織物摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)的研究進(jìn)展

摘 要：織物表面摩擦性能是織物最基本的力學(xué)性能之一，為更好地評(píng)估該性能，文章對(duì)織物摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)的研究和發(fā)展情況進(jìn)行了綜述，介紹了織物摩擦的研究背景、摩擦機(jī)理和研究歷程，以及織物表面摩擦性能測(cè)試裝置和織物摩擦聲測(cè)試方法，分析了織物摩擦性能測(cè)試裝置及織物摩擦聲的研究現(xiàn)狀及不足。分析發(fā)現(xiàn)：織物摩擦性能測(cè)試裝置在不斷改進(jìn)，但依舊存在精度問(wèn)題；KES系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，但KES系統(tǒng)價(jià)格昂貴且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，目前國(guó)際上并沒(méi)有通用織物摩擦聲測(cè)試裝置。文章最后展望了織物摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞：織物風(fēng)格；摩擦性能；聽(tīng)覺(jué)風(fēng)格；摩擦聲；測(cè)試方法；測(cè)試裝置

中圖分類號(hào)：TS103 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-265X（2024）04-0125-16

織物表面摩擦性能是指織物在彼此或與其他物質(zhì)摩擦?xí)r所表現(xiàn)出的固有物理屬性，是織物最基本的力學(xué)性能之一，對(duì)織物風(fēng)格評(píng)價(jià)有很大影響。織物風(fēng)格是織物本身所固有的性狀作用于人感官所產(chǎn)生的綜合效應(yīng)，廣義上可分為觸覺(jué)風(fēng)格、視覺(jué)風(fēng)格和聽(tīng)覺(jué)風(fēng)格。織物表面摩擦性能影響織物的平滑度以及滑糯與滑爽度等觸覺(jué)風(fēng)格評(píng)價(jià)，賦予織物豐富的表面手感。織物內(nèi)或織物間以及織物和其他物質(zhì)間摩擦?xí)r，會(huì)有低頻的振動(dòng)，產(chǎn)生聲譜，影響織物的聽(tīng)覺(jué)風(fēng)格，比如絲織物的“絲鳴”效果，使得在穿著過(guò)程中與皮膚接觸時(shí)獲得舒適的快感。視覺(jué)風(fēng)格中，由于織物表面并非完全光滑，其表面對(duì)光的反射程度不同，從而影響織物光澤。真絲織物的表面越光滑，其光澤就越好。同時(shí)，織物表面摩擦性能也會(huì)影響其服用性能，即織物的舒適性。除此之外，織物表面摩擦性能對(duì)后處理加工和某些特殊功能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

因此，研究織物的表面摩擦性能不僅有利于織物風(fēng)格評(píng)價(jià)以及織物設(shè)計(jì)，而且有助于在織物生產(chǎn)過(guò)程中控制其表面摩擦性能的影響因素，從而生產(chǎn)出滿足要求的織物，提升產(chǎn)品的服用性能，這對(duì)紡織品行業(yè)具有重要的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)織物摩擦的研究歷程和測(cè)試方法進(jìn)行綜述，以期為織物摩擦的相關(guān)研究與應(yīng)用提供參考。

1 織物摩擦性能的研究歷程

織物摩擦性能是織物風(fēng)格評(píng)價(jià)的重要力學(xué)指標(biāo)之一，各種力學(xué)性能對(duì)織物風(fēng)格起著決定性的作用。早在20世紀(jì)20年代，Binns［1-2］開(kāi)始研究織物風(fēng)格的客觀評(píng)價(jià)法。1930年P(guān)eirce［3］以織物的力學(xué)性能來(lái)評(píng)價(jià)織物風(fēng)格，采用懸臂梁法測(cè)得試樣的彎曲長(zhǎng)度，通過(guò)彎曲剛度評(píng)價(jià)織物風(fēng)格，從此拉開(kāi)了織物力學(xué)性能與風(fēng)格關(guān)系研究的序幕。目前測(cè)試面料在低負(fù)荷下基本力學(xué)行為的代表性儀器主要有Kawabata［4］研發(fā)的KES系統(tǒng)（Kawabata evaluation system）和澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究機(jī)構(gòu)（CSIRO）開(kāi)發(fā)的FAST系統(tǒng)（Fabric assurance by simple testing）［5］，而只有KES有測(cè)試織物表面摩擦性能的功能［6］。

織物內(nèi)纖維以及紗線間摩擦稱為面內(nèi)摩擦，用抽拔測(cè)試、剪切實(shí)驗(yàn)等表征；織物與其他物體接觸產(chǎn)生的摩擦稱為面間摩擦（又稱表面摩擦），一般采用摩擦系數(shù)和粗糙度、滑爽度來(lái)表征其表面摩擦性能。靜摩擦力用式（1）［7］表示為：

式中：Fs是滑動(dòng)前接觸時(shí)間的摩擦力，F(xiàn)i是初始摩擦力，M為分子個(gè)數(shù)，ΔFsj為靜態(tài)摩擦力。當(dāng)兩個(gè)表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，摩擦力F等于摩擦系數(shù)μ與施加法向載荷力N的乘積，即：

根據(jù)摩擦力F計(jì)算得出動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)μ。金屬和陶瓷適用于Amontons定律，而彈性體的摩擦不遵循Amontons定律［8］。對(duì)于在接觸區(qū)既有塑性變形又有彈性變形的高分子材料，發(fā)現(xiàn)摩擦力更好地用冪律行為表示［9］：

