摩擦試驗(yàn)裝置：
用普通的負(fù)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(gè)主要部分 :測試主機(jī)、控制箱和計(jì)算機(jī)處理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,主要改造為在測試主機(jī)上添加了摩擦裝置 ,由摩擦支架、托手和導(dǎo)布輥等組成. 測試主機(jī)的底座箱體內(nèi)裝有步進(jìn)電機(jī) ,通過齒形皮帶傳動(dòng)高精度絲杠 ,并由傳動(dòng)桿連接摩擦裝置的基座 ,帶動(dòng)支架上下移動(dòng). 摩擦位移由絲杠上的接近開關(guān)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(shí)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(yàn)結(jié)果 ,并且有電源、校準(zhǔn)等控制開關(guān)以及速度轉(zhuǎn)換盤 ,速度范圍為100～1 000 mm /m in (無級(jí)調(diào)速 ). 計(jì)算機(jī)處理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄移動(dòng)距離和與其對(duì)應(yīng)的摩擦力 ,同時(shí)輸出二者的關(guān)系曲線. 上海千實(shí)將介紹計(jì)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(jìn)一步完善儀器.

一、試驗(yàn)條件和方法：

1、選取測試者和試驗(yàn)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(yàn) ,讓志愿者前臂(手腕與肘關(guān)節(jié)之間 )中部的內(nèi)側(cè)皮膚與織物產(chǎn)生摩擦 ,所有志愿者的受試部位皮膚均無異常 ,也未進(jìn)行過涂抹化妝品或外用藥物等人為的干預(yù).
試驗(yàn)材料選用市場上常見的與皮膚經(jīng)常接觸的輕薄機(jī)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(yàn)條件
試驗(yàn)環(huán)境為溫度 20 ℃ ( ±2 ℃) ,相對(duì)濕度50% ( ±5% ). 試驗(yàn)前請志愿者在該恒定環(huán)境中靜坐 30 m in,保持肌肉松弛 ,心態(tài)平穩(wěn) ,盡量消除歷史因素的影響. 試驗(yàn)過程中 ,在皮膚的測試部位作上標(biāo)記 ,每次測試都從標(biāo)記處開始 ,以保證所測得的數(shù)據(jù)具有可比性.

3、試驗(yàn)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(duì)固定的狀態(tài) ,防止在上下摩擦運(yùn)動(dòng)中 ,由于織物受拉伸力作用而牽動(dòng)前臂同時(shí)運(yùn)動(dòng) ,產(chǎn)生隨機(jī)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(dǎo)布輥 ,由下夾持器水平夾持 ,并施加適當(dāng)?shù)膹埩?,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(yùn)動(dòng) ,皮膚和織物很快由靜摩擦轉(zhuǎn)入動(dòng)摩擦狀態(tài) ,計(jì)算機(jī)處理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄摩擦力與摩擦位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

二、結(jié)果與分析：
織物摩擦測試儀作為在紗線強(qiáng)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(dòng)態(tài)摩擦 ,但為證實(shí)該儀器的可行性 ,需要進(jìn)行重現(xiàn)性和可比性試驗(yàn). 同時(shí)為了歸納出相對(duì)穩(wěn)定的測試參數(shù) ,還需要對(duì)在測試中可能造成影響的因素進(jìn)行逐一分析 ,主要從張力、儀器的運(yùn)動(dòng)速度以及試樣的寬度幾個(gè)方面入手. 初步探索發(fā)現(xiàn) , 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(xù)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(jìn)行下述試驗(yàn). 其中每對(duì)摩擦副的試驗(yàn)重復(fù)測試 10次 ,計(jì)算 10次摩擦信號(hào)在其有效區(qū)間內(nèi)的平均摩擦力值 ,得到該織物樣品與皮膚的摩擦力測試結(jié)果 ,并計(jì)算出 10條摩擦曲線上摩擦力變異系數(shù) (CV )值的大小 ,根據(jù)實(shí)際測試條件 ,對(duì)比圖像的穩(wěn)定性 ,確定該儀器的測試參數(shù).

1、皮膚的應(yīng)力史特性與摩擦試驗(yàn)次數(shù)
研究資料指出皮膚具有應(yīng)力史現(xiàn)象 ,即皮膚受應(yīng)力后*階段迅速伸展 ,以后就很少伸展 ,若先后相繼加以應(yīng)力并去除之 ,則皮膚對(duì)以后所加應(yīng)力的*階段反應(yīng)時(shí)間延長。 所以 ,我們首先考察了織物與皮膚的連續(xù)多次摩擦特性，結(jié)果表明 ,對(duì)織物與皮膚的同一對(duì)摩擦組合 ,連續(xù)重復(fù)多次摩擦試驗(yàn) ,*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(dòng)較大 ,即從第二次摩擦試驗(yàn)開始 ,摩擦力才開始趨于穩(wěn)定 ,摩擦力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(dāng)皮膚*次接觸織物并與之進(jìn)行摩擦?xí)r ,皮膚還沒有適應(yīng)張力的拉伸作用 ,皮膚也沒有*伸展開 ,因此*階段的反應(yīng)時(shí)間短 ,摩擦力也相對(duì)較低.在實(shí)際穿著中織物與皮膚間往往是重復(fù)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(rèn)為第二次及以后的摩擦曲線更具實(shí)用價(jià)值. 為保證數(shù)據(jù)的有效性和客觀性 ,本文中同一對(duì)機(jī)織物和皮膚的摩擦組合需要有效測試 10次 ,因此每對(duì)摩擦組合均需要從第 2次測試結(jié)果起重復(fù)測 10次.

