肖彩勤， 孫豐鑫， 高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

織物的起皺現(xiàn)象被認(rèn)為是服裝在洗滌或穿著過程中承受搓揉擠壓等多重作用而引起的織物黏塑性形變，它直接影響了織物的服用性能和外觀美感[1]?？椢锿庥^平整度作為紡織材料保形性的一個(gè)重要特性，其量化了織物經(jīng)過復(fù)雜外載作用后的折皺及其回復(fù)程度，是織物外觀品質(zhì)和服裝市場(chǎng)價(jià)值的重要量度[2-3]。

織物外觀平整度表征的傳統(tǒng)方法是采用經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)洗滌或起皺處理后的織物樣品，由專業(yè)評(píng)委通過與標(biāo)準(zhǔn)樣照比較進(jìn)行目測(cè)評(píng)估，主要參照標(biāo)準(zhǔn)有AATCC 124—2010 《織物經(jīng)多次家庭洗滌后的外觀平整度測(cè)定》、AATCC 128—2010《織物折皺回復(fù)性：外觀法》與GB/T 13769—2009《紡織品 評(píng)定織物經(jīng)洗滌后外觀平整度的試驗(yàn)方法》[4]。然而，主觀評(píng)價(jià)易受個(gè)體經(jīng)驗(yàn)影響，顯示出精度低、再現(xiàn)性差的特點(diǎn)，且人工成本以及時(shí)間成本高。近年來，儀器測(cè)量圖像技術(shù)的應(yīng)用在折皺評(píng)估方面起到重要作用，提升了織物外觀平整度評(píng)價(jià)的客觀性?；诙S圖像方法，采用掃描儀或工業(yè)面陣相機(jī)捕捉織物樣品的二維數(shù)字圖像，提取折皺灰度表面積和陰影面積[5]；或通過小波分析的變異值、偏移量[6]，灰度共生矩的對(duì)比度、相關(guān)系數(shù)、熵[7-8]等作為織物折皺水平的特征指標(biāo)以量化織物外觀平整度。另外，三維圖像方法利用織物樣品的三維深度圖像為原始數(shù)據(jù)，通過雙目立體視覺結(jié)合分形維數(shù)[9]，或借助激光三角測(cè)量[10]等技術(shù)來客觀評(píng)定外觀平整度等級(jí)。然而，圖像技術(shù)本質(zhì)上也如主觀評(píng)價(jià)一樣屬于視覺原理評(píng)價(jià)，難以克服織物顏色與紋理對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

近來研究發(fā)現(xiàn)，織物的起皺和屈曲失穩(wěn)等現(xiàn)象與織物固有的物理力學(xué)性能密切相關(guān)[11-12]，力學(xué)表征不僅有利于避免視覺測(cè)試方法帶來的弊端，而且有助于探討織物起皺的本征物理因素，具有潛在的研究意義。因此，本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)在時(shí)間和空間上對(duì)織物材料實(shí)施連續(xù)測(cè)試(原位)的織物外觀平整度的力學(xué)測(cè)試手段，能夠有效提升具有復(fù)雜圖案和紋理的織物外觀平整度評(píng)級(jí)的魯棒性，通過相關(guān)性分析闡釋力學(xué)測(cè)試特征指標(biāo)與織物起皺響應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，采用逐步回歸法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型表征織物外觀平整度等級(jí)，并借助1組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了力學(xué)方法的可行性與測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了織物外觀平整度的客觀評(píng)價(jià)。

1 織物外觀平整度力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

織物外觀平整度力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括檢測(cè)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括移動(dòng)板、測(cè)試板、試樣夾持器以及精度為0.03%、測(cè)量范圍為-500～500 cN 的力傳感器；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括伺服電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)齒輪和絲桿[13-14]。為保證測(cè)試過程中織物彎曲屈曲的穩(wěn)定性，待測(cè)織物通過移動(dòng)板和測(cè)試板上的2個(gè)彈性?shī)A持器夾持，形成的夾持面呈倒八字形自然微懸狀態(tài)。伺服電動(dòng)機(jī)控制移動(dòng)板在垂直于移動(dòng)板的方向并相對(duì)于測(cè)試板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而形成后屈曲誘導(dǎo)的織物多重形變。與此同時(shí)，力傳感器實(shí)時(shí)采集織物的受力情況，并且通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄移動(dòng)板的位移情況，于控制面板輸出力-位移測(cè)試曲線。其中兩鉗口之間的水平距離、最大壓縮力和最大壓縮力的保持時(shí)間，以及試樣條寬度可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)整[15]。

圖1 織物外觀平整度力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of evaluation system for fabrics smoothness appearance

