基于原位力學測試的織物折皺回復性表征

胡霄睿， 孫豐鑫， 肖彩勤， 高衛東

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學 設計學院， 江蘇 無錫 214122)

織物作為一種典型的纖維集合體軟材料[1]，其在低應力作用下便可產生復雜的多尺度結構調整、材料黏彈塑性與滯彈響應協同作用下的屈曲折皺效應，并直接影響織物的外觀和市場價值。因此織物折皺回復性的表征和調控是紡織領域面臨的基本問題之一[2]。

現行的織物折皺回復性測試方法包括折皺回復角法和外觀平整度法[3-4]。隨著計算機技術的進步，許多研究者在結合上述二類方法基礎上，將圖像技術引入到織物折皺回復性的評價中，包括用動態圖像檢測織物折皺回復角度[5]，構建織物折皺外觀的表觀特征圖像[6]，以及通過雙目機器視覺等方法重構織物表面三維折皺形貌等[7]。圖像技術的運用使得織物折皺回復性評價的客觀性有了很大提升。然而，織物折皺回復角測試過程中由于織物自由端的扭轉和卷曲等現象，往往帶來較大的測量誤差；而現有外觀平整度的圖像檢測很難克服織物復雜紋理和花型對評價結果的干擾，同時需要復雜耗時的織物起皺處理過程，造成織物性能提升和產品創新的諸多障礙。

近來許多研究通過織物力學性能和折皺回復角相關性分析，說明了織物折皺回復性能與物理性質的必然聯系[8-9]。織物折皺回復性作為不同外力作用下的織物本征物理性質的宏觀表現[10]，其力學表征具有潛在的優勢。對此，本文針對織物黏彈響應的高時間依賴性特征，提出了時間、空間上連續(原位)的織物保形性力學測試方法，并解析測試曲線及特征指標的物理意義，通過與折皺回復角的相關性分析，闡明力學方法在織物折皺回復性測試中的潛在應用價值。

1 實 驗

1.1 試樣準備

從魯泰紡織股份有限公司和江蘇陽光集團有限公司分別選取棉型織物和毛型織物，挑選代表性的抗皺性能不同的19種機織物，均為經過染整的成品織物，原料主要涉及棉、棉/滌和毛/滌,具體規格參數如表1所示。

表1 織物基本規格參數Tab.1 Primary parameters of fabrics

1.2 折皺回復性的力學測試

1.2.1 測試裝置

為實施織物折皺回復性的力學測試，設計了織物保形性原位力學測試系統如圖1所示，主要包括移動板、測試板、力傳感器、伺服電動機以及相應的數據采集和處理系統[11]。織物通過移動板和測試板上的夾持器夾持于兩板之間，并呈倒八字形略微懸垂狀態，以保證測試過程中織物彎曲屈曲的穩定性。移動板在伺服電動機驅動下相對測試板進行往復運動，從而構造織物的多重形變狀態；同時力傳感器實時采集織物組合變形下的復合力值，輸出相應的力-位移測試曲線。

圖1 織物保形性原位力學測試系統示意圖Fig.1 Schematic of shape retention in-situ evaluation system for fabrics

1.2.2 測試原理

原位力學測試方法可實現在時間和空間上對織物材料的連續測試，稱之為原位，同時區別于現有折皺回復角等通過角度測量或視覺圖像的測試手段而稱之為力學測試。根據織物的典型變形特征可將測試過程分為彎曲屈曲階段Ⅰ、壓縮階段Ⅱ、折皺回復階段Ⅲ、伸直階段Ⅳ、拉伸階段Ⅴ、拉伸回復階段Ⅵ等6個測試階段(見圖2)。測試中，移動板在伺服電動機驅動下向靠近測試板一側運動，織物在測試板和移動板作用下產生彎曲屈曲變形，即I彎曲屈曲階段；直到彎折的織物兩翼相互接觸，隨著移動板繼續靠近測試板對織物施加壓縮載荷，進行Ⅱ壓縮階段測試。移動板在壓縮力到達設定的最大值時停止對織物繼續加載，然后移動板反向遠離測試板運動，使夾持于測試板和移動板之間的織物壓縮和屈曲變形逐漸回復，此時對應Ⅲ折皺回復階段。直到織物逐漸由彎曲狀態變為伸直狀態后，移動板繼續遠離測試板，使得織物由伸直狀態開始產生伸長變形，直到力傳感器監測到力值到達設定的最大拉伸力，完成V拉伸階段測試，最后移動板由拉伸位置反向靠近測試板直至運動到測試初始位置結束，完成VI拉伸回復階段測試。

