基于布面毛羽特征參數測試的織物抗起毛性客觀評價

張林彥，敖利民，郁崇文

(1.河北科技大學 紡織服裝學院，河北 石家莊 050018;2.嘉興學院 材料與紡織工程學院，浙江 嘉興 314033;3.東華大學 紡織學院，上海 201620)

紡織品的起毛起球不但影響織物的外觀效果，還會影響紡織品的觸覺舒適度，在國內外都作為一項重要指標加以評價。國外紡織品起毛起球測試標準有很多，常用的有美國試驗與材料協(xié)會標準ASTM、日本工業(yè)標準、德國標準 DIN、英國標準 BS、國際標準ISO等。我國紡織品測試標準基本參照國外標準制定，測試方法有4種：改型馬丁代爾起毛起球法、箱式起毛起球法、隨機亂翻式起毛起球儀法和圓軌跡起毛起球儀法［1］。各標準所采用的起毛起球性評價方法均為主觀評價方法，即織物經過標準規(guī)定摩擦處理后，需要評價人員目測觀察起毛起球情況，依據評級語言描述結合對照標準樣照(織物或照片)對織物的起毛起球性進行評價。

現有的起毛起球評價標準存在著一定的問題：如標準中試驗條件的選擇分類不清晰，造成一塊面料可能可選擇多種試驗條件或無條件可選擇;同一塊面料選擇不同的測試條件，其起球測試結果可能相差較大;我國的國家標準與行業(yè)標準間還存在同一檢測項目的檢測方法不統(tǒng)一的問題［2］。此外，評價結果的主觀因素，對評價結果的可靠性和可重復性也形成了一定的制約。

紡織品性能主觀評價方法的客觀化是必然的趨勢。目前織物起毛起球性客觀評價方法的研究普遍采用的是圖像處理技術，即通過織物平面或對折處側面圖像的處理，建立指標體系表征布面毛羽、毛球的分布特征。祝雙武［3］等利用織物表面毛球區(qū)域與未起球區(qū)域灰度強度的不同，實現了毛球部分圖像的分割;XU B等［4］以二維布面圖像為基礎，構建三維布面圖像，實現對布面毛球幾何尺寸的立體描述;何俊等［5］采用距布面對折處各高度的毛羽根數和毛羽部分側面積，表征不同洗滌次數下大豆蛋白復合纖維織物的起毛程度;HIS等［6］采用布面毛球的數量、面積、體積、毛球的尺寸分布及取向角度等指標描述布面毛球的特征;XIN等［7］采用毛球數量、毛球平均面積、毛球總面積、明暗對比度和毛球分布密度來刻畫布面毛球分布特征，并以這些指標為依據計算織物起球的量化等級;ABRIL等［8］和周圓圓等［9］均采用毛球部分面積占織物圖像總面積的比例，客觀評價織物的起球等級。圖像處理方法對不同織物品種的適應性尚不理想，測試評價對操作人員要求高，評價周期也比較長，對染色織物尤其是印花織物的評價會受到織物顏色和圖案的影響，限制了這種技術的推廣應用。

本文基于起毛起球處理前后織物單面壓縮測試獲取的布面毛羽特征指標的變化，探討客觀表征織物起毛起球性的方法。布面毛羽特征可以通過單面壓縮測試的方法，以毛羽長度、分界壓力、壓縮功和壓縮比功等指標進行多指標表征［10］。無論織物試樣采用哪種測試儀器進行模擬起毛起球處理，其布面毛羽部分各指標特征都會發(fā)生一定程度的變化，將起毛起球處理后織物試樣的各毛羽特征指標與未經處理的織物原樣各毛羽特征指標進行比較分析，以各指標變化率來描述起毛起球處理后織物表面毛羽、毛球特征變化，即可實現織物起毛起球性的客觀評價。

從本質上來講，起毛和起球是織物自身摩擦及與外界接觸物體摩擦時具有先后次序關系的2個階段效應，即摩擦后先起毛，包括布面原有毛羽的抽拉加長與新的纖維端被拉出形成毛羽，布面毛羽在繼續(xù)摩擦作用下糾結形成毛球。毛球是否易于形成及形成的毛球在摩擦作用下是否易于脫落，則與纖維、紗線、織物、整理加工等諸多結構與工藝因素有關，如果布面毛羽易于糾結成球且毛球形成的速度大于脫落的速度，則其將堆積在織物表面;反之，如果布面毛羽不易糾結成球或毛球脫落的速度大于形成的速度，則不易形成毛球堆積的外觀，甚至在起毛起球試驗及織物實際服用情形下表現為不起球［1］。亦即，織物在摩擦作用下，都會起毛，但未必都會起球(不起球或毛球易于脫落)。起毛和易于起球都對織物的服用性能產生影響，但影響的類型和程度是存在一定區(qū)別的，因此本文傾向于將織物的起毛性能和起球性能的評價分開，分別進行測試與表征，以達到簡化、規(guī)范化織物起毛起球性評價的目的。本文主要探討織物起毛性能的客觀評價方法。

