織物表面摩擦性能的研究進(jìn)展

馮萌雨

(西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048)

0 前言

摩擦是兩個(gè)物體表面在外力作用下相互接觸，并做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在接觸面產(chǎn)生切向阻力的現(xiàn)象。切向阻力即摩擦力，其大小取決于物體表面的性質(zhì)，是經(jīng)典的力學(xué)性質(zhì)之一。對(duì)于織物來(lái)說(shuō)，其表面摩擦性能也是織物最基本的力學(xué)性能之一，一般采用摩擦系數(shù)和粗糙度來(lái)表征 。

織物表面摩擦性能影響織物表面的滑糯或滑爽度等風(fēng)格，賦予紡織品豐富的表面手感。摩擦系數(shù)小，織物手感滑爽；摩擦系數(shù)大，織物手感粗糙。對(duì)于聽(tīng)覺(jué)風(fēng)格，特殊處理過(guò)的絲織物相互摩擦?xí)r，會(huì)有低頻的振動(dòng)，產(chǎn)生“絲鳴”效果，使得在穿著過(guò)程中與皮膚接觸時(shí)獲得舒適的快感；在視覺(jué)風(fēng)格上，由于織物表面的凹凸不平導(dǎo)致織物表面對(duì)光的反射程度不同，從而影響織物光澤?？椢锏谋砻婺Σ列阅芤矔?huì)影響其服用性能，比如耐磨性以及貼身衣物的穿著舒適性等。除此之外，織物表面摩擦性能對(duì)后處理加工和某些特殊功能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，模擬織物在實(shí)際使用過(guò)程中，與不同物體表面接觸，織物所表現(xiàn)的摩擦性能是了解織物手感風(fēng)格及性能的重要途經(jīng)之一。

1 織物表面摩擦性能

織物表面摩擦性能用摩擦系數(shù)或摩擦阻力來(lái)反映。織物的摩擦阻力,一般可分為兩種：(1)織物表面纖維的摩擦阻力；(2)織物表面形狀引起的摩擦阻力[2]。但當(dāng)遇到比較堅(jiān)硬的粗糙物體時(shí),比如混凝土，纖維的勾掛強(qiáng)度和織物表面纖維的約束狀態(tài)就成為主要因素。當(dāng)織物與織物摩擦?xí)r,織物表面越平滑,纖維的摩擦阻力對(duì)織物的摩擦阻力影響就越大。另外，織物表面因?yàn)榻?jīng)緯紗交織形成凸體，造成織物表面凹凸，在相互摩擦?xí)r，就會(huì)像齒輪嚙合那樣地凹凸交叉，從而產(chǎn)生非常大的摩擦阻力[2]。

2 影響織物表面摩擦性能的因素

織物表面的摩擦性能受眾多因素的影響，包括纖維材料、紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)、織物組織以及染色、后整理等都會(huì)對(duì)織物表面的手感風(fēng)格產(chǎn)生一定的影響。

2.1 纖維

單纖維的性能在很大程度上決定織物的摩擦特性。不同種類的纖維由于形態(tài)結(jié)構(gòu)特征不同，所以表現(xiàn)出不同的摩擦性能。比如,絲織物特有的手感是由于蠶絲的橫截面呈三角形以及它的細(xì)度所決定的；羊毛制品的發(fā)澀和光滑性是由于羊毛表面鱗片的定向摩擦效應(yīng)，即順、逆鱗片摩擦因數(shù)不同；纖維的卷曲程度會(huì)影響纖維間的排列，造成纖維纏結(jié)，從而影響織物的摩擦性能[3]。

2.2 紗線

對(duì)于紗線而言，紗線的線密度、加捻情況、長(zhǎng)絲紗的單絲纖度和紡紗方法等因素都會(huì)影響織物的摩擦性能。線密度的變化對(duì)織物摩擦?xí)r的實(shí)際接觸面積有影響[4]，若所用紗線較粗,織物表面會(huì)更“粗糙”,風(fēng)格會(huì)更為“粗獷”些；加捻程度影響紗線中纖維的排列、紗線的表面光潔程度和硬挺度,從而影響織物的表面摩擦性能。另外，經(jīng)特殊整理的紗線，摩擦性能也會(huì)發(fā)生變化。

