自制耐磨仪及其对羽绒面料折皱点的耐磨性测试

管昳昳，刘晓霞，王泽凡，邱昱琛，高 琮

(上海工程技术大学服装学院，上海 201620)

自制耐磨仪及其对羽绒面料折皱点的耐磨性测试

管昳昳，刘晓霞，王泽凡，邱昱琛，高 琮

(上海工程技术大学服装学院，上海 201620)

为探索新的织物耐磨性测试方法，设计并制造出自制耐磨仪。介绍了自制耐磨仪的原理、结构以及测试方法。在一定充气压力下应用自制耐磨仪对织物折皱点进行摩擦，通过气流量的变化实时反映织物的磨损情况，通过伯努利方程将变化气流量转化为等效孔径，选取等效孔径值来评价织物折皱点的耐磨性能。采用正交试验，选取摩擦速度、充气压力、面料厚度3个测试参数，对羽绒面料折皱点的耐磨性能进行了测试，分析了它们对羽绒面料折皱点耐磨性能的影响。结果表明，自制耐磨仪在一定条件下，可表征羽绒面料折皱点的耐磨性能。充气压力和面料厚度对羽绒面料折皱点的耐磨性能有显著影响，摩擦速度对其影响不显著，充气压力的影响最为显著。研究结果为改善羽绒服面料折皱点的耐磨性提供了借鉴方法。

纺织机械设计与制造；耐磨仪；气流量；羽绒面料；折皱点；耐磨性能

管昳昳，刘晓霞，王泽凡，等. 自制耐磨仪及其对羽绒面料折皱点的耐磨性测试[J].河北科技大学学报,2017,38(1):66-72. GUAN Yidie, LIU Xiaoxia, WANG Zefan,et al.Homemade abrasion tester and its application for abrasion resistance testing of crease points on down fabrics[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(1):66-72.

织物在穿着和使用过程中会受到各种外界因素的影响，特别是与周围物体接触并相互摩擦造成织物性能的损失[1]。在织物摩擦过程中，其表面首先被改变，然后其内在结构受到影响，进而外观被影响，其服用性能大大降低[2-3]。因此，纺织品表面的耐磨性是检验纺织品的重要指标[4]。

织物的磨损类型很多，主要有曲面磨损、平面磨损、翻动磨损、折边磨损、动态磨损等，对服装的不同部位有着不同状态的磨损[5]。针对这些磨损的耐磨性测试方法已基本成熟，并已被列入纺织品耐磨性测试标准。比如美国材料实验协会(ASTM)关于纺织品耐磨性的试验方法标准主要有：旋转式平台双头法[6]、曲磨法[7]、充气膜片法[8]、振动汽缸法[9]、均匀磨损法[10]。美国纺织化学师与印染师协会(AATCC)采用埃克西来罗试验仪法[11]，其余大多数国家均采用马丁代尔磨损试验仪法[12]对织物耐磨性进行检测。这些耐磨性测试方法基本都是面料与磨料以面与面的方式接触摩擦，无法得知某些应力集中点比如折角尖端处的磨损状态。而且这些耐磨性测试方法不能连续测定织物磨损状态，无法得知测试过程中摩擦时间或摩擦次数与织物磨损之间的函数关系，对于耐磨性能的评定大都需要人工观测。有商家反映，无法通过现有的耐磨测试方法测定羽绒面料折皱点的耐磨性能，并以此来评价羽绒面料是否失效。纵观国内外的耐磨性测试方法，尚未见到对织物折角或折皱点进行摩擦测试的相关或类似研究报道。本课题组研制了一种新型气流式耐磨性能测试仪器，专门用于测量织物在折皱状态下折皱尖端的耐磨性能，并探讨测试参数——耐磨仪的摩擦速度、充气压力以及面料厚度对羽绒面料折皱点的耐磨性能的影响。