1 布面毛羽的測試與表征

1.1 織物單面壓縮與壓縮曲線

織物單面壓縮測試裝置原理如圖1［10］所示。

將具有一定寬度(8 mm)的織物試樣2的一端夾持在下夾持器6上，跨過2根支撐桿4(左右各一根)，另一端夾持張力夾3(一般選擇100 cN)將試樣張緊。下夾持器通過絲杠傳動可做升降運動。當下夾持器從初始位置向上運動時，織物試樣與圓形測試盤(面積10cm2)接近并接觸，直至達到設定上行壓縮位移，開始返回直至初始位置。在測試盤與織物試樣接觸并壓縮的過程中，首先接觸的是布面毛羽部分，實現毛羽部分的壓縮，進而接觸織物主體部分。由于織物試樣被支撐桿支撐并由張力夾張緊，織物試樣受到的是單面壓縮作用。測試盤與傳感器相連，采集并輸出壓縮位移力數據對到計算機應用程序進行處理。

圖1 織物單面壓縮測試原理圖Fig.1 Theory diagram of fabric single-side compressing tester

典型的織物單面壓縮曲線如圖2［10］所示。曲線的形態(tài)與織物和測試盤的接觸與壓縮相對應：從織物表面的長毛羽與測試盤接觸且二者之間的作用力大于儀器能感知的最小力值(儀器精度為0.02 cN)開始，即開始織物的有效壓縮過程。

圖2 典型的織物單面壓縮曲線圖Fig.2 Typical curve of fabric single-side compressing

曲線可以分為毛羽壓縮階段Ⅰ、織物主體壓縮階段Ⅲ和二者過渡階段Ⅱ，即布面初始壓縮階段(布面不平整部分壓縮階段)。

1.2 布面毛羽特征的表征

從圖2可看出，織物主體壓縮部分的直線性是非常明顯的。一種直觀而可行的確定毛羽壓縮部分的方法是將織物主體壓縮部分擬合直線(一般取壓力大于3 cN部分數據進行擬合)與橫坐標之間的交點作為毛羽壓縮階段與其他2個壓縮階段的分界點，如圖2所示。分離得到的毛羽部分壓縮曲線可以用以下4個指標表征布面毛羽特征［10］。

布面毛羽長度：在數值上等于毛羽部分壓縮曲線在橫軸上的截距長度，單位為mm。

分界點處壓力值：簡稱分界壓力，其大小為織物毛羽壓縮階段結束時對應的壓力大小，單位為cN。

毛羽壓縮部分壓縮功：在數值上等于織物毛羽壓縮部分曲線與橫軸(壓縮位移)之間包圍的面積，單位為 cN·mm。

毛羽壓縮階段的壓縮比功：在測試盤面積一定的情況下，單位壓縮位移(mm)克服所有毛羽的彎曲應力所作的功，即壓縮功與壓縮位移的比值，單位為 cN·mm/mm。

2 布面毛羽特征隨起毛次數變化規(guī)律

2.1 試驗方法與方案

試驗儀器：YG502起毛起球儀，自制織物單面壓縮性質測試儀。

試樣：純棉、滌/棉(50/50)、毛/滌(80/20)、純毛織物。織物樣品的編號和規(guī)格見表1(表中數據均為實測值)。從每種織物上裁取300 mm×75 mm試樣3塊，用于單面壓縮試驗，測試織物原樣布面毛羽部分的特征指標。

表1 試樣規(guī)格Tab.1 Specification of samples

從每種織物上裁取300 mm×115 mm的試樣30塊，用于起毛試驗。將30塊試樣分為10組，每組3塊。按GB/T 4802.1—2008《紡織品 紡織起毛起球性能的測定 第一部分：圓軌跡法》對10組試樣依次進行起毛處理，壓力統(tǒng)一為590 cN，起毛次數依次為10，20，30，……，100次。將起毛處理之后的試樣進行裁剪，在寬度方向上從布樣兩邊分別剪掉20 mm，將經過起毛處理的部分完全保留(起毛部位大約為直徑65 mm的圓)。再將裁剪后的試樣進行單面壓縮測試，獲取起毛處理區(qū)域部分的毛羽特征參數。測試盤面積為10cm2，壓縮速度為20 mm/min，織物張力為100 cN。單面壓縮所有數據均為3次測試結果的均值。由于本文旨在探討方法的可行性，對測試環(huán)境的溫濕度未作嚴格限制，測試環(huán)境溫度為25℃，相對濕度為58%，有小范圍波動。

