孫秀玲 韓晨晨 郭明瑞 郝新敏 王美慧 高衛(wèi)東

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

織物耐磨性能是紡織品質(zhì)量的重要指標(biāo)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(tài)下受到反復(fù)摩擦，它模擬衣褲的肘部與膝蓋的磨損狀態(tài)。這些地方在實(shí)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(biāo)之一，越來越受到業(yè)界的重視。最早由美國材料試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4157—1992《紡織品耐磨性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(chǎn)生相對運(yùn)動，使試樣受到曲向往復(fù)摩擦［3］。隨著紡織技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)纖維逐漸占據(jù)市場主流，織物耐磨性能得到了進(jìn)一步提升，尤其是對于高強(qiáng)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(shù)不匹配、摩擦效率低的問題，因此需對儀器以及測試方法進(jìn)行改進(jìn)［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(shù)，從而對不同耐磨強(qiáng)度的織物［7-8］進(jìn)行快速、準(zhǔn)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(wèi)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(jìn)行往復(fù)運(yùn)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(diào)整張力砝碼給織物施加設(shè)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(diào)整滾花螺釘使壓力桿處于水平位置，調(diào)整壓力砝碼給織物施加設(shè)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(shè)置摩擦次數(shù)進(jìn)行曲面往復(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)摩擦過程中，織物受到損傷，紗線解體從而產(chǎn)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(tài)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(shù)量的試樣，一般至少6 塊。對機(jī)織物，所取的每塊試樣應(yīng)包含不同的經(jīng)紗和緯紗，如果織物有圖案應(yīng)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(diào)整測試參數(shù)。根據(jù)ASTM D4157—2013（R2017）《紡織品耐磨性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（擺動輥筒法）》，按照面料最終用途選擇測試參數(shù)。

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

（1）強(qiáng)力損失率。根據(jù)樣品磨損后的強(qiáng)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(shù)，然后觀察磨損對試樣顏色、光澤、起球、破損等的影響。根據(jù)織物破損的摩擦次數(shù)以及買賣雙方常用的AATCC 顏色變化灰度評估面料。

1.4 現(xiàn)有測試標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果

采用現(xiàn)有測試方法，選用與標(biāo)準(zhǔn)磨料樣布規(guī)格接近的棉帆布作為試驗(yàn)?zāi)チ?，該棉帆布?jīng)緯紗均為59.1 tex×2，經(jīng)密149 根/10 cm，緯密94 根/10 cm，平紋，單位面積質(zhì)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(jīng)緯紗均為28.1 tex，經(jīng)密425 根/10 cm，緯密228 根/10 cm，三上一下右斜紋，單位面積質(zhì)量195 g/m2；滌棉織物，經(jīng)緯紗均為28.1 tex，經(jīng)密425 根/10 cm，緯密228 根/10 cm，三上一下右斜紋，單位面積質(zhì)量220 g/m2；滌綸織物，經(jīng)紗32.8 tex，緯紗16.9 tex，經(jīng)密346 根/10 cm，緯密252 根/10 cm，二上一下右斜紋，單位面積質(zhì)量140 g/m2。對上述3 種織物進(jìn)行測試，測試參數(shù)：摩擦頻次為180 次/min，壓力13.4 N，張力17.8 N，摩擦次數(shù)5 000 次和20 000 次，每種織物測試6塊樣品，測試結(jié)果如表1 所示。純棉織物初始強(qiáng)力776.50 N，滌棉織物初始強(qiáng)力1 009.10 N，滌綸織物初始強(qiáng)力1 319.45 N。

表1 織物磨損后的強(qiáng)力損失率和CV 值

由表1 可知，在此試驗(yàn)條件下，摩擦次數(shù)為5 000 次時，3 種織物的強(qiáng)力損失率過低，強(qiáng)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(xiàn)象。

圖2 摩擦5 000 次后3 種織物表面變化

當(dāng)增加摩擦次數(shù)至20 000 次，其余測試條件相同，3 種織物的強(qiáng)力損失率較磨損5 000 次有所增大，強(qiáng)力損失率CV值有所降低，織物表面變化加大、褪色現(xiàn)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(qiáng)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(yōu)化

威士伯織物耐磨儀提供的磨料為棉帆布和鋼絲網(wǎng)。使用棉帆布作為磨料意在模仿日常穿著時服裝所經(jīng)受的磨損，鋼絲網(wǎng)用于檢測家用紡織品的耐磨性能。對于高強(qiáng)耐磨織物來說，其穿著環(huán)境復(fù)雜、耐磨性能較好，上述磨料不能較好地模擬其穿著環(huán)境。測試過程中，每更換一塊樣品就要更換一次磨料，現(xiàn)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(yīng)性差。

