专利名称：一种检测织物与皮肤间摩擦性能的装置及方法
技术领域：
本发明涉及纺织面料摩擦性能的测试领域，特别是涉及一种检测织物与皮肤间摩擦性能的装置及方法。
背景技术：
织物和皮肤间相对滑动或有滑动趋势时会产生摩擦力，摩擦力的大小不但与织物种类有关，还与织物的润湿状态、正压力等有关，一般湿态摩擦力远远大于干态摩擦力。人体内含有大量的水分，当外界环境温度升高或机体活动量加大，人体急需散热时，就开始出显汗。在多数出显汗的情况下，汗液常被滞留在皮肤表面，这些粘附皮肤表面的汗液将被服装吸收或滴落，服装吸汗后变湿，随即会粘附在与其接触的皮肤表面，造成织物和皮肤间摩擦力的急剧增大，严重影响皮肤的舒适感。另外在日常生活中，经常会遇到下雨淋湿等情况，同样形成织物和皮肤间的湿态摩擦，使人体产生不适感。在抗洪救灾中，服装的湿态摩擦作用导致皮肤起泡和破损的例子屡见不鲜。许多研究工作者都认为，织物粘附于皮肤表面是造成穿着不舒适的主要原因，因此，研究开发湿态条件下织物与皮肤间摩擦特性的专用仪器和测试方法，探究皮肤与织物的摩擦行为，对于更好地开发纺织材料尤其是运动装、紧身服、游泳衣等贴身穿着的服装面料，更好地保持皮肤健康，提高纺织品的穿着舒适性具有重要意义。从上世纪80年代起，国外就有学者开始关注这一问题。最早是用拉力计简单的测量织物和皮肤间的摩擦力，初步研究温湿度环境、皮肤个体差异以及织物类型等对织物和皮肤间摩擦力的影响。随后，日本学者在改装的KES-SE摩擦测试仪的摩擦子上粘贴了小块织物样品与皮肤进行摩擦，以此测量两者之间的摩擦性能。近十年间，各国学者主要基于皮肤摩擦计或微观摩擦磨损试验机，在这类仪器的摩擦探头上包覆试样材料，然后与皮肤进行摩擦测试。与此同时，随着计算机技术的发展，近几年国外的一些学者尝试用计算机仿真模拟技术研究皮肤与织物间的摩擦接触效应。然而，纵观国内外三十多年来的研究成果，发现依然没有可模拟衣服与皮肤实际穿着情况，专门用于测试织物和皮肤间摩擦性能的仪器装置和普遍适用的测试方法，尤其是对于湿态条件下织物和皮肤间剧烈作用的研究较少。现有的测试装置都是在皮肤测试仪或者材料摩擦磨损试验机的上进行测试的，测试的试样尺寸较小，而且难以模仿实际的穿着情况，尤其是曲面摩擦情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种检测织物与皮肤间摩擦性能的装置及方法，在干态和湿态条件下，能够准确测试织物和皮肤间摩擦性能。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，包括摩擦装置、信号采集装置和机构驱动控制装置，所述的摩擦装置包括摩擦支架和摩擦基座；所述的摩擦支架安装在所述的摩擦基座正面；所述的摩擦支架两侧分别安装有一个托手；所述的托手上设有夹具；所述的托手前方设有导辊；所述的导辊下方设有张力夹；所述的托手上方设有夹持器；所述的夹持器与所述的信号采集装置相连；所述的机构驱动控制装置用于控制所述的摩擦支架在所述的摩擦基座正面上下滑动。所述的托手上放有被所述的夹具固定的摩擦辊或手臂。所述的信号采集装置采用电阻式测力传感器；所述的电阻式测力传感器的测量范围为0 5000cN，精度为士0. 1%。所述的机构驱动控制装置是由步进电机通过齿形皮带传动丝杠，并通过旋转丝杠带动固定在摩擦支架上的托手勻速下降。所述的导辊的轴与托手之间的位置相对固定。