纺织品及纤维制品压缩回弹性及蓬松度全自动检测仪的研制及应用

张后兵　涂红雨　陈丽华　王俊苏　刘浩　李贤良　王国民

摘要：采用滚珠丝杆和激光测距相结合的方式，创造性研制全自动压缩回弹性及（羽绒）蓬松度检测仪。通过实验测试，该检测仪同时具备纺织品用絮片、绗缝制品、被子、蚕丝被等压缩率、回复率和蓬松度全自动检测功能，且具备羽绒蓬松度全自動检测功能，实现一机多用。与现有检测方式相比，本仪器彻底将检验人员从繁琐的体力劳动中解放出来，真正实现了自动、快速、高效率的检测，且仪器消除了实验过程中的人为干扰、样品在检测过程中的膨出等对检测数据的影响等系列问题，进一步提高了检测数据的准确性、重现性，检测精度进一步提高。

关键词：纺织品；压缩回弹性；蓬松度；全自动检测仪；对比分析

压缩回弹性测试的主要原理为纺织品及纤维制品试样在一定时间和压力作用下，其厚度产生受压压缩和去负荷回弹恢复，测定其不同压力时的厚度值，以计算试样的压缩和回复的性能。随着经济快速发展，以及中国人口结构的不断变化，使得中国长期以来所依仗的劳动力成本优势不复存在，劳动力成本呈现不断上升的趋势。检测机构作为劳动密集型行业之一同样面临着劳动力成本大幅增加、用工高度紧张的情况，如何通过自动检测仪器来缓解传统检测方式占用大量劳动力的弊端，实现快速、高效、且少用或不用劳动力的检测方式，成为各试验室不断努力的方向。压缩回弹性检测作为纺织品物理性能检测项目中占用较多劳动力的项目之一，由于缺乏合适的检测设备，导致检测费时费力，测试过程人为干扰大，检测结果复现性差等诸多问题。

1.压缩回弹性测试仪研究现状

有关压缩回弹性测试仪的研究国内较早的文献记录可以追溯到1988年，杨如禧对纺织材料压缩回弹性进行了比较系统的介绍，其研制的仪器可以测试材料的压缩弹性、疲劳、松弛及蠕变等机械性能。

在其之后，2008年中国专利（授权公告号CN201014974Y）公开了一种丝绵被的压缩回弹性测试仪。该发明专利利用工作台底部转盘机构及四角设置的测量标尺实现对丝绵被试样在不同荷重下四角高度的测量。2014年中国专利（授权公告号CN203587458U）公开了一种电子式丝绵被压缩回弹性测试仪，该仪器采用砝码块加压，砝码块之间采用柔性绳索连接。由于纤维在制品的加工过程中趋向的不一致性，在受压时，纤维受到的力很复杂，既有轴向力又有横向力，既有拉伸、压缩，又有弯曲、扭转等，加之上述设备均是在一定的容器内进行压缩测试，试样加压后很容易向四周膨出或纤维移动而发生倾斜，导致纤维触碰容壁而影响测试结果。

中国知识产权局2014年10月22日公开了一种用于纺织产品厚度、压缩回复性能及纤维压缩性能测试仪（申请号：201310078092.0），其采用交流伺服电机经过同步带轮减速后，通过滚珠丝杆传动来带动安装在横梁上的压脚上下运动，实现对厚度和压缩回弹性的检测。该方法采用滚珠丝杆带动压脚进行加压释压和测距，但其压缩回弹性测试方法与现有标准存在一定程度的差异。

由此可见，虽然经历了数十年的发展，直到近几年压缩回弹性检测仪器的研究才逐步有了新的进展，但现有技术还不足以彻底的将检测人员从繁琐的检测工作中解脱出来，或者还无法彻底消除试验过程中的各种干扰。

2.压缩回弹性及蓬松度测试标准分析

2.1压缩回弹性测试标准

通过对现有涉及压缩回弹性测试方法标准进行分析，不同产品标准对压缩回弹性指标要求并不完全不一致，指标一致的为：样品尺寸20×20 cm，重锤A 2kg，重锤加释压重复操作3次，重锤B 4kg，重锤B取下后放置3 min。其他见表1。

