用medfilt2函數對噴霧圖像進行中值濾波處理，濾波模板為11×11；為更好地體現噴霧邊緣特征，采用imadjust函數將原圖像中亮度值小于0.1或大于0.5的部分裁剪掉，并將原圖像中亮度值在[0.1, 0.5]的部分映射到[0,1]內。整體漿液霧化流場圖像預處理后的圖像如圖5所示(圖5 中(a)、(b)、(c)、(d)分別與圖3的(a)、(b)、(c)、(d)對應)。

圖5 預處理后的整體漿液霧化流場圖像Fig.5 Pretreatment full images of sizing liquid atomization field. (a)At 60th second；(b)At 70th second；(c)At 80th second； (d)At 90th second

2.3 局部霧化圖像預處理

拍攝近織物面的漿液局部霧化圖像的目的，是為了計算和統計織物受噴位置處漿液霧化液滴的大小、數量及其分布。實驗拍攝獲取的圖像由像素構成，圖像上液滴所占的像素多少并不代表液滴的實際尺寸，因此，需要建立圖像像素與液滴大小的對應關系，即完成圖像像素尺寸標定。選用直徑為200 μm 的金屬絲作為標定物，標定時金屬絲放置于噴嘴正下方200 mm處，金屬絲軸線與噴嘴射流軸線正交。放大所拍攝的金屬絲圖像，金屬絲占據約10個像素(見圖6)，因此，實驗圖像的標定系數δ為20 μm/像素。

圖6 實驗系統圖像尺寸標定Fig.6 Size calibration of experimental images

近織物面的局部漿液霧化流場圖像預處理時，為減小相機閃光燈照射不均勻或者實驗環境存在的光污染，方便識別漿液小顆粒，首先，對于濾波處理前的局部圖像，需從原始圖像中提取并刪除背景圖像，即采用Imopen函數從原始圖像中提取背景圖像(像素的圓盤形結構元素半徑取10)，采用Imsubtract函數刪除提取到的背景圖像；然后采用Rgb2gray函數對圖像進行灰度化處理；使用medfilt2函數對圖像進行中值濾波，模板大小為3×3；為增強漿液顆粒邊緣特征，采用imadjust函數將原圖像中亮度值在[0.1, 0.4]的部分映射到[0,1]內；采用Im2bw函數對圖像進行二值化處理。由于織物噴霧上漿用漿液黏性較大，噴霧圖像中會存在一些未霧化的小氣泡，其二值化后的圖像內部有小黑點，因此，在二值化后的局部圖像上，還應填充氣泡小黑點并剔除為霧化的小氣泡。處理時采用Imfill函數對小黑點進行填充，使用Bwareaopen函數獲取氣泡顆粒，使用Imsubtract函數減去霧化的小氣泡[15]。最后，對預處理后的圖像進行圖像反轉處理，再通過harris角點檢測并用黑色圓點標注液滴顆粒在圖像上所處的位置。預處理后的局部漿液霧化流場圖像如圖7所示(圖7中(a)、(b)、(c)、(d)分別與圖4的(a)、 (b)、(c)、(d)對應)。

圖7 預處理后的局部漿液霧化流場圖像Fig.7 Pretreatment local images of sizing liquid atomization field.(a)At 60th second；(b)At 70th second；(c)At 80th second；(d)At 90th second

3 漿液流場穩定性評價

為提高織物上漿質量，漿液流場應處于穩定運動狀態[16]。織物上漿用漿液黏度較高，霧化流場由混沌狀態轉化為穩定運動狀態時間略長。此外，霧化噴射系統中，電動機、泵、閥等任意一個元器件動態特性的改變，也會影響霧化流場的穩定性。漿液流場穩定時，流場的外輪廓、霧化區域內的流量分布以及近織物面上的上漿量等，都應在較長時間內保持恒定。鑒于織物上漿要求較高，因此，需等霧化流場穩定后方可進行織物噴漿。