2.3 織物

織物組織的松緊、織物平均浮長(zhǎng)、織物緊度都會(huì)影響織物表面摩擦性能。織物沿摩擦方向紗線浮長(zhǎng)越長(zhǎng)，織物表面摩擦系數(shù)愈大；緯密越高，織物表面越光滑。織物緊度越大，紗線受擠壓程度越高，織物越容易形成均勻致密的表面，織物表面粗糙度就越小。

3 織物表面摩擦性能的發(fā)展歷程

在織物表面摩擦性能方面，各國(guó)研究學(xué)者做了大量的研究和探索，已經(jīng)獲得了大量的研究成果。15世紀(jì)意大利文藝復(fù)興時(shí)期，達(dá)芬奇首次對(duì)固體表面摩擦提出科學(xué)的論斷，從而開(kāi)啟了摩擦學(xué)科的研究歷程。然而關(guān)于織物摩擦學(xué)的研究則始于上個(gè)世紀(jì)30年代[5]。有關(guān)于織物表面摩擦系數(shù)的測(cè)試方法[6]、織物增強(qiáng)復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性[7]，也有關(guān)于織物與皮膚之間的摩擦特性[8]。

1930年，Peirce[9]設(shè)想了各種參數(shù)以控制織物的性能，并對(duì)其手感進(jìn)行評(píng)價(jià)，首次將織物手感和織物摩擦性能聯(lián)系起來(lái)，從此拉開(kāi)了織物力學(xué)性能與風(fēng)格關(guān)系研究的序幕?？椢锏哪Σ列阅軙?huì)影響最終產(chǎn)品的手感、美觀性以及性能，主要取決于織物使用時(shí)的接觸面。

1997年Ajayi和Elder[10]表明織物與物體表面之間的摩擦對(duì)織物的應(yīng)用和織物與紗線手感的表征至關(guān)重要。

(2)沙溝泥石流流體重度1.786 t/m3，為稀性泥石流；泥石流速1.27～4.01 m/s；泥石流峰值流量為15.99 m3/s；一次性固體物質(zhì)沖出量約為1.15×104 m3。

2004年Hermann等[11]采用一種新的復(fù)合摩擦因數(shù)對(duì)棉織物的表面摩擦性能進(jìn)行客觀的表征，研究不同滑動(dòng)速度對(duì)棉織物表面摩擦性能的影響，結(jié)果表明，隨著滑動(dòng)速度的增加，靜摩擦系數(shù)增加，而動(dòng)摩擦系數(shù)無(wú)明顯變化。

2005年Das，Kothari和Vandans[12]研究了四種紡織材料的織物/金屬表面和織物/織物摩擦特征，并分析了影響織物摩擦性能的因素。

2017年張宇軒等人[13]研究了迷彩服織物與人體肘部皮膚摩擦特性。在干態(tài)時(shí)，純棉材質(zhì)和斜紋結(jié)構(gòu)的織物與皮膚的摩擦系數(shù)較??；在濕態(tài)時(shí)，疏水性強(qiáng)的織物與皮膚的摩擦系數(shù)大。平紋織物與皮膚摩擦后，容易造成皮膚表面粗糙，增加了皮膚表面損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

4 織物表面摩擦性能的測(cè)試

4.1 自制儀器

KES -FB4[14]紡織品表面特性測(cè)試儀是目前國(guó)際上通用的紡織品表面摩擦特性測(cè)試裝置，如圖1所示。其分別通過(guò)指形測(cè)試頭5測(cè)得動(dòng)摩擦系數(shù)在紡織品位移上的變化曲線，矩形環(huán)測(cè)試頭6與織物接觸，并與織物發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于織物表面凹凸不平，矩形環(huán)會(huì)上下移動(dòng)，如圖2所示。因此，用位移量表征織物厚度變化。通過(guò)對(duì)上述曲線的計(jì)算分別采用平均摩擦系數(shù)、摩擦系數(shù)的平均偏差以及表面粗糙度三個(gè)指標(biāo)來(lái)表征紡織品的表面摩擦特性。

