紡織品織物強(qiáng)力測量不確定度的評估程序

馮青蕊

［伊士曼(中國)投資管理有限公司，上海201210］

0 引言

根據(jù)織物結(jié)構(gòu)劃分，紡織織物的強(qiáng)力指標(biāo)常用機(jī)織物的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和針織物的頂破強(qiáng)力表示，且實(shí)驗(yàn)室在大多數(shù)情況下都是通過拉伸強(qiáng)力機(jī)來完成試樣的測試，比如：機(jī)織物的斷裂強(qiáng)力可通過條樣法或抓樣法進(jìn)行測定，撕破強(qiáng)力可通過單縫法或雙縫法等方式進(jìn)行測定；針織物的頂破強(qiáng)力可通過鋼球法來完成測定。然而，在織物的強(qiáng)力測試過程中存在著許多不確定的影響因素。本文通過評定織物強(qiáng)力檢測結(jié)果的不確定度，尋找影響檢測結(jié)果的主要因素，從而幫助實(shí)驗(yàn)室有效控制檢測過程的關(guān)鍵點(diǎn)，提高檢測結(jié)果的精確程度，也為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合格判定和測試相關(guān)方接受產(chǎn)品的強(qiáng)力提供更多的參考依據(jù)。

1 測試方法

目前，無論是對機(jī)織物的斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力的測定，還是對針織物頂破強(qiáng)力的測定，常采用現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行，且這些方法早已經(jīng)以成熟的國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)的形式被大家廣泛采用。其中，國內(nèi)現(xiàn)有測試織物斷裂強(qiáng)力的方法標(biāo)準(zhǔn)主要為GB/T 3923.1―2013《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》和GB/T 3923.2―2013《紡織品織物拉伸性能第2部分：斷裂強(qiáng)力的測定（抓樣法）》；國際標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 13934.1：2013《紡織品織物的拉伸性能第1部分：條樣法測定斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率》（Textiles―tensile properties of fabrics―part 1:determination of maximum force and elongation at maximum force using stripmethod）、ISO 13934.2：2014《紡織品 織物的拉伸性能第2部分：抓樣法測定斷裂強(qiáng)力》（Textiles―tensilepropertiesoffabrics―part2:determi?nation of maximum force using the grap method）、ASTMD5035-11（2019）《斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（條樣法）》［Standard test method for breaking force and elongation of textile fabrics（strip test）］、ASTM D5034-09（2017）《斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（抓樣法）》［Standard test method for breaking force and elongation of textile fabrics（grap test））等。

綜合上述分析，可將織物的強(qiáng)力檢測過程歸納為：將試驗(yàn)樣品在溫度為（20±2）℃、相對濕度為（65±4）%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行預(yù)調(diào)濕和調(diào)濕；按照標(biāo)準(zhǔn)中試樣的形狀和大小剪取試驗(yàn)試樣（機(jī)織物的強(qiáng)力測試按經(jīng)向和緯向分別取樣，針織物的頂破強(qiáng)力測試無需分經(jīng)緯向取樣）；調(diào)試等速伸長（CRE）強(qiáng)力儀，按照標(biāo)準(zhǔn)要求選擇合適的檢測程序，確定隔距長度和設(shè)備速度等試驗(yàn)參數(shù)，安裝適合的夾持器，并按標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)整原始隔距長度；正確夾持試樣；然后啟動試驗(yàn)裝置，直到織物斷裂或到停止點(diǎn)結(jié)束測試，記錄檢測數(shù)據(jù)；重復(fù)上述過程，并完成其他試樣的檢測，計(jì)算平均值，修約（如標(biāo)準(zhǔn)有要求）。檢測流程詳見圖1。

圖1 檢測流程圖

2 建立測量模型

式中：Y——被測量的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力或頂破強(qiáng)力；

y——拉伸機(jī)讀數(shù)的算術(shù)平均值；

Δy——修約導(dǎo)致的偏差值。

3 不確定度主要來源及分析

眾所周知，雖然目前廣泛采用的檢測織物強(qiáng)力的方法都是經(jīng)驗(yàn)之法，且測試結(jié)果都是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下獲得的，但在標(biāo)準(zhǔn)方法要求控制的諸多要素中，有些影響因素在實(shí)際檢測過程中難以控制到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的狀態(tài)，例如：條樣法測試織物斷裂強(qiáng)力時，試樣的寬度與夾持狀態(tài)；頂破強(qiáng)力測定時，試樣被夾持器夾持住的布面伸展?fàn)顟B(tài)；撕破強(qiáng)力測定時，試驗(yàn)被預(yù)先切開切口的長短等。上面所述的情況在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定誤差范圍內(nèi)的偏離或達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)方法要求的方面會導(dǎo)致測試結(jié)果的不確定。一般影響機(jī)織物拉伸強(qiáng)力不確定度的主要因素來源于試樣本身、試驗(yàn)操作、設(shè)備精確度、修約等4部分，具體詳見圖2。