2.2 結果與分析

圖3 示出不同起毛次數時織物試樣布面毛羽的分布與形態(tài)(以純棉織物為例)。圖4示出各試樣毛羽長度、分界壓力、壓縮功和壓縮比功隨起毛次數的變化情況。

圖3 純棉織物試樣布面毛羽的分布形態(tài)Fig.3 Hairiness distribution morphology of cotton sample.(a)Original sample;(b)Fuzzing number is 20;(c)Fuzzing number is 50;(d)Fuzzing number is 100

圖4 各試樣毛羽長度、分界壓力、壓縮功和壓縮比功隨起毛次數的變化情況Fig.4 Change of fabric hairiness length(a)，boundaries presure(b)，compressing work(c)and compressing specific work(d)of samples along with change of fuzzing number

從圖3、4中可看出，織物試樣經過起毛處理后，布面毛羽形態(tài)特征及相應各項指標均會發(fā)生顯著變化：在起毛次數為10、20次時，各指標均有明顯的增加，之后再增加起毛次數，各指標變化趨于平穩(wěn)(少數試樣的少數指標出現波動)。

當織物試樣受到錦綸刷的摩擦作用后，布面原有毛羽被進一步抽拉出來，一些位于紗線內部的纖維端也被抽拔出來，形成新的毛羽，并隨著繼續(xù)摩擦作用而抽長，即織物受到起毛刷的摩擦作用，毛羽數量增多，毛羽長度增加，致使測得的毛羽長度、分界壓力、壓縮功和壓縮比功等各布面毛羽表征指標均有不同程度的增加。由于不同織物抵抗摩擦起毛作用的差異，使得不同織物毛羽指標的變化幅度和趨勢也不盡相同。隨著起毛次數的增加，本來存在或新抽拔出來的毛羽不斷被拉長，對織物表面形成一定保護作用;同時，易于拉出的纖維端已被拉出，潛在毛羽趨于資源枯竭，已被拉出的毛羽被抽拔到一定程度，也不能再繼續(xù)抽長，但有的毛羽在抽拔作用下甚至脫落，各指標在一定起毛次數內趨于穩(wěn)定，有的指標會產生一定的波動。

3 織物起毛性的客觀評價方法

3.1 評價方法

從上述分析可看出，與織物原樣相比，當織物受到起毛作用后，各布面毛羽指標均會發(fā)生不同程度的變化，這種變化在起毛次數較小時比較顯著，當起毛次數繼續(xù)增加，則趨于平穩(wěn)。這樣，織物起毛性，可通過一定次數起毛作用后布面毛羽表征指標的變化情況加以描述和表征，實現織物起毛性能的客觀評價。本文試驗涉及的4種織物試樣，具有不同的起毛性，其在一定起毛次數后各指標的變化也不相同，證明了這種評價方法的可行性。

具體方法如下：對于選定試樣，首先用織物單面壓縮測試裝置測試其初始布面毛羽特征指標(可采取多試樣測試求均值的方法保證結果的可靠性。本文采用3次測試求平均，實際操作時可增加樣本數量。)，然后取樣進行一定次數的起毛處理，并用織物單面壓縮測試裝置對起毛處理后的試樣進行布面毛羽特征指標測試，用起毛前后布面毛羽指標的變化率表征織物的起毛性。

依據前述試驗結果，可確定起毛次數為20次，因為起毛20次后各指標變化均趨于穩(wěn)定。考慮到如果起毛次數較多，有些織物品種可能會出現毛羽脫落現象，故起毛次數不宜太大。

3.2 表征織物起毛性能的指標

如前所述，表征織物起毛性的指標可采用布面毛羽各指標的變化率來建立，包括：毛羽長度變化率、分界壓力變化率、壓縮功變化率、壓縮比功變化率。

毛羽長度變化率 =((起毛處理后毛羽長度 -原樣毛羽長度)/原樣毛羽長度)×100%

毛羽長度是指布面毛羽的長度(高度)，毛羽長度變化率能準確反映起毛處理前后毛羽長度的變化，毛羽長度變化率越大，表明織物受到相同次數的起毛處理后毛羽抽長的長度越大，織物易于起毛。

分界壓力是指織物受到單面壓縮時，當毛羽部分壓縮結束，布面毛羽集體作用到測試盤上的壓力。分界壓力與布面毛羽數量和毛羽本身抗壓縮(軸向壓縮與彎曲)的能力相關，即與毛羽數量和纖維種類有關。分界壓力越大說明毛羽數量越多，或毛羽的抗彎剛度越大，或二者兼有。分界壓力變化率大，表明織物經過起毛處理后毛羽數量越多。這里，變化率可以在一定程度上濾除纖維性質的影響。

