織物折皺回復(fù)性表征方法研究進(jìn)展

趙娜娜，丁雪梅

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051； 2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

織物在日常的服用和保管過程中受到外力的作用產(chǎn)生變形而形成折皺，這直接影響了其服用性能和美觀性，而且沿著折痕方向易產(chǎn)生磨損，加速了織物的損壞。因此，對織物折皺回復(fù)性能的研究是非常必要的?？椢锏恼郯櫥貜?fù)性能也稱為織物抗皺性，指在一定條件下去除使織物產(chǎn)生折痕的外力后，織物回復(fù)到初始狀態(tài)的能力[1]?？椢镎郯櫥貜?fù)性能受到相當(dāng)多因素的影響且很復(fù)雜，例如直接影響織物折皺回復(fù)性的因素有：紗線剛度、紗線交織彎曲程度、織造工藝等[2-3]。前人以表觀現(xiàn)象和理論模型為出發(fā)點(diǎn)對織物折皺的彎曲和回復(fù)機(jī)制進(jìn)行研究，并且運(yùn)用力學(xué)、幾何學(xué)的方法分析織物折皺回復(fù)性能[4-5]。目前國內(nèi)外對此的研究主要分直接測試和模型表征2種。直接測試包括主觀評價(jià)法和儀器測量法；模型表征法主要包括圖像處理法、建立折皺回復(fù)角與物理力學(xué)性能相關(guān)的回歸模型，與力學(xué)、形變幾何學(xué)相關(guān)的能量消耗模型等。

織物折皺回復(fù)性能與其所處環(huán)境中熱、濕、機(jī)械力等因素密切相關(guān),當(dāng)前對織物折皺形變回復(fù)的研究尚不完善，需考慮各個(gè)因素對織物折皺回復(fù)的影響，從而形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目椢镎郯櫥貜?fù)理論體系。

1 直接測試法

因織物為柔性纖維材料的片狀集合體，且織物折皺產(chǎn)生和回復(fù)過程中織物形變的變化相對較小，同時(shí)直接測量法往往再現(xiàn)性差，耗時(shí)費(fèi)力，因而直接測試法對于織物折皺回復(fù)的測量難以滿足當(dāng)前檢測需求。直接測試包括主觀評價(jià)法和儀器測量法，前者容易受到外部環(huán)境和檢測評價(jià)個(gè)體生理、心理因素的影響，精度低；后者采用的實(shí)驗(yàn)室常用測試儀器主要包括SDL-M003 A型折皺回復(fù)角試驗(yàn)機(jī)(英國錫萊國際開發(fā)有限公司)， YG541E型全自動(dòng)激光織物折皺彈性測試儀(常州市第一紡織設(shè)備有限公司)，YG(B)541D-Ⅱ型全自動(dòng)數(shù)字式折皺彈性儀(寧波紡織儀器廠)等。

1.1 主觀評級法

1967年美國紡織化學(xué)家與印染師協(xié)會(AATCC)RA61 技術(shù)委員會首次提出主觀評級方法，并沿用至今?，F(xiàn)有的AATCC 124—2011《織物經(jīng)反復(fù)家庭洗滌后的外觀平整度測試方法》標(biāo)準(zhǔn)中通過比照織物與標(biāo)準(zhǔn)樣板的相似程度，評級專業(yè)人員主觀地給出1至5之間的等級數(shù)值[6-7]，精度到0.5級。圖1為織物折皺平整度標(biāo)準(zhǔn)樣板，為了區(qū)分3級和4級間的折皺跨越，除了5個(gè)平整度整數(shù)級外，還增加了3.5級，同時(shí)該等級一般作為進(jìn)出口檢驗(yàn)的合格閾值[8]。AATCC 124—2011 標(biāo)準(zhǔn)樣板見圖1。

圖1 AATCC 124 標(biāo)準(zhǔn)樣板

折皺平整度主觀評價(jià)法除用于紡織品服裝的貿(mào)易檢測外，在洗護(hù)設(shè)備(洗滌、烘干、熨燙設(shè)備等)及洗滌劑性能評估中，1～2級的出現(xiàn)概率較多，人工評級的精度難以區(qū)分洗護(hù)設(shè)備及洗滌劑產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。類似的主觀檢測方法標(biāo)準(zhǔn)如ISO 7768—2006《清洗后織物外觀的平滑度評定的試驗(yàn)方法》、 GB/T 13769—2009《評定織物經(jīng)洗滌后外觀平整度的試驗(yàn)方法》均參照AATCC制作的標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行主觀視覺評價(jià)。雖然主觀評級方法應(yīng)用范圍廣但其存在著諸多缺陷，如精度低、穩(wěn)定性差、耗時(shí)長、成本高；且由于檢測評價(jià)人員個(gè)體生理、心理之間存在著差異，評價(jià)結(jié)果離散較大，且3級以上折皺數(shù)量形態(tài)難以區(qū)分[9]，影響了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2 儀器測量法