各标准压缩回弹性试验过程为：将样品在标准大气中调湿规定时间（4～24 h），将每组20×20 cm的一定质量的试样分别整齐叠放在工作台上。将测试压片放在试样上，然后再加上重锤A，30 s后取下重锤，放置30 s，如此重复操作3次后，去掉重锤放置30 s，立即测量试样从工作台到测试压片的四角高度，取其算术平均值为‰；在测试压片上再加上重锤B，30 s后立即测量试样从工作台到测试压片的四角高度，取其算术，平均值为h1。取下重锤B，放置3 min后，立即测量试样从工作台到测试压片的四角高度，取其算术平均值为h2。其计算公式如下：

3.全自动压缩回弹性及蓬松度测试仪的研制方案

为满足纺织品及纤维制品压缩回弹性检测，同时满足不同材料的蓬松度检测，项目组参考各压缩回弹性、蓬松度（包括羽绒蓬松度）测试方法标准中的相关技术参数要求，研制了一台用于纺织品或纤维制品压缩回弹性及羽绒蓬松度全自动检测仪（FZ-HTTU01压缩回弹性及（羽绒）蓬松度全自动检测仪），其由电源装置、伺服电机、数据处理器、龙门架、滚珠丝杆、激光测距传感器、力值传感器等结构组成。

图1（a）为压缩回弹性及羽绒蓬松度全自动检测仪主视图，也是压缩回弹性测试的主要构件，包括高精度压力传感器支架1（传感器固定在支架的底端位置）、固定在检测支架底部四角位置用以测量距离的激光传感器2、固定在检测支架底部正中间位置用以给压板施加压力的检测压头3、用以压缩回弹性试验放置样品和压板的压缩回弹性试验平台4、固定在龙门架构底部用以丝杆驱动的伺服电机5、用以羽绒蓬松度检测放置测量筒的羽绒蓬松性试验平台6等结构组成。图1（b）为羽绒蓬松度检测时主视图，其与压缩回弹性检测的主要区别在于，专门针对羽绒蓬松度检测建立了用于羽绒蓬松度检测的施压装置，即压盘7，以及放置羽绒的有机玻璃桶8。

4.全自动压缩回弹性及蓬松度测试仪应用对比分析

4.1试验材料及仪器

4.1.1试验材料

3.5 kg棉被（2.0×2.3 m，重慶市奥斯梦床上用品有限公司）、2.5kg机制精梳棉絮（2.0×2.3 m，重庆市奥斯梦床上用品有限公司）、90%水洗白鸭绒（重庆四方制装有限公司）。

4.1.2试验仪器

FZ-HTTLJ01压缩回弹性及（羽绒）蓬松度全自动检测仪（重庆出入境检验检疫局）；常规压缩回弹性测试仪：包括30 cm钢直尺（d=0.5 mm，长城牌），2、4 kg砝码（F1级，南京苏测计量仪器有限公司），压板（200 g，实验室自制），秒表（精确度1 s）。

4.2常规检测方式和全自动检测仪对比分析

常规压缩回弹性和蓬松度检测方式对设备的配置要求比较低，大多数检测机构的检测设备均为自行配置，主要包括钢直尺，2kg、4kg砝码，压板，秒表，其测试过程同2.1和2.2中测试程序，其与全自动检测方式的区别在于：全自动压缩回弹性及蓬松度测试仪测试过程除样品放置外，检测过程和结果计算全部为仪器自行完成，全程不需要人为参与，而常规检测方式测试的全部过程均需人为控制，容易受到人为因素的影响。由于在检测仪器的评定指标中，重复性和准确性是最重要的两项指标。重复性表示在相同条件下对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性，它反映了设备适应检测工作的能力。准确性是指被测量的检测结果与真实值相一致的程度，是一个定性指标，是测量结果中系统误差和随机误差的综合反映，在实际应用中主要通过比对试验来确认准确性。