圖1 KES表面摩擦裝置示意圖

2007年任建、王正偉[15]針對(duì)KES系統(tǒng)的缺陷，設(shè)計(jì)了一種新型的圓盤法測(cè)試系統(tǒng)，優(yōu)化織物的表面摩擦性能檢測(cè)，如圖3所示。本裝置的特點(diǎn)就是將KES測(cè)試方法中樣品的來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)改為圓周運(yùn)動(dòng)，這樣僅需一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期，即可測(cè)得織物在各個(gè)方向上的表面摩擦性能，同時(shí)也涵蓋了正逆兩個(gè)方向的摩擦，如圖4所示。摩擦曲線圖可反映出織物的各向異性特征。

圖3 圓盤法測(cè)試織物表面摩擦性能原理示意圖

圖4 織物旋轉(zhuǎn)一周摩擦示意圖

2012年奧爾良大學(xué)設(shè)計(jì)了一種測(cè)試機(jī)織物動(dòng)摩擦的儀器[16]，如圖5所示，主要用來(lái)表征織物/織物、織物/鋼和紗線/紗線摩擦的摩擦行為。對(duì)于織物/織物的摩擦實(shí)驗(yàn)，自重位置通過(guò)切向力的平均值來(lái)定義。樣品之間的角度可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)上部樣品來(lái)調(diào)節(jié)。

2013年閆麗霞[17]通過(guò)測(cè)試滑塊與測(cè)試樣本接觸，并與測(cè)試樣本相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)，利用測(cè)試滑塊勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的力，獲得紡織品表面的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)，來(lái)評(píng)價(jià)紡織品的表面摩擦特性。測(cè)試原理是通過(guò)集成在上測(cè)盤的微型電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)摩擦力測(cè)試子系統(tǒng)中滑塊的勻速運(yùn)動(dòng)，傳感器用來(lái)測(cè)試滑塊左右勻速運(yùn)動(dòng)所需的力，最終測(cè)得紡織品與滑塊之間的摩擦力。如圖6所示。

圖5 織物摩擦測(cè)試裝置圖

圖6 紡織品表面摩擦特性測(cè)試原理

2016年姚寶國(guó)等人[18]針對(duì)織物摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試需求研制了一種能夠模擬織物和皮膚動(dòng)態(tài)接觸過(guò)程的機(jī)械測(cè)試裝置，如圖7所示。并用織物表面的摩擦系數(shù)及摩擦過(guò)程中所做摩擦功來(lái)具體表征織物的動(dòng)態(tài)摩擦特性。

圖7 織物摩擦測(cè)試裝置圖

4.2 改進(jìn)儀器

1996年呂柏祥、李偉光、艾哈麥德等人[19]對(duì)Isntorn強(qiáng)伸儀進(jìn)行改裝，如圖8所示。測(cè)試時(shí)，將試樣織物夾于金屬平臺(tái)4上,另一端加以重錘7，以使試樣平直。摩料裝于滑塊3的底面，滑塊3的一邊用凱夫拉絲與傳感器1相連,另一邊則連接重錘8，使滑塊能在橫梁2升降時(shí)左右滑動(dòng)，滑塊每滑動(dòng)一次，記錄儀記錄摩擦力變化曲線。試驗(yàn)中分別模擬織物與皮膚、堅(jiān)硬表面以及服裝之間的摩擦，測(cè)試了織物與織物、麂皮、金屬之間的摩擦。

1998年張毅、陳紅[20]借鑒纖維、紗線摩擦性能的測(cè)試方法，采用絞盤法，將被測(cè)織物跨在摩擦軸上，借助YG-001單纖維電子強(qiáng)力儀加裝導(dǎo)向滑輪來(lái)完成織物表面摩擦性能的測(cè)試，如圖9所示。證實(shí)這種方法操作簡(jiǎn)便，動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)量誤差小，適用面廣。