圖2 原位力學測試過程與主要特征階段Fig.2 In-situ mechanical testing process and featured testing steps

通過構造織物彎曲屈曲、壓縮、壓縮和屈曲回復、拉伸以及拉伸回復等組合變形，同步監測織物變形過程中的黏彈塑性力學響應，采集相應的測試力值獲得力-位移曲線，對織物的保形性進行綜合表征。

1.2.3 實驗參數設置

原位力學測試中，實驗參數設置為：測試板和移動板的隔距為10 mm，最大壓縮力和最大拉伸力均為300 cN，移動板回復停滯時間為30 s，移動板運動速度為20 mm/min，力值的采樣頻率為80 Hz[12]。所有織物試樣壓平后裁剪為長×寬為30 mm×20 mm， 放置于標準大氣((20±2)℃，濕度(65±3)%)下平衡24 h以上。每種織物備注3塊試樣進行測試，取平均值作為測試結果。

1.3 折皺回復角法測試

參照AATCC 66—2006《機織物折皺回復性的測定:回復角法》，利用SDL-M003型折皺回復角測試儀，對標準大氣((20±2) ℃，濕度(65±3)%)下的織物折皺回復角(AWR)進行測試。考慮到織物折皺回復性的各向異性，為方便力學測試與折皺回復角測試結果的對比分析，2種方法均對織物經向進行測試。

2 結果與討論

2.1 測試曲線分析與指標提取

織物原位力學測試典型的力—位移曲線如圖3所示。根據測試的特征階段，測試曲線也對應6個過程。本文主要基于織物折皺回復階段曲線分析，探討織物的折皺回復性的力學表征方法。在折皺回復階段，隨著彎折織物的緩慢回復，縱坐標軸負方向曲線對應的力絕對值逐漸下降到0 cN(如圖3測試曲線與橫坐標軸的交點A所示)，然后又從0 cN 逐漸增大以克服織物黏塑響應引起的殘余變形；換言之，原位力學測試過程中，當移動板運動到對應于測試曲線的A點時，測試板和移動板對織物水平方向沒有外力作用，此時類似于織物自由回復狀態。因此，交點A與坐標原點O的偏移量Dfr與織物折皺后的自然回復角度具有內在關聯，可提取為織物折皺回復性的一個特征指標。隨后力值繼續增大，織物因其固有的滯彈性而在移動板作用下開始被動回復過程，曲線與縱坐標軸相交于點B，對應的力值Fwr反映了折皺誘導的殘余力，也可用于織物折皺回復性表征。此外，由于織物彎曲滯后性與其折皺回復性間存在密切關聯[13]，可由標度律[14]表達為：

圖3 原位力學測試系統典型的力-位移曲線Fig.3 Typical force displacement curve of in-situ mechanical tests

Bhm～αn

(1)