圖2 影響機(jī)織物拉伸強(qiáng)力的不確定度來源

3.1 隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度[u(y)]

樣本本身的隨機(jī)因素和測量過程中的隨機(jī)因素綜合在一起影響了試樣的強(qiáng)力測試結(jié)果，是隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度。由于試樣的強(qiáng)力測試屬于破壞性行為，試驗(yàn)所取樣本量因受到經(jīng)濟(jì)因素的限制，在標(biāo)準(zhǔn)方法中只能規(guī)定適當(dāng)?shù)臉颖玖浚沟猛粯悠返臏y試具有不可重復(fù)性，因此不能對測試過程中的控制條件逐一進(jìn)行控制和分析，尤其樣本本身的隨機(jī)因素并不在測試程序控制范圍內(nèi)。

人們根據(jù)紡織材料的特性分析，認(rèn)為試樣的強(qiáng)力測試結(jié)果主要受到纖維種類、紗線性質(zhì)、織物面密度、組織結(jié)構(gòu)等因素的影響。由于其隨機(jī)性受到影響的因素較多，使得試樣的強(qiáng)力測試結(jié)果受到測試樣本內(nèi)在特性的分散性影響較大。在取樣過程中，難以確保每個試樣都嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求制取，因?yàn)槿尤藛T的習(xí)慣、織物的紗線粗細(xì)、緯斜等都會導(dǎo)致試樣中有效受力面積或受力寬度受到影響，從而影響強(qiáng)力的檢測結(jié)果；某些織物，尤其由天然動植物纖維或者再生纖維素類纖維制得的織物，其強(qiáng)力與測試環(huán)境的相對濕度密切相關(guān)，因?yàn)檎{(diào)濕時間或相對濕度的波動會導(dǎo)致強(qiáng)力值的波動；強(qiáng)力拉伸機(jī)上升或下降的速度不均勻也會導(dǎo)致強(qiáng)力儀模量轉(zhuǎn)換失真；夾持狀態(tài)不理想，如拉伸試驗(yàn)中夾口線應(yīng)與拉伸線垂直，撕裂試驗(yàn)中試樣夾持要求更加復(fù)雜一些，頂破試驗(yàn)時試樣應(yīng)無張力、無折皺等。在實(shí)際操作過程中，一般難以控制到標(biāo)準(zhǔn)要求的理想狀態(tài)，由此會導(dǎo)致測量不確定度分量的產(chǎn)生。

因此，不可應(yīng)用長期累積的測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)的聯(lián)合方差來預(yù)測某一測量結(jié)果的不確定度。也就是說，任何新樣品重復(fù)性測試結(jié)果的不確定度都需要另行計(jì)算重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差，而無經(jīng)驗(yàn)值可以套用。面對這種情況，采用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差作為結(jié)果的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差較為簡便和妥當(dāng)。通常情況下，每個樣品在每個方向取樣時應(yīng)不少于5個。當(dāng)被要求計(jì)算不確定度的時候，可根據(jù)樣品的大小盡量多取一些試樣，評定其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差。比如，取n個試樣，測定得到n個強(qiáng)力值（單位為N），則樣本平均值yˉ和樣本標(biāo)準(zhǔn)差s(yi)的計(jì)算見式（2）、（3）。

報(bào)告測試結(jié)果為最佳估計(jì)值 yˉ時，其標(biāo)準(zhǔn)差，即隨機(jī)效應(yīng)所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2 儀器設(shè)備示值的準(zhǔn)確性導(dǎo)致的不確定度[[u(Δy)]]

