基于环形风格仪的针织物风格曲线特征参数

邵亚文，郑冬明，潘行星，邹昊宸，刘真锐，刘 贵，杜赵群

(1.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2.江西省羽绒制品质量监督检验中心，江西 共青城 332020；3.福建省纺织品检测技术重点实验室(福建省纤维检验中心)，福建 福州 350026)

织物触觉风格是通过皮肤与织物接触而产生的综合感觉效应。手感通常指以手触摸、抓捏织物所产生的主观感觉，用以衡量织物的物理特征，因其具有较高的灵敏性而多用于评价织物的宏观力学性能[1]。织物手感的定量评价是对织物触觉性能进行综合评估的必要组成部分。

20世纪30年代，Peirce[2]以悬臂梁法表征了织物的弯曲刚度和弯曲长度，织物手感的客观评价由此开始。KES-F(Kawabata evaluation systems for fabric)和FAST(fabric assurance by simple testing)系统是最具代表性的织物风格客观评价测试仪器。KES-F系统通过4台仪器测试织物低应力下的拉伸、弯曲、摩擦、压缩性能得出16个力学性能指标，再通过多元线性回归计算得出织物的综合风格[3-4]；FAST系统通过3台仪器和1种测试方法评价织物的风格和成型性[5]。这两种测试系统属于多台、多测、多指标测试仪器的代表，由于其在测试织物力学性能时需多个样品在不同仪器上进行，因此，测试时间较长且成本较高。近年来，研究者探索出一种将同一测试样本通过同一测试标准与测试仪器直接测试出多个指标的单台、多测、多指标测试方法[6]。例如：东华大学TMT团队[7-9]的CHES-FY(comprehensive hand evaluation system for fabrics and yarns)可原位测量织物与纱线的质量，弯曲、摩擦与拉伸性能，以及基本的织物风格。潘宁[10-11]的PhabrOmeter织物评估系统定义了3个指标即手感值刚度、平滑度和柔软度，通过与标准试样比对可得出测试样品的相对手感。

风格环法是一种简单、快捷评价织物风格的方法。20世纪90年代已有国内学者对环孔形风格仪评价织物风格的可行性进行了探索，例如：北京毛纺纺织科学研究所的下柱体轴心式风格环[12]和西北纺织学院(现为西安工程大学)的环孔法风格仪[13]。笔者课题组基于风格环法的原理设计了一种环形风格仪，其与手指触摸织物的捏、压等动作以及手指对织物的拉伸行为具有较好的相关性，且是一种新型单台、多测、多指标测试仪器。本文旨在识别新型环形风格仪测试曲线的特征，为织物风格客观评价算法的研究与选择提供参考，通过提取环形风格仪测得曲线的特征参数，并同CHES-FY低应力下的力学性能指标进行相关性分析，验证环形风格仪在表征针织物基本力学性能方面的可行性。

1 环形风格仪介绍

1.1 环形风格仪原理

环形风格仪的原理图如图1所示。试样被放置在风格环上，通过推杆缓慢推动织物通过风格环，其中推杆的底部为半球体接触面，更符合人手指触摸织物的状态，可更好地模拟织物复杂的应力变化情况。在推杆作用下，织物先发生弯曲变形，随着推杆的继续运动，织物会发生压缩、摩擦、拉伸、剪切等复杂变形，如图2所示。具体过程为：推杆下端开始接触织物上表面；推杆向下顶出织物；织物发生变形并逐渐产生褶皱，直至从风格环中顶出来。织物抽拔过程中的推杆推力和位移由高灵敏的力学传感器和位移传感器记录。

图1 环形风格仪的测试原理图Fig.1 Schematic of the ring-shaped style tester

图2 环形风格仪在测试过程中推杆与织物间的相对状态Fig.2 Relative states between push rod and the fabric during the test of ring-shaped style tester

1.2 环形风格仪曲线特征参数

在测试过程中，记录推杆与织物接触时力与位移曲线，从中提取织物与人手接触的客观性能指标，从而评价织物的触感风格。为更好地定量表征织物触感风格，提取环形风格仪典型力-位移曲线的特征参数，其具体定义如图3所示。其中：x为突变点与峰值点间的位移；A1和A2分别为曲线左侧和右侧的面积；h为曲线的峰值；k1和k2分别为左侧曲线和右侧曲线线性段的斜率。记L为左侧曲线的线性度[L=2A1/(hx)]，C为左侧曲线面积与右侧曲线面积的比值。

图3 环形风格仪典型的力-位移曲线特征参数Fig.3 Typical force-displacement curve parameters of ring-shaped style tester

