纖維及其制品摩擦性能測(cè)試方法的研究進(jìn)展

向 忠， 劉 楊， 錢(qián) 淼， 吳震宇， 胡旭東， 周香琴

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

隨著復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展，各種新型材料不斷涌現(xiàn)，很多新型纖維以不同的形態(tài)存在于復(fù)合材料中[1]，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)的迅速崛起。為了最大限度地發(fā)揮產(chǎn)業(yè)用纖維在復(fù)合材料中的高強(qiáng)度特性，很多情況下它是以無(wú)捻纖維束及其交織的形式存在于紡織品中，但無(wú)捻纖維束交織成形和布卷成形過(guò)程中存在的技術(shù)難題又限制了該行業(yè)的發(fā)展。對(duì)纖維及其制品摩擦性能及其影響因素的研究，對(duì)于解決上述問(wèn)題具有重要意義。

摩擦性能用于表征物體與另一物體沿接觸面切線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，2個(gè)物體的接觸面之間阻礙其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力的作用特性，是描述物體表面性質(zhì)的重要方式之一[2]。纖維及其制品摩擦性能一般用摩擦阻力或摩擦因數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于纖維及其制品多由幾何尺度細(xì)小的纖維加工而成，且存在較好的柔韌性，使其摩擦性能與剛性物體摩擦性能變化規(guī)律存有較大差異。纖維與纖維之間、纖維與載體(如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、皮膚等)表面之間的摩擦貫穿于整個(gè)纖維加工和使用過(guò)程，并在較大程度上影響和決定了纖維制品的加工質(zhì)量與風(fēng)格參數(shù)，對(duì)纖維摩擦性能及其影響因素和測(cè)試方法展開(kāi)研究，具有重要的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值。

纖維的種類(lèi)、線(xiàn)密度、捻度以及所采用的表面潤(rùn)滑劑等參數(shù)的變化，均會(huì)改變纖維的摩擦性能。若摩擦過(guò)大，則易產(chǎn)生斷紗、斷頭和紗線(xiàn)起毛等現(xiàn)象，并對(duì)后續(xù)采用其織造成型的織物的質(zhì)量、力學(xué)性能和手感造成一定影響。其次，在將紗線(xiàn)加工成織物的織造過(guò)程中，紗線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)速度、張力、摩擦體半徑等工藝參數(shù)的變化，也在很大程度上影響著紗線(xiàn)的摩擦性能，繼而對(duì)織物性能造成影響，如出現(xiàn)卷邊、起毛等。再次，經(jīng)織造而成的織物在后續(xù)加工中，還將經(jīng)歷卷繞、退卷、染整等工藝處理。以織物卷繞為例，若織物的摩擦因數(shù)較小時(shí)，如玻璃纖維，則易造成多層織物之間因摩擦力過(guò)小而出現(xiàn)層間經(jīng)向或緯向滑移[3]，嚴(yán)重影響成型布卷質(zhì)量與后續(xù)工藝的進(jìn)行；而在織物的連續(xù)傳遞過(guò)程中，若與機(jī)件之間存有過(guò)大的摩擦，同樣會(huì)造成織物表面起毛等。最后，織物在使用過(guò)程中，其表面摩擦性能還在很大程度上決定了柔順度和滑爽度，進(jìn)而影響織物的手感與風(fēng)格，對(duì)其展開(kāi)研究還有利于掌握織物手感與織物設(shè)計(jì)方法之間的定量關(guān)系。

為此，大量研究者從纖維特性、工藝參數(shù)、接觸類(lèi)型等方面分析了纖維摩擦性能的影響因素，并對(duì)纖維摩擦性測(cè)試方法展開(kāi)了研究。本文詳細(xì)綜述了纖維絲束、紗線(xiàn)和織物的表面摩擦性能及其測(cè)試方法的發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)該技術(shù)發(fā)展所面臨的問(wèn)題進(jìn)行了分析，以期為纖維及其制品摩擦性能的研究與應(yīng)用提供幫助。

