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織物與皮膚間摩擦特性的測試方法

2017-4-13　　閱讀(2787)

摩擦試驗裝置：
用普通的負荷 - 伸長測試儀改造成的織物和皮膚間摩擦性能測試儀的示意圖. 該儀器原有3個主要部分 :測試主機、控制箱和計算機處理及數據采集系統 ,主要改造為在測試主機上添加了摩擦裝置 ,由摩擦支架、托手和導布輥等組成. 測試主機的底座箱體內裝有步進電機 ,通過齒形皮帶傳動高精度絲杠 ,并由傳動桿連接摩擦裝置的基座 ,帶動支架上下移動. 摩擦位移由絲杠上的接近開關控制 ,zui大位移量為 500 mm. 電阻式測力傳感器連接在上夾持器附近 ,測試時保持靜止 ,測量范圍為 0～30 N,精度為 ±1%. 控制箱面部顯示試驗結果 ,并且有電源、校準等控制開關以及速度轉換盤 ,速度范圍為100～1 000 mm /m in (無級調速 ). 計算機處理和數據采集系統記錄移動距離和與其對應的摩擦力 ,同時輸出二者的關系曲線. 上海千實將介紹計劃探明人體皮膚與織物的摩擦性能以后 ,將嘗試用模擬前臂替換志愿者的前臂 ,進一步*儀器.

一、試驗條件和方法：

1、選取測試者和試驗材料
作為初步探索 ,選取年齡在 20～30歲之間的男、女各 10名健康志愿者參加試驗 ,讓志愿者前臂(手腕與肘關節之間 )中部的內側皮膚與織物產生摩擦 ,所有志愿者的受試部位皮膚均無異常 ,也未進行過涂抹化妝品或外用藥物等人為的干預.
試驗材料選用市場上常見的與皮膚經常接觸的輕薄機織物 ,如錦棉交織布、牛仔布、襯里布和雪紡布等 ,把樣品剪成尺寸為 10 cm ×50 cm和 15 cm ×50 cm的待測試樣.

2、試驗條件
試驗環境為溫度 20 ℃ ( ±2 ℃) ,相對濕度50% ( ±5% ). 試驗前請志愿者在該恒定環境中靜坐 30 m in,保持肌肉松弛 ,心態平穩 ,盡量消除歷史因素的影響. 試驗過程中 ,在皮膚的測試部位作上標記 ,每次測試都從標記處開始 ,以保證所測得的數據具有可比性.

3、試驗方法
測試前 ,將志愿者的前臂放在摩擦裝置的托手上 ,兩端用夾具固定 ,使其保持與摩擦裝置相對固定的狀態 ,防止在上下摩擦運動中 ,由于織物受拉伸力作用而牽動前臂同時運動 ,產生隨機誤差. 如圖1所示 ,上夾持器夾持織物上端 ,織物的另一端繞過胳膊和導布輥 ,由下夾持器水平夾持 ,并施加適當的張力 ,使織物下端垂直向下 ,均勻受力. 測試開始后 ,胳膊隨著摩擦裝置向下運動 ,皮膚和織物很快由靜摩擦轉入動摩擦狀態 ,計算機處理及數據采集系統同步記錄摩擦力與摩擦位移的對應關系.

二、結果與分析：
織物摩擦測試儀作為在紗線強力儀上改裝的摩擦性能測試裝置 ,從理論上可以有效地測試織物與皮膚間的動態摩擦 ,但為證實該儀器的可行性 ,需要進行重現性和可比性試驗. 同時為了歸納出相對穩定的測試參數 ,還需要對在測試中可能造成影響的因素進行逐一分析 ,主要從張力、儀器的運動速度以及試樣的寬度幾個方面入手. 初步探索發現 , 20名志愿者與同一織物的摩擦力大小有一定差異 ,其差異將在后續文章中討論。本文選定一名摩擦力居中的志愿者 ,該志愿者為 24歲女性 ,身高 1. 67 m,體重60 kg,與待測樣品組成摩擦副進行下述試驗. 其中每對摩擦副的試驗重復測試 10次 ,計算 10次摩擦信號在其有效區間內的平均摩擦力值 ,得到該織物樣品與皮膚的摩擦力測試結果 ,并計算出 10條摩擦曲線上摩擦力變異系數 (CV )值的大小 ,根據實際測試條件 ,對比圖像的穩定性 ,確定該儀器的測試參數.

