劉 紅， 丁雪梅， 吳雄英

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051； 2. 同濟(jì)大學(xué) 上海國際設(shè)計創(chuàng)新研究院, 上海 200080；3. 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室(東華大學(xué))， 上海 200051； 4. 上海海關(guān)， 上海 200135)

隨著生活水平和消費方式的轉(zhuǎn)變，機(jī)洗成為消費者日常服裝護(hù)理的主要方式。滾筒洗衣機(jī)在國內(nèi)的市場占有率也呈逐年上升的趨勢。

滾筒洗滌的主要影響因素包括時間、熱作用、機(jī)械作用和化學(xué)作用[1]。目前的研究主要集中在化學(xué)作用如表面活性劑和酶在洗滌劑產(chǎn)品中的應(yīng)用[2-3]，以及洗滌參數(shù)如溫度、時間、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)停比等對洗滌效果影響[4-6]?？椢锵礈爝^程是一個復(fù)雜的多相流(洗滌介質(zhì)、織物、空氣)過程，伴隨著織物卷曲、翻折，水流流動以及洗滌介質(zhì)穿過多孔紡織材料。過程的復(fù)雜性及洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)(非透明結(jié)構(gòu))限制了洗滌過程中織物運(yùn)動形態(tài)的觀察。只有部分學(xué)者研究了影響織物運(yùn)動的因素[7-10]及單一作用力，如摩擦力、拉伸力、水流沖擊力對去污的影響[11-13]，鮮有文章研究不同種類織物對滾筒洗滌過程機(jī)械作用的影響?？椢锵礈斓谋举|(zhì)就是借助離心力、摩擦力及重力的復(fù)合作用帶動衣物不斷運(yùn)動，同時滾筒內(nèi)液體水流也存在相互作用，因此，為提高織物洗凈效果，研究洗滌過程中作用力在洗衣機(jī)內(nèi)的變化及對織物運(yùn)動情況影響顯得尤為重要?？椢镱愋筒煌矔绊懫湓谙匆聶C(jī)內(nèi)的受力情況和洗滌效果。為了解織物運(yùn)動與洗滌效果之間的影響機(jī)制，有必要對織物本身熱物理性進(jìn)行深入研究。本文通過單因素試驗，研究滌綸、滌/棉混紡織物、純棉3種不同負(fù)載對織物運(yùn)動機(jī)制的影響，借助高速攝像機(jī)記錄織物(所有試驗中，選擇同一塊黃色織物作為示蹤織物)在洗滌過程中的運(yùn)動軌跡，提取運(yùn)動指標(biāo)，研究不同運(yùn)動指標(biāo)對洗滌效果的影響。

1 滾筒洗衣機(jī)內(nèi)織物運(yùn)動分析

1.1 運(yùn)動形態(tài)分析

家庭滾筒洗滌是一個織物不斷被抬高、滑落或拋散的過程。在這一過程中織物發(fā)生彎曲、拉伸和剪切變形，同時伴隨著液態(tài)水分在外力作用下穿透多孔織物。圖1(a)示出一定時間(180 s)內(nèi)織物質(zhì)心順時針運(yùn)動軌跡圖像；圖1(b)為35 s運(yùn)動周期內(nèi)，織物質(zhì)心高度隨時間變化圖像。由圖可知，織物質(zhì)心高度隨時間周期性波動。運(yùn)動過程中，織物越過舉升筋，運(yùn)動方向與滾筒旋轉(zhuǎn)方向相反時，發(fā)生滑移運(yùn)動。當(dāng)舉升筋的提升作用和織物間的摩擦作用足夠大，織物隨滾筒內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，到達(dá)一定高度后，在重力作用下發(fā)生摔落運(yùn)動，并與筒壁、織物或液態(tài)水分發(fā)生沖擊作用。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速足夠大，提供的離心力足以克服織物重力時，織物隨滾筒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(脫水階段)。