1 纖維及其制品摩擦性能測(cè)試方法

由于纖維摩擦的復(fù)雜性，對(duì)其研究多在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上展開(kāi)；實(shí)現(xiàn)纖維摩擦性能的精確測(cè)量，是分析纖維摩擦性能的重要基礎(chǔ)。按照滑動(dòng)體間的接觸類(lèi)型可將纖維摩擦性能的測(cè)試方法分為點(diǎn)接觸型、線(xiàn)接觸型和面接觸型3類(lèi)[2]。

1.1 點(diǎn)接觸型纖維摩擦性能測(cè)試方法

點(diǎn)接觸型纖維摩擦性能測(cè)試方法主要用于單根纖維表面摩擦性能的研究，根據(jù)纖維長(zhǎng)短的不同，又可分為短纖維摩擦性能測(cè)定方法和長(zhǎng)絲摩擦性能測(cè)定方法2種。

1.1.1短纖維摩擦性能測(cè)試方法

短纖維表面摩擦性能測(cè)試方法的基本原理是：通過(guò)讓2根纖維在一定力作用下交叉壓緊，測(cè)量相互之間發(fā)生移動(dòng)時(shí)的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)纖維間摩擦因數(shù)的測(cè)定。圖1示出基于懸臂梁工作原理的短纖維摩擦性能測(cè)試原理。測(cè)試時(shí)，上方的纖維Fu首先豎直向下移動(dòng)，在位置1碰到下方固定纖維Fd后繼續(xù)向下移動(dòng)到位置2，根據(jù)在豎直方向上的變形量Δh可計(jì)算出施加的正壓力；此后，F(xiàn)d在水平方向橫向移動(dòng)時(shí)，由于摩擦力作用而引起Fu在水平面內(nèi)的側(cè)彎，根據(jù)側(cè)彎量即可計(jì)算對(duì)應(yīng)的摩擦力與摩擦因數(shù)。

圖1 短纖維摩擦性能測(cè)定方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing method for staple fiber frictional properties

20世紀(jì)90年代前期，有研究人員基于此原理并配合顯微鏡對(duì)微觀變形進(jìn)行觀測(cè)的方法對(duì)短纖維之間的摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)量[4]，但由于該方法是基于纖維形變量間接計(jì)算求解正壓力及纖維摩擦性能，故測(cè)量精度不高；為實(shí)現(xiàn)纖維間摩擦性能的精確測(cè)量，該方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)與提高。

1.1.2長(zhǎng)絲摩擦性能測(cè)試方法

圖2示出長(zhǎng)絲摩擦性能測(cè)試平臺(tái)的基本構(gòu)架。其工作原理為：長(zhǎng)絲FL1的一端固定于O點(diǎn)，另外一端跨過(guò)固定纖維絲FL2在重力G作用下自由懸掛。記FL2與O點(diǎn)的水平距離為s，F(xiàn)L1與FL2所在平面法線(xiàn)方向夾角為β，則FL2所受正壓力值為Gsinβ；當(dāng)FL2在水平方向上移動(dòng)時(shí)，在摩擦力作用下帶動(dòng)FL1的自由端一起移動(dòng)，直到FL1自由端有滑動(dòng)趨勢(shì)，根據(jù)此時(shí)FL2的偏轉(zhuǎn)角α及滑動(dòng)距離x可知，長(zhǎng)絲所受摩擦力值為Gsinα。據(jù)此，獲取s、x值后，即可求解獲得對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)μs，計(jì)算公式為

圖2 長(zhǎng)絲摩擦性能測(cè)定方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of testing method for filament frictional properties

由圖2可知，長(zhǎng)絲摩擦性能測(cè)試方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但由于長(zhǎng)絲尺度小，摩擦因數(shù)值數(shù)量級(jí)小，造成該方法測(cè)試精度較難控制。隨著硬件精度的提高，出現(xiàn)了諸多針對(duì)長(zhǎng)絲[5-6]、有捻紗線(xiàn)[7]等摩擦性能研究的基于此原理改進(jìn)的測(cè)試平臺(tái)。

