胡霄睿,肖彩勤,崔榮榮,孫豐鑫

(1.江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122; 2.江南大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院, 江蘇 無錫 214122)

織物作為一種多尺度的纖維集合體軟材料,在低應(yīng)力下即可產(chǎn)生顯著的結(jié)構(gòu)調(diào)整和材料變形[1-2]。 織物觸覺風(fēng)格作為人們對(duì)低應(yīng)力作用下的織物多重形變特征和復(fù)合力學(xué)響應(yīng)特性的綜合反應(yīng),成為評(píng)價(jià)織物物理屬性、穿著舒適性以及市場價(jià)值的較為重要和經(jīng)典的度量[3]。 因此,對(duì)織物觸覺風(fēng)格的評(píng)定,尤其是客觀表征有利于促進(jìn)優(yōu)質(zhì)觸感織物的設(shè)計(jì)與研發(fā),是紡織領(lǐng)域關(guān)注的基本問題之一[4]。

現(xiàn)行的織物觸覺風(fēng)格測試儀器主要包括KESF 和FAST[5-6],但上述2 套通用的織物風(fēng)格評(píng)價(jià)系統(tǒng)均采用多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行不同物理力學(xué)性能測試,進(jìn)而對(duì)各測試設(shè)備獲得的織物力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行綜合表征織物觸覺風(fēng)格。 該類分離式測試方法容易引入測試系統(tǒng)誤差,給織物綜合性能評(píng)價(jià)帶來諸多障礙。 近年來,許多研究者開始探索采用單臺(tái)測試儀器對(duì)織物力學(xué)知覺性能進(jìn)行綜合表征,如PhabrOmeter 風(fēng)格儀[7]、CHES-FY 綜合風(fēng)格測試系統(tǒng)[8]以及FTT織物觸感測試儀等[9],然而織物在穿著過程中,受到壓縮、拉伸、彎曲以及因關(guān)節(jié)活動(dòng)導(dǎo)致的織物多維度折皺屈曲等復(fù)雜形變[10-11],且織物低應(yīng)力下的變形以多維度的彎曲屈曲為主要特征,但現(xiàn)有研究對(duì)織物高曲率下的彎曲屈曲關(guān)注較少,且采用的單測多指標(biāo)方法在織物觸覺風(fēng)格表征和力學(xué)指標(biāo)解析等方面大多具有局限性。

針對(duì)上述問題,本文提出一種時(shí)間、空間上連續(xù)(原位)的屈曲誘導(dǎo)織物多形態(tài)變化的織物觸覺風(fēng)格的力學(xué)組合測試方法,該測試方法充分考慮了織物實(shí)際穿著過程中承受的力學(xué)作用和主要形態(tài)特征,基于測試曲線模式分析及特征指標(biāo)提取,對(duì)織物的不同觸覺風(fēng)格進(jìn)行客觀高效表征,從而掌握力學(xué)性能對(duì)織物觸覺風(fēng)格響應(yīng)的影響,闡釋屈誘多形態(tài)力學(xué)測試方法在織物觸覺風(fēng)格表征中的可靠性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

選取30 種機(jī)織物,所選取的機(jī)織物均為經(jīng)過染整處理的商品化織物,原料材質(zhì)主要包括棉、棉/滌綸、粘膠、羊毛/滌綸等。 織物的基本規(guī)格參數(shù)如表1所示。 織物試樣壓平后裁剪為長×寬為30 mm×20 mm,放置于溫度為(20±2) ℃,相對(duì)濕度為65%±3%的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡24 h 以上。 每種織物進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn),取其平均值作為測試結(jié)果。

1.2 織物觸覺風(fēng)格原位表征系統(tǒng)

1.2.1 物理結(jié)構(gòu)

織物觸覺風(fēng)格原位表征系統(tǒng)主要由移動(dòng)板、測試板、力傳感器以及伺服電動(dòng)機(jī)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成,基本框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示[12]。 測試板和移動(dòng)板可同時(shí)夾持織物,使織物于2 板之間呈倒八字形懸掛狀,從而保證織物的初始彎曲屈曲過程以相對(duì)穩(wěn)定的后屈曲彎曲變形為主。 移動(dòng)板和測試板相向平行設(shè)置,在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)板可相對(duì)測試板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而構(gòu)造織物彎曲屈曲、壓縮、拉伸和相應(yīng)的回復(fù)形變等多重構(gòu)形;同時(shí)安裝于測試板的力傳感器實(shí)時(shí)采集織物組合變形下的力值,通過數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)輸出測試過程中的力-位移曲線,實(shí)現(xiàn)織物多重性能的簡便、綜合測量。

表1 織物的基本規(guī)格參數(shù)