式中：C為摩擦參數(shù)；n為摩擦指數(shù)；A為表觀接觸面積，m2。Howell等［10］發(fā)現(xiàn)機(jī)織物、針織物和非織造布等許多紡織品的性能符合式（4）：

式中：a是摩擦常數(shù)；n是摩擦指數(shù)，取值在2/3和1之間，這兩個(gè)值分別是彈性變形和塑性變形的極限；a0是表面間的黏附力，即使在零載荷下，給出有限摩擦的黏附項(xiàng)（a0）也非常小［11-12］。

織物是由纖維集合或復(fù)合形成的片狀體，以及纖維聚集成形的紗線經(jīng)過(guò)編或織形成的紡織品。織物表面的摩擦性能與纖維種類、纖維組成和混紡比、紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如線密度、捻度等）、織物經(jīng)緯密和結(jié)構(gòu)組織、織造方式以及后整理等有關(guān)［13］。也有部分學(xué)者研究了摩擦速度、試樣寬度、張力、測(cè)量方向、濕度等試驗(yàn)條件對(duì)摩擦系數(shù)的影響［14-16］。評(píng)價(jià)織物表面摩擦性能的主要指標(biāo)包括織物表面摩擦系數(shù)和表面粗糙度，是評(píng)價(jià)織物手感的兩個(gè)重要力學(xué)特性指標(biāo)，也有一些研究人員提出用摩擦功［17］、表面摩擦因數(shù)分布等來(lái)表征纖維織物表面摩擦性能［18］。

2 織物表面摩擦性能的測(cè)試方法

織物摩擦性能的評(píng)價(jià)主要有感官評(píng)價(jià)和儀器測(cè)試評(píng)價(jià)。KES-FB4表面測(cè)試儀是國(guó)際上較為認(rèn)可的測(cè)試織物表面摩擦性能的裝置，裝置示意圖如圖1所示，其測(cè)頭設(shè)計(jì)是模仿人類手指來(lái)觸摸織物，共有兩個(gè)測(cè)頭。其中一個(gè)測(cè)頭是摩擦指1，由10根直徑0.5 mm的細(xì)鋼絲（模仿人指紋）組成，與織物接觸；另一個(gè)測(cè)頭是單一細(xì)鋼絲矩形環(huán)觸摸頭2，即摩擦指的單環(huán)，KES-FB4表面形狀測(cè)頭如圖2所示。接觸器連接到摩擦力傳感器，并在接觸器上施加正常負(fù)載P。織物在摩擦接觸器下進(jìn)行3 cm的平移運(yùn)動(dòng)，以1 mm/s的恒定速度移動(dòng)。

目前，對(duì)織物表面摩擦性能的研究日趨完善。織物表面摩擦性能的測(cè)試儀器按摩擦?xí)r測(cè)試臺(tái)形狀可以分為平面式和曲面式，其中曲面式又包括擺錘式和絞盤式；按摩擦?xí)r與織物接觸狀態(tài)可分為點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸；按摩擦運(yùn)動(dòng)方式可以分為往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或平面滑動(dòng)）摩擦和圓周運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)）摩擦；按與織物接觸的摩擦部分（即接觸頭）材質(zhì)可將其分為織物-金屬摩擦、織物-織物摩擦和織物-皮膚/仿皮膚摩擦。本文主要按不同接觸頭材質(zhì)介紹織物表面摩擦性能測(cè)試裝置。

2.1 織物-金屬摩擦性能測(cè)試裝置

傳統(tǒng)的織物表面摩擦性能裝置都是以金屬與織物進(jìn)行摩擦，通過(guò)改變不同摩擦環(huán)境、不同摩擦方式以及不同金屬摩擦頭形狀，來(lái)測(cè)試織物表面的摩擦性能。陳勝慧等［19］設(shè)計(jì)并制作了專用于測(cè)定浴中織物的濕摩擦系數(shù)的織物濕摩擦系數(shù)測(cè)試儀F-Tester，測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，并將濕摩擦系數(shù)作為特征值與浴中柔軟平滑性建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。Michielsen［11］ 開(kāi)發(fā)了一種新的摩擦測(cè)量裝置，如圖4所示，采用復(fù)合滑塊形成防護(hù)摩擦裝置，旨在直接分離變形基材所需的力和克服摩擦所需的力，并提供真正的滑動(dòng)摩擦。

翟亞麗等［20］ 基于斜面式設(shè)計(jì)了織物靜摩擦測(cè)試儀，如圖5所示，試樣（織物）3夾在活動(dòng)平板1上的鉗夾4及5之間，在平板上放置一銅制滑塊2，該儀器測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。任建等［21］設(shè)計(jì)了一種圓盤法來(lái)檢測(cè)織物的表面摩擦性能，圓盤法織物摩擦測(cè)量裝置如圖6所示，該方法是將 KES 測(cè)試方法中樣品的來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)改為圓周運(yùn)動(dòng)，測(cè)得織物在任意方向上的表面摩擦性能。

