基于屈誘多形態(tài)力學測試的織物外觀平整度表征

肖彩勤， 孫豐鑫， 高衛(wèi)東

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

織物的起皺現(xiàn)象被認為是服裝在洗滌或穿著過程中承受搓揉擠壓等多重作用而引起的織物黏塑性形變，它直接影響了織物的服用性能和外觀美感[1]?？椢锿庥^平整度作為紡織材料保形性的一個重要特性，其量化了織物經過復雜外載作用后的折皺及其回復程度，是織物外觀品質和服裝市場價值的重要量度[2-3]。

織物外觀平整度表征的傳統(tǒng)方法是采用經標準洗滌或起皺處理后的織物樣品，由專業(yè)評委通過與標準樣照比較進行目測評估，主要參照標準有AATCC 124—2010 《織物經多次家庭洗滌后的外觀平整度測定》、AATCC 128—2010《織物折皺回復性：外觀法》與GB/T 13769—2009《紡織品 評定織物經洗滌后外觀平整度的試驗方法》[4]。然而，主觀評價易受個體經驗影響，顯示出精度低、再現(xiàn)性差的特點，且人工成本以及時間成本高。近年來，儀器測量圖像技術的應用在折皺評估方面起到重要作用，提升了織物外觀平整度評價的客觀性?；诙S圖像方法，采用掃描儀或工業(yè)面陣相機捕捉織物樣品的二維數(shù)字圖像，提取折皺灰度表面積和陰影面積[5]；或通過小波分析的變異值、偏移量[6]，灰度共生矩的對比度、相關系數(shù)、熵[7-8]等作為織物折皺水平的特征指標以量化織物外觀平整度。另外，三維圖像方法利用織物樣品的三維深度圖像為原始數(shù)據(jù)，通過雙目立體視覺結合分形維數(shù)[9]，或借助激光三角測量[10]等技術來客觀評定外觀平整度等級。然而，圖像技術本質上也如主觀評價一樣屬于視覺原理評價，難以克服織物顏色與紋理對評價結果的影響。

近來研究發(fā)現(xiàn)，織物的起皺和屈曲失穩(wěn)等現(xiàn)象與織物固有的物理力學性能密切相關[11-12]，力學表征不僅有利于避免視覺測試方法帶來的弊端，而且有助于探討織物起皺的本征物理因素，具有潛在的研究意義。因此，本文提出了一種可實現(xiàn)在時間和空間上對織物材料實施連續(xù)測試(原位)的織物外觀平整度的力學測試手段，能夠有效提升具有復雜圖案和紋理的織物外觀平整度評級的魯棒性，通過相關性分析闡釋力學測試特征指標與織物起皺響應的內在關聯(lián)，采用逐步回歸法構建預測模型表征織物外觀平整度等級，并借助1組獨立實驗驗證了力學方法的可行性與測試系統(tǒng)的準確性和可靠性，實現(xiàn)了織物外觀平整度的客觀評價。

1 織物外觀平整度力學測試系統(tǒng)

1.1 結構設計

織物外觀平整度力學測試系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括檢測機構、傳動機構與相應的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。檢測機構包括移動板、測試板、試樣夾持器以及精度為0.03%、測量范圍為-500～500 cN 的力傳感器；傳動機構主要包括伺服電動機、傳動齒輪和絲桿[13-14]。為保證測試過程中織物彎曲屈曲的穩(wěn)定性，待測織物通過移動板和測試板上的2個彈性夾持器夾持，形成的夾持面呈倒八字形自然微懸狀態(tài)。伺服電動機控制移動板在垂直于移動板的方向并相對于測試板進行往復運動，從而形成后屈曲誘導的織物多重形變。與此同時，力傳感器實時采集織物的受力情況，并且通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄移動板的位移情況，于控制面板輸出力-位移測試曲線。其中兩鉗口之間的水平距離、最大壓縮力和最大壓縮力的保持時間，以及試樣條寬度可根據(jù)實驗條件進行調整[15]。