式中：Bhm為彎曲滯后矩；α為 折皺回復角；n為冪指數。因此，彎曲屈曲階段曲線與折皺回復階段的滯回曲線間的滯后矩Hfr也反映了織物折皺回復特性。

原位力學測試曲線的折皺特征指標(偏移量Dfr、折皺誘導的殘余力Fwr以及滯后矩Hfr)以及對應織物折皺回復角測試結果，如表2所示。表中數據均為織物縱向3次測試結果的平均值，則3次測試曲線的折皺特征指標變異系數CVD、CVF和CVH以及折皺回復角AWR的變異系數CVA計算結果如圖4 所示。從圖中數據可見，原位力學測試方法獲得的折皺特征指標的變異系數均低于0.10，而折皺回復角法所測的折皺回復角數據波動性略大，特別是4#、12#和15#織物，測試結果穩定性較低，折皺回復角的變異系數大于0.16。因此從測試數據總體來看，原位力學測試方法的穩定性好于折皺回復角法。主要原因為：折皺回復角法測試中，織物自由翼的卷曲和扭轉會引起讀數誤差，而且將織物從壓縮塊下取出轉移到角度測試盤的過程存在一定人為干預誤差。原位力學測試方法，織物在夾持狀態下進行力學測試，直接測試織物的折皺回復性能，避免了織物折皺回復角的讀取過程，沒有織物扭轉等因素的干擾，而且基于高精度力傳感器的力學測試方法避免了圖像測試中的隨機性，具有可重復性高、精確可靠的優勢。

表2 折皺特征指標與織物折皺回復角測試結果Tab.2 Results of feature indices and wrinkle recovery angles

圖4 折皺特征指標和折皺回復角CV值比較Fig.4 Comparisons of coefficients of variation between feature indices and wrinkle recovery angles

2.2 折皺特征指標與折皺回復角關系

表3示出原位力學測試的折皺特征指標與折皺回復角的Pearson相關系數。可見，3個折皺特征指標均與折皺回復角在0.01水平具有顯著的相關性，說明原位力學測試獲得的折皺特征指標與折皺回復角具有必然關聯，可以用來表征織物的折皺回復性。其中偏移量Dfr與折皺回復角相關系數最大，進一步驗證了該指標的物理意義：原位力學測試中對測試力值為0 cN時的織物回復偏移量與折皺回復角法所測織物自由翼的自由回復狀態時候的折皺回復角度之間的對應關系。

表3 折皺特征指標與折皺回復角的相關性分析Tab.3 Correlation analysis of feature indices and wrinkle recovery angles

為進一步分析3個指標與折皺回復角的相互關系，以折皺特征指標作為自變量，以折皺回復角作為因變量，采用逐步回歸法，p<0.05和p>0.10分別作為自變量進入和剔除回歸方程的標準，構建多元線性回歸方程，如式(2)所示：

(2)

從式(2)可見，偏移量Dfr和滯后矩Hfr被納入回歸方程，而基于方差分析在95%概率下沒有將折皺誘導的殘余力Fwr納入回歸方程。這主要是由于折皺誘導的殘余力Fwr指標反映了織物從折皺狀態回復到自由狀態后再被拉伸而展平所需要的額外作用力，此過程是折皺回復角所不能反映的。因此Fwr指標沒被納入折皺回復角的回歸方程。然而此指標作為評價織物折皺回復性的有效指標，可以更好反映織物折皺回復到原始狀態整個過程的回復性能，具有重要意義。從這一點來看，原位力學測試方法提供了比折皺回復角更為豐富的評價指標，更能全面反映織物的折皺回復性能，且上述回歸模型及其構建方法有望應用于織物折皺回復角的高效、客觀評價。

3 結 論

本文提出織物折皺回復性的原位力學測試方法，通過解析力-位移測試曲線，提取偏移量、折皺誘導的殘余力和滯后矩3個折皺特征指標；結合折皺回復角和折皺特征指標的變異系數對比分析，說明力學測試方法穩定性和可靠性好于折皺回復角法。采用逐步多元回歸和Pearson相關系數對折皺特征指標與折皺回復角相關性進行了分析，表明力學測試曲線提取的折皺特征指標與折皺回復角在0.01水平具有顯著相關性，可以用來表征織物的折皺回復性，且原位力學測試方法提供了比折皺回復角更豐富的評價指標，因此能全面、客觀表征織物折皺回復性能。