壓縮功變化率 =((起毛處理后壓縮功 -原樣壓縮功)/原樣壓縮功)×100%

壓縮功是指在布面毛羽被壓縮階段，測試盤壓縮毛羽集合體壓力所做的功。與分界壓力相同，壓縮功與布面毛羽數量和毛羽本身抗壓縮(軸向壓縮與彎曲)的能力有關，即與毛羽數量和纖維種類有關。壓縮功越大表示毛羽數量越多，或毛羽抵抗壓縮的能力越大，或二者兼有。壓縮功變化率同樣可以在一定程度上濾除纖維性質的影響，壓縮功變化率大，說明織物經起毛處理后毛羽數量越多。

壓縮比功表征的是在布面毛羽實現單位位移壓縮時，測試盤所需要做的功。壓縮比功越大，毛羽部分越難于壓縮，同樣表明，或者毛羽數量多，或者毛羽抵抗壓縮的能力強，或者二者兼有。壓縮比功變化率越大，表明毛羽增加顯著，織物易于起毛。

實際上，織物經起毛處理后，毛羽變長、變多，毛羽的形態(tài)因起毛刷的作用而呈現一定方向性倒伏，這一因素實際上對布面毛羽的各個指標是有一定影響的，但這種影響可以認為對不同的織物試樣是一致的。

4 應用實例與分析

4.1 應用實例

利用上述方法對試驗中涉及的4種織物進行評價，各指標計算結果如表2所示。

表2 各織物試樣布面毛羽指標變化率計算結果(起毛20次)Tab.2 Calculation results of change rates of fabric hairiness indicators(fuzzing number is 20)

4.2 結果分析

從表2中可看出，如果按照各指標變化率的絕對值判斷織物起毛性，各指標間存在矛盾之處，如純棉織物和滌/棉織物，4個指標變化率的秩和相等，純毛織物和毛/滌織物亦然。即從試驗結果容易判斷出，純毛織物和毛/滌織物相比純棉和滌/棉織物易于起毛，但不能分辨純棉織物和滌/棉織物那個更易于起毛，純毛織物和毛/滌織物亦然。造成這種現象的原因有2個：其一是織物原樣初始毛羽狀態(tài)的差異造成的變化率計算結果的差異;其二是布面毛羽在起毛處理時被顯著拉長，對與纖維性質有關的指標的影響會發(fā)生與原樣不一樣的變化，比如對壓縮功而言，當纖維比較短時，纖維數量和纖維彎曲剛度的影響同樣顯著，但毛羽足夠長時，毛羽數量的因素對壓縮比功的影響增強，而纖維彎曲剛度的影響會顯著減弱，畢竟長毛羽更容易彎曲。

遇到這種情況，解決的方法也很簡單，就是以毛羽長度變化率作為第一判斷依據，因為毛羽長度變化率僅與毛羽長度本身相關，而與纖維種類與性質無關，是最直觀的指標。以此為判據，可得出結論，4種織物抗起毛性的優(yōu)劣排序依次是：滌/棉織物＞棉織物＞純毛織物＞毛/滌織物。

如果出現2種織物毛羽長度變化率相當的情況，可參照起毛處理后織物的毛羽長度絕對值輔助判斷，即毛羽長度越長，越容易起毛，抗起毛性越差。在本例中，經20次起毛后，布面毛羽的絕對長度秩位與毛羽長度變化率是一致的。

5 結論

本文利用織物單面壓縮測試裝置測試了布面毛羽各特征指標隨起毛次數的變化規(guī)律，提出了客觀評價織物(抗)起毛性的方法。

1)布面毛羽各特征指標均隨著起毛次數的增加而增大，但在起毛次數較少時，隨起毛次數增加顯著，隨著起毛次數的繼續(xù)增加(超過20次)，各指標趨于穩(wěn)定，即變化不顯著。

2)織物起毛性可采用一定起毛次數后測得的布面毛羽各指標相對于織物原樣布面毛羽各指標的變化率進行評價，這些指標包括毛羽長度變化率、分界壓力變化率、壓縮功變化率和壓縮比功變化率;起毛次數可確定為20次。

3)在4個指標中，以毛羽長度變化率為第一判據，其他指標可作為輔助指標做相關深入分析。同時，起毛處理后，毛羽長度的絕對值可以作為毛羽長度變化率相仿時的參考指標。

本文研究嘗試尋求一種簡單、通用性強的評價方法，實現織物起毛、起球(正在研究)的客觀評價，替代當前的多標準主觀評價方法。本文方法在一定的試樣種類中已證明其實用性，但對其更廣泛的適用性還有待進一步研究證實。

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