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是还提供一种检测织物与皮肤间摩擦性能的方法，包括以下步骤(1)浸润用水将织物试样浸泡，直至织物试样完全浸润；(2)晾置将完全浸润的织物试样取出，在无风的实验室中悬挂自然晾置不同的时间，得到不同润湿程度的织物试样；(3)织物润湿程度表征以相对晾置时间法标定各时间点织物试样的润湿程度， 在织物试样晾置过程中的各个时间点处进行摩擦测试；(4)测试使用上述技术方案中的检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，将织物试样一端夹持在夹持器上，另一端绕过放置在托手上的手臂或摩擦辊以及设置在托手前方的导辊，再给织物试样末端夹上张力夹，运行机构驱动控制系统，使托手下移，从而使织物试样与皮肤产生摩擦，通过与夹持器相连的信号采集装置采集信号得到各类摩擦曲线；其中， 所述的相对晾置时间为实际晾置时间除以晾干所需时间；(5)表征指标根据各类摩擦曲线的特征，制定出不同种摩擦指标，用以表征织物试样和皮肤间的湿态摩擦特性。所述的步骤(1)中用15 25°C的水将织物浸泡30min，并在浸泡初期做适当轻揉。所述的步骤(2)中所述的实验室的温度为20°C 士3°C，相对湿度为55% 士5%。所述的步骤(3)中织物试样晾置过程中设置六个时间点处进行摩擦测试。所述的步骤(4)中测试时织物试样与皮肤间的包角θ为π /6 3 π /2，托手滑动速度为10 2000mm/min，试样宽度为30 300mm，预加张力T = 10 500cN。所述的步骤(5)中根据实验测得的各种织物与皮肤在干湿态条件下的摩擦曲线特征，将各种摩擦力_滑动位移曲线分为四类，分别为常规曲线、拱形曲线、上升曲线和下降曲线，并根据各自的曲线特征，制定出静摩擦力、动静摩擦力转折点、平均动摩擦力、平均动摩擦力不勻率和摩擦系数6种摩擦指标。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明的测试装置能够准确、客观、便捷地测得织物与皮肤间的湿态及干态静、动摩擦力。摩擦信号来自织物与皮肤(或模拟皮肤)的直接摩擦，与真实使用情况非常接近， 并且可以通过试样预处理、改变预加张力、滑动速度等条件模拟各种使用情况。
本发明的测试方法是利用完全浸润后再悬挂自然晾置的方法制得润湿度均勻、定量的织物试样，保证了测试范围的宽广度和测试条件的精确度。同时提出了以相对晾置时间标定织物的润湿程度，避开了因不同织物实际晾干时间的差异带来的同等润湿条件下对比试验的困难。在织物的标准回潮率以上，润湿率与晾置时间呈近似线性关系，这可以确保相对晾置时间表征织物润湿程度的准确性。而且，相对晾置时间方法简单、实用、可操作性强。根据不同类型的织物在不同润湿条件下与皮肤间摩擦曲线的特征，制定出静摩擦力、平均动摩擦力及其不勻率、动静摩擦力转折点、最大动摩擦力、摩擦系数6种摩擦指标， 全面表征织物和皮肤间的各种摩擦行为。与摩擦曲线相比，这些指标在试验结果分析、科学计算、信息传递等方面更为方便。
图1是本发明的装置结构示意图；图2是本发明中织物试样的受力示意图；图3是织物与皮肤间摩擦的常规曲线形态示意图；图4是织物与皮肤间摩擦的拱形曲线形态示意图；图5是织物与皮肤间摩擦的上升曲线形态示意图；图6是织物与皮肤间摩擦的下降曲线形态示意图；图7是采用实际晾置时间法时织物润湿程度与摩擦力的关系图；图8是采用相对晾置时间法时织物润湿程度与摩擦力的关系图；图9是机织物的润湿率与晾置时间的关系图；图10是针织物的润湿率与晾置时间的关系图；图11是纯棉弹力直贡在相对晾置时间为0时的摩擦曲线；图12是纯棉弹力直贡在相对晾置时间为0. 2时的摩擦曲线；图13是纯棉弹力直贡在相对晾置时间为0. 4时的摩擦曲线；图14是纯棉弹力直贡在相对晾置时间为0. 6时的摩擦曲线；图15是纯棉弹力直贡在相对晾置时间为0. 8时的摩擦曲线；图16是纯棉弹力直贡在相对晾置时间为1时的摩擦曲线。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明涉及一种检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，如图1所示，包括摩擦装置、 信号采集装置8和机构驱动控制装置。摩擦装置包括摩擦支架1和摩擦基座2，摩擦支架1 安装在摩擦基座2正面。比如说在摩擦基座2正面上设有导轨，摩擦支架1就安装在导轨上，并可上下滑动。