皮革感官特性参数测试评价系统的分析与发展
2016-12-24宇文欢董继先张明
宇文欢,董继先,张明
(陕西科技大学机电工程学院,陕西西安710021)
皮革感官特性参数测试评价系统的分析与发展
宇文欢,董继先,张明
(陕西科技大学机电工程学院,陕西西安710021)
系统论述了现阶段国内外在皮革感官特性参数测试方面的研究现状、设备组成、测试方法、使用优缺点及适用范围,分析其内在发展规律和外在市场需求,提出了今后的研究方向。
感官特性;测试方法;评价系统;KES-F系统;FAST系统;PhabrOmeter系统
前言
皮革行业是我国的传统工业,也是轻工业中的支柱产业,其变革发展影响着人民群众的日常生活,随着改革开放的不断推进,经济快速发展的今天我国已经成为全球制革生产大国,在世界皮革贸易市场中占据重要地位。
2013年以来,我国皮革行业基本实现平稳运行,从销售利润率看,2013年皮革主体行业销售收入利润率为6.7%,同比增长0.2%。2014年上半年,全国皮革企业完成销售收入5873.8亿元,同比增长10.4%[1]。
目前我国是世界上最大的皮革生产国,但仍称不上皮革强国,如何成为一个皮革强国,这是由多层次、多方面的综合因素决定的,然而在其中很重要的一方面就是如何快速简便、科学客观地评价皮革的好坏及其使用性能。由皮革大国向皮革强国的过渡中,探寻和发展快速、客观的评价方法及系统无疑具有重要的意义。
1 皮革感官特性
长久以来,人们在生产中检验成品皮革时一直沿用的方法就是依靠有经验人员的手摸眼看来鉴别,而皮革感官特性就是人手触摸皮革时的感觉,其隶属于人类感官特性的一部分。皮革的重要性能一般包括平整度、柔软度、丰满度、弹性及厚度均匀性等,而主要表达皮革感官特性的参数可归纳为3个,柔软度、丰满度和弹性度。
皮革的柔软度通常体现胶原纤维活动空间的大小和胶原纤维相对滑移的难易程度;丰满度指当皮革受外力发生变形时,人体感官所能感受到的挤压的感觉;弹性度指皮革在受力发生变形的状态下恢复原状的能力,这些是衡量皮革品质优劣的重要指标[2]。
表1 KES-FB系统测量的物理指标
2 主观测试方法
随着劳动力的不断解放,人们对皮革感官特性的测试不仅仅局限于依靠有经验的人员,而是更多地依靠仪器来实现,所以在测试方法上就产生了区别,分为主观测试方法和客观测试方法两种。主观测试法是通过人的感官形成综合感觉进而评价皮革的品质,对于成品皮革的重要品质性能,即柔软度、丰满度和弹性度,多年来一直沿袭的方法称为手检法(HEM-Hand Evaluation Method)[3],即让受过专业培训的人员通过手摸眼看的方式进行皮革好坏的鉴定。
该方法是评定皮革感官特性的基础,但是该方法也有很大的缺陷,一是其评定结果受到个人的影响太多,无法排除主观任意性;二是评定方法缺乏定量的描述,不能区分皮革间的细微差别,因此需要有更客观的方法和系统去评价皮革成品的感官特性。
3 客观测试评价系统
皮革感官特性的客观评价方法是指将感官特性参数化,通过仪器测得具体量化的物理量,再利用已有经验建立一定的量化标准来鉴定皮革,即测量皮革受力应变下的力学性能,采集测试信号,与分析归纳出的标准进行对比从而判断成品皮革的优劣。
纺织行业中,H.Bennio首先在织物手感评价方法的研究方向上提出感官检测想法,而在20世纪30年代F.T.Peirce开创了从力学特性来研究织物感官特性的先例,1936年他首次提出采用物理测量数据来评价织物手感的思想,并使用悬臂梁法评定织物的刚柔性[4]。
3.1 KES-F系统
3.1.1 KES-F测试系统的组成
直至1968年,日本的川端季雄提出了用织物基本力学特性客观评价织物感官特性的计划并开发出了一套功能比较齐全的KES-F织物风格测量系统。40多年来,该测评系统主要经历了2次升级换代;1978年,改进型号KES-FB系统问世;2000年,全自动测试系统KES-FB-AUTO-A研制工作完成,并投入商品化生产[5]。KES-FB型织物风格仪由四台测试仪和一台计算机组成,四台测试仪的实验进行、数据处理都由计算机控制,该系统较为全面地测量了织物的6大性能,具体见表1。
3.1.2 评价方法
织物的柔软度主要与弯曲、剪切性能有关,织物的滑爽度主要与表面摩擦性有关,织物的丰满度主要与压缩性有关,因此KES-F系统基于尽可能全面地反映织物特性的出发点,测试并采用曲线表征了织物在小应力、小形变条件下的拉伸、剪切、弯曲、压缩的全过程[6]。织物的拉伸-剪切性能是由FB1试验仪测定的,将织物置于试验台,通过夹头向其施力得到力学特性曲线;织物的弯曲性能是由FB2试验仪测定的,将织物竖直放置,测量其正向纯弯曲和反向纯弯曲曲率的变化;织物的压缩性能是由FB3试验仪测定的,将织物固定于试验台,通过接触一个匀速下降的压头,测量其变化;织物的表面性能则是通过FB4试验仪测定的,该仪器有两个探头,一个测试织物在载荷作用下相对滑动的动摩擦系数曲线,一个测试织物在相对运动中厚度的变化。
