曲面摩擦型織物耐磨儀測試方法的改進

孫秀玲 韓晨晨 郭明瑞 郝新敏 王美慧 高衛東

（1.江南大學，江蘇無錫， 214122；2.軍事科學院系統工程研究院，北京， 100010）

織物耐磨性能是紡織品質量的重要指標之一。其檢測方法多種多樣，可以分為平面磨、曲面磨、折邊磨、翻動磨［1-2］等。其中曲面磨是指織物試樣在彎曲的狀態下受到反復摩擦，它模擬衣褲的肘部與膝蓋的磨損狀態。這些地方在實際服用過程中磨損最快，對織物服飾的服用功能影響很大，因此是服用織物的重要考核指標之一，越來越受到業界的重視。最早由美國材料試驗協會標準ASTM D4157—1992《紡織品耐磨性標準試驗方法（擺動輥筒法）》提出曲面磨的代表性測試儀器（威士伯織物耐磨儀），其測試方法是織物在壓力墊的壓力下與曲面磨料緊密貼合，由輥筒帶動磨料與織物產生相對運動，使試樣受到曲向往復摩擦［3］。隨著紡織技術的發展，化學纖維逐漸占據市場主流，織物耐磨性能得到了進一步提升，尤其是對于高強耐磨織物來說［4］，威士伯織物耐磨儀在使用過程中存在磨料摩擦力度小、測試參數不匹配、摩擦效率低的問題，因此需對儀器以及測試方法進行改進［5-6］，使之能夠快速篩選出適合不同耐磨程度面料的測試參數，從而對不同耐磨強度的織物［7-8］進行快速、準確的耐磨性能測試評價。

1 威士伯織物耐磨儀

1.1 儀器與原理

威士伯織物耐磨儀（上海誠衛儀器科技有限公司）如圖1 所示。磨料由輥筒夾持，與輥筒保持同一彎曲弧度，由輥筒帶動其進行往復運動，織物通過后抓夾固定在樣品夾持臂上，穿過前抓夾拉緊試樣，將加重的張力桿帶回水平位置，調整張力砝碼給織物施加設定的摩擦張力，將樣品夾持臂固定在儀器上，橡膠摩擦頭按壓織物與磨料緊密接觸，調整滾花螺釘使壓力桿處于水平位置，調整壓力砝碼給織物施加設定的摩擦壓力，織物貼附于磨料表面，與磨料保持同一彎曲弧度，設置摩擦次數進行曲面往復摩擦。威士伯織物耐磨儀共有4 個相同的樣品夾持臂，其余樣品夾持臂測試原理與上述相同。在運轉摩擦過程中，織物受到損傷，紗線解體從而產生碎屑，碎屑由吸塵通道帶走。

圖1 威士伯織物耐磨儀

1.2 測試流程

取樣：將樣品在松弛狀態下置于光滑的平面上，在溫度（20±2）℃、相對濕度（65±5）%條件下放置至少18 h。距離布邊至少100 mm，在整幅樣品上剪取足夠數量的試樣，一般至少6 塊。對機織物，所取的每塊試樣應包含不同的經紗和緯紗，如果織物有圖案應確保樣品是圖案的代表性樣本。試樣尺寸為73 mm×245 mm。

安裝樣品，并調整測試參數。根據ASTM D4157—2013（R2017）《紡織品耐磨性標準試驗方法（擺動輥筒法）》，按照面料最終用途選擇測試參數。

1.3 評價標準

（1）強力損失率。根據樣品磨損后的強力損失情況評價織物的耐磨性能。

（2）視覺變化評估。將試樣研磨至指定次數，然后觀察磨損對試樣顏色、光澤、起球、破損等的影響。根據織物破損的摩擦次數以及買賣雙方常用的AATCC 顏色變化灰度評估面料。

1.4 現有測試標準測試結果

采用現有測試方法，選用與標準磨料樣布規格接近的棉帆布作為試驗磨料，該棉帆布經緯紗均為59.1 tex×2，經密149 根/10 cm，緯密94 根/10 cm，平紋，單位面積質量480 g/m2。選用耐磨性能具有代表性的3 種織物：純棉織物，經緯紗均為28.1 tex，經密425 根/10 cm，緯密228 根/10 cm，三上一下右斜紋，單位面積質量195 g/m2；滌棉織物，經緯紗均為28.1 tex，經密425 根/10 cm，緯密228 根/10 cm，三上一下右斜紋，單位面積質量220 g/m2；滌綸織物，經紗32.8 tex，緯紗16.9 tex，經密346 根/10 cm，緯密252 根/10 cm，二上一下右斜紋，單位面積質量140 g/m2。對上述3 種織物進行測試，測試參數：摩擦頻次為180 次/min，壓力13.4 N，張力17.8 N，摩擦次數5 000 次和20 000 次，每種織物測試6塊樣品，測試結果如表1 所示。純棉織物初始強力776.50 N，滌棉織物初始強力1 009.10 N，滌綸織物初始強力1 319.45 N。