1.2 測(cè)試原理

織物外觀平整度力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)通過構(gòu)建織物多重形變，提取織物各構(gòu)形下的力學(xué)響應(yīng)特征，實(shí)現(xiàn)一次性完成織物折皺回復(fù)性、壓縮回彈性和拉伸回彈性的連續(xù)測(cè)試，從而綜合評(píng)價(jià)織物的外觀平整度。圖2示出原位力學(xué)測(cè)試過程與主要特征階段。根據(jù)織物典型的多形態(tài)形變特征，可將測(cè)試過程分為6個(gè)測(cè)試階段：I彎曲屈曲階段、II壓縮階段、III折皺回復(fù)階段、IV伸直階段、V拉伸階段、VI拉伸回復(fù)階段。

在I彎曲屈曲階段，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制移動(dòng)板向測(cè)試板進(jìn)行移動(dòng)，織物開始在測(cè)試板和移動(dòng)板之間彎曲，形成織物的彎曲屈曲形變；移動(dòng)板繼續(xù)向測(cè)試板靠近直至彎曲屈曲的織物兩翼彼此接觸，折疊后的織物被移動(dòng)板和測(cè)試板壓縮，壓縮過程直到力傳感器監(jiān)測(cè)到織物的受力到達(dá)最大壓縮力的設(shè)定值時(shí)，移動(dòng)板停止壓縮，并且保持一定的壓縮停滯時(shí)間，以增強(qiáng)織物的折皺性，此刻完成了II壓縮階段測(cè)試。接著移動(dòng)板反向遠(yuǎn)離測(cè)試板運(yùn)動(dòng)，使經(jīng)過彎曲和壓縮的織物形變逐漸回復(fù)，直到移動(dòng)板回到測(cè)試的起始位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)III折皺回復(fù)階段。織物逐漸由微懸彎曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，移動(dòng)板繼續(xù)反向運(yùn)動(dòng)，織物由伸直狀態(tài)開始拉伸，直到織物的受力到達(dá)設(shè)定的最大拉伸力，完成V拉伸階段測(cè)試，最后移動(dòng)板通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開始向測(cè)試板靠近，直至到達(dá)測(cè)試的起始位置移動(dòng)板停止運(yùn)動(dòng)，完成VI拉伸回復(fù)階段測(cè)試。

織物外觀平整度力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)在這6個(gè)測(cè)試階段連續(xù)記錄織物多重形態(tài)，同時(shí)力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)織物變形過程中的力學(xué)響應(yīng)，得到相應(yīng)的力-位移曲線，可進(jìn)行曲線特征值的提取并對(duì)織物的外觀平整度進(jìn)行綜合表征。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 樣品制備

收集了不同組織結(jié)構(gòu)、不同成分以及不同抗皺性能的商用機(jī)織物?？椢锖穸仍? kPa的壓力下用EXPLOIT電子測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)使用Mettler天平測(cè)量單位面積樣品的質(zhì)量，精確刻度為±0.1 mg。折皺回復(fù)角(經(jīng)向)由Shirley折皺回復(fù)測(cè)試儀根據(jù)AATCC 66—2008《機(jī)織物折皺回復(fù)性的測(cè)定:回復(fù)角法》確定，施加壓力為500 g，試樣折疊加壓時(shí)間與卸除負(fù)荷后自行回復(fù)時(shí)間均為5 min。折皺回復(fù)率由PhabrOmeter 織物風(fēng)格儀測(cè)試，根據(jù)測(cè)試原理將100 cm2的圓形試樣平鋪在測(cè)試臺(tái)上，通過推桿模擬人拿捏紡織品2次推動(dòng)紡織品使其向下移動(dòng)，通過PhabrOmeter 風(fēng)格儀自帶軟件測(cè)得織物的折皺回復(fù)率。彎曲剛度通過懸臂梁法測(cè)得。所有試樣在實(shí)驗(yàn)前均在溫度為(20±3) ℃、相對(duì)濕度為(65±5)%標(biāo)準(zhǔn)條件下平衡24 h。試樣的具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 試樣基本規(guī)格參數(shù)Tab.1 Primary parameters of samples

2.2 原位力學(xué)測(cè)試

測(cè)試過程中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：兩鉗口之間的水平距離為5 mm，最大壓縮力和最大拉伸力均為300 cN，移動(dòng)板壓縮與拉伸回復(fù)的停滯時(shí)間均為30 s， 移動(dòng)板運(yùn)動(dòng)速度為20 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率為90 Hz。每種織物按照經(jīng)向折疊和緯向折疊各裁剪4塊長(zhǎng)×寬為50 mm × 20 mm的試樣，放置于標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度為(20±3) ℃，相對(duì)濕度為(65±5)%)下平衡24 h之后進(jìn)行測(cè)試，織物的翹曲方向?yàn)樵涣W(xué)測(cè)試試樣的長(zhǎng)度方向，織物的折疊折線方向?yàn)樵嚇拥膶挾确较?，測(cè)試之后直觀綜合比較力-位移曲線的特征指標(biāo)，從每種經(jīng)向折疊試樣和緯向折疊試樣的4條曲線中分別挑選出最相近的3條力-位移曲線，取6條曲線的平均值作為每塊試樣的最終測(cè)試結(jié)果。