考慮到人手觸摸織物的方式，孫博［22］在圓盤法測(cè)試系統(tǒng)中將平面摩擦頭改為球面摩擦頭，圓盤法球面摩擦檢測(cè)示意圖如圖7所示，并通過(guò)小波分析方法和頻譜分析方法對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果可以從力學(xué)角度反應(yīng)織物表面的粗糙度。球面摩擦頭與待測(cè)樣品的接觸為點(diǎn)接觸，可以嵌入織物的紋理中，從而更加敏感地測(cè)試織物表面的摩擦性能。Gul等［15］也采用球形摩擦頭，設(shè)計(jì)了一種紡織品摩擦測(cè)量裝置，研究了機(jī)織毛織物的摩擦性能，并研究了緯紗密度、緯紗類型、測(cè)量方向和預(yù)緊力等因素對(duì)摩擦系數(shù)的影響。

還有學(xué)者在一些較為成熟的儀器上，通過(guò)設(shè)計(jì)和改造，得到可以測(cè)試織物摩擦性能的裝置。Kalebek等［23］在常規(guī)萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，研制出了一種基于水平工作原理測(cè)定纖維織物表面摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室儀器，見(jiàn)圖8織物摩擦平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置。Arshi等［12］使用調(diào)節(jié)箱研究了溫度和相對(duì)濕度變化對(duì)滌棉織物摩擦性能的影響，如圖9所示。運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)的峰值對(duì)應(yīng)于滑塊開(kāi)始運(yùn)動(dòng)所需的力為克服靜摩擦所需的力。取峰值和波谷的平均值（相當(dāng)于在黏滑脈沖中間畫一條直線）作為動(dòng)摩擦阻力，其值為靜力和動(dòng)摩擦力之差（Fs-Fx）。

針對(duì)現(xiàn)有織物表面摩擦性能測(cè)試儀器無(wú)法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試正壓力的變化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多方向的測(cè)試且測(cè)試指標(biāo)單一的問(wèn)題，李莎等［24］和Wang等［25］開(kāi)發(fā)了一套織物表面摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)，如圖10所示，該系統(tǒng)包括測(cè)試模塊和控制模塊兩大部分。織物裝夾在正壓力測(cè)量裝置上，摩擦力測(cè)量裝置在摩擦力測(cè)量驅(qū)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下進(jìn)行測(cè)試，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地測(cè)試正壓力的變化以及多方向的測(cè)試。通過(guò)控制模塊中的測(cè)控軟件對(duì)測(cè)試過(guò)程實(shí)時(shí)控制，同時(shí)顯示摩擦系數(shù)、正壓力和摩擦力的數(shù)值大小和變化曲線。Parmarb等［26］基于擺錘原理，設(shè)計(jì)并研制了一種測(cè)量棉織物光滑度的儀器，見(jiàn)圖11擺錘法織物光滑度測(cè)試儀，采用方差分析的方法研究了不同工藝對(duì)織物表面光滑度的影響。該儀器能夠測(cè)出各種預(yù)處理和精加工后表面特性的變化。

馮萌雨等［27］設(shè)計(jì)了一種多方向可控的織物摩擦測(cè)試儀，如圖12所示，在測(cè)試過(guò)程中，可以根據(jù)模擬場(chǎng)景的不同更換摩擦頭，壓力、速度均可調(diào)，可以實(shí)時(shí)獲得織物經(jīng)緯4個(gè)方向的位移-力值摩擦曲線。

金屬摩擦測(cè)試頭的形狀主要分為金屬環(huán)、平面、弧面和球面，根據(jù)摩擦部件的形狀和大小，織物摩擦性能測(cè)試裝置可以分為點(diǎn)接觸式、線接觸式和面接觸式3種類型。織物與金屬摩擦頭的摩擦性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用于各種類型的織物，最早用于測(cè)量織物在干燥狀態(tài)下與金屬表面之間的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。這種測(cè)試裝置除了可以評(píng)價(jià)對(duì)比織物的摩擦性能，也適用于評(píng)價(jià)織物的耐磨性和抗起球性。織物-金屬之間的摩擦性能測(cè)試裝置正朝著一體化、多指標(biāo)可控、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試并監(jiān)測(cè)等方向發(fā)展，也有部分學(xué)者考慮到織物摩擦?xí)r溫濕度等環(huán)境的影響。但這類裝置不能模擬織物在濕潤(rùn)狀態(tài)下或與其他非金屬材料之間的摩擦行為，也不能反映出織物的表面粗糙度、厚度、彈性等因素對(duì)摩擦性能的影響。

2.2 織物-織物摩擦性能測(cè)試裝置

為深入了解和評(píng)估織物的摩擦性能，一些學(xué)者開(kāi)始對(duì)織物間相互摩擦的方式進(jìn)行研究，首先就是在一些基礎(chǔ)儀器上進(jìn)行設(shè)計(jì)和改裝，實(shí)現(xiàn)織物與織物之間的摩擦。在KES-FB4表面測(cè)試儀基礎(chǔ)上，Chassagne等［28］設(shè)計(jì)了一種摩擦接觸器，并將該接觸器連接到KES-FB4摩擦力傳感器，并提出一種簡(jiǎn)單的織物-織物摩擦表征方法，基于KES的織物-織物摩擦性能測(cè)試裝置如圖13所示。