1.2.1 SDL-M003 A 型折皺回復(fù)角試驗(yàn)機(jī)

SDL-M003 A型折皺回復(fù)角試驗(yàn)機(jī)參照AATCC66—2008《機(jī)織物折皺回復(fù)性的測定：回復(fù)角法》要求進(jìn)行測試，主要由刻有角度的圓盤測量裝置和負(fù)載壓重裝置組成，配置有3種負(fù)荷，規(guī)格為500、1 019、2 000 g[10]。SDL-M003 A 折皺回復(fù)角試驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)過程見圖2。

圖2 SDL-M003 A 折皺回復(fù)角試驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)樣品需沿長邊對折，保證樣品兩端對齊，為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測試全程需用鑷子夾持試樣，快速將負(fù)載壓重裝置放上折疊的樣品上并開始計(jì)時(shí)，持續(xù)(300±5) s后將試樣移到刻度盤的試樣夾上，樣品一端夾入試樣夾，另一端自由懸垂，使樣品折痕線與試驗(yàn)機(jī)刻度盤的軸心點(diǎn)垂直。夾持(300±5) s后，人工讀出折皺回復(fù)角度數(shù)。

1.2.2 YG541E型全自動(dòng)激光折皺彈性測試儀

YG541E型全自動(dòng)激光織物折皺彈性測試儀按照GB/T 3819—1997《紡織品 織物折痕回復(fù)性的測定 回復(fù)角法》的要求進(jìn)行測試[8]，實(shí)驗(yàn)時(shí)，依次夾入10個(gè)試樣，并壓上有機(jī)玻璃壓片，其采用小車自動(dòng)定位，自動(dòng)采樣，每隔15 s依次有一個(gè)重錘落下，5 min后重錘依次彈開，小車從左到右移動(dòng)依次采集10個(gè)試樣的急彈和緩彈角度[11]。YG541E型全自動(dòng)激光織物折皺彈性測試儀工作結(jié)構(gòu)原理見圖3。

圖3 YG541E 型全自動(dòng)激光織物折皺彈測試儀工作原理圖

綜上，YG541E型全自動(dòng)激光織物折皺彈性測試儀測試過程自動(dòng)化程度高，但由于各個(gè)重錘按壓力度不均等、試樣折疊翼不易彈開，造成其測試結(jié)果波動(dòng)性大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和一致性較低;SDL-M003 A 型折皺回復(fù)角試驗(yàn)機(jī)測試數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，結(jié)果較穩(wěn)定，但人工重復(fù)性操作步驟多，耗時(shí)長，效率低。

2 模型表征法

織物折皺形成，從宏觀上表現(xiàn)為織物表面上下凹凸不平，基于此研究主要集中在對織物折皺圖像處理技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用；從微觀上看，織物內(nèi)部纖維、紗線、組織結(jié)構(gòu)等織物內(nèi)部性能與折皺形成呈現(xiàn)復(fù)雜關(guān)系，對此一部分學(xué)者通過建立模型來表征折皺。

2.1 圖像處理法

當(dāng)前紡織品特性的分析已大規(guī)模使用成像技術(shù)，相當(dāng)多測量儀器是用圖像分析技術(shù)開發(fā)的。許多學(xué)者試圖用數(shù)字圖像處理技術(shù)來開發(fā)切實(shí)可靠的評估織物折皺儀器方法。

通過表征表面和陰影面積比[12]和使用具有分形幾何尺寸的立體成像[13]來確定織物平滑度。此外，利用激光探頭測量織物表面的物理特征，如表面高度變化[14-15]。AMIRBAYAT等[16]以及SU等[17]提出了一種激光線三角測量法來描述起皺織物的三維表面數(shù)據(jù)，然后，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行關(guān)于視覺標(biāo)準(zhǔn)的皺紋分類[18]。線性激光輪廓儀和三維投影網(wǎng)格技術(shù)[14、19]也是用于評估織物光滑度外觀，該研究旨在提取織物的表面輪廓和三維形貌以表征皺紋。HU等[20]和 YANG等[21]開發(fā)了一種光度立體方法，其中連續(xù)圖像之間的入射照明方向是變化的，同時(shí)保持觀看方向恒定。