2.3 織物外觀平整度的主觀評(píng)價(jià)

參考AATCC 124—2018《織物經(jīng)多次家庭洗滌后的外觀平整度測(cè)試》，將織物裁剪至380 mm × 380 mm，對(duì)織物樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)洗滌和干燥，獲得表現(xiàn)外觀平整度級(jí)別各異的織物樣品，采用標(biāo)準(zhǔn)光源和觀察區(qū)域，由6位專業(yè)評(píng)委通過比照織物樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣板的相似程度，主觀評(píng)價(jià)織物外觀平整度，以6位評(píng)委評(píng)價(jià)等級(jí)的平均值作為每種織物最終的外觀平整度等級(jí)。AATCC 124標(biāo)準(zhǔn)樣板如圖3所示?？椢锿庥^平整度分為 6個(gè)等級(jí), 即 SA-1、SA-2、 SA-3、 SA-3.5、SA-4、SA-5。其中：SA-1 表示外觀平整度保持性最差，織物最折皺，隨著等級(jí)數(shù)值的升高，折皺程度逐漸降低；SA-5表示折皺程度最輕，織物最平整。

圖3 AATCC標(biāo)準(zhǔn)樣照Fig.3 AATCC standard photographs

3 結(jié)果與討論

3.1 測(cè)試曲線及特征指標(biāo)提取

織物外觀平整度力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)輸出的力-位移曲線如圖4所示。對(duì)應(yīng)于試樣在測(cè)試時(shí)多形態(tài)形變特征，力-位移曲線也被分為6個(gè)階段。試樣經(jīng)歷過彎曲屈曲和壓縮測(cè)試階段后，移動(dòng)板反向遠(yuǎn)離測(cè)試板運(yùn)動(dòng)使壓縮試樣逐漸恢復(fù)，圖中試樣折皺回復(fù)的初始階段力-位移曲線急劇下降，提取該段曲線擬合的壓縮回彈斜率Scr作為評(píng)價(jià)織物外觀平整度的一個(gè)可能的特征指標(biāo)。

圖4 原位力學(xué)測(cè)試力-位移曲線Fig.4 Force-displacement curve of in-situ mechanical tests

此后，試樣回復(fù)緩慢，力值的絕對(duì)值逐漸減小到零(A點(diǎn))，然后力值從零開始增大，與縱坐標(biāo)軸交于B點(diǎn)，以克服織物折皺殘余產(chǎn)生的固有彎曲力，因此，可提取織物在折皺回復(fù)階段力值為零的A點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)O的偏轉(zhuǎn)位移Dwr以及折皺殘余力Fwr為織物折皺回復(fù)性的特征指標(biāo)來表征織物外觀平整度。另外，據(jù)報(bào)道，織物的彎曲滯后與折皺回復(fù)特性密切相關(guān)[14]，因此，可提取試樣的彎曲屈曲曲線與折皺回復(fù)曲線在A點(diǎn)之間的滯后距離Hwr作為評(píng)價(jià)織物外觀平整度的指標(biāo)。

試樣完成了折皺回復(fù)階段，開始被移動(dòng)板伸直并拉伸，拉伸階段試樣受力曲線急劇上升。之后移動(dòng)板向測(cè)試板靠近，試樣拉伸回復(fù)，張力急劇釋放，并回到實(shí)驗(yàn)起始位置，則拉伸回復(fù)曲線相應(yīng)的直線段擬合的拉伸回彈斜率Str可用作表征織物外觀平整度的一個(gè)可能的特征指標(biāo)。

由此初步確定了5個(gè)曲線參數(shù)作為特征指標(biāo)，利用Origin軟件對(duì)1～30號(hào)織物試樣所得到的力-位移測(cè)試曲線分別進(jìn)行分析，提取相應(yīng)的特征指標(biāo)。30個(gè)試樣的曲線參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及織物外觀平整度的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

3.2 主觀評(píng)級(jí)分析

標(biāo)準(zhǔn)化的主觀感受表現(xiàn)的平均值如圖5所示。可直觀看出每種試樣的主觀評(píng)價(jià)存在著一定的誤差度，但是等級(jí)誤差并不是很大，證實(shí)主觀評(píng)價(jià)的一致性和有效性。6、8、17、19號(hào)試樣的主觀外觀平整度等級(jí)相對(duì)較低，在1.5～2之間，而相應(yīng)的特征值Dwr、Hwr、Fwr明顯大于其他試樣的特征值(見表2)。

