织物触感测试的方法

介绍了一种新型的， 可用于量化织物皮肤接触舒适感的多指标集成测量方法，即织物触感测试仪法。此方法通过集成热传递测试模块、压缩测试模块、弯曲测试模块及表面测试模块于一台仪器上，通过10分钟的快速测量即可以分别获得经纬双向、正反两面的一系列与织物的热传递属性、纹理属性和变形属性相关的物理量，从而得出织物的柔软度、光滑度及冷暖感进而评估织物的接触舒适感。
关键词：量化；接触舒适感； 织物触感测试仪；FAST；KES-FB
根据调查，消费者选购服装的一般模式是：“眼看选款选色，手摸知感觉，试穿再确认”，其中手感和穿着的舒适感是极其抽象的，消费者难以用具体的数字去表达和交流。而相同的问题同样一直困扰着整个纺织服装供应链。“十三五”是纺织工业转型升级的关键五年，切实解决好品牌商、零售商或是电子商务企业与其供应商、采购商之间关于织物手感的传递和交流的问题，是确保纺织工业继续稳步向前迈进的关键举措之一。
1 研究进展
为了客观地表达织物的触感，科学家们长期致力于对纺织品触摸感觉的研究，早在1930年Peirce就提出了消费者的手感并不仅仅是织物的物理特性，还与消费者的个人经历相关。AATCC Evaluation Procedure 5也对织物手感的主观评价提出了对应的评估程序和指导方针[1]。2012年，美国纺织品染化师协会提出了AATCC TM202的测量方法用于测量织物的相对手感值。这些研究归纳出了很多可能构成织物触感的因素，尽管这些因素使用了不同的术语来表达，但通常包括光滑度、柔软度和刚度感觉这三个方面。其中较为著名的测量方法有澳大利亚羊毛局研制的FAST测试系统及日本川端设计的KES-FB评价系统[2]。这两种测量方法通过对织物物理属性的测试来预测纺织品的手感。然而，这两种方法却都需要将织物试样分别在多台仪器上进行测量，并且织物经纬向的差异也不能同时进行测量或者需要花费较高的成本和较长的测量时间，无法满足产业化、大批量的测试需求。
织物与皮肤的接触感是对人手摸、体触织物的综合性能所产生的感觉的一种描述，是接触感觉效果的主观反映。通常，人们通过将手平放在织物上以检验面料的柔软性、厚度或冷暖感；通过手在织物表面上的移动以检验织物的光滑性；通过将织物放在手上捏摸以检验其柔软性和重量，后综合这些特征以评价织物的终接触感觉。基于冷暖感在接触舒适感中起到的重要影响，为此 KES-FB在原来的基础上还专门增加了一台新设备THERMO-LABE IIB用于测量冷暖感。
从神经科学上看，有四种类型的触感刺激能够被人体接受器接收，包括热刺激、皮肤刺激、本体感受刺激以及刺痛刺激。热刺激反映了接触物体时的相对温差，皮肤刺激反映了物体的形状和纹理特征，本体感受刺激承载着跟人体接触状态有关如位置、力和位移等信息，刺痛刺激反映了由接触物引起的刺痒疼痛的感觉。很明显在织物样品上完成一个完整测试动作应当包含上述所有的刺激，因此相应的物理属性包括热传递属性、纹理属性和变形属性[3]。
表1总结了一些测量方法，重点关注了FAST和KES-FB系统的相对售价过高及测试时间过长等不足之处，这导致其在业界应用受到了局限，同时它们之中都没有把热属性作为织物触感的影响因素来进行考量。另外重要的一点是目前的测量方法中都没有考虑到触感的同步感知机理，因此很难研究不同触感之间的相互影响。
为了填补织物与皮肤的接触舒适感客观测量研究的空白，织物触感测试仪（FTT）应运而生，如图1所示。这是一台包含了能够同时测量织物热学属性、机械力学特性以及表面几何纹理特性三大类不同范畴的物理参数的综合快速客观测试仪器，它可以在短短的5分钟内同步完成包含所有织物物理参数的经纬向单次测量，而10分钟内即可获得经纬双向、正反两面的所有织物物理参数。
2 测试原理
FTT包含的四个模块，能够同时动态地记录来自样品的响应。这四个模块分别为压缩模块、热流模块、弯曲模块和表面模块，如图1、图2所示。FTT在测试过程中运用了一种独特的带动测试样品运动的方法。测试样品被裁剪成两臂分别长为200mm的L形形状（如图3所示）。L形样品水平放置于下测试盘，两臂平展于相邻的经纬向测试平台，样品中间的方形区将做向下垂直运动从而带动两臂区域在水平方向运动。压缩模块和热感模块测试样品的中心方形区，弯曲模块和表面模块测试两臂区域。分别镜像对称设计的两组弯曲模块和表面模块是为了在单次测试中完成对于试验样品的经纬两个方向的同时测试。
2.1 压缩测试模块
织物的压缩特性通常与织物的丰满感相对应。在压缩过程中，手指的力作用到了样品上，根据牛顿第三定律，同时手指也得到了样品对其的反作用力。图4所示的示意图展现了两个手指捏压织物的过程。FTT利用上下两盘对样品进行压缩动作。其中牵引装置使得上盘做匀速向下运动，并提供了连续变化的压力。测试过程中，动态地记录了施加于下盘的压力机上下两盘的相对距离的变化。因此可以得到压缩测试曲线。
2.2 热流测试模块
织物和人体皮肤之间的热传递被感知为凉爽感，如图5所示，由于人体皮肤和织物之间存在温差，热刺激将会被触发。当刚开始接触织物时热流将会很快地产生。FTT的上盘将会被加热至高于下盘10℃，而下盘保持在与周围环境一致的常温状态。测试过程中传感器动态获取在整个压缩回弹过程中的热流变化数值。