以上所有客觀方法都使用數(shù)字圖像處理技術(shù)，但所有這些系統(tǒng)都是基于AATCC折皺回復(fù)測試。RAJA ZAOUALI等[22]提出了一種由法國方法(Cylinder Creux)產(chǎn)生的多方向“真實(shí)”折皺的客觀評估方法。圖像分析用于定義皺紋的基本特征，如皺紋強(qiáng)度平均值，皺紋表面粗糙度，皺紋體積和皺紋密度。折皺分析步驟見圖4。

圖4 折皺分析步驟

最終得出折皺級別線性回歸方程為：

WR=-3.51+0.038M-0.193R-0.324D

(1)

式中：WR為折皺等級；M為折皺強(qiáng)度平均值，mm；R為折皺表面粗糙度,mm；D為折皺的密度。

該統(tǒng)計(jì)模型R2=97.3%，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，圖像處理確定的參數(shù)客觀評價(jià)織物折皺的模型總體上是顯著的。

2.2 折皺模型

織物折皺的形成是因?yàn)榭椢飶澢鷷r(shí)紡織材料所表現(xiàn)的黏彈性和紡織纖維的內(nèi)摩擦性。然而織物的彎曲性能與纖維的彎曲性能、紗線和織物結(jié)構(gòu)以及織物后整理等因素有關(guān)且關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜[23]。目前織物折皺模型集中在2方面：建立織物折皺回復(fù)角與織物物理力學(xué)參數(shù)之間的線性回歸方程和折皺回復(fù)過程中對折皺回復(fù)力與折皺彎曲形變建立能量耗散模型。

2.2.1 力學(xué)指標(biāo)回歸模型

石風(fēng)俊等[24]通過研究織物折皺的力學(xué)關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出織物折皺模型參數(shù)，從而得出折皺回復(fù)角；XIA等[25]建立了織物的應(yīng)變曲線與織物折皺之間的回歸方程，確立了織物折皺回復(fù)性與織物應(yīng)變曲線的關(guān)系；張曉婷等[26]找出了織物物理性能與折皺回復(fù)性之間的線性關(guān)系，采用織物力學(xué)性能指標(biāo)表示其折皺回復(fù)角的回歸方程；趙立環(huán)等[27]在KES系統(tǒng)原有力學(xué)性能指標(biāo)基礎(chǔ)上指出折皺回復(fù)性的改善方法并引入2個(gè)新指標(biāo):殘余彎曲曲率和殘余剪切變形，分析了織物折皺回復(fù)角與各力學(xué)性能指標(biāo)間的相關(guān)性，在精確表征織物折皺回復(fù)角的回歸方程中是不可忽略的。

2.2.2 形變能量耗散模型

折皺織物的變形需要外力的作用，因此折皺形成過程中大部分能量作為彈性變形的能量存儲在織物中。外力消除后，織物趨于恢復(fù)到原來的形狀[28]。施加外力時(shí)，純彈性材料不會消耗能量，黏彈性材料會失去一部分儲存的能量，折皺形成的關(guān)鍵就是能量的消耗。

許多使用能量方法得出的理論公式通常太過復(fù)雜，無法直接應(yīng)用[29]。WANG等[30]提出了一種基于能量的方法來模擬不同的皺紋形狀，以表示非剛性物體的不同材料屬性。此外，石風(fēng)俊[31]基于紡織材料的彈性回復(fù)性能及織物的內(nèi)摩擦作用,研究了在較小作用下織物的折皺彎曲與回復(fù)性能,此時(shí)織物產(chǎn)生的形變主要是彈性形變,因此可以把織物看成是一個(gè)具有內(nèi)摩擦約束的彈性條,其流變模型由一個(gè)虎克彈簧和一個(gè)摩擦元件并聯(lián)組成，簡稱Voigt或者Kelvin模型。分析毛及毛/滌織物在折皺回復(fù)過程中回復(fù)力與折皺彎曲形變的關(guān)系。為簡化計(jì)算,假定織物壓縮后的輪廓為跑道型,即與上下壓板的接觸部分為直線,織物彎曲部分為半圓形。Voigt或者Kelvin模型見圖5，織物折皺回復(fù)變形的幾何形狀見圖6。