1 自制耐磨仪

1.1 自制耐磨仪原理及等效孔径概念

本课题组研制了一种新型气流式耐磨性能测试仪器(公开号：CN204831951U，实用新型，已授权。公开号：CN105043912A，发明专利，已公告)，用此来专门测量织物在折皱状态下折皱点的耐磨性能。在一定充气压力下，耐磨仪对织物折皱点进行摩擦。采用数据采集卡实时采集气体流量数据，通过Labview软件组成的虚拟仪器来获知摩擦过程与变化气流量的关系，进而通过伯努利方程得出摩擦过程与等效孔径的关系，以等效孔径值的大小来反应织物的磨损状态[13-15]。该耐磨测试方法能实时反应织物的磨损状态(公开号：CN105043911A，发明专利，已公告)。通过该仪器的运动控制模块可控可调相关参数，如摩擦量、摩擦速度、摩擦对偶之间的压力、充气压力等，模拟衣服的袖口、肘部和一些背包边角的折皱情况，以满足不同试样的耐磨性测试。

折皱织物的尖端在磨损过程中由于不同面料纱线损坏方式的差异性，并不能形成规则圆形，其孔洞都是不规则图形，用常规方法无法对孔洞几何面积进行定义，而用肉眼直接比较不规则孔洞是不现实的。但是无论是规则孔洞或是不规则孔洞，当其有气流通过时，在流体力学上都有共通性。可以把这些不规则孔洞和能够通过与其相同气体流量的规则孔洞相等效，提出在织物磨损时等效孔径的概念，解决织物折皱点磨损后，无法测量其破损孔洞面积的难点。

等效孔径即等效规则圆形孔洞的直径。等效孔径的测量是通过将流体力学中普遍使用的伯努利方程应用在自制耐磨仪上实现的。当气流从输气管中流出通过织物的破孔时，可将其看成孔口出流，符合根据流动连续性原理和伯努利方程推导出的流量公式[16-17]：

(1)

式中：qv表示气体的体积流量，m3/s；c表示流出系数，无量纲；d表示工况下孔板内径，mm；D表示工况下上游管道的内径，mm；β表示d/D，无量纲；ε表示可膨胀系数，无量纲；Δpx表示孔板前后的压差值，Pa；ρ表示工况下的流体密度，kg/m3。

(2)

所有传感器测出的数据单位按公式进行统一，体积流量qv为最终流量减去初始流量表示为X1-X4，压差Δpx表示为X2，温度t表示为X3。则等效孔径在自制耐磨仪Labview程序中的修正公式为

(3)

假设孔板前后的压差值与工作条件下的温度都为定值，等效孔径的大小与变化气体体积流量的大小呈幂函数关系，即等效孔径值会随着变化气体体积流量的增大而增大。等效孔径越大，表明其对应的不规则孔洞面积越大，意味着该织物折皱点的磨损程度越严重，即该折皱织物折皱点的耐磨性能越差，反之则越好。

1.2 自制耐磨仪的结构

图1 自制耐磨仪机构示意图
Fig.1 Schematic diagram of homemade abrasion tester mechanisms

自制耐磨仪由外接气源机构、气流输送机构、测试机构和动力机构4部分组成。机构示意图如图1所示。气源机构指的是外接于自制耐磨仪的气体压缩机，即为自制耐磨仪提供气流的机构。气流输送机构主要包括气流输送管、气流控制阀、调压阀、数显表和气体流量计。调压阀用于调节充气压力，气体流量计用于测量输出气体的流量。测试机构包括测试连接管、柔性输气管、摩擦构件和夹持头。其中摩擦构件为一组偏心轮，如图2所示。偏心轮上需包覆摩擦材料。夹持头即固定待测试样的装置。动力机构包括第一电机、传动机构、往复平台、固定支撑架和第二电机。自制耐磨仪实物图如图3所示。

图2 偏心轮
Fig.2 Eccentric wheel

图3 自制耐磨仪
Fig.3 Homemade abrasion tester

2 实验测试探讨

2.1 测试参数及实验材料

2.1.1 测试参数

采用自制耐磨仪进行测试，选用耐磨仪的摩擦速度和充气压力以及羽绒面料的面料厚度3个参数作为实验测试的考察变量。摩擦速度即每秒偏心轮转动的圈数，摩擦速度越大，其磨损产生的能量越高，织物越容易被破坏；充气压力的大小决定了织物尖端的硬挺程度，充气压力越大试样尖端越硬越容易被磨损；面料厚度是衡量织物耐磨性能的一个较重要的指标，在面料纹理、种类等其他条件相同的情况下，面料越厚对摩擦抵抗能力越强。本实验采用正交试验法，设置三因素并对应三水平，以等效孔径为考察指标，探讨各因素对羽绒面料折皱点的耐磨性能即等效孔径的影响[18-19]。