表1 織物磨損后的強力損失率和CV 值

由表1 可知，在此試驗條件下，摩擦次數為5 000 次時，3 種織物的強力損失率過低，強力損失率CV值較高。其表面磨損情況如圖2 所示，織物表面變化輕微，僅有少量褪色現象。

圖2 摩擦5 000 次后3 種織物表面變化

當增加摩擦次數至20 000 次，其余測試條件相同，3 種織物的強力損失率較磨損5 000 次有所增大，強力損失率CV值有所降低，織物表面變化加大、褪色現象加重，但織物損傷依然較小，其表面磨損情況如圖3 所示。此時，織物的總磨損程度依然較低，強力性能損失不足以代表織物使用過程的磨損程度，且20 000 次摩擦耗時約為110 min，測試時間過長，測試效率低下，缺乏可操作性。

圖3 摩擦20 000 次后3 種織物表面變化

2 威士伯織物耐磨儀磨料優化

威士伯織物耐磨儀提供的磨料為棉帆布和鋼絲網。使用棉帆布作為磨料意在模仿日常穿著時服裝所經受的磨損，鋼絲網用于檢測家用紡織品的耐磨性能。對于高強耐磨織物來說，其穿著環境復雜、耐磨性能較好，上述磨料不能較好地模擬其穿著環境。測試過程中，每更換一塊樣品就要更換一次磨料，現用磨料的耐久性差、摩擦力度小、磨損程度輕、摩擦效率低、適應性差。

磨料選擇的標準是在模擬實際穿用所經受的摩擦條件的同時提高測試效率，使得測試結果快速易得、貼近真實穿著的情況。威士伯織物耐磨儀的磨料安裝方式是由輥筒的邊緣夾具夾持磨料，要求磨料軟硬適中，能夠緊密貼合輥筒的表面。結合測試需求及威士伯織物耐磨儀磨料的安裝方式可知，測試磨料應厚度適中，具有一定的柔軟度和可裁剪性，粗糙程度可控，能模擬摩擦較為劇烈的環境，耐久性能好。

為此，我們選擇砂布作為磨料。根據制作工藝的不同，砂布主要分為兩類：金剛石砂布和樹脂砂布。金剛石砂布利用電鍍的方法將金剛石磨粒固定，其表面有裸露的金剛石顆粒，磨損程度高；樹脂砂布以樹脂包覆磨粒，表面平滑，磨損程度低。與同目數的砂布相比，樹脂砂布表面更加平滑，磨損力度更小。樹脂砂布使用純棉織物作為測試樣品，金剛石砂布使用滌棉織物作為測試樣品，各摩擦150 塊樣品，每塊樣品摩擦200 次，使用兩類砂布的織物強力損失率變化情況如圖4 所示。在測試過程中，樣品的強力損失率在一定數值范圍內波動，未出現明顯下降，說明砂布的鋒利度未出現變化，與原磨料相比大幅度提高了使用壽命。使用超景深顯微鏡對摩擦前后的砂布表面進行觀察，結果如圖5 所示。因磨粒的主要成分為金剛石顆粒，其硬度高，耐磨性能好，所以兩類砂布表面在磨損前后未出現明顯變化，耐久性好。

圖4 兩類砂布作為磨料的織物強力損失率變化情況

圖5 砂布磨損前后對比圖

3 測試方法改進

3.1 存在的問題

根據威士伯織物耐磨儀標準可知，織物耐磨測試變量主要包括磨料種類及摩擦次數，其中可選擇的磨料種類只有兩種，以3 000 次~5 000 次作為檢查周期，摩擦次數較多。各類織物的測試參數較為單一，測試耐磨性較好的面料時，仍然使用該參數進行測試會造成欠磨損狀態，此時強力損失率極小，數據離散度高，結果代表性不足；測試不耐磨面料使用該參數可能會造成過磨損狀態，即強力損失率變化過大，甚至出現磨損部位全部破損，無法對織物耐磨性能進行比較和評價的情況，適應性差。為提高測試效率，降低數據離散度，提高織物耐磨性能評價準確性，可結合簡單的預選測試，得到合適的測試參數，如摩擦次數、磨料種類等。