磨料選擇的標(biāo)準(zhǔn)是在模擬實(shí)際穿用所經(jīng)受的摩擦條件的同時提高測試效率，使得測試結(jié)果快速易得、貼近真實(shí)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(jié)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(yīng)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(huán)境，耐久性能好。

為此，我們選擇砂布作為磨料。根據(jù)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(shù)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(qiáng)力損失率變化情況如圖4 所示。在測試過程中，樣品的強(qiáng)力損失率在一定數(shù)值范圍內(nèi)波動，未出現(xiàn)明顯下降，說明砂布的鋒利度未出現(xiàn)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(jìn)行觀察，結(jié)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(xiàn)明顯變化，耐久性好。

圖4 兩類砂布作為磨料的織物強(qiáng)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(jìn)

3.1 存在的問題

根據(jù)威士伯織物耐磨儀標(biāo)準(zhǔn)可知，織物耐磨測試變量主要包括磨料種類及摩擦次數(shù)，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(shù)較多。各類織物的測試參數(shù)較為單一，測試耐磨性較好的面料時，仍然使用該參數(shù)進(jìn)行測試會造成欠磨損狀態(tài)，此時強(qiáng)力損失率極小，數(shù)據(jù)離散度高，結(jié)果代表性不足；測試不耐磨面料使用該參數(shù)可能會造成過磨損狀態(tài)，即強(qiáng)力損失率變化過大，甚至出現(xiàn)磨損部位全部破損，無法對織物耐磨性能進(jìn)行比較和評價的情況，適應(yīng)性差。為提高測試效率，降低數(shù)據(jù)離散度，提高織物耐磨性能評價準(zhǔn)確性，可結(jié)合簡單的預(yù)選測試，得到合適的測試參數(shù)，如摩擦次數(shù)、磨料種類等。

3.2 改進(jìn)后測試方法

3.2.1預(yù)選測試原理

選用以上試驗(yàn)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(qiáng)力損失率和強(qiáng)力損失率CV值與摩擦次數(shù)的規(guī)律，結(jié)果如圖6 所示。對3種織物強(qiáng)力損失率進(jìn)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(shù)存在一定線性相關(guān)性，強(qiáng)力損失率隨著摩擦次數(shù)的增加而增加。另外強(qiáng)力損失率在30%左右時，強(qiáng)力損失率CV值開始隨著摩擦次數(shù)的增加而降低，數(shù)據(jù)離散度逐漸趨于穩(wěn)定，因而認(rèn)為摩擦進(jìn)入充分磨損的階段。在充分磨損階段，各樣品磨損區(qū)域的受磨損程度趨向一致，此時進(jìn)行織物耐磨性能評價更加準(zhǔn)確。因此設(shè)置預(yù)選測試，通過預(yù)選測試選擇適用于測試樣品的砂布目數(shù)和摩擦次數(shù)，使織物的強(qiáng)力損失率處于充分磨損階段，便于快速、準(zhǔn)確地對織物耐磨性能進(jìn)行測試評價。

圖6 摩擦次數(shù)與強(qiáng)力損失率及其CV 值的關(guān)系

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

3.2.2預(yù)選測試流程

取樣：與原標(biāo)準(zhǔn)相同。

挑選磨料：根據(jù)預(yù)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(shè)置測試參數(shù)：設(shè)置初始摩擦次數(shù)為100 次，壓力為13.4 N，張力為17.8 N。

3.2.3預(yù)選測試結(jié)果

3 種織物按照上述的測試方案進(jìn)行測試，摩擦測試后測定強(qiáng)力損失率，測試結(jié)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(qiáng)力損失率平均值均在25%~35%，強(qiáng)力損失率CV值均處于15%左右，相較于原測試標(biāo)準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)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(yàn)?zāi)チ稀?/p>

3.2.4正式測試結(jié)果

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

表3 不同織物耐磨測試結(jié)果

由表3 可知，3 種織物的強(qiáng)力損失率明顯提高，強(qiáng)力損失率CV值明顯降低。測試方法改進(jìn)后，數(shù)據(jù)離散度降低，測試效率和測試準(zhǔn)確率提高。

對耐磨性能差異較大的織物進(jìn)行橫向?qū)Ρ葧r，應(yīng)選用耐磨性能較差織物的篩選結(jié)果作為測試磨料進(jìn)行測試。

4 結(jié)論

（1）優(yōu)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(qū)分度高、與不同耐磨程度的織物適配性好的優(yōu)勢。

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

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