1、皮膚的應力史特性與摩擦試驗次數
研究資料指出皮膚具有應力史現象 ,即皮膚受應力后*階段迅速伸展 ,以后就很少伸展 ,若先后相繼加以應力并去除之 ,則皮膚對以后所加應力的*階段反應時間延長。所以 ,我們首先考察了織物與皮膚的連續多次摩擦特性，結果表明 ,對織物與皮膚的同一對摩擦組合 ,連續重復多次摩擦試驗 ,*次摩擦曲線總是明顯低于以后各根摩擦曲線 ,并且*次摩擦曲線的波動較大 ,即從第二次摩擦試驗開始 ,摩擦力才開始趨于穩定 ,摩擦力的轉折點即zui大靜摩擦力的起始位置也較*根摩擦曲線略微延遲. 分析原因是 ,在張力作用下 ,當皮膚*次接觸織物并與之進行摩擦時 ,皮膚還沒有適應張力的拉伸作用 ,皮膚也沒有*伸展開 ,因此*階段的反應時間短 ,摩擦力也相對較低.在實際穿著中織物與皮膚間往往是重復多次摩擦 ,而且較大的摩擦力容易引起各種危害或不利 ,我們認為第二次及以后的摩擦曲線更具實用價值. 為保證數據的有效性和客觀性 ,本文中同一對機織物和皮膚的摩擦組合需要有效測試 10次 ,因此每對摩擦組合均需要從第 2次測試結果起重復測 10次.

2、重現性評價
為了保證在相同測試條件下 ,同一對摩擦副每次試驗的數據可以保持一致 ,需要進行重現性試驗。相同的測試條件 (張力、摩擦速度、試樣寬度 )下 ,同一測試者和同一塊織物在兩次摩擦試驗中的摩擦力信號. 對比2次試驗的信號基本上一致 ,摩擦力大小和離散度也大致相近 , 2組試驗中 10根摩擦曲線上摩擦力變異系數分別為 3. 51%和 3. 69% ,平均動摩擦力的分別為 2. 57和 2. 56 N. 由此證明該儀器所測的數據是客觀有效的 ,具有較好的重復性.

3、可比性評價
相同的測試條件 (張力、摩擦速度、試樣寬度 )下 ,同一測試者皮膚與輕薄型牛仔布、滌綸襯里布、錦棉交織布和雪紡綢四種機織物構成摩擦副進行摩擦試驗的信號 ,對比可以看出 ,不同織物與皮膚間的摩擦力大小并不相同 , 4組試驗的平均動摩擦力分別為 3. 07、2. 60、3. 48和 1. 90 N. 對于織紋明顯的牛仔布 ,由于其表面相對比較粗糙 ,測得的摩擦力就比較大 ,而對于紗支細 ,布面光滑的雪紡綢 ,其摩擦力則比較小. 由此證明該儀器在不同的織物表面狀況下所測得的摩擦力大小具有可比性.