圖1 織物外觀平整度力學測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of evaluation system for fabrics smoothness appearance

1.2 測試原理

織物外觀平整度力學測試系統(tǒng)通過構建織物多重形變，提取織物各構形下的力學響應特征，實現(xiàn)一次性完成織物折皺回復性、壓縮回彈性和拉伸回彈性的連續(xù)測試，從而綜合評價織物的外觀平整度。圖2示出原位力學測試過程與主要特征階段。根據(jù)織物典型的多形態(tài)形變特征，可將測試過程分為6個測試階段：I彎曲屈曲階段、II壓縮階段、III折皺回復階段、IV伸直階段、V拉伸階段、VI拉伸回復階段。

在I彎曲屈曲階段，傳動機構控制移動板向測試板進行移動，織物開始在測試板和移動板之間彎曲，形成織物的彎曲屈曲形變；移動板繼續(xù)向測試板靠近直至彎曲屈曲的織物兩翼彼此接觸，折疊后的織物被移動板和測試板壓縮，壓縮過程直到力傳感器監(jiān)測到織物的受力到達最大壓縮力的設定值時，移動板停止壓縮，并且保持一定的壓縮停滯時間，以增強織物的折皺性，此刻完成了II壓縮階段測試。接著移動板反向遠離測試板運動，使經過彎曲和壓縮的織物形變逐漸回復，直到移動板回到測試的起始位置，此時對應III折皺回復階段?？椢镏饾u由微懸彎曲狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，移動板繼續(xù)反向運動，織物由伸直狀態(tài)開始拉伸，直到織物的受力到達設定的最大拉伸力，完成V拉伸階段測試，最后移動板通過傳動機構開始向測試板靠近，直至到達測試的起始位置移動板停止運動，完成VI拉伸回復階段測試。

織物外觀平整度力學測試系統(tǒng)在這6個測試階段連續(xù)記錄織物多重形態(tài)，同時力傳感器實時監(jiān)測織物變形過程中的力學響應，得到相應的力-位移曲線，可進行曲線特征值的提取并對織物的外觀平整度進行綜合表征。

2 實驗方案

2.1 樣品制備

收集了不同組織結構、不同成分以及不同抗皺性能的商用機織物。織物厚度在1 kPa的壓力下用EXPLOIT電子測厚儀進行測量，同時使用Mettler天平測量單位面積樣品的質量，精確刻度為±0.1 mg。折皺回復角(經向)由Shirley折皺回復測試儀根據(jù)AATCC 66—2008《機織物折皺回復性的測定:回復角法》確定，施加壓力為500 g，試樣折疊加壓時間與卸除負荷后自行回復時間均為5 min。折皺回復率由PhabrOmeter 織物風格儀測試，根據(jù)測試原理將100 cm2的圓形試樣平鋪在測試臺上，通過推桿模擬人拿捏紡織品2次推動紡織品使其向下移動，通過PhabrOmeter 風格儀自帶軟件測得織物的折皺回復率。彎曲剛度通過懸臂梁法測得。所有試樣在實驗前均在溫度為(20±3) ℃、相對濕度為(65±5)%標準條件下平衡24 h。試樣的具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 試樣基本規(guī)格參數(shù)Tab.1 Primary parameters of samples

2.2 原位力學測試

測試過程中的實驗參數(shù)設置如下：兩鉗口之間的水平距離為5 mm，最大壓縮力和最大拉伸力均為300 cN，移動板壓縮與拉伸回復的停滯時間均為30 s， 移動板運動速度為20 mm/min，數(shù)據(jù)采樣頻率為90 Hz。每種織物按照經向折疊和緯向折疊各裁剪4塊長×寬為50 mm × 20 mm的試樣，放置于標準條件(溫度為(20±3) ℃，相對濕度為(65±5)%)下平衡24 h之后進行測試，織物的翹曲方向為原位力學測試試樣的長度方向，織物的折疊折線方向為試樣的寬度方向，測試之后直觀綜合比較力-位移曲線的特征指標，從每種經向折疊試樣和緯向折疊試樣的4條曲線中分別挑選出最相近的3條力-位移曲線，取6條曲線的平均值作為每塊試樣的最終測試結果。