Ajayi ［29］對(duì)Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了改裝，研究了機(jī)織物和針織物的摩擦性能，使用了其他幾個(gè)新的摩擦參數(shù)，包括摩擦阻力、峰值數(shù)、阻力幅值以及靜摩擦力和動(dòng)摩擦力的差值。探討了法向壓力、滑塊速度、重復(fù)次數(shù)和滑塊表面的性質(zhì)對(duì)這些摩擦參數(shù)的影響。呂柏祥等［30］在Instron強(qiáng)伸儀上加裝附件后用來(lái)測(cè)定織物摩擦性能的方法，測(cè)定了用織物本身、麂皮和金屬作摩料以及不同緯密和紗捻系數(shù)的影響。Fetfatsidis等［31-32］使用Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)拉動(dòng)織物，在Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)了一款摩擦測(cè)試裝置，用于測(cè)量復(fù)合材料成形過(guò)程中刀具與織物之間以及相鄰織物層之間的摩擦。該測(cè)試裝置采用主動(dòng)控制，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中保持法向力，因此可以表征靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)。Enric等［33］ 用改良版Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量織物的摩擦力，見(jiàn)圖14，研究了仿絲整理過(guò)程中各因素對(duì)絲織物摩擦性能的影響。織物與金屬摩擦被證明比織物與織物摩擦更準(zhǔn)確地反映了仿絲綢整理的影響。

張毅等［34］通過(guò)在YG-001單纖維電子強(qiáng)力儀上加裝附件設(shè)計(jì)了一摩擦測(cè)量裝置，如圖15所示，采用絞盤法測(cè)定織物表面摩擦性能。Kuhm等［35］研究織物的滾動(dòng)摩擦行為，并將一些摩擦學(xué)特征插入處理系統(tǒng)模型中，提出了一個(gè)特定的織物/輥摩擦工作臺(tái)。摩擦系數(shù)由絞盤方程計(jì)算得到。對(duì)不同紡織織物、聚合物和紙網(wǎng)的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化進(jìn)行了量化。Xiang等［36］采用絞盤法研制了一種摩擦測(cè)量裝置，通過(guò)研究沿軸向和軸向位錯(cuò)的層間接觸機(jī)制，研究了織物/織物的摩擦行為；利用織物/織物層間摩擦特性改善卷繞工藝，從而改善織物卷繞質(zhì)量。

Lima等［37］基于環(huán)形體摩擦平面設(shè)計(jì)了FRICTORQ設(shè)備，如圖16所示，用于獲取織物摩擦系數(shù)，研究織物與織物間的摩擦，該儀器可用于研究在縫制過(guò)程中織物的摩擦情況。Das等［38］利用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的儀器對(duì)各種織物的摩擦和表面粗糙度特性進(jìn)行了測(cè)試，研究了織物與金屬表面和織物與織物的摩擦特性（在經(jīng)緯方向上）；該研究發(fā)現(xiàn)，織物與金屬之間的摩擦對(duì)織物形態(tài)和摩擦方向不太敏感，而織物與織物之間的摩擦對(duì)這些因素高度敏感。Allaoui等［39-40］建立了分析織物/織物、織物/金屬織物、織物/金屬以及纖維/纖維摩擦測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，但該裝置主要應(yīng)用于織物/織物干摩擦。Moorthy等［41］根據(jù)ASTM D1894標(biāo)準(zhǔn)使用計(jì)算機(jī)輔助摩擦測(cè)試儀測(cè)量織物摩擦系數(shù)，如圖17所示，該摩擦測(cè)試儀專門用于表征纖維、紗片、織物、非織造布、聚合物薄膜、復(fù)合材料等相關(guān)紡織品的摩擦，并通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)織物表面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力來(lái)確定各種摩擦參數(shù)。

采用織物與金屬間摩擦方式，通過(guò)在金屬觸摸頭上附加織物可以實(shí)現(xiàn)織物與織物間摩擦。織物與織物間的摩擦性能測(cè)試裝置主要適用于評(píng)價(jià)織物的舒適性和功能性，是一種更接近實(shí)際使用條件的測(cè)試方法，它可以模擬織物在疊層狀態(tài)下或與其他織物之間的摩擦行為。織物-織物間摩擦多為平面摩擦方式，其摩擦性能測(cè)試裝置多在基礎(chǔ)儀器上進(jìn)行設(shè)計(jì)和改裝，簡(jiǎn)單快捷。織物-織物間摩擦性能測(cè)試裝置的優(yōu)點(diǎn)是能夠考慮到織物之間的相互作用，可以反映出不同纖維、紗線、組織結(jié)構(gòu)等因素對(duì)摩擦性能的影響。它的缺點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果受試樣制備、加載方式、運(yùn)動(dòng)速度等條件的影響較大，難以保證測(cè)試結(jié)果的一致性和可比性。

2.3 織物-皮膚摩擦性能測(cè)試裝置

當(dāng)人們穿著衣服時(shí)，皮膚和織物之間會(huì)出現(xiàn)摩擦。這種摩擦力是織物在皮膚上滑動(dòng)時(shí)對(duì)皮膚表面的切向力。織物-皮膚界面的摩擦是運(yùn)動(dòng)和工作活動(dòng)中皮膚損傷（刺激、擦傷和水泡）的關(guān)鍵因素，如果接觸壓力和剪切力很高或持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，這些損傷是由循環(huán)機(jī)械載荷引起的。在20世紀(jì)80年代初，研究了皮膚濕度對(duì)織物質(zhì)地和舒適性感知的影響。在不同的環(huán)境條件下，用簡(jiǎn)單的張緊計(jì)測(cè)量織物與人體皮膚之間的摩擦：中性（舒適）、熱干和熱濕［42］。隨后，在20世紀(jì)90年代，也用類似的方法研究了水分、纖維類型和織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)織物與皮膚摩擦性能的影響［43］，并提出了用摩擦系數(shù)來(lái)描述織物材料與人體皮膚之間的摩擦特性。按照適用對(duì)象的不同，可將織物與皮膚間摩擦性能測(cè)試裝置分為織物與人體皮膚間摩擦性能測(cè)試裝置和織物與模擬皮膚間摩擦性能測(cè)試裝置。