1.2.2 測試原理

圖1 織物觸覺風(fēng)格原位表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上對(duì)織物材料的連續(xù)測試,在可接受的尺度范圍內(nèi)遵循“時(shí)空同點(diǎn)”測試的基本原則,故稱之為原位表征。 采用后屈曲彎曲理論模型,通過2 板分別對(duì)固定織物兩端的作用,實(shí)施對(duì)織物的力—變形實(shí)驗(yàn),織物觸覺風(fēng)格原位表征過程與主要特征階段如圖2 所示。 根據(jù)織物的典型變形特征,整個(gè)測試過程可分為以下7 個(gè)階段:第1 階段(I)為彎曲屈曲階段,移動(dòng)板在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下向靠近測試板一側(cè)運(yùn)動(dòng),織物在測試板和移動(dòng)板作用下產(chǎn)生彎曲屈曲變形,可表征織物的彎曲硬挺度、彎曲變形量等;第2 階段(II)為壓縮階段,即織物彎曲到對(duì)折的兩翼相互接觸后,隨著移動(dòng)板繼續(xù)靠近測試板對(duì)織物施加壓縮載荷,進(jìn)行織物的壓縮測試;第3 階段(III)為壓縮回復(fù)階段,即壓縮力到達(dá)設(shè)定值時(shí),移動(dòng)板停止對(duì)織物加載,并開始反向背離測試板移動(dòng),表征織物的壓縮回彈性能;第4階段(IV)為彎曲回復(fù)階段,即織物對(duì)折的雙翼隨著測試板和移動(dòng)板向背移動(dòng)而分離,織物開始在移動(dòng)板夾持作用下回復(fù),從而可以獲得織物的彎曲回彈性能,進(jìn)而分析織物的高曲率彎曲滯彈性;第5 階段(V)為伸直階段,即織物逐漸由自然彎曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài),此階段看作拉伸階段的準(zhǔn)備階段,給試樣施加預(yù)加張力;第6 階段(VI)為拉伸階段,即達(dá)到設(shè)定的預(yù)加張力值后,移動(dòng)板繼續(xù)相對(duì)測試板背向移動(dòng)拉伸織物,可以獲得織物的拉伸模量、拉神功等特征量;第7 階段(VII)為拉伸回復(fù)階段,即織物被拉伸到設(shè)定值后,移動(dòng)板由拉伸位置反向運(yùn)動(dòng),直到回復(fù)到其初始位置,完成織物拉伸回彈性表征。

圖2 織物觸覺風(fēng)格原位表征過程與主要特征階段

1.2.3 典型測試曲線與特征指標(biāo)

測試系統(tǒng)通過構(gòu)造織物連續(xù)的彎曲屈曲、壓縮、壓縮回復(fù)和彎曲回復(fù)、拉伸以及拉伸回復(fù)等組合變形,實(shí)時(shí)獲取織物變形過程中的力值,將織物的變形與力學(xué)響應(yīng)關(guān)系表達(dá)為相應(yīng)的力-位移曲線,織物觸覺風(fēng)格原位表征系統(tǒng)典型的力-位移曲線如圖3所示。

圖3 織物觸覺風(fēng)格原位表征系統(tǒng)典型的力-位移曲線

1.2.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

觸覺風(fēng)格原位表征系統(tǒng)可針對(duì)織物類型和測試需求設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù),本文對(duì)服用織物的觸覺風(fēng)格測試過程中實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為:測試板和移動(dòng)板的隔距為5 mm,最大壓縮力和最大拉伸力均為300 cN,考慮到織物試樣的黏彈性特征,測試過程中移動(dòng)板從壓縮測試到壓縮回復(fù)以及從拉伸測試到拉伸回復(fù)的停滯時(shí)間均設(shè)置為30 s,移動(dòng)板運(yùn)動(dòng)速度為20 mm/min,力值的采樣頻率為80 Hz。

1.3 織物觸覺風(fēng)格的主觀評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)結(jié)果來自6 位紡織專業(yè)從業(yè)者對(duì)織物觸覺風(fēng)格的獨(dú)立評(píng)估與分等。 每位主觀評(píng)價(jià)者隨機(jī)對(duì)各試樣的觸覺風(fēng)格進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)過程在與儀器測試相同的溫濕環(huán)境中進(jìn)行,每塊試樣每人分別進(jìn)行3 次獨(dú)立評(píng)價(jià),完成對(duì)試樣的等級(jí)劃分。 在主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)開始之前,對(duì)評(píng)估者進(jìn)行簡單的培訓(xùn)使其明確織物觸覺風(fēng)格各基本風(fēng)格量的含義,包括“彎曲硬挺度”“壓縮柔軟性”和“拉伸松緊度”3 個(gè)維度的觸感空間。 其中,彎曲硬挺度主要通過評(píng)價(jià)者對(duì)織物彎曲折疊后的彎曲軟硬度進(jìn)行評(píng)級(jí),壓縮柔軟度表達(dá)評(píng)價(jià)者揉捏和抓握織物時(shí)產(chǎn)生的蓬松和回彈觸感,拉伸松緊度表達(dá)了織物在被拉拽等作用下的回彈特性。 評(píng)估者將各屬性分為5 個(gè)等級(jí),分別從“等級(jí)1—柔軟易彎曲”到“等級(jí)5—硬挺難彎曲”;從“等級(jí)1—柔軟蓬松”到“等級(jí)5—板結(jié)緊實(shí)”;從“等級(jí)1—伸縮性好”到“等級(jí)5—緊繃無彈性”的原則對(duì)30 塊織物進(jìn)行依次評(píng)級(jí)。