2.3 織物外觀平整度的主觀評價

參考AATCC 124—2018《織物經多次家庭洗滌后的外觀平整度測試》，將織物裁剪至380 mm × 380 mm，對織物樣品進行標準洗滌和干燥，獲得表現(xiàn)外觀平整度級別各異的織物樣品，采用標準光源和觀察區(qū)域，由6位專業(yè)評委通過比照織物樣品與標準樣板的相似程度，主觀評價織物外觀平整度，以6位評委評價等級的平均值作為每種織物最終的外觀平整度等級。AATCC 124標準樣板如圖3所示?？椢锿庥^平整度分為 6個等級, 即 SA-1、SA-2、 SA-3、 SA-3.5、SA-4、SA-5。其中：SA-1 表示外觀平整度保持性最差，織物最折皺，隨著等級數(shù)值的升高，折皺程度逐漸降低；SA-5表示折皺程度最輕，織物最平整。

圖3 AATCC標準樣照Fig.3 AATCC standard photographs

3 結果與討論

3.1 測試曲線及特征指標提取

織物外觀平整度力學測試系統(tǒng)輸出的力-位移曲線如圖4所示。對應于試樣在測試時多形態(tài)形變特征，力-位移曲線也被分為6個階段。試樣經歷過彎曲屈曲和壓縮測試階段后，移動板反向遠離測試板運動使壓縮試樣逐漸恢復，圖中試樣折皺回復的初始階段力-位移曲線急劇下降，提取該段曲線擬合的壓縮回彈斜率Scr作為評價織物外觀平整度的一個可能的特征指標。

圖4 原位力學測試力-位移曲線Fig.4 Force-displacement curve of in-situ mechanical tests

此后，試樣回復緩慢，力值的絕對值逐漸減小到零(A點)，然后力值從零開始增大，與縱坐標軸交于B點，以克服織物折皺殘余產生的固有彎曲力，因此，可提取織物在折皺回復階段力值為零的A點與坐標原點O的偏轉位移Dwr以及折皺殘余力Fwr為織物折皺回復性的特征指標來表征織物外觀平整度。另外，據(jù)報道，織物的彎曲滯后與折皺回復特性密切相關[14]，因此，可提取試樣的彎曲屈曲曲線與折皺回復曲線在A點之間的滯后距離Hwr作為評價織物外觀平整度的指標。

試樣完成了折皺回復階段，開始被移動板伸直并拉伸，拉伸階段試樣受力曲線急劇上升。之后移動板向測試板靠近，試樣拉伸回復，張力急劇釋放，并回到實驗起始位置，則拉伸回復曲線相應的直線段擬合的拉伸回彈斜率Str可用作表征織物外觀平整度的一個可能的特征指標。

由此初步確定了5個曲線參數(shù)作為特征指標，利用Origin軟件對1～30號織物試樣所得到的力-位移測試曲線分別進行分析，提取相應的特征指標。30個試樣的曲線參數(shù)統(tǒng)計結果以及織物外觀平整度的主觀評價結果見表2。

3.2 主觀評級分析

標準化的主觀感受表現(xiàn)的平均值如圖5所示。可直觀看出每種試樣的主觀評價存在著一定的誤差度，但是等級誤差并不是很大，證實主觀評價的一致性和有效性。6、8、17、19號試樣的主觀外觀平整度等級相對較低，在1.5～2之間，而相應的特征值Dwr、Hwr、Fwr明顯大于其他試樣的特征值(見表2)。