表2 織物外觀平整度主觀評(píng)價(jià)與特征指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of subjective evaluation of fabric smoothness appearance and feature indices

1、16、21號(hào)試樣的主觀外觀平整度等級(jí)相對(duì)較高，其相應(yīng)的特征值相比于其他試樣相對(duì)較小(對(duì)照表2 的特征指標(biāo))。因此可初步判斷，織物外觀平整度與客觀測(cè)試所提取的特征值有較好的相關(guān)性，力學(xué)測(cè)試指標(biāo)可反映織物的外觀平整水平。

圖5 織物外觀平整度主觀評(píng)價(jià)Fig.5 Subjective evaluation of fabric smoothness

3.3 回歸模型構(gòu)建

為科學(xué)地分析織物外觀平整度與客觀測(cè)試所提取指標(biāo)之間的關(guān)系，采用SPSS軟件對(duì)1～23號(hào)試樣的外觀平整度等級(jí)G、所提取特征指標(biāo)以及織物厚度T和面密度W進(jìn)行皮爾斯曼相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯呵€特征指標(biāo)Dwr、Hwr和Fwr、厚度T、面密度W與織物外觀平整度在0.01水平具有顯著的相關(guān)性；Scr、Str在0.05水平與織物外觀平整度顯著相關(guān)，表明原位力學(xué)測(cè)試曲線提取的特征指標(biāo)可用來表征織物外觀平整度。

利用SPSS軟件，以織物外觀平整度等級(jí)為因變量，5個(gè)特征指標(biāo)、織物厚度以及面密度為自變量，在95%置信區(qū)間下使用逐步回歸法，對(duì)1～23號(hào)試樣構(gòu)建預(yù)測(cè)織物外觀平整度的多元線性回歸方程?；貧w模型為

Gpre=-1.099Dwr-0.044Hwr+3.982 (R2=0.761)

式中，Gpre為織物外觀平整度預(yù)測(cè)值。基于逐步回歸算法，偏轉(zhuǎn)位移Dwr與滯后距離Hwr2個(gè)指標(biāo)進(jìn)入回歸方程，說明織物外觀平整度主要由彎曲性能所決定。方程判定系數(shù)R2為0.761，說明織物外觀平整度與特征指標(biāo)之間的回歸模型擬合度良好。另外，

表3 織物外觀平整度與曲線特征指標(biāo)的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of fabric smoothness appearance and curve characteristic index

回歸方程F檢驗(yàn)中F值為31.888，大于臨界值F0.05(2,2)= 19.000，且p值<0.01，證實(shí)了構(gòu)建的回歸模型顯著。

3.4 回歸模型檢驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證構(gòu)建的多元回歸方程的有效性，將24～30號(hào)檢驗(yàn)試樣提取的特征指標(biāo)代入到回歸方程，把織物外觀平整度的主觀評(píng)價(jià)與基于原位力學(xué)測(cè)試的客觀評(píng)價(jià)作比較，結(jié)果如表4所示。可見，主客觀評(píng)價(jià)差值均小于0.19，誤差率絕對(duì)值最大值為5.2%，表明主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果一致性較好，因此基于力學(xué)測(cè)試指標(biāo)所構(gòu)建的回歸模型對(duì)織物外觀平整度具有較好的預(yù)測(cè)，有較高的實(shí)用價(jià)值，能夠表征織物外觀平整度等級(jí)。

表4 織物外觀平整度的主客觀評(píng)價(jià)比較Tab.4 Comparison of subjective and objective evaluation of fabric smoothness appearance

4 結(jié) 論

本文提出用于評(píng)價(jià)織物外觀平整度的原位力學(xué)測(cè)試方法，從測(cè)試的力-位移曲線提取了5個(gè)特征指標(biāo)，即壓縮回彈斜率Scr、偏轉(zhuǎn)位移Dwr、折皺殘余力Fwr、滯后距離Hwr和拉伸回彈斜率Str，對(duì)所提取特征指標(biāo)以及織物厚度T和面密度W與織物主觀評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行皮爾斯曼相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，特征指標(biāo)Dwr、Hwr和Fwr、厚度T、面密度W與織物外觀平整度主觀評(píng)級(jí)在0.01水平具有顯著相關(guān)性，Scr、Str在0.05水平與織物外觀平整度主觀評(píng)級(jí)顯著相關(guān)，說明提取的特征指標(biāo)能夠反映織物的外觀平整度等級(jí)。采用逐步回歸法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型以表征織物外觀平整度，并對(duì)回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)，分析比較表明基于原位力學(xué)測(cè)試的客觀評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)吻合度良好，驗(yàn)證了保形性力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，因此，構(gòu)建的力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)能夠高效客觀量化織物外觀平整度。