2 結(jié)果與討論

2.1 觸覺風(fēng)格預(yù)測模型

織物觸覺風(fēng)格主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4 所示。 可見,織物的彎曲硬挺度、壓縮柔軟度和拉伸松緊度等觸覺風(fēng)格均涵蓋了1 ～5 級(jí),且分布相對(duì)廣泛,說明所選用的織物試樣包含的織物種類和手感類型豐富,適于織物客觀觸覺風(fēng)格預(yù)測模型的研究。

圖4 織物觸覺風(fēng)格的主觀分等結(jié)果

采用織物觸覺風(fēng)格原位表征系統(tǒng)進(jìn)行30 塊織物試樣的測試,根據(jù)測試力—位移曲線獲得相應(yīng)的觸覺風(fēng)格特征指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。 變異系數(shù)(CV)和最大值與最小值結(jié)果顯示了織物特征指標(biāo)具有較大差異性,說明測試系統(tǒng)可以較好地區(qū)分織物試樣的力學(xué)性能。

在上述主觀評(píng)價(jià)結(jié)果和客觀特征指標(biāo)基礎(chǔ)上,以1#～20#織物觸覺風(fēng)格原位表征系統(tǒng)測試的特征指標(biāo)為自變量,以相應(yīng)織物主觀評(píng)價(jià)等級(jí)為因變量,采用多元逐步回歸法,P＜0.05 和P＞0.10 分別作為特征指標(biāo)進(jìn)入和剔除回歸方程的標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建回歸方程,結(jié)果如表3 所示。 可見,3 類觸覺風(fēng)格的主觀評(píng)價(jià)等級(jí)均可由構(gòu)建的原位表征系統(tǒng)的所測的特征指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測,根據(jù)判定系數(shù)R2在P＜0.001 情況下均大于0.682,顯示了主觀評(píng)級(jí)結(jié)果和客觀特征指標(biāo)間較強(qiáng)的相關(guān)性。 因此所構(gòu)建的預(yù)測模型可以用來進(jìn)行織物觸覺風(fēng)格的評(píng)級(jí),有利于實(shí)現(xiàn)織物觸覺風(fēng)格的高效、客觀評(píng)價(jià)。

表2 原位表征系統(tǒng)測試曲線的特征指標(biāo)

表3 主觀評(píng)價(jià)和測試系統(tǒng)特征指標(biāo)關(guān)系

2.2 模型檢驗(yàn)與分析

為了進(jìn)一步研究構(gòu)建的預(yù)測模型的可靠性,采用21#～30#織物試樣作為檢驗(yàn)樣本進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。將原位表征系統(tǒng)測試的對(duì)應(yīng)織物特征值分別代入彎曲硬挺度、壓縮柔軟度和拉伸松緊度的預(yù)測模型,得到觸覺風(fēng)格的預(yù)測值并與相應(yīng)的主觀評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行對(duì)比,觸覺風(fēng)格主觀評(píng)價(jià)和預(yù)測值對(duì)比結(jié)果見圖5?？梢?3 類基本觸覺風(fēng)格屬性的預(yù)測值與主觀評(píng)價(jià)具有較好的一致性,其線性相關(guān)性的判定系數(shù)均高于0.88。 該結(jié)果進(jìn)一步說明基于本文提出的織物觸覺風(fēng)格表征系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)建的預(yù)測模型可以實(shí)現(xiàn)織物觸覺風(fēng)格的高效、客觀表征。

3 結(jié) 論

圖5 觸覺風(fēng)格主觀評(píng)價(jià)和預(yù)測值對(duì)比結(jié)果

本文提出了一種新型的織物觸覺風(fēng)格原位表征測試方法,可通過構(gòu)造織物彎曲屈曲、壓縮、拉伸以及壓縮回彈、彎曲回復(fù)和拉伸回復(fù)等多重形變,實(shí)現(xiàn)織物彎曲硬挺度、壓縮柔軟度和拉伸松緊度等觸覺屬性的連續(xù)、高效表征,且該方法構(gòu)造的織物形變更貼近織物穿著過程中的實(shí)際變形特征;通過測試的力—位移曲線分析,提取表征觸覺風(fēng)格的特征指標(biāo),并采用逐步回歸分析結(jié)合主觀評(píng)級(jí)結(jié)果構(gòu)建了3 類觸覺風(fēng)格屬性的預(yù)測模型。 借助一組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),預(yù)測值和主觀評(píng)級(jí)結(jié)果相關(guān)性的判定系數(shù)均大于0.88,表明預(yù)測模型可以有效表征織物的彎曲硬挺度、壓縮柔軟度和拉伸松緊度等3類觸覺風(fēng)格屬性,說明構(gòu)建的測試系統(tǒng)和預(yù)測模型具有較好的可靠性,可用于織物觸覺風(fēng)格的客觀、高效表征。