2.3.1 織物與人體皮膚間摩擦性能測(cè)試裝置

根據(jù)織物與人體皮膚間摩擦特性測(cè)試設(shè)備的工作方式，可將其分為臺(tái)式和體式。臺(tái)式測(cè)試設(shè)備大多是通過(guò)固定皮膚的位置，推動(dòng)織物以一定的速度在皮膚表面運(yùn)動(dòng)［44］，而體式則是通過(guò)人體皮膚的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)織物與皮膚表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

Gwosdow［42］用彈簧秤測(cè)量前臂上的織物拉力，記錄了6種不同的織物（精紡羊毛、拉絲棉、棉布、絲綢、亞麻和粗麻布）穿過(guò)受試者前臂的摩擦力以及受試者對(duì)紋理和愉悅度的評(píng)分。滑動(dòng)表面的摩擦特性通常用摩擦系數(shù)來(lái)描述，其定義為平行于表面的阻力與壓在表面上的法向力的比值。Kenins［43］設(shè)計(jì)了一款用于測(cè)量織物與皮膚摩擦的設(shè)備（見(jiàn)圖18），測(cè)試時(shí)將5 g和50 g的重物懸掛在織物的一端，以在織物和皮膚之間施加壓力，通過(guò)將力傳感器直接連接到織物上，實(shí)驗(yàn)測(cè)量距離確保了皮膚與織物摩擦的測(cè)量與測(cè)量系統(tǒng)中任何其他部分發(fā)生的摩擦隔離開(kāi)來(lái)。王旭等［45-46］在XL-1紗線強(qiáng)力儀上加裝摩擦裝置改造成織物皮膚摩擦試驗(yàn)儀（見(jiàn)圖19），通過(guò)將織物繞過(guò)人體前臂外側(cè)，與前臂皮膚曲面進(jìn)行摩擦的方式，研究了織物與人體前臂皮膚的摩擦性能，提出了4個(gè)參數(shù)（靜摩擦力Fs、平均動(dòng)摩擦力Fd、動(dòng)摩擦力的平均差不勻率FMD和數(shù)次摩擦力的變異系數(shù)CV）來(lái)描述摩擦行為。

姜瑞濤等［47］在圖20所示的三維運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上，采集移動(dòng)的織物試樣與人手指之間的摩擦振動(dòng)信號(hào)。基于時(shí)頻聯(lián)合分析，提取摩擦信號(hào)的頻率-時(shí)間信息和能量-頻率信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)織物/指尖摩擦振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻局部分析。Li等［48］采用如圖21所示的UMT-2摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)6種不同的個(gè)人防護(hù)裝備織物與前臂背部皮膚進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，獲得其動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)，研究應(yīng)用于個(gè)人防護(hù)裝備內(nèi)襯的摩擦實(shí)驗(yàn)，并研究不同法向力和皮膚表面水化程度的不同皮膚樣品的摩擦特性。

織物與人體皮膚摩擦測(cè)試時(shí)，多是人體皮膚保持不動(dòng)，移動(dòng)織物使織物與皮膚間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。部分學(xué)者研究了當(dāng)織物靜止不動(dòng)時(shí)，人體移動(dòng)使織物和皮膚兩者間相互摩擦。Gerhardt等［16］在研究皮膚水化對(duì)皮膚-紡織品摩擦的影響時(shí)，將皮膚分析與力板摩擦實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，掌側(cè)前臂通過(guò)在力板上的紡織品上以往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦確定皮膚摩擦阻力，通過(guò)檢查電壓表的針偏轉(zhuǎn)來(lái)控制正常負(fù)載，如圖22所示。考慮到測(cè)試時(shí)移動(dòng)速度和壓力控制問(wèn)題，余闖［49］和Tang等［50］設(shè)計(jì)了一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦試驗(yàn)臺(tái)見(jiàn)圖23，進(jìn)行了手指接觸織物過(guò)程的摩擦振動(dòng)試驗(yàn)。受試者將手指放置于平臺(tái)孔上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)1調(diào)整手指放置平臺(tái)高度，保證手指的觸摸壓力在0.8 N左右。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)2控制三軸力傳感器移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指與織物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)CoCo80信號(hào)采集儀采集摩擦和振動(dòng)信號(hào)，并用MATLAB軟件對(duì)采集的摩擦振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行拼接、標(biāo)定、線性趨勢(shì)去除等預(yù)處理操作。