4.2.1压缩回弹性全自动检测仪零点重复性测试

由于在压缩回弹性重复性试验过程中发现纤维制品反复加压、释压，导致样品疲劳无法准确评价设备的重复性能，因此采用空载零点重复性测试来表征该设备的重复性测试性能。通过测试20组数据统计分析，4个激光传感器零点的平均值为-0.002 mm，其99%置信区间为-0.002±0.013 mm，重复20次读数的标准偏差S=0.020 mm；而95%置信区间为-0.001±0.009 mm，重复20次读数的标准偏差S=0.020 mm。

4.2.2纺织品及纤维制品压缩回弹性测试对比分析

按照GB/T 22796-2009《压缩回弹性测试方法》对棉被进行测试，将全自动检测结果和常规检测结果进行对比测试，并将测试结果按GB/T 8170-2008修约至1位小数，对比结果见表3。

对照表3全自动检测方式和常规方式：常规方式压缩率测试结果极差为5.1%，而全自动检测为2.7%；常规方式回复率测试结果极差为6.6%，而全自动检测为0.5%。由此可见，全自动检测方式极差明显小于常规检测方式。同时，项目组对同一样品的30组子样品进行了压缩回弹性可置信度区间比对测试：全自动检测方式压缩率99%置信区间为32.65±0.56%，回复率99%置信区间为97.02±0.12%。常规检测方式压缩率99%置信区间为32.42±1.00%，回复率99%置信区间为96.18±1.85%。全自动检测方式99%可置信度区间明显小于常规检测方式，由此可以说全自动压缩回弹性及蓬松度测试仪准确性明显优于常规检测方式。

4.2.3蓬松度测试对比分析

为了验证蓬松度的测试效果，试验人员针对棉絮片和羽绒分别安排了各自同一样品的15组子样进行测试，测试结果分别见表4和表5。

按照FZ/T 64003-2003（（喷胶棉絮片》附录A的要求对棉絮进行检测，检测结果数据修约至整数位，从表4可以看到常规检测和全自动检测结果完全一致，不存在任何差异。

将90%水洗白鸭绒按照GB/T 10288-2003《羽绒羽毛检验方法》进行测试，测试结果修约至两位小数，从表5可以看到常规检测和全自动检测结果同样几乎不存在差异。

通过对压缩回弹性全自动检测仪器在纺织品及纤维制品的压缩回弹性、蓬松度、羽绒蓬松度等试验结果表明：该设备重复性、准确性好，且检测精度进一步提高、抗干扰能力更好。

4.2.4检测效率分析

通过对压缩回弹性常规检测用时进行分析，每个试样常规检测用时为8 min左右，而压缩回弹性全自动检测用时也在8 min左右，但在采用全自动压缩回弹性检测仪之后，检验员只需要花费几秒钟更换测试样品和点击启动程序，全程不再需要检验员参与，且检测结果完全自动分析处理，不需要人工计算，检测过程彻底的将检验员从繁琐的检测工作中解脱出来，8 h用人时间缩短至30 min以内，人力节约至少16倍以上。

5.结论

通过压缩回弹性、蓬松度等项目的测试对比分析，采用滚珠丝杆和激光测距相结合的方式所研制的全自动压缩回弹性及蓬松度测试仪完全满足现有标准测试方法，且该仪器顺利通過河南、浙江、江苏出入境检验检疫局、重庆市纤维检验局实验室比对验证，其具备以下特点：

a）该仪器彻底将检验人员从繁琐的体力劳动中解放出来，8 h用人时间缩短至30 min以内，人力节约至少16倍以上，真正实现了自动、快速、高效检测。

b）由于采用滚珠丝杆和激光测距相结合的非接触式读数方式，该仪器全面消除了实验过程中因压板倾斜、试样膨出等导致钢直尺无法接触压板导致读数偏差较大的不利影响，使得样品不同阶段高度值测量的准确性进一步提高，檢测结果的可置信度区间明显优于常规检测方式。

c）该仪器不仅能够用于压缩回弹性和蓬松度检测，还融合了羽绒蓬松度检测功能，真正实现一机多用，且有利于降低了检测机构设备购置成本，提高设备使用率。