注：R表示滾筒洗衣機(jī)內(nèi)筒半徑。圖1 洗滌階段織物質(zhì)心運(yùn)動軌跡

Fig.1 Textile centroid motion path. (a) Textile (b)xandyco-ordinates

1.2 受力分析

當(dāng)織物尺寸、種類、洗衣機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時，織物的運(yùn)動形態(tài)也隨之發(fā)生變化。滾筒洗滌織物運(yùn)動狀態(tài)主要分為3類：滑移、拋落和旋轉(zhuǎn)?；坪蛼伮溥\(yùn)動主要出現(xiàn)在洗滌和漂洗階段，織物形變?nèi)缋臁⒓羟?、壓縮，和與筒壁的撞擊，有利于污漬的去除；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動主要出現(xiàn)在脫水階段，強(qiáng)大的離心力作用有利于將滯留在織物和纖維內(nèi)部的水分脫離，達(dá)到去除水分的目的。

織物受力不同，運(yùn)動形式也不同。洗滌過程中，織物會同時受到來自滾筒的離心力、筒壁和織物之間的摩擦力以及織物自身重力作用。以洗衣機(jī)內(nèi)筒筒心為原點，將內(nèi)筒橫截面分為4個象限，如圖2(a)所示，在第3象限時，織物運(yùn)動受離心力Fc、摩擦力f和重力的分力影響?？椢镫S滾筒上升運(yùn)動，角度θ逐漸增大，重力分力作用增大，摩擦力f減小。當(dāng)摩擦力較小，且織物越過舉升筋，織物表現(xiàn)為順著滾筒旋轉(zhuǎn)的反方向運(yùn)動，即產(chǎn)生滑移運(yùn)動。當(dāng)洗滌轉(zhuǎn)速較小或織物質(zhì)量較輕時，易出現(xiàn)此種情況。當(dāng)織物停留在舉升筋上，隨舉升筋一起運(yùn)動至第2象限時，織物受力可分解為維持織物隨滾筒旋轉(zhuǎn)的力，包括來自滾筒的離心力Fc及摩擦力F1，和阻礙其旋轉(zhuǎn)重力分力Fg。第2象限中，織物與垂直方向的夾角逐漸增大，滾筒轉(zhuǎn)速一定時，摩擦力逐漸減小，當(dāng)維持織物旋轉(zhuǎn)的力小于阻礙織物旋轉(zhuǎn)的力時，織物發(fā)生拋物運(yùn)動。當(dāng)織物隨舉升筋運(yùn)動至最大角度θ=π，維持織物隨滾筒旋轉(zhuǎn)的力仍大于阻礙織物旋轉(zhuǎn)的力時，織物不會摔落，繼續(xù)跟隨滾筒旋轉(zhuǎn)。

注：m表示織物質(zhì)量；mg表示織物重力；Fc=mωr2表示離心力；f=μmgcosθ表示摩擦力(圖2(a))，μ表示摩擦因數(shù)，θ表示織物重力與離心力間夾角；F=mgsinθ表示重力的分力；ω表示滾筒旋轉(zhuǎn)角速度；r表示織物質(zhì)心至內(nèi)筒筒心的距離；Fg=mgcosθ表示重力沿垂直方向的分力；F1=μmωr2-μmgsinθ，表示圖2(b)中的摩擦力。圖2 織物運(yùn)動受力分析

Fig.2 Force analysis of textile motion. (a)Force analysis when textiles at bottom of inner drum； (b) Force analysis when textiles at top of inner drum

2 試驗設(shè)計

2.1 設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)布

為分析織物在滾筒內(nèi)順時針方向旋轉(zhuǎn)時的運(yùn)動狀況，織物運(yùn)動追蹤系統(tǒng)[14]用于記錄織物運(yùn)動情況，每秒鐘記錄120幀，記錄整個洗滌過程25 min。記錄的運(yùn)動數(shù)據(jù)用MatLab2014b進(jìn)行處理，將織物的運(yùn)動指標(biāo)進(jìn)行可視化處理。同時，為研究織物性能、織物運(yùn)動以及洗凈性能之間的關(guān)系，濕態(tài)織物性能、洗凈率和磨損率等指標(biāo)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。