2、重現(xiàn)性評(píng)價(jià)
為了保證在相同測試條件下 ,同一對(duì)摩擦副每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以保持一致 ,需要進(jìn)行重現(xiàn)性試驗(yàn)。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(yàn)中的摩擦力信號(hào). 對(duì)比2次試驗(yàn)的信號(hào)基本上一致 ,摩擦力大小和離散度也大致相近 , 2組試驗(yàn)中 10根摩擦曲線上摩擦力變異系數(shù)分別為 3. 51%和 3. 69% ,平均動(dòng)摩擦力的分別為 2. 57和 2. 56 N. 由此證明該儀器所測的數(shù)據(jù)是客觀有效的 ,具有較好的重復(fù)性.

3、可比性評(píng)價(jià)
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(jī)織物構(gòu)成摩擦副進(jìn)行摩擦試驗(yàn)的信號(hào) ,對(duì)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(yàn)的平均動(dòng)摩擦力分別為 3. 07、2. 60、3. 48和 1. 90 N. 對(duì)于織紋明顯的牛仔布 ,由于其表面相對(duì)比較粗糙 ,測得的摩擦力就比較大 ,而對(duì)于紗支細(xì) ,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(duì)平均動(dòng)摩擦力的影響
為了使織物和皮膚實(shí)現(xiàn)有效接觸并產(chǎn)生摩擦作用 ,在試驗(yàn)過程中需要對(duì)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(fā)生嚴(yán)重頸縮的前提下 ,試驗(yàn)中對(duì)織物分別施加 1. 3、1. 6、2. 0和 2. 3 N等不同的張力 ,進(jìn)行摩擦對(duì)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(hào) ,在圖中的 4種張力條件下 ,每組試驗(yàn)中 10根摩擦曲線上摩擦力的變異系數(shù)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(wěn)定. 另外發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn) ,張力過小時(shí) ,被測織物未被充分伸直 ,皮膚與織物不能有效接觸 ,對(duì)摩擦信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響. 而張力越大 ,肌肉被拉伸及擠壓變形越嚴(yán)重 ,皮下彈性波動(dòng)大 ,并且織物發(fā)生頸縮 ,接觸面積不斷減小 ,造成信號(hào)波動(dòng). 2 N的張力能夠使常見的機(jī)織物充分伸直 ,即使某些織物略有伸長 ,也不至于發(fā)生頸縮 ,偏離實(shí)際穿著情況 ,而且 2 N張力下的測得的摩擦曲線zui為穩(wěn)定 ,因此在測試常見貼身穿著的機(jī)織物時(shí) ,推薦設(shè)定本儀器的張力為 2 N.

5、運(yùn)動(dòng)速度對(duì)平均動(dòng)摩擦力的影響
在摩擦測試過程中 ,我們發(fā)現(xiàn)摩擦速度對(duì)摩擦信號(hào)的穩(wěn)定性也有影響 ,因此 ,在張力已經(jīng)確定的前提下 , 針 對(duì) 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(jìn)行測試 ,摩擦速度對(duì)摩擦力的大小影響不明顯 ,對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性則有較大的影響. 4種速度條件下 ,每組試驗(yàn)中 10條摩擦曲線上摩擦力變異系數(shù)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(hào)zui穩(wěn)定.
摩擦速度過小 ,織物牽伸產(chǎn)生的肌肉變形不能夠及時(shí)得到回復(fù) ,容易產(chǎn)生黏滑現(xiàn)象 ,導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng). 速度過大 ,織物表面的一些微觀摩擦信息會(huì)被忽略掉 ,儀器本身也會(huì)發(fā)生振動(dòng) ,這些都對(duì)摩擦信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)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(duì)平均動(dòng)摩擦力的影響
同樣對(duì)于試樣寬度的影響 ,也做了對(duì)比分析. 由于人體前臂的測試長度大約為 20 cm,根據(jù)實(shí)際情況 ,為了確?？椢锊粫?huì)發(fā)生嚴(yán)重傾斜 ,以至于發(fā)生剪切作用 ,在樣品寬度對(duì)比試驗(yàn)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(jìn)行摩擦測試時(shí)所表現(xiàn)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(wěn)定 , 2組摩擦曲線的摩擦力變異系數(shù)值分別為 3. 57%和9137% ,因此在今后的試驗(yàn)中 ,統(tǒng)一制定試樣的寬度為 10 cm.試樣規(guī)格尺寸的大小 ,以能反映一個(gè)完整的織物組織特點(diǎn)為準(zhǔn). 尺寸規(guī)格過大 ,摩擦負(fù)荷大 ,需要大功率傳感器 ,而且易造成動(dòng)態(tài)影響 ,試驗(yàn)誤差大 ;而規(guī)格過小 ,則無法反映試樣表面所具有的真實(shí)特性 ,失去了測試的意義. 理論上 ,對(duì)于本試驗(yàn) ,織物與皮膚的接觸面積越大 ,越能真實(shí)的模擬實(shí)際穿著情況. 然而 ,實(shí)際上由于人體前臂兩端粗細(xì)不均 ,試樣越寬 ,織物傾斜越明顯 ,誤差越大. 因此 ,依照多次對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 ,認(rèn)為針對(duì)該試驗(yàn)條件 ,推薦選用規(guī)格為 10 cm寬的試樣為好.