2011年Osman Babaarslan等人[21]在常規(guī)的萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)上，改裝成測(cè)試織物的摩擦實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如圖10所示，并測(cè)試了不同涂層非織造布的摩擦性能。當(dāng)裝置的上承載器以特定的速度移動(dòng)時(shí)，滑塊就會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，從而兩個(gè)表面之間發(fā)生摩擦。同時(shí)，載荷傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的由織物表面結(jié)構(gòu)引起的負(fù)載變化，通過(guò)計(jì)算機(jī)以圖形和數(shù)值形式顯示。

圖8 Isntorn強(qiáng)伸儀摩擦性能測(cè)試示意圖

圖9 絞盤法測(cè)試織物表面摩擦性能

4.3 模擬織物與皮膚之間的摩擦測(cè)試

2013年Min-Seob Kim等人[22]為了研究手指在織物表面上滑動(dòng)的真實(shí)摩擦特征，設(shè)計(jì)了含有兩個(gè)載荷傳感器的裝置，如圖11所示。試樣放置在襯墊部件上，兩個(gè)載荷傳感器測(cè)試時(shí)的載荷由實(shí)驗(yàn)者施加。數(shù)據(jù)通過(guò)DAQ傳輸，然后使用Labview以3000Hz的采樣率記錄相應(yīng)的時(shí)間值。用手指的摩擦程度和摩擦力的方差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)法向載荷與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了線性回歸分析。

2017年Si Chen等人[23]將Syn Touch公司開(kāi)發(fā)的Bio Tac仿生手指以30°的傾斜角安裝在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上，如圖12、圖13所示。仿生手指是一種基于液壓的新型仿生手指?jìng)鞲衅?，具有仿生指紋，與人類手指大小、形狀、柔度都極為類似，精度和靈敏度高。實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，仿生手指在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)的控制下沿經(jīng)線方向掃描織物表面，掃描速度為10mm/s，掃描距離為30mm，掃描正壓力為1.5N。

圖11 手指摩擦測(cè)量裝置示意圖

圖13 仿生手指設(shè)計(jì)圖

5 測(cè)試條件對(duì)織物摩擦性能的影響

織物摩擦測(cè)試結(jié)果對(duì)測(cè)試變量有一定的依賴性，施加載荷、滑動(dòng)速度、接觸面積、摩擦方向、摩擦次數(shù)、材料表面以及摩擦頭的材質(zhì)和形狀等等都會(huì)對(duì)織物表面摩擦性能的測(cè)試有一定的影響。

低負(fù)荷時(shí)，載荷對(duì)摩擦比較敏感，摩擦系數(shù)會(huì)隨載荷的增加而減少，當(dāng)增加到較大負(fù)荷時(shí)，摩擦值差異會(huì)逐漸變小，最后接近一個(gè)恒定值；滑動(dòng)速度對(duì)織物表面摩擦性能的影響是有限的；當(dāng)與織物相摩擦的時(shí)候，不同的摩擦頭材質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的摩擦系數(shù)：織物/織物 >毛皮/織物 >金屬/織物；織物是各向異性材料，因此織物摩擦的方向不同，所得到的摩擦系數(shù)就會(huì)有所不同；而對(duì)于摩擦頭形狀對(duì)織物摩擦性能的影響還有待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)是世界上最大的紡織服裝產(chǎn)品出口國(guó)，紡織品服裝產(chǎn)業(yè)也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。中國(guó)服裝貿(mào)易發(fā)展勢(shì)頭良好，但面臨眾多困難。比如在產(chǎn)品性能檢測(cè)方面，大多數(shù)都是客觀評(píng)定，缺乏主觀檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致貿(mào)易摩擦加劇。因此，產(chǎn)品性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不容忽視，而織物的表面摩擦性能又是織物最基本的性能，影響織物的風(fēng)格與手感，比如織物的耐磨性、舒適性、柔軟性、懸垂性等等。因此，研究織物表面摩擦性能的測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)，顯得意義重大。