織物運(yùn)動追蹤系統(tǒng)由2部分構(gòu)成：高速攝像機(jī)，捕捉并記錄織物運(yùn)動形態(tài)；圖像處理和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，將高速攝像機(jī)捕捉到的織物圖像進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為二值化圖像，根據(jù)幾何矩原理計算二值化圖像幾何中心，作為織物質(zhì)心運(yùn)動軌跡。試驗設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)見表1。

表1 試驗設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

Tab.1 Facilities and standard materials

設(shè)備/標(biāo)準(zhǔn)布型號應(yīng)用廠家全自動滾筒洗衣機(jī)WH7560P2洗滌青島海爾滾筒洗衣機(jī)有限公司白度計 WSB-3測試污染布洗滌前后反射率溫州大榮紡織儀器有限公司織物運(yùn)動追蹤系統(tǒng)-記錄織物運(yùn)動-標(biāo)準(zhǔn)磨損布EMPA 304機(jī)械力上海標(biāo)準(zhǔn)研究所炭黑污染布WFK 16053洗凈率WFK Testgewebe GmbH

2.2 試驗材料

選擇純棉、滌/棉(55/45)和滌綸織物進(jìn)行相關(guān)洗滌過程運(yùn)動研究，并探討織物特性對運(yùn)動狀態(tài)的影響，試驗樣品的參數(shù)如表2所示。其中一塊試樣被染成黃色作為示蹤織物。

表2 試驗材料

Tab.2 Materials′ properties

纖維成分結(jié)構(gòu)濕態(tài)柔軟度濕態(tài)表面摩擦性厚度/mm面密度/(g·m-2)100%滌綸平紋58.5649.280.1569滌/棉混紡平紋49.5554.960.20115100%棉平紋35.0663.640.52185

注：織物濕態(tài)柔軟度和表面摩擦性由法寶儀通過位移-載荷曲線獲得；柔軟度數(shù)值越大，織物越柔軟；摩擦性數(shù)值越大，織物表面越粗糙，具體計算方法見文獻(xiàn)[15-16]。

2.3 洗凈效果評價方法

2.3.1 洗凈率計算公式

用白度計測試污染布洗滌前后的反射率。測試時，5塊污染布疊放，以防透光。每塊污布在正反面各取2個點。根據(jù)式(1)計算污布被洗凈的程度。每組試驗10塊污布，10塊污染布的洗凈率均值作為該程序的洗凈率。

(1)

式中：Dr為洗凈率，%；Rw為污染布洗凈后反射率，%；Rs為污染布洗凈前反射率，%；Ro為原布反射率，%，使用的原布反射率為88%。

2.3.2 磨損率計算公式

磨損率的計算方法如式(2)所示：測量洗滌后織物紗線剩余根數(shù)，根據(jù)IECPAS62473—2007《家用洗衣機(jī) 家用洗衣機(jī)機(jī)械作用的測定方法》中的計算方法計算磨損率。

(2)