2 试验部分

2.1 试样

从市场上选取20种针织物，其具体结构参数如表1所示。其中：w为横密，指针织物线圈横列方向5 cm内的纵行数；f为纵密，指线圈纵行方向5 cm内的横列数；T为织物厚度；M为织物的面密度。

表1 试样规格参数Table 1 Specifications of the knitted fabric specimens

2.2 环形风格仪测试

风格环的质量为229.3 g，环孔直径为6 cm，测试杆的下降速度设置为60 mm/min。每种针织物裁取3个100 cm2的圆形试样。将样品放置在环形面上，再放置合适风格环，每种针织物试样测试3次，取平均值。

2.3 CHES-FY测试

CHES-FY通过1次测试即可获得织物在低应力下的压缩、弯曲、摩擦、拉伸等阶段的力与位移曲线[14]。就手感风格而言，CHES-FY不仅是一套商业化的力学性能测试仪器，而且测试结果与手感评价织物风格最为接近，故选择CHES-FY风格评价系统进行对比研究。CHES-FY的控制单元设置如下：压缩力末值为200 cN；弯曲位移为25 mm；摩擦阶段双压辊的压力均为50 cN，位移为30 mm；拉伸阶段末双压辊压力为900 cN，拉伸力上限为400 cN，拉伸最大位移为25 mm。按照平行取样法从针织物的纵向、横向、45°方向各裁取3个50 cm×5 cm的矩形试样，作为CHES-FY的测试样品。试验前将所有样品放置在标准大气环境(温度为(20±1)℃，相对湿度为(65±2)%)下处理24 h以上。每种试样纵向、横向、45°方向各测试3次取结果平均值。

3 结果与分析

3.1 环形风格仪的曲线特征

通过环形风格仪测试得到的20种针织物的力-位移曲线如图4所示。从力-位移曲线中提取出的特征参数值如表2所示。由图4可知，不同针织物的力-位移曲线形态基本一致，即随着推杆位移的增加，推力迅速增大，达到峰值后，推力逐渐减小。根据曲线的形态特征可明显区分性能差异较大的针织物，其中曲线的斜率与面积对针织物的特性变化较为敏感。

图4 环形风格仪测试的20种针织物力-位移曲线图Fig.4 Force-displacement curves of 20 knitted fabrics measured by ring-shaped style tester

表2 环形风格仪测得的20种针织物样品的曲线特征参数值Table 2 Feature parameter values of 20 knitted fabric samples measured by ring-shaped style tester

环形风格仪的特征参数之间的相关性分析结果如表3所示。由表3可知，h与k1、k2，以及k1与k2的相关系数分别为0.884、-0.875、-0.689，两两之间具有较强的相关性，这可能是针织物试样受到的弯曲、摩擦、压缩与拉伸作用的综合结果。L与k1的相关系数为-0.899，表明力-位移曲线的左侧线性度随左侧斜率的增大而减小。由此可见，环形风格仪的特征参数之间具有较强的相关性。

表3 环形风格仪测得的针织物特征参数间的相关系数Table 3 Correlation coefficient among knitted fabric feature parameters measured by ring-shaped style tester

3.2 环形系统曲线特征值的相关性分析

环形风格仪测得的曲线的8个特征值可以反映针织物的触感风格。为检验这些特征参数的有效性，采用Spearman相关分析法对环形风格仪的特征参数和CHES-FY 4个阶段的力学性能指标进行相关性分析。CHES-FY的测试结果如表4所示。为消除数据取值范围的差异，先采用Z-Score标准化方法对上述两种方法测得的数据进行标准化处理。

表4 针织物样品的CHES-FY测试结果Table 4 Test results of the knitted fabric samples by CHES-FY

3.2.1 压缩阶段指标相关性分析

织物在厚度方向的压缩性能反映了其手感的蓬松丰满程度[15]。压缩阶段两种测试系统指标参数的相关性分析结果如表5所示。由表5可知，环形风格仪测得曲线的特征参数C与样品的ΔT和Ac之间的相关性在置信度为0.01时显著，表明织物越蓬松，力-位移曲线左右侧的面积比越小，说明特征参数C可以在一定程度上反映织物的蓬松程度。由于压缩过程中环形风格仪的推杆与织物一直接触，故环形风格仪的多项指标(h、k1、k2、A1、A2、L)都与TL展现出较好的相关性。但环形风格仪测得的曲线为压缩、拉伸等复杂过程复合的曲线，不能单一反映压缩过程中针织物的黏性与弹性的具体特点。

表5 压缩阶段两种测试系统所得指标的相关系数Table 5 Correlation coefficient of indexes obtained from two test systems in compression stage