摩擦支架1两侧分别安装有一个托手3，托手3上设有夹具4，托手3前方设有导辊5，导辊5下方设有张力夹6，托手3上方设有夹持器7，其中，张力夹6设置在摩擦支架1的正面，夹持器7设置在摩擦基座2正面。夹持器7与信号采集装置8相连，机构驱动控制装置用于控制摩擦支架1在摩擦基座2的导轨上滑动。在测试时，只需将手臂放置在两个托手3上，由夹具4固定手臂，将织物试样9绕过手臂和导辊5，即可进行测试。其中，信号采集装置8采用电阻式测力传感器，该电阻式测力传感器的测量范围为0 5000cN，精度为士0. 1%。机构驱动控制装置是由步进电机通过齿形皮带传动丝杠， 并通过旋转丝杠带动固定在摩擦支架1上的托手勻速下降，使织物试样9与手臂间产生相对滑动，传感器可测得最初的静摩擦力和随摩擦位移变化的摩擦力曲线。摩擦位移量可通过由丝杠上的接近开关进行调整，最大位移量为500mm。导辊5的轴与托手3之间的位置相对固定，轴上的滚动轴承可保证导辊5与其轴之间灵活转动，所以，导辊5与织物试样9 之间不滑动，由于滚动轴承的摩擦力很小，可忽略不计，因此测得的数据与真实使用情况非常接近。而且导辊5的位置在设计时可以上下移动，织物试样9与皮肤间的包角θ变化可通过导辊5的位置实现，导辊5的位置越低则包角θ越小，导辊5的位置越高则包角θ越大。各参数的可调范围是织物试样与皮肤间的包角θ = π/6 3 π/2，托手下降或滑动速度10 2000mm/min，试样宽度30 300mm，预加张力T = 10 500cN的情况下，测试得到的数据与真实情况更为接近。需要说明的是，本发明还可以使用摩擦辊来替代手臂，即在测试时，将摩擦辊放置在两个托手上，并由夹具固定，将织物试样绕过摩擦辊和导辊，即可进行测试。本发明在使用时，首先将织物试样的一端夹持在夹持器上，另一端通过绕过人体手臂(或模拟手臂的“摩擦辊”)和导辊夹持在张力夹上，在张力夹的作用下织物试样受到垂直向下的预加张力T，如图2所示，其中，F为信号采集装置测量的摩擦力。人体手臂或摩擦辊被夹具绑定在托手上，托手固定在摩擦支架上，摩擦支架下部通过高精度丝杠与机构驱动控制装置的步进电机相连。测试时，步进电机带动托手及绑在托手上的前臂(或摩擦辊)等勻速下降，使织物与前臂(或摩擦辊)间产生相对滑动，信号采集装置则测得最初的静摩擦力和随摩擦位移变化的摩擦力曲线。本发明还涉及一种检测织物与皮肤间摩擦性能的方法，为获得润湿程度均勻、定量的织物试样，本发明用完全润湿再定时晾置的方法处理织物试样，其具体步骤如下(1)浸润15 25°C的水将织物浸泡30min，直至织物试样完全浸润，并在浸泡初期做适当轻揉。对于普通常见的机织物和针织物而言浸泡30min均可达到完全浸润，在浸泡初期做适当轻揉以便快速浸润，是为了加速织物尤其是疏水性化纤类织物的浸润，让水分迅速、充分地渗透到纤维、纱线之间。(2)晾置将完全浸润的织物试样取出，在无风的实验室中悬挂自然晾置不同的时间，得到不同润湿程度的织物试样。为保证试样间的可比性，同一批试样晾置环境的温度波动小于6°C，相对湿度波动小于10%，因此将实验室中的温度控制在20°C 士3°C的范围内，相对湿度控制在55% 士5%的范围内。(3)织物润湿程度表征以相对晾置时间法标定各时间点织物试样的润湿程度， 在织物试样晾置过程中的时间点处进行摩擦测试。织物的润湿程度用相对晾置时间T表征，相对晾置时间T =实际晾置时间t/该织物试样完全晾干所需时间tm，t为完全润湿的织物晾置到某一润湿状态实际需要的时间，乜为完全润湿织物晾置到润湿率等于公定回潮率时所需的晾置时间，1。润湿率定义为织物中包含的水重量(包括液态水)占织物干重的百分率。图7是采用实际晾置时间法标定织物润湿程度与摩擦力的关系图，图8 是采用相对晾置时间法标定织物润湿程度与摩擦力的关系图，通过比较这两幅图发现，图8 中不同织物在相对晾置时间座标轴下具有类似的摩擦力变化规律。