式中：F為磨損率，%；Nr為脫落紗線根數(shù)，根；Nt為織物中紗線總根數(shù)，根。

3 結(jié)果與討論

3.1 織物成分對運(yùn)動的影響

3.1.1 速度分布

洗滌過程織物運(yùn)動狀態(tài)變化規(guī)律如圖3、4所示。滌/棉混紡織物的運(yùn)動區(qū)域面積占比(織物質(zhì)心在洗滌過程中運(yùn)動覆蓋區(qū)域面積與滾筒橫截面面積之比)最大，運(yùn)動區(qū)域面積占比為64%，滌綸為49%，純棉織物運(yùn)動區(qū)域面積為44%。由表2可知，濕態(tài)滌綸織物柔軟度最好，洗滌過程中，織物易纏結(jié)在一起，從而限制單一織物的運(yùn)動形態(tài)，導(dǎo)致整體運(yùn)動區(qū)域面積占比較小。此外，由圖4可知，示蹤滌綸織物速度接近為0的觀測次數(shù)非常高，證明織物易被困在一定位置。因此，針對柔軟性高的織物，應(yīng)適當(dāng)減小轉(zhuǎn)動時間，增大正反轉(zhuǎn)交替頻率和轉(zhuǎn)動速度，有利于提高織物的拋散，增加織物間的相互作用，從而提高洗凈性能。純棉織物吸水性好，1 kg純棉織物吸濕后質(zhì)量明顯大于滌/棉混紡織物，由受力分析可知，織物的運(yùn)動形態(tài)受滾筒提供的離心力，織物吸水后質(zhì)量及摩擦力決定。其中離心力和摩擦力是維持織物隨滾筒旋轉(zhuǎn)的作用力，重力是阻礙織物旋轉(zhuǎn)的力。在滾筒轉(zhuǎn)速相同(假設(shè)滾筒提供的離心力相同)情況下，織物質(zhì)量越大，阻礙織物運(yùn)動的作用力越大，因此純棉織物的運(yùn)動區(qū)域面積小于滌綸織物。對于純棉等吸水后質(zhì)量明顯增大的織物，可適當(dāng)增大旋轉(zhuǎn)速度，改善織物的拋散狀態(tài)，增加織物與織物及織物與筒壁間的相互作用。

圖3 織物質(zhì)心歐拉速度分布

Fig.3 Eulerain velocity distribution. (a) Polyester；(b) Blend of polyester and cotton；(c) Cotton

圖4 織物拉格朗日速度分布

Fig.4 Lagrangian velocity distribution. (a) Polyester；(b) Blend of polyester and cotton；(c) Cotton

由圖3可知，3種織物的質(zhì)心運(yùn)動速度呈單峰分布，且速度峰值分布范圍集中在0.2～0.5 m/s之間。其中，滌綸織物質(zhì)心速度接近為0的頻率最高，即織物被困在某一區(qū)域無法脫離的次數(shù)最多，其次為滌/棉混紡織物，純棉織物質(zhì)心速度被觀測為0的次數(shù)最小。這可能是因為純棉織物在運(yùn)動過程中不容易發(fā)生纏繞，織物運(yùn)動形態(tài)以滑落和拋散為主，單一織物運(yùn)動形態(tài)受其他織物影響較小。

3.1.2 滯留時間分布

滯留時間占比是示蹤織物在某一區(qū)域內(nèi)停留的平均時間與總時間的比值。這一指標(biāo)可能是質(zhì)心速度和特定區(qū)域內(nèi)織物質(zhì)心通過次數(shù)的函數(shù)。圖5示出織物質(zhì)心在滾筒橫截面內(nèi)的停留時間占比分布。由圖可知，織物在滾筒左下側(cè)停留時間較長，且滯留時間隨織物成分不同而變化。此外，滯留時間的分布與圖4中運(yùn)動速度較慢的區(qū)域一致。這一區(qū)域內(nèi)，以滑移運(yùn)動為主，織物之間的相互作用較多，以摩擦作用為主。此外，停留在滾筒底部，有利于織物與洗滌液充分接觸，為化學(xué)反應(yīng)提供一定的反應(yīng)時間。純棉織物在滾筒左下側(cè)停留的時間明顯高于滌綸和滌/棉織物，主要因為純棉織物吸濕后，單位面積濕態(tài)質(zhì)量大于滌綸織物，提升織物并拋落需要更大的摩擦力及內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)提供的向心力。滌綸織物在底部的停留時間大于滌/棉混紡織物，主要因為滌綸織物更為柔軟，懸垂性更好，所有織物纏繞在一起，形成織物團(tuán)，需要更大的力提升織物團(tuán)。