3.2.2 弯曲阶段指标相关性分析

织物在受到与自身平面垂直的力的作用下很容易发生弯曲变形[15]。在测试过程中，不论是CHES-FY的压板向下运动还是环形风格仪推杆的运动，都会使织物产生弯曲变形。弯曲阶段两种测试系统指标参数的相关性分析结果如表6所示。由表6可知，与织物的弯曲性能最为相关的是环形风格仪测得的参数h、k1、A1、A2、L。环形风格仪测得曲线的特征参数k1与CHES-FY的指标P和Ab的相关系数分别为0.741和0.777，具有显著相关性。左侧曲线的线性度L与CHES-FY的弯曲性能指标呈负相关，表明织物弯曲性能越好，环形风格仪测得曲线的屈曲程度越小。右侧曲线面积A2与CHES-FY的指标P的相关系数为0.814，表明二者具有较显著的相关性。总体而言，环形风格仪测得的左侧曲线的特征参数与弯曲性能更为相关。

表6 弯曲阶段两种测试系统所得指标的相关系数Table 6 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in bending stage

3.2.3 摩擦阶段指标相关性分析

面料表面的滑爽度主要与织物的表面摩擦性能有关。由于摩擦阶段CHES-FY的指标F与μ成线性关系，故在做相关性分析时只考虑CHES-FY摩擦阶段的摩擦因数μ和摩擦因数标准偏差s与环形风格仪测得曲线特征参数间的关系。摩擦阶段两种测试系统指标参数的相关性分析结果如表7所示。由表7可知，环形风格仪的h、k1、k2与CHES-FY的s的相关系数分别是-0.658、-0.634、0.710，h和k1都与s呈负相关，表明左侧曲线斜率越小则织物的表面越粗糙，这说明推杆在运动过程中，织物表面粗糙程度对其推力变化率的影响较大。环形风格仪的右侧面积A2与织物摩擦因数μ的相关系数为0.675，二者具有显著性，表明针织物试样在大部分伸出风格环后，织物表面越粗糙，推杆做功越多。

表7 摩擦阶段两种测试系统所得指标的相关系数Table 7 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in friction stage

3.2.4 拉伸阶段指标相关性分析

织物在低应力下的拉伸性能反映了织物的松紧程度。拉伸阶段两种测试系统指标参数的相关性分析结果如表8所示。由表8可知，与织物拉伸性能最相关的参数是环形风格仪测得曲线的h、k1、k2、A1、A2和x。其中，h、k2、A1与CHES-FY的At的相关系数分别为0.762、-0.776和0.702，一般情况下，织物的At越大，织物越容易变形，这说明h和A1与织物的变形程度呈正相关。CHES-FY拉伸阶段曲线的斜率St反映了织物单位变形所需的力的大小，环形风格仪测得曲线的A2和x与CHES-FY拉伸阶段斜率St的相关系数分别为0.786和-0.704，A2与St呈正相关，x与St呈负相关。总体而言，环形风格仪测得曲线右半部分的特征参数反映了织物在一定变形下的拉伸效果，这些参数与织物的拉伸性能更为相关。

表8 拉伸阶段两种测试系统所得指标的相关系数Table 8 Correlation coefficients of indexes obtained from two test systems in stretching stage

CHES-FY在拉伸阶段中，试样在压板的作用下被拉伸，45°方向的试样拉伸性能还可以反映织物的剪切性能[9]。CHES-FY 45°试样拉伸阶段指标与环形风格仪的指标相关性如表9所示。由表9可知，环形风格仪与织物剪切性能最相关的参数是环形风格仪的h、k1、A2与x。h与At的相关系数为0.783，k1、A2、x与St的相关系数分别为0.817、0.738和-0.755，在置信度0.01的水平下较为显著。

表9 CHES-FY 45°试样拉伸阶段指标与环形风格仪的指标相关性Table 9 Correlation between tensile stage indexes of CHES-FY 45° specimen and ring-shaped style indexes

4 结 语

从环形风格仪测得的力-位移曲线中提取8个特征参数用于描述织物风格。通过与CHES-FY的压缩、弯曲、摩擦、拉伸等4阶段的力学性能指标对比发现：环形风格仪的力-位移曲线的左侧参数与织物弯曲性能相关性较强；右侧参数与织物拉伸性能具有较好的相关性；左、右侧曲线面积比可反映织物的压缩性能；曲线的峰值、右侧面积和左右曲线线性段斜率与织物的摩擦性能具有很好的相关性；曲线的峰值、曲线左右侧的线性段斜率与织物的压缩、弯曲、摩擦、拉伸性能均具有很高的相关性，这是织物整体力学性能综合作用的结果。通过与CHES-FY的测试结果对比可知，环形风格仪在表征针织物的基本力学性能方面具有可行性。