1.2 線(xiàn)接觸型纖維摩擦性能測(cè)試方法

線(xiàn)接觸型纖維摩擦多發(fā)生于無(wú)捻纖維束內(nèi)部纖維間及纖維加捻過(guò)程中。開(kāi)展無(wú)捻纖維束內(nèi)部纖維絲之間的摩擦性能研究，對(duì)玻璃纖維/碳纖維等復(fù)合增強(qiáng)材料及產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)具有重要意義。常用的無(wú)捻纖維束內(nèi)部纖維絲之間摩擦因數(shù)的測(cè)量方法有抽拔法和平鋪法2種；纖維加捻是增強(qiáng)纖維強(qiáng)度的主要紡紗工藝，對(duì)有捻紗線(xiàn)內(nèi)部纖維之間的摩擦性能展開(kāi)研究，有益于改進(jìn)加捻工藝參數(shù)，對(duì)其多采用扭曲法進(jìn)行測(cè)量。

1.2.1無(wú)捻纖維束摩擦性能測(cè)試方法

抽拔法是對(duì)無(wú)捻纖維束間摩擦性能進(jìn)行測(cè)試研究的方法，可較好地獲取實(shí)際使用過(guò)程中無(wú)捻纖維束內(nèi)部纖維在自由工況下的摩擦性能，其基本原理如圖3所示。測(cè)試時(shí)，在施加恒定正向壓力后，通過(guò)測(cè)量將單根纖維或紗線(xiàn)從組織中抽出的力Fc，即可通過(guò)計(jì)算獲得纖維間的摩擦因數(shù)。

圖3 無(wú)捻纖維束間摩擦性能測(cè)試方法Fig.3 Test method for fiber frictional properties in untwisted filaments

近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速發(fā)展，使得抽拔法在界定復(fù)合材料界面性能方面得到了廣泛應(yīng)用和長(zhǎng)足發(fā)展[8-9]，提高單絲拔出測(cè)量精度是提高成型產(chǎn)品性能的重要發(fā)展方向[10-12]。

1.2.2纖維層間摩擦性能測(cè)試方法

平鋪法主要用于研究纖維排列夾角對(duì)纖維之間摩擦性能的影響，其基本原理如圖4所示。圖4(a)示出測(cè)試時(shí)纖維的分層排列情況，夾角Φ可在0°～90°之間變換；對(duì)應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)如圖4(b)所示，在平板Pu、Pd上如圖4(a)所示均勻平鋪纖維，Pu的一端與力傳感器相連接，Pd固定在分度盤(pán)上并與分度盤(pán)一起被固定在帶滾輪的小車(chē)上。利用恒速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)小車(chē)和Pd一起移動(dòng)，則力傳感器測(cè)得的力Fp即為板間纖維之間的摩擦力。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)分度盤(pán)即可改變層間夾角Φ，實(shí)現(xiàn)上下層纖維之間角度的變化，研究不同夾角下纖維之間摩擦因數(shù)的差異性。

圖4 纖維層間摩擦性能測(cè)試方法Fig.4 Test method for frictional properties of fiber layers. (a)Principle of layered dislocation; (b)Test rig of tiling method

早期研究中，研究者主要采用該方法研究錦綸纖維間夾角對(duì)摩擦因數(shù)的影響[13]。近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高速發(fā)展，使得該方法在研究纖維鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)提高復(fù)合材料表面性能、力學(xué)性能方面的重要性日趨明顯。

1.2.3有捻纖維內(nèi)部摩擦性能測(cè)試方法

扭曲法是測(cè)試以一定的轉(zhuǎn)數(shù)捻合在一起的纖維間或紗線(xiàn)間摩擦性能的方法，其測(cè)試原理如圖5所示。以2根捻合在一起的纖維為例，記扭轉(zhuǎn)次數(shù)為n，捻回角為ψ，測(cè)試時(shí)在2根纖維相異的兩端施加初始張力Ft0，然后逐步增加纖維另一端的拉力，并記錄2根纖維相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的拉力臨界值Ft1，則可根據(jù)下式來(lái)測(cè)定纖維之間的摩擦因數(shù)：