2.1.2 实验材料

实验材料为3种普通羽绒面料，其面料规格参数见表1。羽绒面料都经过涂层或压光防钻绒处理，透气量较小。

表1 羽绒面料规格参数

2.2 折皱点耐磨性测试

2.2.1 试样制作

图4 锥形试样
Fig.4 Cone sample

在面料上切取半径为42.5mm的圆，在圆上画出一条半径并以该半径为起始边量取105.4°的夹角，画出另一条半径，将2条半径中间折叠，使得2条半径重合，制出圆锥形立体状。折叠部分用双面胶黏合，靠近圆锥尖头部分不能用双面胶黏合，避免双面胶对实验结果产生影响。所有试样正反面以及折边朝向必须一致。实物图如图4所示。

2.2.2 折皱点的耐磨测试方法

1) 将锥形试样装入夹持头内，锥形试样的尖端需安装在夹持头的中心，确保摩擦范围为试样的尖头部分。内锥形圆盘与锥形磨头相互拧紧，确保夹持头在摩擦过程中不漏气。夹持头的安装示意图如图5所示。通过自制耐磨仪显示屏上的手动控制界面调整夹持头的位置，使得锥形试样的尖端不与偏心轮触碰，防止触碰使得试样尖端凹瘪。

图5 夹持头安装示意图
Fig.5 Schematic diagram of installing clamping head

2) 根据实验方案在电脑程序中更改摩擦速度，启动耐磨仪使得气流输送机构通气，通过调节调压阀设定充气压力。

3) 检查其余传感器部分显示数据正常后，再次启动自制耐磨仪，仪器进入初始流量测定阶段，听到一声长鸣后，开启Labview中的数据记录程序。等待摩擦停止，听到另一声长鸣后停止实验记录。

实验时，观察电脑上数据记录面板中的初始流量、温度、气体流量、等效孔径等各信号是否正常。按照正交表中的对应参数，更改面料种类、摩擦速度以及充气压力。实验完成后，对锥形试样进行编号并原样保存。

实验中一定要注意以下几点。

1) 偏心轮中2个摩擦轮的砂纸必须贴合摩擦轮，不得有高出凸起的部分，确保2个摩擦轮在同一水平位置，同时确保实验所用砂纸一致。

2) 试样安装的过程中，如面料较厚，会造成折叠部分空隙过大，需用工具将内锥形圆盘与锥形磨头拧紧；如面料较薄，则最好把试样悬垂放置夹持头中进行安装，且不可拧太紧防止面料变形。保持安装完毕的试样折边线在同一位置。

3) 为保证实验中的摩擦次数相当，设定为100次左右，在改动摩擦轮摩擦速度的同时，需改动夹持头横移的速度。按照表2中设定的摩擦速度为2,4,6r/s，相应的横移速度为10,20,30m/s。