表2 FAST系统测量的物理指标
图1 丰宝仪
3.2 FAST系统
3.2.1 FAST测试系统的组成
同时代还有一种评价方法应运诞生,这就是澳大利亚科学家研发的FAST织物性能快速测试系统。该测试系统包括三台仪器和一种试验方法,即FAST-1压缩仪FAST-2弯曲仪、FAST-3伸长仪和FAST-4织物尺寸稳定试验方法[7]。通过测定织物压缩、弯曲、剪切、延伸等四基本力学性能和尺寸稳定性,可测得20个力学指标,从而客观评价织物外观手感,见表2。
3.2.2 评价方法
与KES系统相似,FAST系统也是测量织物小应力下的力学性能,通过测定织物压缩、弯曲、剪切、延伸等四基本力学性能和尺寸稳定性,可测得20个力学指标,从而客观评价织物外观手感,具体见表2。织物的压缩性能是由压缩仪FAST-1测量的,通过对织物两点施加载荷测得织物厚度的变化从而计算表层厚度;织物的弯曲性能是由弯曲仪FAST-2测量的,通过测试织物的弯曲长度计算弯曲刚度;织物的拉伸性能是由伸长仪FAST-3测量的,以低载荷在试样的经纬向及对角线方向测量织物的伸长率。
3.3 PhabrOmeter系统
3.3.1 PhabrOmeter测试系统的组成
2007年美国潘宁教授利用抽出发研制的PhabrOmeter织物手感评价系统使织物手感的客观评价达到一个新的高度,其发明的仪器名为“PhabrOmeter”,译名为“丰宝仪”[8],见图1。该系统由一个测试装置和一个计算机组成,其中测试装置主要包括3部分:喷嘴、压力砝码和推杆[10]。
3.3.2 评价方法
该仪器采用模式识别方法提取织物感官性能并以人的感觉相标定的数学模型为依据,被测样品通过一个测试装置,由计算机操作控制以提取所得抽取力与位移曲线,从而得出织物的相对手感值、柔软度、抗压缩性、硬挺度、光滑度、悬垂系数及折皱回复率等量化数据[9]。该系统的工作原理是先将样品装到喷嘴上并加以适当的加压砝码,然后由电机驱动使传感杆向下移动从而推动面料样品通过喷嘴以完成测量。
3.4 其他国内测试仪器及系统
国内有关皮革触觉特性研究较早,可以追溯到四川大学的苏真伟教授,他在1993年研制成功了便携式皮革柔软度测定仪[11]。2003年陕西科技大学的张晓镭教授研制出了皮革柔软度和丰满度测量分级装置[12]。2004年,四川大学的李志强教授以皮革柔软度与其抗弯强度和压缩性能的关系为理论依据,提出了皮革柔软度的定量测定方法,并在2004年设计出了测量仪器[13]。
3.4.1 新型皮革感官测试系统的组成
2008年,陕西科技大学的董继先教授,张晓镭教授等通过研究表明,皮革的感官参数与皮革的顶伸、压缩、弯曲、拉伸4项指标有密切的关系。同年,陕西科技大学的董继先教授等人研制了一种新型皮革感官参数测定仪器[14],主要由机械运动结构、控制箱及计算机组成,机械运动结构主要由步进电机、传动机构、工作台、夹具和传感器组成,见图2。
3.4.2 评价方法
相比原有的单一参数测试仪器,该仪器能够实现皮革感官参数性能的综合检测,主要有4种检测功能:拉伸性能测定,压缩性能测定,顶伸性能测定,弯曲性能测定。皮革的弯曲性能测试是测量皮革的变形和载荷,顶伸和拉伸性能测试需要固定皮革,使其受力均匀,压缩性能需要压头和平台平行,因此该系统需要四套专用的夹具。检测仪器通过控制单元控制步进电机产生运动,之后通过减速器变速,满足各种测量所需的载荷。光栅尺和压力传感器分别采集位移信号和载荷信号,控制单元采集并处理信号,最后在计算机显示结果。
图2 新型皮革感官特性参数自动测试仪器
4 皮革感官特性参数测试评价系统的分析
纵观国内外皮革感官特性参数测试系统的发展,大多仪器都是以皮革的力学性能为载体,模拟并测量皮革在受力状态下的形变,同时建立适用自己的评判标准,从而分析皮革制品的性质。最初研究只能针对单一参数进行测量,测量误差大结果不准确。随着研究的不断深入,基本实现了皮革感官特性参数测试的综合检测,可以较为全面地反映皮革的性能。