圖5 扭曲法測(cè)定纖維摩擦性能示意圖Fig.5 Schematic diagram of twist method for fiber frictional properties

扭曲法作為研究有捻紗線(xiàn)內(nèi)部纖維之間摩擦因數(shù)的一種方法，具有普遍適用性和簡(jiǎn)潔性的特點(diǎn)，可真實(shí)地反映織物內(nèi)部紗線(xiàn)間接觸的情況。尤其是隨著硬件設(shè)備精度的不斷提高，該方法已成為研究有捻紗線(xiàn)內(nèi)部纖維間摩擦因數(shù)的一種重要方法[14-15]。

1.3 面接觸型摩擦性能測(cè)試方法

面接觸型纖維摩擦性能測(cè)試方法用于實(shí)現(xiàn)對(duì)織物表面摩擦性能的測(cè)試，包括織物之間和織物與其他載體表面之間的摩擦性能。根據(jù)測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式的不同，測(cè)試方法又可分為平面摩擦法、圓盤(pán)摩擦法和絞盤(pán)摩擦法3種。

1.3.1平面摩擦法

在對(duì)織物表面摩擦性能的研究中，基于平面摩擦法的測(cè)試系統(tǒng)具有重要地位。圖6示出平面摩擦法原理。根據(jù)牽引方式不同，其又可分為滑塊牽引式和織物牽引式2種。

圖6 平面摩擦法測(cè)試原理示意圖Fig.6 Schematic diagrams for fabric surface friction coefficient test system. (a) Horizontal method; (b) KES-F system; (c) Distribution curve of KES-F system; (d) Inclined method

在滑塊牽引式結(jié)構(gòu)中，正壓力N一般由滑塊自身質(zhì)量提供，根據(jù)測(cè)得的摩擦力Fh即可進(jìn)行摩擦因數(shù)的計(jì)算；而為確保正壓力的恒定性，牽引機(jī)構(gòu)和滑塊之間必須采用柔性連接機(jī)構(gòu)，這在很大程度上增加了確保牽引力方向一致性的難度，故其測(cè)試精度較低，后期許多研究人員對(duì)牽引的方式進(jìn)行了改進(jìn)[16-18]，一定程度上提高了測(cè)試的精度。在織物牽引式結(jié)構(gòu)中，正壓力可通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)比例給定，而織物則可在張緊后平移，測(cè)試精度較高，如：Bertaux等[19-20]基于此研究了織物表面的摩擦因數(shù)與人體觸感的關(guān)系；王華吉[21]等則是研究了復(fù)合材料摩擦性能的各向異性；而Das等[22-23]立足于此方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)；最為典型的案例為日本KES-F系統(tǒng)，其基本測(cè)試原理如圖6(b)所示。通過(guò)控制摩擦頭的結(jié)構(gòu)尺寸，在進(jìn)行摩擦性能測(cè)試的同時(shí)，還可獲取摩擦力與織物織造參數(shù)之間的制約關(guān)系。圖6(c)示出通過(guò)該系統(tǒng)獲得的摩擦因數(shù)μh與水平位移xh的分布曲線(xiàn)，計(jì)算織物表面的平均摩擦因數(shù)μa，該計(jì)算結(jié)果還可為進(jìn)行織物風(fēng)格分析及織物設(shè)計(jì)提供參照。μa的計(jì)算公式為

此外，還可采用圖6(d)所示的斜面法測(cè)試系統(tǒng)來(lái)分析織物表面摩擦性能，該方法通過(guò)改變平面的傾斜角θ來(lái)測(cè)量靜摩擦因數(shù)。當(dāng)θ值逐漸增加時(shí)，滑塊在重力作用下產(chǎn)生的下滑趨勢(shì)加劇，當(dāng)滑塊開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)測(cè)得靜摩擦力Fi，由對(duì)應(yīng)的傾斜角和滑塊質(zhì)量即可求解出靜摩擦因數(shù)。該測(cè)試方法的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但測(cè)試精度一般,且只能對(duì)靜摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)量[24]。