織物與皮膚間的摩擦性能測(cè)試裝置是一種最貼近人體感覺(jué)的測(cè)試方法，模擬織物在穿著狀態(tài)下或與皮膚之間的摩擦行為，更真實(shí)地反映織物與皮膚之間的摩擦行為和感覺(jué)。這種測(cè)試裝置的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接測(cè)量人體對(duì)織物摩擦感覺(jué)的主觀評(píng)價(jià)，反映出織物對(duì)皮膚健康和舒適感覺(jué)的影響。它的缺點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果受到人體個(gè)體差異、皮膚狀態(tài)、環(huán)境溫濕度等因素的影響較大，無(wú)論是推動(dòng)織物在皮膚表面運(yùn)動(dòng)還是使人體皮膚在織物表面移動(dòng)，由于個(gè)體差異和難以控制摩擦力度等問(wèn)題，其結(jié)果往往存在誤差且數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定、重復(fù)性差。由于人體皮膚的敏感性，測(cè)試過(guò)程可能對(duì)皮膚造成損傷或不適，影響測(cè)試者的主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)量。這種測(cè)試裝置主要適用于評(píng)價(jià)織物在醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、服飾等領(lǐng)域中對(duì)人體皮膚接觸感覺(jué)的影響，更適合用于初步篩選或比較織物的摩擦特性，而不適合用于精確或標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試。

2.3.2 織物與模擬皮膚間摩擦性能測(cè)試裝置

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了仿人體皮膚材料，并有部分學(xué)者將其運(yùn)用到織物摩擦領(lǐng)域。Derler等［51］、Bertaux等［52］和Gerhardt等［53］基于滑動(dòng)式開(kāi)發(fā)了紡織品摩擦分析儀TFA（見(jiàn)圖24），采用由帶有聚氨酯涂層的聚酰胺羊毛組成的人造皮革材料（Lorica Soft）模擬干燥的人體皮膚，并通過(guò)測(cè)試皮膚與織物之間的摩擦接觸，研究了機(jī)織織物和針織物摩擦與觸覺(jué)性能的關(guān)系。Van Amber等［54］將紡織品摩擦分析儀（TFA） 連接到Instron拉伸測(cè)試儀，測(cè)量了襪子織物和合成皮膚之間的摩擦系數(shù)（μ），利用水平平臺(tái)法測(cè)量纖維類型（細(xì)羊毛、微米尺度羊毛、腈綸）、紗線類型（高捻、低捻、單捻）和織物結(jié)構(gòu)（單捻、半毛圈、毛圈）對(duì)襪子織物與合成皮膚之間摩擦的綜合影響。

Ezazshahabi等［55-56］采用綿羊皮模擬觸摸時(shí)的皮膚特征，設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)以評(píng)估織物與皮膚在不同方向上的觸覺(jué)力，如圖25所示，分析織物在各個(gè)方向上的摩擦性能。此外，定義了一個(gè)稱為“摩擦能”的單一新參數(shù)，該參數(shù)能夠正確量化織物的摩擦行為。該系統(tǒng)主要是為了研究織物的摩擦性能，并能快速和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)織物的摩擦性能。姚寶國(guó)等［17］采用不同摩擦系數(shù)的硅膠模擬皮膚表面，研制了一種能測(cè)試織物表面動(dòng)態(tài)摩擦特性的機(jī)械測(cè)試裝置，基于測(cè)試過(guò)程中采集的原始數(shù)據(jù)，定義了摩擦功、靜摩擦系數(shù)及動(dòng)摩擦系數(shù)3個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)織物表面的摩擦特性。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，仿生手指的研究不斷發(fā)展，并在織物表面摩擦領(lǐng)域得到應(yīng)用。Kim等［57］提出通過(guò)測(cè)量手指皮膚與材料表面之間的摩擦來(lái)區(qū)分不同表面的方法，制備了與皮膚具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)（或機(jī)械）兼容性的樣品表面，如圖26所示。使用手指摩擦測(cè)量確定了兩個(gè)因素，首先是摩擦水平，其次是摩擦方差。對(duì)法向載荷與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了線性回歸分析，并利用擬合參數(shù)來(lái)映射表面材料響應(yīng)。Chen等［58］采用仿生手指（BioTac，SynTouch LLC）同時(shí)測(cè)量指尖在織物和紙張上的振動(dòng)信號(hào)，如圖27所示，當(dāng)傳感器在紋理表面滑動(dòng)時(shí)，由滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的微振動(dòng)被轉(zhuǎn)化為流體壓力振動(dòng)。測(cè)量摩擦系數(shù)和摩擦振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)記錄和分析指尖摩擦刺激的大腦響應(yīng)信號(hào)。

織物與模擬皮膚間摩擦性能測(cè)試裝置是一種使用人造材料模擬人體皮膚的儀器。仿生皮膚與仿生手指的出現(xiàn)，使織物與皮膚間摩擦測(cè)試結(jié)果更具有客觀性，提高測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。它也可以根據(jù)不同的需求，選擇不同的模擬皮膚材料，如硅膠、聚氨酯、聚乙烯等，以模擬不同類型和狀態(tài)的人體皮膚。但由于目前還沒(méi)有一種模擬皮膚材料能夠完全復(fù)制人體皮膚的結(jié)構(gòu)和功能，測(cè)試結(jié)果可能與真實(shí)情況存在一定的偏差，測(cè)試精度依賴于仿生皮膚技術(shù)發(fā)展。由于模擬皮膚材料的制備過(guò)程較為復(fù)雜和昂貴，測(cè)試成本也相對(duì)較高。因此，這種測(cè)試裝置更適合用于精確或標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試，而不適合用于大量或快速的測(cè)試。

