织物多方向弯曲性能测试新方法

2022-11-01刘成霞张亚琦

纺织学报 2022年10期

刘成霞，张亚琦

(1.浙江理工大学服装数字化技术浙江省工程实验室，浙江杭州 310018；2.浙江理工大学服装学院，浙江杭州 310018；3.浙江理工大学丝绸文化传承与产品设计数字化技术文化和旅游部重点实验室，浙江杭州 310018)

织物的弯曲性能是直接影响服装手感、造型风格和成衣质量的重要属性，易弯曲的织物通常手感柔软，适合做成贴身衣物；不易弯曲的织物通常手感硬挺，适合做成正装，且制成的服装挺括有型。由于织物弯曲性能对服装造型有重要影响，科研人员对其测量方法进行了大量研究[1-2]。Peirce[3]首次提出了用弯曲悬臂梁模型分析织物的弯曲性能。针对悬臂梁模型的不足，Grosberg[4-5]提出了织物弯曲摩擦力偶模型。而后又有其他学者相继提出新的弯曲性能测试方法，如蝴蝶结法[6]、圆环法[7]、水滴法[8]、十字交叉法[9-10]等。此外，还有心形法、梨形法、马鞍法、喷嘴法、压刀法、圆环法、圈状法、纯弯曲法等。

目前，织物弯曲性能测试方法中，利用一块试样只能得到织物某个方向的弯曲性能，而织物具有各向异性，即织物每个丝缕方向的弯曲性能都各不相同，因此，要全面表征织物多方向的弯曲性能，就需要裁剪多块不同方向的试样，进行多次测试。另一方面，由于织物是由长短、粗细等不同性状的纤维组合而成的，即使同一方向的测试结果也存在不稳定性，因此，要得到织物同一方向的弯曲性能也要进行多次检测以减小误差。所以整个测试过程需要花费大量时间，效率较低。为此，本文尝试探索一种能同时测试织物多方向弯曲性能，每个方向可同时得到多组结果，且能使结果可视化的米字形试样检测方法，以期为纺织品检测领域提供新手段。

1 实验部分

1.1 试样选取

选取市场上常见的20种机织物，具体规格参数如表1所示。

表1 织物规格参数表

为与目前通用的斜面悬臂梁法所得结果进行对比，参照GB/T 18318—2001《纺织品织物弯曲长度的测定》，用YG(B)022 D型全自动织物硬挺仪测试表1中20块织物的0°(经向)、90°(纬向)、45°和135°的弯曲长度(mm)。尽管国标中规定测试织物经、纬2个方向的弯曲长度，但由于织物具有各向异性，为使研究更科学严谨，增加了45°和135°。

1.2 测试方法

1.2.1 试样形状及规格

传统的斜面悬臂梁法及其他文献中采用的方法基本上都采用长方形试样，将其按照某一所需方向裁剪，如经向、纬向等进行测试。本文将试样裁剪成米字形，如图1所示。

图1 试样形状

由图1可知，该试样包含经(0°)、纬(90°)、45°和135°共4个方向，且每个方向有2条试样。8条试样的长为4.5 cm，宽为1.2 cm，即试样中心是边长为1.2 cm的正八边形。

1.2.2 测试装置及原理

本文所用测试装置如图2所示。将米字形试样置于正八边形台柱(其上表面形状、尺寸与米字形试样的正八边形完全相同)上，且试样上表面设有为防止试样滑动的重物(质量为5 g)，重物上放有作为参照物的1 cm×1 cm正方形纸，用于后续计算。

图2 测试装置

将米字形试样置于正八边形台柱上后，其8个试样条会因重力作用自然下垂，丝缕不同下垂程度也不同，且会形成不同的投影形状。在试样正上方设置用三角架固定的相机捕捉这一投影形态。该方法可实现用1块试样同时测试不同方向织物弯曲性能的目的，且每个方向有2组测试结果，起到传统方法测试8次的效果。

1.2.3 实验流程

1)将20种织物裁剪成如图1所示的米字形试样，并标明丝缕方向，每种织物各准备5块平行试样。

2)将裁剪好的试样在标准大气环境中静置 24 h，且所有实验均在标准大气环境中进行。

3)将试样置于正八边形台柱上(台柱置于背景纸上)，其上方放置定位用的重物，重物上再放置用作参照物的1 cm×1 cm正方形纸。为便于后续图像处理和特征提取，背景纸和参照纸的颜色随待测试样而改变，如待测试样为深色，则背景纸和参照纸用白色，反之则背景纸和参照纸用黑色。

4)实验台搭建好30 s(经实验验证30 s后试样渐趋稳定)后，从正上方拍摄弯曲后的米字形织物形态，如图3(a)所示。可知，不同方向的试样条受重力作用后的弯曲形态截然不同。

图3 预处理前后下垂的织物试样形态

1.2.4 图像处理及指标提取

由于1 cm×1 cm参照纸与重物及试样中间的八边形可能对后续指标提取造成影响，先用Photoshop的钢笔工具将图3(a)中的试样八边形与1 cm×1 cm 参照纸之间的部分填充成与背景相同的颜色，所得结果如图3(b)所示。