1.3.2圓盤(pán)摩擦法

纖維種類(lèi)、織造參數(shù)、整理工藝等均會(huì)對(duì)紡織品表面摩擦性能造成影響，其中各向異性特性是紡織品表面摩擦性能與剛性物體表面摩擦性能的主要區(qū)別之一。采用平面法進(jìn)行織物摩擦性能測(cè)試時(shí)，一般只可獲取織物經(jīng)緯紗2個(gè)正交方向上的表面性能，而難以對(duì)織物的總體表面性能進(jìn)行描述[25]。據(jù)此，陳貴翠等[26-28]提出了纖維制品旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)法摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基本構(gòu)造如圖7所示。其工作原理為：將待測(cè)樣品鋪放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，并與之一起旋轉(zhuǎn)，上方設(shè)有可施加正壓力的球形摩擦頭，并通過(guò)力傳感器實(shí)時(shí)接收每個(gè)接觸點(diǎn)的摩擦力。這樣，在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，即可測(cè)量獲取織物在各個(gè)方向上的摩擦性能，提高了測(cè)試效率。

圖7 圓盤(pán)摩擦法原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of rotary disc method for frictional properties

1.3.3絞盤(pán)摩擦法

無(wú)論是平面摩擦法還是圓盤(pán)摩擦法，其本質(zhì)上還是屬于平面摩擦機(jī)制的研究，而在實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用中，無(wú)論是纖維束、紗線(xiàn)還是織物，多數(shù)以卷筒的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)輸，故對(duì)曲面摩擦機(jī)制的研究和相關(guān)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)，對(duì)提高紗線(xiàn)質(zhì)量、織物卷繞質(zhì)量有著重要的意義。1953年，Howell首次對(duì)絞盤(pán)式曲面摩擦性能測(cè)試方法的測(cè)試原理進(jìn)行了完備的理論分析，并基于此研究了羊毛的摩擦性能[29]。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便捷和測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)普遍用于纖維、織物等的摩擦因數(shù)的測(cè)定，諸多織物摩擦性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和織物風(fēng)格儀及摩擦因數(shù)儀也基于該原理設(shè)計(jì)。圖8為絞盤(pán)摩擦法原理示意圖。工作時(shí)，將待測(cè)樣品懸掛于一圓形摩擦輥上，記纖維包絡(luò)角度為φ，樣品的一端施加張力Fj0，另一端連接力傳感器等測(cè)力元件，通過(guò)測(cè)得該端張力Fj1，即可按下式計(jì)算纖維摩擦因數(shù)：

圖8 絞盤(pán)摩擦法原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of capstan method for frictional properties

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可通過(guò)改變摩擦輥的材料來(lái)研究樣品與不同材料表面的摩擦因數(shù)。設(shè)計(jì)摩擦輥為被動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一端施加固定拉力Fj0，另一端設(shè)計(jì)為可拉動(dòng)，觀察摩擦輥有開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的拉力Fj1為靜摩擦力，即可進(jìn)行靜摩擦因數(shù)的測(cè)量。若設(shè)計(jì)摩擦輥為主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，則可進(jìn)行動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)量研究。

絞盤(pán)摩擦法是針對(duì)纖維制品等柔性材料表面摩擦性能設(shè)計(jì)的測(cè)試方法。在應(yīng)用初期，仍是基于Amonton線(xiàn)性摩擦定律對(duì)諸多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析，隨著非線(xiàn)性摩擦定律在纖維及其制品摩擦性能研究領(lǐng)域的廣泛使用，有研究人員將非線(xiàn)性摩擦定律和樣品抗彎剛度考慮進(jìn)絞盤(pán)摩擦法的分析原理中，對(duì)絞盤(pán)法的測(cè)試原理進(jìn)行了理論補(bǔ)充[30]。許多研究基于絞盤(pán)的基本原理，設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)從纖維性能參數(shù)[31]、紡紗工藝參數(shù)[33-35]、織造工藝參數(shù)[36-38]以及實(shí)際應(yīng)用中的諸多運(yùn)動(dòng)參數(shù)[32,35]等角度對(duì)纖維制品的摩擦性能進(jìn)行了研究。