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在試驗(yàn)所用強(qiáng)力拉伸機(jī)基本上無需人工讀取數(shù)據(jù)，大多數(shù)機(jī)器均為自動感應(yīng)讀取數(shù)據(jù)。因此，強(qiáng)力拉伸機(jī)的示值誤差主要由機(jī)器傳感器跟蹤感應(yīng)應(yīng)力的靈敏度和模量轉(zhuǎn)換（包括數(shù)字修約）的準(zhǔn)確性導(dǎo)致的。

3.3 系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度

3.3.1 計(jì)算結(jié)果修約導(dǎo)致的不確定度的評定

按每個強(qiáng)力檢測標(biāo)準(zhǔn)對最終結(jié)果的規(guī)定，一般是報(bào)告強(qiáng)力值的平均值；在修約方面的規(guī)定，則不一定完全相同。就斷裂強(qiáng)力測定而言，國標(biāo)GB/T 3923.1和GB/T 3923.2、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13934.1和ISO 13934.2中要求計(jì)算結(jié)果按以下方法進(jìn)行修約：

a） ＜100 N，修約至1 N；

b） ≥100 N且＜1 000 N，修約至10 N；

c） ≥1 000 N，修約至100 N。

而美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會ASTM D5035和ASTM D5034中則對修約沒有明確規(guī)定，一般實(shí)驗(yàn)室可以參照ISO的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修約或者按照實(shí)驗(yàn)室慣例修約至0.1 N，或根據(jù)相關(guān)方的要求進(jìn)行修約。

設(shè)定修約的半寬區(qū)間為a，按均勻分布來計(jì)算修約導(dǎo)致的不確定度u1，即：。例如：當(dāng)計(jì)算的強(qiáng)力平均值yˉ小于100N，需要修約至1N，修約半寬區(qū)間a=0.5 N，則：

3.3.2 設(shè)備精確度導(dǎo)致的不確定度的評定

INSTRON強(qiáng)力機(jī)的校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定：當(dāng)示值大于18 N時，示值相對誤差的極限為±0.5%，可認(rèn)為示值出現(xiàn)在±0.5%范圍內(nèi)的任何處都是等概率的，而落于該范圍外的概率基本為零，即為矩形分布，k=3。實(shí)驗(yàn)室使用質(zhì)量合格的INSTRON拉力試驗(yàn)機(jī)，最大示值誤差導(dǎo)致的相對不確定度urel，即：也可根據(jù)強(qiáng)力機(jī)的校準(zhǔn)報(bào)告中提供的強(qiáng)力值的相對不確定度urel進(jìn)行計(jì)算，最佳估計(jì)值yˉ的校準(zhǔn)不確定度為u=yˉ×urel。

從而由系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度為：

3.4 評定并計(jì)算各分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度

織物強(qiáng)力值的不確定度主要來源于4部分，其中，試樣的代表性和偏離方法的因素導(dǎo)致的不確定度同屬隨機(jī)效應(yīng)，屬于A類不確定度，可以綜合在一起評定其對強(qiáng)力不確定度的貢獻(xiàn)；而儀器示值偏差和修約是系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度，屬于B類不確定度。

3.5 合成不確定度

綜合上述分析可知，隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、計(jì)算平均值后修約導(dǎo)致的不確定度及儀器精確度導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，均來自整個測量的不同系統(tǒng)或步驟，各分量彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，因此合成不確定度可按式（6）進(jìn)行計(jì)算：

3.6 擴(kuò)展不確定度

按國際慣例，k取2，則擴(kuò)展不確定度U按式（7）計(jì)算，但需注意擴(kuò)展不確定的修約需依據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》中有關(guān)條款進(jìn)行修約進(jìn)位。

4 結(jié)論和意義

（1）對于實(shí)驗(yàn)室工作者而言，在對樣品的強(qiáng)力結(jié)果進(jìn)行判定時，需要考慮該檢測結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。一個強(qiáng)力測量結(jié)果的完整表示應(yīng)為：

（2）試樣本身、試驗(yàn)操作、設(shè)備精確度、修約是影響機(jī)織物強(qiáng)力不確定度的主要因素。通過對隨機(jī)效應(yīng)、儀器設(shè)備示值、系統(tǒng)效應(yīng)等產(chǎn)生的不確定度進(jìn)行評估和計(jì)算方法確認(rèn)，有助于實(shí)驗(yàn)室有效控制檢測過程的關(guān)鍵點(diǎn)，提高檢測結(jié)果的精確程度，也可為合格判定提供更多的依據(jù)。