3 测试结果与讨论

摩擦速度、充气压力、面料厚度3个因素以及平均等效孔径的正交试验数据如表2所示。

表2 耐磨测试正交试验记录表

用方差分析法对表2耐磨测试正交试验数据进行分析(设置显著性水平为0.05)得表3[20]。

表3 耐磨测试影响因素方差分析表

由表3可知因素摩擦速度的显著性水平为0.491，远大于0.05，表明摩擦速度对等效孔径的影响不显著。按常理来分析，增大摩擦速度会增大磨损产生的能量，织物会更容易被破坏。但数据显示其对等效孔径的影响不显著，这可能由于设置的摩擦速度差过小或者摩擦速度过小所产生的能量不足以破坏织物等原因造成。因素充气压力的显著性水平为0.023，小于0.05，表明充气压力对等效孔径的影响显著。充气压力越大，锥形试样的尖端对磨料的作用力就越大。在其他测试参数一致的情况下，试样尖端对磨料作用力越大，试样被磨损地就越厉害。因素面料厚度的显著性水平为0.046，小于0.05，表明面料厚度对等效孔径的影响显著。织物面料厚度是衡量织物耐磨性能的一个较为重要的指标。在其他条件一致的情况下，面料越厚，耐磨性能越好。但是从为自制耐磨仪设计一组最适合的测试参数这一角度出发，相比其他因素，面料厚度对织物折皱点的耐磨性能影响显著性越小，这组测试参数才会越合理。以这组测试参数为标准才能测试更多的织物，而不是局限于一定厚度范围的织物。3个因素对羽绒面料折皱点的耐磨性能影响大小的排序是：充气压力>面料厚度>摩擦速度。

通过直观分析法对每个因素与平均等效孔径的关系进行分析，结果如图6所示。边际平均值即剔除其他变量影响，仅在一个因素作用下，得出平均等效孔径的均值。

图6 三因素与平均等效孔径关系
Fig.6 Relationship between three factors and average equivalent aperture

从图6可知，平均等效孔径与摩擦速度的相关性不显著。随着充气压力的增大，平均等效孔径也呈上升趋势，即充气压力越大，试样折皱点的磨损程度越严重。相反，随着面料厚度的增大，平均等效孔径在减小，即面料越厚，试样折皱点的耐磨性能越好。

4 结 论

本文通过对自制耐磨仪的初步探讨得到以下结论。

1)通过伯努利方程把变化气体流量转化成等效孔径来衡量织物折皱点的耐磨性能，能实时反映织物的磨损状态，表征羽绒面料折皱点的耐磨性能。

2)在摩擦条件相同的情况下，等效孔径可反映织物的磨损情况，孔径越大代表该织物折皱点处的耐磨性能越差，反之则较好。

3)摩擦速度、充气压力、面料厚度这3个因素中，充气压力与羽绒面料厚度对羽绒面料折皱点的耐磨性能具有显著影响，摩擦速度对其影响不显著。3个因素对羽绒面料折皱点的耐磨性能影响显著性的大小排序为充气压力>面料厚度>摩擦速度。

4)定性测试表明，自制耐磨仪可表征羽绒面料折皱点的耐磨性能。但是，仪器初始测试参数的确定，各参数对织物磨损情况的影响，以及对其余织物折皱点的耐磨性能的表征，尚需要更大量的实验加以验证。

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Homemade abrasion tester and its application for abrasion resistance testing of crease points on down fabrics

GUAN Yidie, LIU Xiaoxia, WANG Zefan, QIU Yuchen, GAO Cong

(Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 201620 China)

In order to explore a new method for testing the fabric abrasion resistance, a homemade abrasion tester is designed and manufactured. The principle, structure and test method of the homemade abrasion tester are introduced. The crease points on fabrics are rubbed using the abrasion tester under certain air pressure and the abrasion of fabrics is reflected on real time through the change of gas flow. The change of gas flow is converted into equivalent aperture by Bernoulli equation and the equivalent aperture is used to evaluate the abrasion resistance of the crease point on fabric. Three measuring parameters of friction velocity, gas pressure and fabric thickness influencing on the abrasion resistance of crease point on down fabrics are tested by orthogonal experiment. The influence of the three elements on the abrasion resistance is analyzed. The results show that the homemade abrasion tester can represent the abrasion resistance of crease point under certain conditions. The gas pressure and fabric thickness have significant influence on the abrasion resistance, but the influence of friction velocity is not significant. Above all, the gas pressure has the most high influence. The research result prevides reference for improving the abrasion resistance of crease points on down fabrics.

textile machinery design and manufacture; abrasion tester; gas flow; down fabrics; crease point; abrasion resistance

1008-1542(2017)01-0066-07

10.7535/hbkd.2017yx01011

2016-08-19；

2016-10-22；责任编辑：张 军

上海市教委产学研项目(15cxy36)；上海纺织有限公司创新项目(2014-zx-01-2)

管昳昳(1993—)，女，江苏南通人，硕士研究生，主要从事纺织机械设计与制造方面的研究。

刘晓霞教授。E-mail: liuxiaoxialucky@126.com

TS103

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