(1)KES-F系统是测试低应力下织物的力学性能,因此给定任意试样都可以测量其指标,后代入相关方程式计算出该试样的HV值(基本风格值)和THV值(综合风格值),从而精准地判断试样的品质。同时川端在研发该系统时参考了日本国内的几乎所有织物类型,这使得用仪器测定的结果与专家手感评定的结果高度一致,应用起来便捷准确。尽管如此其缺点也很明显,作为最早开发并推广使用的系统,其测试指标过多,多机台操作处理复杂,系统价格昂贵,更为重要的一点,该系统是由日本专家结合日本当地织物特性研制的,对其他各国的使用往往具有一定的地域局限性。
(2)FAST系统实际上就是KES-F系统的简化版本,在原有基础上有选择性地减少测量量,测试织物在小应力、小形变条件下拉伸、剪切、弯曲、压缩的力学性能,给予相应的测量评判基准。然而由于其原理不变,只是人为简化测量过程,这使得该系统同样无法避免主观感觉带来的问题,但其于KES-F系统相比测量时间缩短,操作简单,价格便宜。
(3)PhabrOmeter系统也是测量织物在各种小载荷作用下的形变,相比于之前两种仪器,该仪器的作用模式更贴近于现实,因此可以更好地反应织物的力学性能,其测得的物理量相对独立,与实际值更加接近,这使得系统的评价更为客观、准确。同时该系统充分利用虚拟仪器开发操作便捷、人机界面友好等优势,使测试过程更加智能、直观。但是该系统还有一定漏洞,其定量力学指标较少,量化指标与感官性能参数关联有待加强,市场占有率较小,有待进一步地开发和完善。
(4)国内董继先教授,张晓镭教授等人制造的新型皮革感官参数测定仪器进一步的简化测量物理量,同时实现多机台的整合,将测试时间大大降低,提高了工作效率,为今后感官特性评价系统的发展奠定了良好的基础,但是该设备测试皮革不同性能时需要改换相应夹具,操作较为复杂,同时其仅用于科研教学中,并没有大量生产投入市场。
5 皮革感官特性参数测试评价系统的发展
这些年我国在皮革感官特性参数测试方面取得了不错的进展,由过去单一参数测试发展为皮革感官性能的综合测试,多机台整合为单机台,测试仪器不断优化,评价系统更加完善,但是随着生产力和高新科技的高速发展,人们对皮革制品要求的不断提高,我们仍有巨大的进步空间。
一方面,原有系统大多以皮革的力学性能为评判标准,但是人体接触皮革时的信号传输、采集并不仅限于力学性能,还有进一步的血液流动、脑电、心电等变化,为了更全面地表达,原有仪器需要增加新的测试参数,并运用新型材料和新型传感器来测量相关参数,目前国外已实现并成熟运用利用光学性能来测量人体血液参数以达到无创检测的目的。同时随着近年来微电子技术、智能化机器人等新技术的开发和成熟,微波技术和电子技术甚至纳米技术都会运用到这方面来;另一方面,现有成熟的测试系统均是国外专家研制成功的,国内测试系统均以其为蓝本创立,但是随着国外技术壁垒越来越严苛,我们应该大力发展适用自己国家的皮革感官测试系统,突破技术壁垒,以实现资源的可持续发展。
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Analysis and Development of Leather Sensory Characteristics Parameter Testing Evaluation System
YU WEN-huan,DONG Ji-xian,ZHANG Ming
(Shannxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China)
This paper systematically discusses the research status at home and abroad at this stage in leather organoleptic characteristic parameter testing,and equipment components,test methods,the use of the advantages and disadvantages and the scope of analysis of its internal law of development and external demand,the direction of future research is proposed.
organoleptic properties;test methods;evaluation system;KES-F system;FAST system;PhabrOmeter system
TS 57
A
1671-1602(2016)21-0055-05
宇文欢(1992-),男,硕士研究生,联系方式:18220521664,邮箱:352561273@qq. com。研究方向:化工过程机械。