4、張力對平均動摩擦力的影響
為了使織物和皮膚實現有效接觸并產生摩擦作用 ,在試驗過程中需要對織物施加一定的張力. 在保證織物伸直而不伸長 ,或略有伸長但不至于發生嚴重頸縮的前提下 ,試驗中對織物分別施加 1. 3、1. 6、2. 0和 2. 3 N等不同的張力 ,進行摩擦對比測試. 不同張力下 ,同一受試者皮膚與同種織物的 4組摩擦信號 ,在圖中的 4種張力條件下 ,每組試驗中 10根摩擦曲線上摩擦力的變異系數分別為10. 78%、16. 59%、3. 57%和 5. 97% ,這表明張力為2 N條件下測得的摩擦曲線的離散性較小 ,摩擦曲線zui為穩定. 另外發現在不同張力下 ,同一受試者的皮膚與不同類型織物間的摩擦力隨張力的增大而增大.
研究發現 ,張力過小時 ,被測織物未被充分伸直 ,皮膚與織物不能有效接觸 ,對摩擦信號的穩定性產生了影響. 而張力越大 ,肌肉被拉伸及擠壓變形越嚴重 ,皮下彈性波動大 ,并且織物發生頸縮 ,接觸面積不斷減小 ,造成信號波動. 2 N的張力能夠使常見的機織物充分伸直 ,即使某些織物略有伸長 ,也不至于發生頸縮 ,偏離實際穿著情況 ,而且 2 N張力下的測得的摩擦曲線zui為穩定 ,因此在測試常見貼身穿著的機織物時 ,推薦設定本儀器的張力為 2 N.

5、運動速度對平均動摩擦力的影響
在摩擦測試過程中 ,我們發現摩擦速度對摩擦信號的穩定性也有影響 ,因此 ,在張力已經確定的前提下 , 針對同一試樣 , 選擇在 200、300、500 和700 mm /m in等幾種不同的摩擦速度下進行測試 ,摩擦速度對摩擦力的大小影響不明顯 ,對信號的穩定性則有較大的影響. 4種速度條件下 ,每組試驗中 10條摩擦曲線上摩擦力變異系數分別為 14168%、11. 84%、4. 25%和 9. 18% ,表明在500 mm /m in的摩擦速度下 ,摩擦曲線的離散度zui小 ,摩擦信號zui穩定.
摩擦速度過小 ,織物牽伸產生的肌肉變形不能夠及時得到回復 ,容易產生黏滑現象 ,導致信號波動. 速度過大 ,織物表面的一些微觀摩擦信息會被忽略掉 ,儀器本身也會發生振動 ,這些都對摩擦信號的穩定性產生了影響. 因此 ,織物與皮膚的摩擦速度推薦為適中的 500 mm /m in.

6、樣品寬度對平均動摩擦力的影響
同樣對于試樣寬度的影響 ,也做了對比分析. 由于人體前臂的測試長度大約為 20 cm,根據實際情況 ,為了確保織物不會發生嚴重傾斜 ,以至于發生剪切作用 ,在樣品寬度對比試驗中選擇 10和 15 cm.同一樣品在摩擦速度為 500 mm /m in,張力為 2 N的測試條件下 , 5種織物分別以 10和 15 cm的試樣寬度與同一志愿者的皮膚進行摩擦測試時所表現出來的摩擦性能的差異. 由圖 7可以明顯看出 ,10 cm的樣品寬度得到的摩擦力曲線zui為穩定 , 2組摩擦曲線的摩擦力變異系數值分別為 3. 57%和9137% ,因此在今后的試驗中 ,統一制定試樣的寬度為 10 cm.試樣規格尺寸的大小 ,以能反映一個完整的織物組織特點為準. 尺寸規格過大 ,摩擦負荷大 ,需要大功率傳感器 ,而且易造成動態影響 ,試驗誤差大 ;而規格過小 ,則無法反映試樣表面所具有的真實特性 ,失去了測試的意義. 理論上 ,對于本試驗 ,織物與皮膚的接觸面積越大 ,越能真實的模擬實際穿著情況. 然而 ,實際上由于人體前臂兩端粗細不均 ,試樣越寬 ,織物傾斜越明顯 ,誤差越大. 因此 ,依照多次對比試驗結果 ,認為針對該試驗條件 ,推薦選用規格為 10 cm寬的試樣為好.

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