M為織物彎矩；Mf為摩擦約束力偶。圖5 虎克彈簧與摩擦元件并聯(lián)模型

R為回復(fù)前曲率半徑；R0為回復(fù)后曲率半徑;2dr為回復(fù)后兩平行面間隔差。圖6 織物折皺回復(fù)變形的幾何形狀

(2)

通過對能量Ws微分可得到回復(fù)力。然而該模型忽略了塑性變形，紡織纖維具有黏彈性質(zhì)，即使對于彈性性能較好的毛織物、毛/滌織物，仍然存在塑性形變，所以RAJA等[32]在折皺形變回復(fù)和能量耗散之間建立能量模型更加嚴(yán)謹(jǐn)且符合織物折皺回復(fù)的真實(shí)行為，是由Kelvin模型與Maxwell模型串聯(lián)構(gòu)成Burger′s模型，其重點(diǎn)研究黏彈性行為的能量建模，包括對瞬間形變、緩彈性形變和塑形形變，同時(shí)深入研究了反復(fù)起皺疲勞測試的能量耗散規(guī)律，Burger′s模型見圖7。

σ為持續(xù)外力,N；E1、E2為彈性常數(shù),N/mm;η1、η2為阻尼系數(shù),(N·s)/mm。圖7 Burger′s模型

根據(jù)變形熱力學(xué)中表示的能量平衡和忽略熱機(jī)械耦合，得到能量平衡公式[33]：

(3)

最終推導(dǎo)得出：

(4)

式中：σ0為持續(xù)外力,N；E2為彈性常數(shù)，N/mm；η2為阻尼系數(shù)，(N·s)/mm；t為折皺回復(fù)時(shí)間，min；t1表示外力施加時(shí)間(1 min)；E2、η2流變學(xué)參數(shù)根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)織物的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定得到[34]。

結(jié)果表明，能量消耗越低，織物越能夠回復(fù)到初始狀態(tài)，殘余變形越少。此外，反復(fù)起皺后疲勞循環(huán)次數(shù)的增加導(dǎo)致殘余變形和永久變形的增加。

綜上，圖像處理技術(shù)在織物折皺分析方面得以應(yīng)用，但是多數(shù)研究仍舊是在折皺評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行測量研究的，且圖像法研究并不成熟，應(yīng)用具有一定局限性。所以學(xué)者們通過建立折皺模型試圖更加準(zhǔn)確的表示折皺的回復(fù)行為，然而力學(xué)指標(biāo)模型需要測量多個(gè)力學(xué)指標(biāo)，較直觀測量法準(zhǔn)確，但工作量大且復(fù)雜。對于折皺能量模型，主要分2個(gè)方向，其一是通過折皺回復(fù)力求得折皺回復(fù)能量，采用開爾文流變模型對彈性性能好的織物在小形變情況下預(yù)測并分析織物折皺回復(fù)性能各指標(biāo)。其二在考慮織物的黏彈性和塑性前提下，采用Burger′s模型對織物在較大折皺力情況下的折皺和回復(fù)進(jìn)行預(yù)測分析，當(dāng)前此類模型多為通過形變與能量關(guān)系反應(yīng)折皺回復(fù)過程，但為了應(yīng)用此模型，需要大量實(shí)驗(yàn)測量不同面料的流變參數(shù)。

3 結(jié)束語

織物折皺回復(fù)是評判織物服用性能的重要指標(biāo)之一，因此準(zhǔn)確評價(jià)表征織物折皺回復(fù)性具有重要意義。目前針對織物折皺回復(fù)性方面的研究層出不窮，結(jié)果也不盡相同。織物折皺形變及回復(fù)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，受到織物內(nèi)在屬性和外在環(huán)境因素共同影響，本文研究在統(tǒng)一外界環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣下進(jìn)行，但只討論了織物折皺形變與織物本身內(nèi)在因素之間的關(guān)系，在日常生活中，織物折皺所處環(huán)境時(shí)刻都在變化，比如洗滌、烘干、蒸汽熨燙過程，織物折皺形變的回復(fù)過程未見研究，因此目前關(guān)于外界環(huán)境中的熱、濕、機(jī)械力耦合作用下織物折皺形變的回復(fù)研究尚不完善，對于其評價(jià)表征方法，需全面考慮各影響因素，建立完善的織物折皺評價(jià)模型和體系。