3.2 改進后測試方法

3.2.1預選測試原理

選用以上試驗中的3 種織物，分別使用4 000目樹脂砂布、1 500 目金剛石砂布、1 000 目樹脂砂布作為磨料，研究織物強力損失率和強力損失率CV值與摩擦次數的規律，結果如圖6 所示。對3種織物強力損失率進行線性擬合，純棉織物、滌棉織物與滌綸織物的R2與摩擦次數存在一定線性相關性，強力損失率隨著摩擦次數的增加而增加。另外強力損失率在30%左右時，強力損失率CV值開始隨著摩擦次數的增加而降低，數據離散度逐漸趨于穩定，因而認為摩擦進入充分磨損的階段。在充分磨損階段，各樣品磨損區域的受磨損程度趨向一致，此時進行織物耐磨性能評價更加準確。因此設置預選測試，通過預選測試選擇適用于測試樣品的砂布目數和摩擦次數，使織物的強力損失率處于充分磨損階段，便于快速、準確地對織物耐磨性能進行測試評價。

圖6 摩擦次數與強力損失率及其CV 值的關系

預選測試階段初步挑選任意目數的砂布，設置建議初始摩擦次數100 次，若使用該砂布得到的強力損失率達到25%~35%，則認定該砂布磨損力度適合作為該織物測試磨料；若強力損失率低于25%，則應更換目數更低、鋒利度更高的砂布；若強力損失率高于35%，則應更換目數更高、鋒利度更低的砂布。若使用建議初始摩擦次數未能篩選到合適的砂布目數，可以通過改變摩擦次數獲得理想的預測試結果。然后使用篩選出的砂布目數作為該織物的測試磨料進行正式測試。正式測試時應設定初始摩擦次數的1.5 倍~2.5 倍作為正式測試摩擦次數，以期能在充分磨損階段獲得織物強力損失率，此時強力損失率CV值較小，測試效率高。

3.2.2預選測試流程

取樣：與原標準相同。

挑選磨料：根據預計測試樣品的耐磨程度挑選磨料。砂布主要包括60目、80目、100目、150目、200 目、240 目、320 目、400 目、600 目、800 目、1 000 目、1 200 目、1 500 目、2 000 目金剛石砂布和1 000 目、1 500 目、2 000 目、4 000 目樹脂砂布，粗糙程度依次降低，鋒利度降低。

設置測試參數：設置初始摩擦次數為100 次，壓力為13.4 N，張力為17.8 N。

3.2.3預選測試結果

3 種織物按照上述的測試方案進行測試，摩擦測試后測定強力損失率，測試結果如表2所示。

表2 不同織物適用的砂布

由表2 可知，3 種織物的強力損失率平均值均在25%~35%，強力損失率CV值均處于15%左右，相較于原測試標準所得數據的波動性明顯減小，因而所選砂布適合作為純棉織物、滌棉織物、滌綸織物的試驗磨料。

3.2.4正式測試結果

使用3.2.3 篩選出的砂布作為測試磨料，對3種織物進行正式摩擦測試，測試參數：壓力13.4 N，張力17.8 N，摩擦次數為200 次。織物強力損失率測試結果由每組6 塊樣品求平均值得出，測試結果如表3 所示。

表3 不同織物耐磨測試結果

由表3 可知，3 種織物的強力損失率明顯提高，強力損失率CV值明顯降低。測試方法改進后，數據離散度降低，測試效率和測試準確率提高。

對耐磨性能差異較大的織物進行橫向對比時，應選用耐磨性能較差織物的篩選結果作為測試磨料進行測試。

4 結論

（1）優選磨料，得出金剛石砂布和樹脂砂布作為測試磨料具有耐久性好、區分度高、與不同耐磨程度的織物適配性好的優勢。

（2）在鋒利度和負荷不變的情況下，織物強力損失率隨著摩擦次數的增加逐漸提高，強力損失率CV值隨著摩擦次數的增加而逐漸降低。

（3）本研究提出的測試方法包括預選測試和正式測試，該方法測試的結果較為穩定，對評價織物曲面磨損性能具有明顯效果。