2 纖維產(chǎn)品摩擦性能影響因素分析

2.1 紗線(xiàn)摩擦性能研究

文獻(xiàn)[31,40，42]研究了纖維類(lèi)型、尺寸、線(xiàn)密度等參數(shù)對(duì)紗線(xiàn)摩擦性能的影響；Kilic等[14]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),在混紡紗線(xiàn)中，各成分的占比不同，對(duì)紗線(xiàn)之間和紗線(xiàn)與其他物質(zhì)載體之間的摩擦性能有著相異的影響；劉曉明等[41]研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維的線(xiàn)密度對(duì)紗線(xiàn)的耐磨性有影響。也有一些研究人員從織造過(guò)程的工藝參數(shù)角度出發(fā)，研究了紡紗速度、退捻工藝、表面處理方式等對(duì)紗線(xiàn)摩擦性能的影響[39,42]，如Lang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，紗線(xiàn)的摩擦力隨著表面潤(rùn)滑油膜厚度的減小而上升。還有一些研究人員將關(guān)注點(diǎn)聚焦在紗線(xiàn)本身的應(yīng)用工況上，研究載體種類(lèi)、載體半徑、移動(dòng)速度和張力等對(duì)其摩擦性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：纖維束間的摩擦因數(shù)與纖維束間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，且與移動(dòng)速度呈負(fù)相關(guān)，而纖維束和其他物質(zhì)載體間的摩擦因數(shù)與載體表面形貌有關(guān)，且與相對(duì)移動(dòng)速度呈正相關(guān)；而紗線(xiàn)表面摩擦因數(shù)隨著紗線(xiàn)移動(dòng)速度的增加而增大，隨著張力的增加而減小。

分析發(fā)現(xiàn)，基于實(shí)驗(yàn)法對(duì)纖維束、紗線(xiàn)等摩擦性能進(jìn)行研究得出的諸多現(xiàn)象、結(jié)論，在理論分析上忽視纖維作為柔性材料所具有的性能與金屬材料的差異性。對(duì)此，Gassara等[43]利用拍攝織物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖片的方法，將纖維受力變形作為摩擦因數(shù)計(jì)算過(guò)程的重要依據(jù)進(jìn)行研究，對(duì)理解和分析纖維接觸模型與摩擦性能的關(guān)系具有重要借鑒意義。也有一些研究人員從纖維表面的微觀結(jié)構(gòu)入手，構(gòu)建了纖維接觸的微觀模型，為理解和分析纖維與纖維之間、與其他物體表面之間的摩擦特性提供了理論參考[44-45]。