利用MatLab对预处理后的图3(b)中的图像进行灰度化、二值化、形态学等处理，并求出8个试样条的投影面积和投影长度，以及参照纸的边长和面积(均以像素为单位)。最后利用实际尺寸为1 cm×1 cm的正方纸作为参照物，计算得到8个试样条的实际面积(即投影面积, 以cm2为单位)和实际长度(即投影长度，以cm为单位)，并将投影面积和投影长度作为新指标。由图3可看出，投影面积和投影长度越小的织物，其弯曲性能越好，相反越硬挺的织物越不易弯曲，因而投影面积和投影长度越大。

2 结果与讨论

传统斜面悬臂梁法测试的弯曲长度，以及本文方法测得的投影长度和投影面积如表2所示。可粗略看出，不管是本文方法还是传统方法，织物经向、纬向和正斜丝方向的弯曲性能均有很大差异。

表2 织物弯曲性能测试结果

2.1 2种方法各指标间的相关性

为进一步探究传统方法与本文方法所得结果是否具有良好的相关性，将表1中20块试样0°、90°、45°和135°的投影长度和投影面积，与传统方法测得的弯曲长度进行相关分析，结果如表3所示。

表3显示，无论是0°、90°，还是45°和135°，投影长度和投影面积与弯曲长度在0.01的显著水平上都具有高度正相关关系。除135°的投影面积外，其余角度的测试指标与弯曲长度的相关系数均大于0.9。说明本文方法具有较好的可行性，可用1块试样同时表征4个方向的弯曲性能。

究其原因，本文方法和传统方法的测试原理都是利用自身重力使织物自然下垂并弯曲，且弯曲长度越大(即越硬挺)的织物，利用本文方法测试时的投影长度和投影面积也越大。这是因为越硬挺的织物，越不易受外力影响而变形，即受重力弯曲变形后的投影形状与原始形状越接近。

从表3还可看出，织物0°的弯曲长度与90°的投影长度或投影面积的相关系数极低(分别为0.026和0.035)，且90°的弯曲长度与0°的投影长度或投影面积的相关系数也极低(分别为0.113和0.107)；0°(或90°)的弯曲长度与45°(或135°)的投影长度(或投影面积)具有较好的相关性(相关系数介于0.4～0.6之间)；此外45°的弯曲长度与135°的投影长度(或投影面积)或135°的弯曲长度与45°的投影长度(或投影面积)具有更好的相关性(相关系数介于0.6～0.8之间)。说明机织物弯曲性能确实具有明显各向异性，现有GB/T 18318—2001 中规定仅用经纬向的弯曲性能代表整块织物具有较大的片面性。而本文方法包含4个不同的方向，可克服这一不足。

表3 2种方法各指标间的相关性

2.2 投影长度与弯曲长度的关系

为探寻共性规律，将20块试样，每块试样4个方向，共80个弯曲长度与投影长度进行回归分析，结果如图4所示。

图4 投影长度与弯曲长度的关系

图4显示，弯曲长度与投影长度呈正相关关系，关系式为

Y=11.138X1+5.505 63，R2= 0.891(R≈ 0.95)

式中：X1为投影长度，cm；Y为传统方法中的弯曲长度，mm。即弯曲长度越大的织物，用本文方法测试时的投影面积越大。

2.3 投影面积与弯曲长度的关系

图5示出弯曲长度与投影面积的关系。可知二者也呈正相关关系，具体关系式为

图5 投影面积与弯曲长度的关系

Y= 4.588 6X2+11.161，R2= 0.899 8(R≈ 0.95)

式中，X2为投影面积，cm2。即弯曲长度越大的织物，用本文方法测试时的投影面积越大。

综合图4和图5可知，投影长度和投影面积与弯曲长度的相关性几乎一样。这是因为试样条宽度均为1.2 cm。为简便起见，可用投影长度作为本文方法的评价指标。

2.4 本文方法的优势

与传统方法相比，本文方法具有以下优势：1)可同时求得4个方向的弯曲性能，效率更高；2)每个方向有2条试样，可对其求平均值以减小误差，精度更高；3)4个方向的测试结果可同时显示，实现弯曲各向异性可视化；4)每个方向2组测试结果可体现织物弯曲稳定性。由于篇幅有限，以几个有代表性的织物形态为例说明后2个优势，如图6所示。

图6 不同织物的投影形态

由图6可看出：1#织物经向硬挺，斜向其次，纬向柔软，各向异性较明显；10#织物经纬向均硬挺，斜向较柔软，各向异性不明显；13#织物各方向都很柔软，各向异性不明显；15#织物经向硬挺，纬向和斜向均柔软，各向异性非常明显；17#织物纬向硬挺，经向和斜向较柔软，具有一定的各向异性；19#织物纬向硬挺，经向其次，经纬向差别不大，斜向柔软，各向异性明显。

除可清晰表明同一块织物不同方向的弯曲性能差异，本文方法还可用于比较不同织物整体的弯曲性能，如图6中最柔软的是13#织物，最硬挺的是10#织物。此外还可比较同一织物相同方向下，2块试样的结果差异，如17#织物45°的2块试样具有较大差异，说明该方向测试稳定性较低。

虽然图6测试结果均可用表2的数据体现，但数值远不如图像直观，因此，本文方法不仅可提高测试效率，节约检测时间，最大优势在于将织物弯曲各向异性和织物间差异可视化，使研究人员和设计师一目了然，更利于合理选材。