以圖5所示的預處理后的整體漿液霧化流場圖像為研究對象，計算流場霧化角度，分析流場整體圖像和局布圖像的相似程度，實現漿液流場穩定性評價。

3.1 霧化角度

霧化角度反映了特定工況下霧化流場的噴射范圍，是對霧化流場外輪廓的定量描述。輪廓邊緣特征是圖像的基本特征。液體從噴嘴噴出時，噴霧邊緣在空間上呈現近似圓錐的形態。隨著與噴口距離的增大，霧化角度有收縮的現象。為提高噴霧邊界的辨識度，利于流場輪廓提取，采用圖像閾值分割技術，使用Graythresh函數通過最大類間方差法(Otsu)找到灰度圖像的閾值，輸入到Im2bw函數后獲得二值化圖像。由于Sobel算子去噪能力好，且能突出邊緣特征，提高圖像輪廓清晰度，對二值化后的圖像使用Sobel算子進行邊緣檢測。然后對圖像進行反轉處理，采用最小二乘法擬合直線并計算霧化角, 使用Refline函數將擬合直線的參考線添加到圖像中。靠近噴嘴出口處漿液噴霧流場邊緣提取后的外輪廓如圖8所示(圖8中(a)、(b)、(c)、(d)分別與圖5的(a)、(b)、(c)、(d)對應)。

圖8 漿液霧化流場外輪廓Fig.8 Contours of sizing liquid atomization field. (a)At 60th second；(b)At 70th second；(c)At 80th second；(d)At 90th second

計算圖8中各圖像的霧化角度分別為50°、50°、51°和50°，即4幅連續拍攝的整體漿液霧化流場圖像的噴霧角度基本一致，說明本文2.1節所描述的織物噴霧上漿噴射工況穩定，管路密封性良好，漿液霧化流場基本穩定。

3.2 噴霧圖像相似度對比

使用圖像相似度對比，量化1組連續拍攝的整體漿液霧化流場圖像之間的接近程度，反映漿液霧化流場的整體穩定狀況。

圖像相似度的計算主要基于像素灰度、圖像特征點等特征。常用的圖像相似度算法包括SSIM(結構相似性度量)、基于直方圖距離的圖像相似度、Cosin相似度(余弦相似度)和PSNR(峰值信噪比)等[17]。綜合考慮計算速度和計算精度，采用PSNR法對圖5所示的相鄰2幅圖像進行相似度對比，圖5(a) 和圖5(b)之間的PSNR值為31.353 dB，圖5(b)和圖5(c)之間的PSNR值為27.021 dB，圖5(c) 和圖5(d)之間的PSNR值為32.497 dB。

一般來說，PSNR值越大，圖像之間的相似度越高。當PSNR值達到32 dB時，圖像之間的相似度較高；PSNR值達到40 dB或以上時，圖像基本重合。由于織物上漿要求較高，在本文2.1節所描述的織物噴霧上漿噴射工況下，4幅連續拍攝的整體漿液霧化流場圖像之間存在一些差異，說明噴射系統的電動機、泵、閥等元氣件的動態特性影響著流場內部的穩定性，需進一步研究并編制程序，實現織物噴漿系統氣壓、液壓的精確控制與微量調整，以使漿液霧化流場穩定。

3.3 噴霧圖像灰度值曲線對比

使用圖像灰度值曲線對比，量化近織物面上漿量的接近程度，反映漿液霧化流場的局部穩定狀況。在圖5所示的每幅圖上，截取距離噴嘴出口200 mm 且與噴嘴軸線方向相垂直的直線，計算4條截線上的灰度值，其灰度值沿圖像寬度方向的分布如圖9所示。

圖9 距離噴嘴200 mm處圖像灰度值曲線Fig.9 Grey curves of atomizing image atdistance of 200 mm from nozzle

皮爾遜相關系數(PCCs)用于計算2個變量之間的相關程度，其值介于-1～1之間。當PCCs值大于0.8時，說明2個變量相似度較高；當PCCs值等于1時，說明2個變量一致。使用PCCs值評價圖9中4條曲線之間的相關性，曲線a與曲線b之間的PCCs值為0.989，曲線b與曲線c之間的PCCs值為0.960，曲線c與曲線d之間的PCCs值為0.996，均接近于1，說明相鄰流場圖像在距離噴嘴200 mm處的灰度值曲線很接近，因此從局部鄰域看，當織物位于距離噴嘴出口200 mm，且與噴嘴軸線方向相垂直的位置時，在2.1節所描述的織物噴霧上漿噴射工況下，織物上的上漿總量及其分布穩定性較好。

綜合霧化角度、整體圖像相似度對比、局部圖像相似程度對比，反映了織物噴漿系統的管路密封性、系統硬件與噴漿參數微量調整、上漿總量及其分布，為織物連續、穩定噴漿創造了必要條件。