2.2 織物摩擦性能研究

在織物摩擦性能研究方面[46-47]，一些研究人員從織物性能參數(shù)的角度分析了纖維類(lèi)型、紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)、織物結(jié)構(gòu)等對(duì)織物表面摩擦性能的影響,發(fā)現(xiàn)單面針織物表面摩擦因數(shù)最低，同時(shí)緊密結(jié)構(gòu)的織物和含彈性紗的織物表現(xiàn)出較大的摩擦值[18,22，49]。另外一些研究人員還分析了滑移速度、摩擦方向和濕度等對(duì)織物應(yīng)用過(guò)程中摩擦性能的影響，研究表明：織物的摩擦阻力隨著滑移速度的增加而增大[16];對(duì)于含彈性紗的織物，表面摩擦因數(shù)隨著濕度的增加而增加；而對(duì)于碳纖維，其在濕態(tài)下的摩擦因數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定[22,48-49]。隨著對(duì)織物實(shí)驗(yàn)研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的Amonton線(xiàn)性摩擦定律并不適用于織物摩擦性能的研究，并且提出只用動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)不能完全表征纖維織物表面摩擦性能的觀點(diǎn)[17,23]。對(duì)此，一些研究人員提出用摩擦功、表面摩擦因數(shù)分布等新的方法來(lái)表征纖維織物表面摩擦性能[46-47]；隨著對(duì)服裝面料的手感和舒適度要求的提高，越來(lái)越多的研究人員將織物表面摩擦性能與人的主觀觸感結(jié)合起來(lái)，綜合分析評(píng)定織物的表面摩擦性能與面料舒適度之間的關(guān)系[19-20,50]，其中較為典型的案例為東華大學(xué)研發(fā)的CHES-FY系統(tǒng)[51]。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，對(duì)天然纖維等傳統(tǒng)紡織產(chǎn)品摩擦性能的研究已日趨完善，與纖維、紗線(xiàn)、織物相關(guān)的測(cè)試方法及數(shù)學(xué)模型等均得到了長(zhǎng)足的改進(jìn)與提升，但是，隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空、汽車(chē)、軍事、環(huán)保、仿生學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)的興起，對(duì)玻璃纖維、碳纖維等以纖維束形式進(jìn)行層鋪或編制紡織品的摩擦性能的理論與實(shí)驗(yàn)研究仍不夠深入，前期研究結(jié)果的不足也逐漸顯現(xiàn)。如在對(duì)纖維束中纖維摩擦性能的理論研究方面，雖然許多研究人員基于纖維表面的微觀結(jié)構(gòu)，提出了纖維間微觀接觸模型，為纖維間摩擦性能的研究提供了基礎(chǔ)依據(jù)，但是在無(wú)捻纖維束相互接觸過(guò)程中，存有纖維互相嵌入等現(xiàn)象，載荷變化、纖維線(xiàn)密度等參數(shù)變化均會(huì)造成摩擦性能的變化；此外，玻璃纖維、碳纖維織物的經(jīng)緯密一般較小，由經(jīng)緯紗交織疊加形成的峰谷幅值差異較大，織物與織物間或織物與其他物質(zhì)載體表面之間的接觸方式并不是嚴(yán)格意義上的平面接觸，而是由多個(gè)峰值點(diǎn)形成的多點(diǎn)接觸，或是波面與波面之間的線(xiàn)或面接觸。當(dāng)改變織物之間的相互位置時(shí)，上下層織物間的接觸模型也發(fā)生改變，摩擦性能也隨之改變，并對(duì)織造、卷繞等工藝造成影響，有關(guān)這方面的研究仍相當(dāng)匱乏。

此外，在實(shí)驗(yàn)研究方面，通過(guò)對(duì)前述諸多研究方法的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，測(cè)試過(guò)程中存在的最大問(wèn)題仍是精度問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)出現(xiàn)測(cè)試條件相同但測(cè)試結(jié)果偏差較大、重復(fù)性差等現(xiàn)象；同時(shí)，多數(shù)摩擦性能測(cè)試方法的設(shè)計(jì)原理與纖維制品在生產(chǎn)織造過(guò)程中的工藝特性仍存有較大差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用仍有待提升。

前期的研究已為人們進(jìn)行纖維及其制品微觀接觸數(shù)學(xué)建模提供了方法上的指導(dǎo)。為了提高纖維及其制品摩擦性能數(shù)學(xué)模型與測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，可從微觀接觸模型角度入手，對(duì)纖維、織物之間，纖維、織物與其他物質(zhì)載體之間的微觀接觸模型進(jìn)行研究，建立織物紡織學(xué)性能參數(shù)與織物表面摩擦性能之間的數(shù)學(xué)模型，并開(kāi)發(fā)與之相匹配的測(cè)試系統(tǒng)，采用摩擦功、表面摩擦因數(shù)分布等新的方法來(lái)表征纖維織物表面摩擦性能，為分析和理解纖維和織物表面摩擦性能提供理論基礎(chǔ)。

總之，對(duì)纖維摩擦性能的研究是涉及材料學(xué)、數(shù)學(xué)和紡織學(xué)的多學(xué)科交叉的前沿研究，處在并將長(zhǎng)期處在一個(gè)不斷探索和完善的階段，仍需要進(jìn)行大量的學(xué)習(xí)和研究。

FZXB