圖5 織物質(zhì)心在滾筒橫截面內(nèi)的停留時間占比分布

Fig.5 Residual time distribution. (a) Polyester；(b) Blend of polyester and cotton；(c) Cotton

3.2 織物運(yùn)動對洗滌效果的影響

通過記錄織物運(yùn)動形態(tài)，提取8個運(yùn)動指標(biāo)表征不同的織物運(yùn)動方式，并研究各指標(biāo)與洗凈性能的相互關(guān)系。表3示出織物質(zhì)心運(yùn)動指標(biāo)及洗滌效果。由表可知，隨著棉含量的增大，洗凈率和磨損率都呈現(xiàn)增大的趨勢，二者之間存在顯著相關(guān)性[17]。根據(jù)Person相關(guān)性測試結(jié)果，織物質(zhì)心被動運(yùn)動(見圖2(c))面積占比(被動運(yùn)動占整個運(yùn)動區(qū)域面積的比值)與洗凈率和磨損率間存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.969。隨著被動運(yùn)動面積占比增大，磨損率和洗凈率均增大。這是因為被動運(yùn)動區(qū)域以滑移運(yùn)動為主，織物間的相互作用如剪切和摩擦作用較大，有利于炭黑污漬的去除[18]?；谏鲜龇治觯⑾磧袈逝c運(yùn)動織物的經(jīng)驗預(yù)測模型

W=(0.23+0.969P)×100%

(3)

式中：W為炭黑污染布洗凈率，%；P為織物運(yùn)動質(zhì)心被動運(yùn)動面積占比。

表3 織物質(zhì)心運(yùn)動指標(biāo)及洗滌效果

Tab.3 Textile movement index and washing efficiency

織物種類運(yùn)動指數(shù)洗滌效果質(zhì)心平均速度/(m·s-1)被動運(yùn)動面積占比/%運(yùn)動區(qū)域總面積占比/%質(zhì)心到內(nèi)筒筒心平均距離/m質(zhì)心運(yùn)動距離/m質(zhì)心交換頻率/Hz預(yù)估摔落次數(shù)/(次·min-1)洗凈率/%磨損率/%滌綸0.440.410.490.1129.930.4450396.60滌/棉0.410.540.590.1034.600.50584114.60棉0.410.620.470.1030.900.70534424.50

注：質(zhì)心平均運(yùn)動速度是指在整個運(yùn)動過程中，織物質(zhì)心拉格朗日速度的平均值；被動運(yùn)動是指隨滾筒內(nèi)筒筒壁運(yùn)動且運(yùn)動速度較小的運(yùn)動區(qū)域；質(zhì)心交換頻率是單位時間內(nèi)，織物從內(nèi)筒筒心運(yùn)動到內(nèi)筒筒壁的次數(shù)。

4 結(jié) 論

滾筒洗衣機(jī)的運(yùn)動模式可分為滑落、摔落和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動?；浜退ぢ溥\(yùn)動主要出現(xiàn)在洗滌階段，有利于增加織物之間、織物與筒壁及織物與液態(tài)水分之間的相互作用。織物吸水性、濕態(tài)柔軟度和表面摩擦性顯著影響運(yùn)動形態(tài)。被動運(yùn)動面積占比是影響洗凈率和磨損率的主要運(yùn)動指標(biāo)，純棉負(fù)載被動運(yùn)動面積最大，洗凈率最高，磨損也最大，因這一區(qū)域主要以織物間摩擦為主。

柔軟度較大的織物，運(yùn)動過程中易糾纏在一起，可適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速或正反轉(zhuǎn)交換頻率，打散織物的纏繞，增加織物間的相互作用。吸水性能較好的織物，吸水后質(zhì)量明顯增大，洗滌過程可適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速，提高織物的摔落頻率等。家庭滾筒洗衣機(jī)不同洗滌程序的設(shè)計應(yīng)結(jié)合織物物理化學(xué)性能。

FZXB