4 漿液流場均勻性評價

待上漿織物的材料不同時，織物對漿液的吸附能力也不同。漿液小液滴大小適合且分布均勻時，可直接填補于紗線和纖維的空隙之中，提高上漿效率，因此，織物表面的上漿質量與入射在織物表面的漿液小液滴的大小及其分布密切相關。

以近織物面距離噴頭出口200 mm處的局部漿液霧化流場圖像為研究對象，計算液滴粒徑，統計液滴數量，分析液滴顆粒的分布，評價漿液流場的霧化均勻性。

4.1 液滴尺寸

液滴粒徑D計算公式為

式中：δ為實驗圖像的標定系數；A為噴霧圖像中液滴顆粒的像素面積。

4.2 液滴數量及其分布

統計液滴數量時，先取1個空矩陣，將每個液滴像素點大小放入其中。根據液滴粒徑計算公式計算矩陣中所有液滴顆粒的實際直徑。然后使用tabulate函數，統計不同粒徑液滴的粒徑和數量。最后使用hist函數，構建漿液小液滴粒徑尺寸分布柱狀圖如圖10所示(圖中的(a)、(b)、(c)、(d)分別與圖7的(a)、(b)、(c)、(d)對應)。

圖10 漿液液滴粒徑分布圖Fig.10 Droplet size distributions of sizing liquid atomization field. (a)At 60th second；(b)At 70th second；(c)At 80th second；(d)At 90th second

由圖10可知，4幅圖中漿液液滴粒徑與數量分布規律比較一致，直徑小于20 μm的液滴數量較多，同時還存在著較多的直徑介于20 ～50 μm的液滴顆粒，直徑大于60 μm的液滴數量較少。圖10的統計結果表明，霧化高黏性漿液時，在2.1節的噴射參數下，經氣動霧化噴頭2次霧化后，漿液實現了破碎，但霧化小顆粒大小不是很均勻。

為評價氣、液壓力比值的合理性，量化漿液霧化均勻性，使用液滴相對尺寸范圍、液滴發散邊界來描述不同大小的液滴的分布規律[18]。液滴相對尺寸范圍Δs用來表達液滴尺寸的發散程度，其值越小說明液滴粒徑分布范圍越小。液滴相對尺寸范圍計算公式為

式中：D0.9為直徑，含義為小于該直徑的所有液滴體積占總液滴體積的90%，μm；相應地，D0.1為小于該直徑的所有液滴體積占總液滴體積的10%，μm；D0.5為中值直徑，μm。

圖10中盡管大顆粒液滴數量較少，由于其直徑較大，評價漿液流場均勻性時，不可忽略大顆粒液滴的影響。液滴發散邊界Δb表示最大液滴直徑相對于中值直徑D0.5的發散程度，其值越小，表示大直徑液滴越少。發散邊界計算公式為

式中，D0.999表示小于該直徑的所有液滴體積占總液滴體積的99.9%，μm。

對圖10所示的局部漿液霧化流場液滴顆粒分布進行統計，結果如表1所示。可知，從微觀角度看，在2.1節所描述的織物噴霧上漿噴射工況下，4幅連續拍攝的局部漿液霧化流場圖像的液滴顆粒分布存在一定差異。其中：圖10(a)的Δs、Δb均最小，表明圖10(a)的液滴粒徑分布范圍最小，大直徑液滴數量最少，其霧化流場漿液小顆粒分布最均勻；圖10(c)的Δs、Δb均最大，表明圖10(c)的液滴粒徑分布范圍最大，大直徑液滴數量最多，其霧化流場漿液小顆粒分布最不均勻，不能滿足經緯密較高織物的噴霧上漿要求。此時應進一步提高漿液霧化系統的氣、液壓力比，以增大漿液切變速率，降低漿液黏度，實現漿液高質量均勻霧化。

表1 液滴顆粒粒徑Tab.1 Droplet size statistics

5 結 論

本文通過評價漿液霧化流場的穩定性和均勻性量化了漿液霧化流場質量。研究結果表明：單一地對1組連續霧化流場圖像進行霧化角度計算以及整體或局部圖像相似度計算，均不能保證漿液噴霧流場的穩定性判斷。噴霧上漿霧化液滴的大小應根據織物類型、組織結構、經緯密度調整。同時分析漿液霧化流場的穩定性和均勻性，有助于評價織物噴霧上漿質量。

在后續研究中，應在研制的織物噴霧上漿實驗裝置上增加噴漿參數微量調整控制系統，深入探究適于不同織物上漿需要的漿液的氣、液壓力參數，實現織物穩定、均勻噴霧上漿。