3 織物摩擦聲測(cè)試方法

在織物摩擦性能研究中，人們也開(kāi)始對(duì)面料摩擦聲音進(jìn)行研究，以滿足消費(fèi)者對(duì)面料聽(tīng)覺(jué)屬性影響服裝舒適性的需求。聲學(xué)方法為紡織性能提供了一種客觀的測(cè)試方法。

Thorsen等［59-60］介紹了一種高度穩(wěn)定和靈敏的纖維和織物摩擦聲分析儀，給出了3種典型織物和一種羊毛的聲壓曲線。該儀器分為上下兩部分，將兩個(gè)圓形織物樣品分別夾持在上腔體和下腔。當(dāng)兩塊織物相互摩擦?xí)r，織物之間的纖維會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲音。Eunjou等［61-62］設(shè)計(jì)了一套聲學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)MAFN，如圖28所示，研究了機(jī)織物［63］和針織物［64］的摩擦聲信號(hào)。基于快速傅里葉變換譜的自回歸模型獲得了全聲級(jí)壓（LPT）、聲色因子（ΔL和Δf）、三系數(shù)（ARC、ARF、ARE）等聲學(xué)參數(shù)［65］、來(lái)自Zwicker心理聲學(xué)模型的響度（Z）和銳度（Z）［66］，并與KES 測(cè)得的力學(xué)性能對(duì)比分析。Lee等［67］采用模擬人體運(yùn)動(dòng)的第四代MAFN儀器測(cè)量織物的聲音參數(shù)。如圖29所示，該儀器采用硅材料制成的手臂和腿形狀的摩擦器，使得在所有速度下產(chǎn)生的噪音更低。

Wang等［68］研制了一種能產(chǎn)生可重復(fù)的織物聲的儀器，通過(guò)記錄由儀器產(chǎn)生的織物沙沙聲來(lái)研究織物聲音的特征，采用快速傅立葉變換分析，研究變速摩擦兩種織物時(shí)的聲音特性。Schlober等［69］設(shè)計(jì)了TSA柔軟度測(cè)試儀（見(jiàn)圖30），測(cè)試時(shí)，將一個(gè)翼輪以適當(dāng)?shù)膲毫涸谠嚇由希钥蛇x擇的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，試樣上出現(xiàn)一個(gè)“抓撓痕跡”。聲音將通過(guò)麥克風(fēng)記錄，并通過(guò)傅立葉轉(zhuǎn)換成聲音頻譜圖。

Cooper等［70-71］發(fā)現(xiàn)了一種記錄和分析模型織物（均勻單纖維滌綸網(wǎng)）和服裝織物摩擦聲的方法，并建立了微觀結(jié)構(gòu)與摩擦聲發(fā)射的關(guān)系，同時(shí)還研究了表面改性對(duì)聲發(fā)射的影響。Wang等［72］設(shè)計(jì)了一種新型摩擦聲自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（FSAMS）（見(jiàn)圖31），該系統(tǒng)用于研究天然纖維機(jī)織織物摩擦產(chǎn)生的摩擦聲。采用快速傅立葉變換方法將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，計(jì)算得到棉、麻、絲、毛的全聲最大聲幅和總聲壓。

Yosouf等［73］開(kāi)發(fā)了一種模擬人在走路時(shí)手臂和織物相對(duì)運(yùn)動(dòng)的儀器，如圖32所示，該儀器是為了再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度，以及施加在軀干外側(cè)的手臂壓力和摩擦區(qū)域。利用采集和處理信號(hào)范圍，獲得了一組與織物間摩擦產(chǎn)生的聲音相關(guān)的音軌，并對(duì)該聲音進(jìn)行分析，以識(shí)別織物間摩擦聲特征。Leclinche等［74］通過(guò)一個(gè)再現(xiàn)行走過(guò)程中手臂下產(chǎn)生的摩擦的裝置獲得摩擦聲，見(jiàn)圖33，并使用快速傅立葉變換分析進(jìn)行記錄和分析織物和仿人皮膚的硅膠之間摩擦聲的特性，并確定聲音參數(shù)與經(jīng)典防護(hù)服裝面料的機(jī)械性能之間的相關(guān)性。

Tao等［75］將織物包裹在可移動(dòng)的麥克風(fēng)上，下降觸摸同種樣品織物并向右移動(dòng)，如圖34所示。采集摩擦信號(hào)，利用哈爾特征建立的鑒別器將織物摩擦聲分類為其材料類別。Tuvshinbayar等［76］使用電唱機(jī)來(lái)旋轉(zhuǎn)不同的棉織物，并測(cè)試不同材料的精細(xì)針尖（如塑料吸管、鋼筆、玻璃針尖等）觸摸旋轉(zhuǎn)的紡織織物時(shí)的摩擦聲信號(hào)，通過(guò)聲音區(qū)分不同的紡織面料，如圖35所示。

織物摩擦聲測(cè)試多采用織物與織物間摩擦方式產(chǎn)生聲信號(hào)；織物與人體皮膚間的摩擦，部分學(xué)者采用硅膠等材料模擬人體皮膚，研究織物與皮膚間的摩擦聲信號(hào)。織物摩擦聲的相關(guān)研究較少，其聲信號(hào)中包含許多織物信息，但由于聲信號(hào)的復(fù)雜，對(duì)織物聲信號(hào)的研究一直未深入，仍有許多研究空間。環(huán)境對(duì)聲音的獲取有很大影響，應(yīng)考慮盡量減少除測(cè)試聲音外的噪聲，如環(huán)境噪音和機(jī)械噪音等。