因此采用相对晾置时间法进行测量，避开了因不同织物实际晾干时间的差异带来的对比试验的困难。图9-图10 所示的是机织物和针织物的湿润率与相对晾置时间的关系，在织物的标准回潮率以上，润湿率与晾置时间呈近似线性关系，这可以确保相对晾置时间表征织物润湿程度的准确性， 而且相对晾置时间方法简单、实用、可操作性强。(4)测试测试时使用本发明的检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，将织物试样一端夹持在夹持器上，另一端绕过放置在托手上的手臂或摩擦辊以及设置在托手前方的导辊，再给织物试样末端夹上张力夹，运行机构驱动控制系统，使托手下移，从而使织物试样与皮肤产生摩擦，通过与夹持器相连的信号采集装置采集信号得到各类摩擦曲线。(5)摩擦性能的表征指标根据各类摩擦曲线的特征，制定出不同种摩擦指标，用以表征织物试样和皮肤间的干湿态摩擦特性。也就是说，根据实验测得的各种织物与皮肤在湿态条件下的摩擦曲线特征，将各种摩擦力-滑动位移曲线分为四类，如图3-图6所示，包括常规曲线、拱形曲线、上升曲线和下降曲线，并根据各自的曲线特征，制定出静摩擦力、动静摩擦力转折点、平均动摩擦力、平均动摩擦力差不勻率和摩擦系数6种摩擦指标全面表征织物和皮肤间的各种摩擦行为，与摩擦曲线相比，这些指标在试验结果分析、科学计算、信息传递等方面更为方便。(a)静摩擦力Fs(CN)，即摩擦曲线由急速上升到慢速变化的拐点。在Fs以前织物与皮肤间主要表现为静摩擦，Fs以后织物与皮肤间不再有静摩擦，整体表现为动摩擦。(b)动静转折点L (mm)，静摩擦力Fs对应的摩擦位移，L表征在某一润湿条件下织物与皮肤摩擦系统的变形，而不是滑动。(c)平均动摩擦力Fd(CN)，截取摩擦曲线上相对平稳的一段曲线，求出该位移范围内摩擦力的平均值，其计算公式如下
1 rs+100,、F, = — F F^(1)
d 100 ,s选取 S = L+10 L+60mm。(d)平均动摩擦力的不勻率FMD )，即选取动摩擦范围内摩擦力F的变异系数。
/ rs+ioo, ^
Γ 10, f (F-Fd)2dSFMD= Vls ^("/ο)(2)
Fd(e)最大动摩擦力Fmax(CN)，图4和图5中的摩擦行为需要该指标，即织物与皮肤间的拱形摩擦曲线和上升摩擦曲线需要该指标。(f)静摩擦系数μ s和动摩擦系数μ d 即织物与皮肤间的摩擦系数。摩擦力与测试条件(预加张力、包角、试样宽度)有关，参见图2，摩擦系数μ是与测试条件无关的材料参数，每一种摩擦行为都可用摩擦系数表征。在这里，把前臂受测部分近似看做是圆柱体，根据挠性带摩擦的欧拉公式F/T = e"求取摩擦系数μ，式中F为实验测得的动/静摩擦力F(cN)，T为张力夹施加的预加张力(cN)，θ为织物与皮肤间的包角，则In(F/T)= μ X θ，由此可得
权利要求
1.一种检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，包括摩擦装置、信号采集装置(8)和机构驱动控制装置，其特征在于，所述的摩擦装置包括摩擦支架(1)和摩擦基座(2)；所述的摩擦支架(1)安装在所述的摩擦基座(2)正面；所述的摩擦支架(1)两侧分别安装有一个托手⑶；所述的托手⑶上设有夹具⑷；所述的托手⑶前方设有导辊(5)；所述的导辊 (5)下方设有张力夹(6)；所述的托手(3)上方设有夹持器(7)；所述的夹持器(7)与所述的信号采集装置(8)相连；所述的机构驱动控制装置用于控制所述的摩擦支架(1)在所述的摩擦基座(2)正面上下滑动。
2.根据权利要求1所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，其特征在于，所述的托手(3)上放有被所述的夹具(4)固定的摩擦辊或手臂。
3.根据权利要求1所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，其特征在于，所述的信号采集装置(8)采用电阻式测力传感器；所述的电阻式测力传感器的测量范围为0 5000cN，精度为 ±0. 1%0