典型的热流-厚度曲线如图6所示。根据ASTM D1777在织物承受标准压强的条件下分别定义了压缩热导率和回弹热导率（TCC和TCR）。考虑到厚度的影响，样品的保暖率也可以从中获得。另一个指标定义为大热流量（Qmax），指的是在整个测试过程中大的热流值。这个瞬间响应的热流数值为凉爽感提供了直接的参考。　　2.3 弯曲测试模块
弯曲力是当试图使得织物变形的另一种响应，弯曲属性关联了织物的硬挺感。通常使用两个手指来弯折织物，如图7所示。FTT 夹持织物的一端并弯折另一端来模拟弯曲过程。两组相同的模组被安装于跟下盘相邻的位置。弯曲测试杆位于与下盘保持水平的位置，测试过程中被施加垂直向下的压力。位于弯曲杆下方的压力传感器记录了测试过程中弯曲力的变化。
与压缩模块指标定义类似，所记录的力被转换为弯曲力矩，同时样品的位移也通过转换获得。如图8所示，定义的指标包括了平均弯曲刚度（BAR）和弯曲功（BW）。BW通过曲线的积分所得，BAR定义为曲线中弯曲力矩中心位置60%区域的斜率。
2.4 表面测试模块
织物的表面属性讨论的是织物的纹理及光滑感。皮肤刺激包含了如图9（a）所示的纹理信息，同时由于表面的不均匀极易引起如图9（b）所示的刺激或疼痛。当手指在织物表面滑动时，将对这些属性进行测量，如图9（c）所示。FTT表面模块同时包含了对织物摩擦性能和表面粗糙度性能的测量。这些模块的安装位置靠近于弯曲模块，而样品将会平铺于测试平台上。金属滑块表面和样品表面将产生动摩擦力，滑块将在布样被牵引时推动力学传感器。滚轮放置于样品之上，针形探测器用于表面粗糙度测试，探针的运动通过杠杆作用侦测到样品表面高低起伏的几何变化。表面摩擦性能用表面摩擦系数（SFC）表示。
关于表面摩擦性能，相对应的指标为表面摩擦系数（SFC），典型的测量曲线及计算示意图如图10 所示。关于表面粗糙度，相对应的两个指标命名为表面粗糙度波幅（SRA）和表面粗糙度波长（SRW），这两个指标描述了由织物表面单个重复单元的基本形状，这些不平整的单元对接受器产生了刺激。典型的测量曲线及计算示意图如图11 所示。
2.5 织物接触舒适感的评估
表2总结了FTT测量的物理指标，分别对应织物的弯曲性能、表面性能、压缩性能和热传递性能。通过与香港理工大学合作，经过长期对织物接触感的主观调查，我们建立了FTT客观测量数据与人体主观感觉之间的关系与转换模型，初步实现了客观测量与主观感觉之间的预测。相信随着数据的积累，其效果将会越来越完善。
此外，为了满足用户在生产管理和新产品研发中的应用需求，该仪器特别开发了一款雷达图的应用软件。用户可以直接用于比较不同织物之间物理机械性能的差异，同时根据所测量的物理指标以及相应的转换模型可以得出织物之间柔软度、顺滑度和冷暖感的值并进行比较。图12为3种样品的主要感官指数的雷达图的比较，可以看出B样品和E样品的线条几乎重合，即其柔软度、光滑度和冷暖感非常接近，是性能相近的织物，而D样品的线条则偏离较远，与B样品和E样品的性能差异较大。此外，根据需要所有的物理指标都可以做雷达图比较。
3 新应用
织物皮肤接触感测量方法（FTT方法）已经得到了广大用户的认可和使用，目前用户已经覆盖了中国、美国、英国、韩国、比利时、印度、孟加拉、巴基斯坦及荷兰等纺织业活跃的国家。其在全球广泛的覆盖范围有效地为欧美发达国家为主的服装品牌及以亚洲主要国家为主的纺织工厂之间搭建了一个客观评估织物接触舒适感的桥梁，极大地缩短了买家与卖家之间的沟通时间并降低了因织物接触舒适感主观评估差异而引起的贸易争端。
同时，新近发表的研究论文，如“含湿度对纯棉衬衫面料手感的影响”一文介绍了利用新的FTT测量方法以对面料中不同水分含量的衬衣面料对皮肤接触舒适感的影响首次进行了定量分析与研究，比较了不同含湿度对纯棉衬衫面料的弯曲性能、压缩性能、热学性能和表面性能的影响。研究结果表明：含湿度对面料的弯曲性能、压缩性能和热性能有显著性影响。随着含湿度在8%～23%范围升高，面料的径向弯曲强度降低而纬向弯曲强度增大；面料的压缩强度增大而回复强度减小；面料的凉感度增大[4]。
另一研究论文“磨毛对纯棉衬衫面料手感的影响”对经磨毛处理的纯棉衬衫面料的手感进行了测试，分析和比较了磨毛对面料手感各项指标的影响。研究发现，磨毛工艺对织物的弯曲性能、压缩性能、热学性能和表面性能都有显著的影响，经过磨毛工艺后，纯棉衬衫面料的弯曲强度降低，压缩强度和回弹强度减小，热导性和大热流量降低，表面摩擦系数增大[5]。
上述研究论文进一步表明，FTT测量方法将传统的只局限于机械力学性能表达的织物手感测量，拓展到与冷暖感相关的感觉，更进一步地契合了人体的生理反应机理。由于独特的设计，FTT能够迅速地测量织物的经纬向以及织物的正反面性能，这大大提高了测试效率并降低了测试成本。

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