表2 織物外觀平整度主觀評價與特征指標測試結果Tab.2 Results of subjective evaluation of fabric smoothness appearance and feature indices

1、16、21號試樣的主觀外觀平整度等級相對較高，其相應的特征值相比于其他試樣相對較小(對照表2 的特征指標)。因此可初步判斷，織物外觀平整度與客觀測試所提取的特征值有較好的相關性，力學測試指標可反映織物的外觀平整水平。

圖5 織物外觀平整度主觀評價Fig.5 Subjective evaluation of fabric smoothness

3.3 回歸模型構建

為科學地分析織物外觀平整度與客觀測試所提取指標之間的關系，采用SPSS軟件對1～23號試樣的外觀平整度等級G、所提取特征指標以及織物厚度T和面密度W進行皮爾斯曼相關性分析，結果如表3所示?？梢钥闯觯呵€特征指標Dwr、Hwr和Fwr、厚度T、面密度W與織物外觀平整度在0.01水平具有顯著的相關性；Scr、Str在0.05水平與織物外觀平整度顯著相關，表明原位力學測試曲線提取的特征指標可用來表征織物外觀平整度。

利用SPSS軟件，以織物外觀平整度等級為因變量，5個特征指標、織物厚度以及面密度為自變量，在95%置信區(qū)間下使用逐步回歸法，對1～23號試樣構建預測織物外觀平整度的多元線性回歸方程?；貧w模型為

Gpre=-1.099Dwr-0.044Hwr+3.982 (R2=0.761)

式中，Gpre為織物外觀平整度預測值?；谥鸩交貧w算法，偏轉位移Dwr與滯后距離Hwr2個指標進入回歸方程，說明織物外觀平整度主要由彎曲性能所決定。方程判定系數(shù)R2為0.761，說明織物外觀平整度與特征指標之間的回歸模型擬合度良好。另外，

表3 織物外觀平整度與曲線特征指標的相關性分析Tab.3 Correlation analysis of fabric smoothness appearance and curve characteristic index

回歸方程F檢驗中F值為31.888，大于臨界值F0.05(2,2)= 19.000，且p值<0.01，證實了構建的回歸模型顯著。

3.4 回歸模型檢驗

為進一步驗證構建的多元回歸方程的有效性，將24～30號檢驗試樣提取的特征指標代入到回歸方程，把織物外觀平整度的主觀評價與基于原位力學測試的客觀評價作比較，結果如表4所示。可見，主客觀評價差值均小于0.19，誤差率絕對值最大值為5.2%，表明主客觀評價結果一致性較好，因此基于力學測試指標所構建的回歸模型對織物外觀平整度具有較好的預測，有較高的實用價值，能夠表征織物外觀平整度等級。

表4 織物外觀平整度的主客觀評價比較Tab.4 Comparison of subjective and objective evaluation of fabric smoothness appearance

4 結 論

本文提出用于評價織物外觀平整度的原位力學測試方法，從測試的力-位移曲線提取了5個特征指標，即壓縮回彈斜率Scr、偏轉位移Dwr、折皺殘余力Fwr、滯后距離Hwr和拉伸回彈斜率Str，對所提取特征指標以及織物厚度T和面密度W與織物主觀評價等級進行皮爾斯曼相關性分析發(fā)現(xiàn)，特征指標Dwr、Hwr和Fwr、厚度T、面密度W與織物外觀平整度主觀評級在0.01水平具有顯著相關性，Scr、Str在0.05水平與織物外觀平整度主觀評級顯著相關，說明提取的特征指標能夠反映織物的外觀平整度等級。采用逐步回歸法構建預測模型以表征織物外觀平整度，并對回歸方程進行檢驗，分析比較表明基于原位力學測試的客觀評價與主觀評價吻合度良好，驗證了保形性力學測試系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，因此，構建的力學測試系統(tǒng)能夠高效客觀量化織物外觀平整度。