4 結(jié)語(yǔ)

織物的表面摩擦性能是評(píng)價(jià)織物風(fēng)格和舒適性的重要力學(xué)特性之一，可為織物的性能評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制提供重要的科學(xué)依據(jù)。本文綜述了織物摩擦性能的研究歷程，并從與織物接觸的摩擦部分材質(zhì)出發(fā)，介紹了織物-金屬摩擦、織物-織物摩擦和織物-皮膚/仿皮膚的織物表面摩擦性能測(cè)試裝置，以及織物摩擦聲測(cè)試裝置。

目前，織物摩擦性能在紡織領(lǐng)域依舊是研究重點(diǎn)，但較少考慮織物摩擦產(chǎn)生的聲音，織物風(fēng)格中聽(tīng)覺(jué)風(fēng)格的研究相比觸覺(jué)風(fēng)格和視覺(jué)風(fēng)格的研究也較少。織物摩擦性能測(cè)試裝置不斷改進(jìn)，但依舊存在精度問(wèn)題，只有KES系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，但KES系統(tǒng)價(jià)格昂貴且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，而織物摩擦聲測(cè)試裝置國(guó)際上并沒(méi)有通用測(cè)試儀器。

前期的研究已為人們進(jìn)行織物摩擦性能測(cè)試提供了方法上的指導(dǎo)，為提高織物摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，今后可從微觀接觸模型角度入手，研究織物與機(jī)械間、織物與紗線間、織物與其他物質(zhì)間的理論模型，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。織物摩擦聲信號(hào)中包含很多織物的特征信息，后續(xù)研究需完善織物摩擦聲測(cè)試方法，明確織物摩擦聲信號(hào)指標(biāo)，利用物理聲音參數(shù)量化各種織物的聲色，并研究他們與力學(xué)性能的關(guān)系。

總之，對(duì)織物摩擦性能的研究正處于并將長(zhǎng)期處于不斷探索和完善的階段，仍需要進(jìn)行大量的研究。

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Research progress of fabric friction performance test system

TIAN" Yuan1，" DU" Zhaoqun1，" ZHENG" Dongming2，" ZOU" Haochen2

Abstract： "Friction performance is an important index to measure the friction behavior of fabric materials， which is of great significance for the design， production and application of textiles. With the development of textile science and technology， the research and improvement of fabric friction performance test system has attracted more and more attention， because friction determines the quality of fiber products processing links such as spinning， weaving， knitting and finishing. As one of the most basic mechanical properties of the fabric， the friction performance of the fabric surface affects the fabric style and wearability. Fabric style is the comprehensive effect of the inherent properties of the fabric itself on the human senses. The surface friction performance of the fabric affects the tactile style evaluation of the smoothness， slipperiness and waxiness， and clamminess of the fabric， and gives the fabric a rich surface handle. In order to better evaluate the performance of the fabric in the friction process， the friction performance of the fabric was quantitatively and qualitatively evaluated. The research and development of the fabric friction performance test system were reviewed. The research background， friction mechanism and research process of fabric friction were introduced. Starting from the material of the friction part in contact with the fabric， the fabric-metal friction， fabric-fabric friction and fabric-skin/skin-like fabric surface friction performance test devices were introduced.

When friction occurs within or between fabrics and between fabrics and other substances， there will be low-frequency vibration， which will produce a sound spectrum and affect the fabric's acoustic style. More and more people have realized that fabric sound is one of the key factors that determine the performance of fabrics. By studying the sound generated by fabric friction， the acoustic characteristics related to fabric structural factors and auditory sensation are determined to meet the growing consumer demand for fabrics' auditory properties affecting clothing comfort. The test method of fabric friction sound was introduced， but there is no universal test instrument for fabric friction sound test device in the world.

The research of the fabric friction performance test system aims to accurately and reliably evaluate the friction performance of fabric materials， provide scientific basis for textile design and application， and is of great significance in the field of textile science and technology. The surface friction performance of the fabric will also affect its wearability， that is， the comfort of the fabric， and the surface friction performance of the fabric will also have a certain impact on the post-processing and some special functions. Through in-depth understanding of the friction behavior and performance characteristics of fabrics， it can provide scientific basis for the design， production and application of fabric materials， and promote the development and innovation of the textile industry. However， further research and improvement of test methods are still needed to improve the accuracy and practicability of the test system to meet the needs of the developing textile industry.

Keywords： fabric style; friction performance; auditory style; friction sound; test method; testing device

收稿日期：2023-08-14 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-12-16

基金項(xiàng)目：江西省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科技計(jì)劃項(xiàng)目（GSJK202221）；上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃自然科學(xué)基金項(xiàng)目（22ZR1400500，20ZR1400200）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52173218）；福州市科技計(jì)劃項(xiàng)目科技重大項(xiàng)目（2022-ZD-007）

作者簡(jiǎn)介：田源（1996—），女，吉林遼源人，博士研究生，主要從事紡織材料與紡織品設(shè)計(jì)方面的研究。

通信作者：杜趙群，E-mail：duzq@dhu.edu.cn