4.根据权利要求1所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，其特征在于，所述的机构驱动控制装置是由步进电机通过齿形皮带传动丝杠，并通过旋转丝杠带动所述的摩擦支架(1)以及固定在所述的摩擦支架(1)上的托手(3)勻速下降。
5.一种检测织物与皮肤间摩擦性能的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)浸润用水将织物试样浸泡，直至织物试样完全浸润；(2)晾置将完全浸润的织物试样取出，在无风的实验室中悬挂自然晾置不同的时间， 得到不同润湿程度的织物试样；(3)织物润湿程度表征以相对晾置时间法标定各时间点织物试样的润湿程度，在织物试样晾置过程中的各个时间点处进行摩擦测试；(4)测试使用如权利要求1所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的装置，将织物试样一端夹持在夹持器上，另一端绕过放置在托手上的手臂或摩擦辊以及设置在托手前方的导辊，再给织物试样末端夹上张力夹，运行机构驱动控制系统，使托手下移，从而使织物试样与皮肤产生摩擦，通过与夹持器相连的信号采集装置采集信号得到各类摩擦曲线；其中，所述的相对晾置时间为实际晾置时间除以晾干所需时间；(5)表征指标根据各类摩擦曲线的特征，制定出不同种摩擦指标，用以表征织物试样和皮肤间的湿态摩擦特性。
6.根据权利要求5所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中用15 25°C的水将织物浸泡30min，并在浸泡初期做适当轻揉。
7.根据权利要求5所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中所述的实验室的温度为20°C 士3°C，相对湿度为55% 士5%。
8.根据权利要求5所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中织物试样晾置过程中设置六个时间点处进行摩擦测试。
9.根据权利要求5所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中测试时织物试样与皮肤间的包角θ为π/6 3π/2，托手滑动速度为10 2000mm/min，试样宽度为30 300mm，预加张力T = 10 500cN。
10.根据权利要求5所述的检测织物与皮肤间摩擦性能的方法，其特征在于，所述的步骤(5)中根据实验测得的各种织物与皮肤在干湿态条件下的摩擦曲线特征，将各种摩擦力-滑动位移曲线分为四类，分别为常规曲线、拱形曲线、上升曲线和下降曲线，并根据各自的曲线特征，制定出静摩擦力、动静摩擦力转折点、平均动摩擦力、平均动摩擦力不勻率和摩擦系数6种摩擦指标。
全文摘要
本发明涉及一种检测织物与皮肤间摩擦性能的装置和方法。检测装置包括摩擦装置、信号采集装置和机构驱动控制装置。摩擦装置包括摩擦支架和摩擦基座，摩擦支架两侧分别安装有一个托手，托手上设有夹具，托手前方设有导辊，导辊下方设有张力夹，托手上方设有夹持器。检测方法包括以下步骤(1)浸润织物试样；(2)将浸润后的织物试样晾置不同的时间，得到不同润湿程度的织物试样；(3)以相对晾置时间法标定各时间点织物试样的润湿程度；(4)利用上述装置对织物试样进行摩擦测试；(5)根据各类摩擦曲线的特征，制定出不同种摩擦指标。本发明可定量测试干态及各种润湿条件下织物和皮肤间的摩擦性能。
文档编号G01N19/00GK102175600SQ20101061445
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者王府梅, 王旭 申请人:东华大学