纺织面料适应各种形状的能力在很大程度上受其结构的影响。如图1所示，在织物到服装的转变过程中，有两种主要的变形机制，即简单剪切和剪切滑动，起作用。前者对于机织物很重要，其中独特的双曲率现象至关重要。1– 4
剪切行为是织物最重要的机械性能之一。当织物经受各种各样的复杂变形时，织物剪切在织物使用过程中是有害的。织物剪切也影响织物的手感、抗皱性和悬垂性。在实践中，剪切性能可以通过 Kawabata 评估系统 (KES) 和简单测试 (FAST) 仪器的织物保证进行评估。1 , 5 , 6可以定义各种模式来确定织物的剪切行为。变形模式可以与纱线交点相对于剪切力的刚度相关联。纱线剪切力不足以克服交叉处的摩擦阻力。在第二模式开始时，在交点处发生纱线滑移。这是由于当克服交叉点处的摩擦阻力时剪切力增加。因此，随后发生弹性变形和最终纱线滑移，最终发生织物堵塞。7 , 8典型的剪切力-剪切角滞后曲线如图2所示. 这种曲线的斜率对应于织物剪切刚度或织物剪切模量。当剪切力小于交叉处经纬纱之间的极限静摩擦阻力时，最高的织物剪切刚度由图2中的OA线表示. 这被称为织物初始剪切刚度。9– 11进一步增加剪切力会导致更多纱线滑落。这反过来导致织物剪切刚度的迅速下降，这由 OB 部分表示。这与动摩擦阻力有关，后者明显小于静摩擦阻力。BC 部分表示在交点处动摩擦阻力相对于静摩擦阻力的优势。这实际上显示了剪切力和织物变形之间的线性关系。这种线性度的增加是由于交叉点处纱线卷曲的增加。10Kawabata 织物评估系统 (KES-F) 提供的剪切刚度是 0.5 度和 5 度剪切角之间的剪切变形曲线的斜率。这是图 2 中BC 部分的斜率，对应于 Grsosberg 等人提出的弹性剪切模量术语。10建议如果该区域不是线性的，则应考虑该距离上的平均斜率。12，13KES-F 还提供参数，例如 0.5 度剪切角 (2HG0.5) 下的剪切滞后和 5 度剪切角 (2HG5) 下的剪切滞后。KES-F 在许多研究中呈现的剪切刚度被认为是剪切刚度的关键参数。然而，很明显，织物初始剪切刚度在描述机织织物的剪切特性时也至关重要。在本研究中，除了 KES 仪器提供的剪切参数外，还根据 KES-F 获得的剪切力 - 剪切角曲线提取机织织物的初始剪切刚度。
纺纱系统影响纱线的结构和性能。这有效地影响了所得织物的物理和机械性能。涡流纺系统是细纱制造领域的最新技术。该技术由村田机械有限公司于 1997 年首创。该系统能够以 400 m/min 的速度生产纱线。为了提高涡流纱线质量，涡流纺经过了多次改进。有许多研究工作研究了各种类型的细纱的性能与所得机织物的性能的关系。14– 27
Özdemir 和 Tuğrul Oğulata 14研究了涡旋和转杯棉纱结构和特性对卷装染色过程中颜色效率的影响，发现在给定的染色条件下，涡旋纱比转杯纱具有更深的色调。Kuthalam 和 Senthikumar 15研究了锭子气压和旋转方向对涤/棉涡旋纱质量特性的影响。Tyagi 和夏尔马16研究了涤棉 Murata 涡流纺 (MVS) 纱线织物的热舒适特性。据报道，涤棉 MVS 纱线织物的吸收性对加捻喷射压力、喷嘴距离和输送速度相对不敏感。此外，纱线线密度和棉含量的增加显着提高了织物的吸水性。Kostajnšek 和 Dimitrovski 17比较了使用环锭纱和涡旋纬纱编织的织物的起球和拉伸性能。拉梅什库马尔等人。图 18比较了用环锭纱、转杯纱和涡纺纱编织的纬编针织物的抗起球性和耐磨性以及破裂强度和悬垂性。奥特莱克和奥纳尔19评估了纱线纺纱系统对纬编针织物的耐磨性和尺寸特性的影响。Kim 和 Kim 20在 2018 年研究了在环锭纺、紧密纺和空气涡流纺系统上纺制的微莫代尔纱线以及由此产生的纬编针织物的机械性能。据称，与使用环锭纱和紧密纺纱针织的织物相比，用空气涡流纱编织的织物具有更高的弯曲刚度、更低的压缩性和稍高的成型性。此外，在这项使用 FAST 系统的研究中，确定涡流纺针织物的剪切刚度产生与使用环锭纱和紧密纺纱获得的结果相似的结果。金和金21还研究了环锭纱、赛络纱和涡流纺麻/天丝纱针织面料的手感和穿着舒适性，并得出结论，环锭纱针织面料的剪切刚度低于气流涡旋纱。铃木和铃鹿22比较了用涡旋、环锭和转杯粘胶人造丝短纤纱针织的织物的拉伸、压缩、弯曲和扭转性能。根据手工评估得出的结论是，使用涡流纱针织的织物比转杯纱针织织物光滑得多，但不如使用环锭纱针织的织物光滑。在这项研究中，使用 KES-F 沿横列和纵行方向测试纬编针织物。结果表明，使用转杯纱针织的织物在 0.5 度和 5 度剪切角下的剪切刚度和剪切滞后高于环锭纱和涡流纱。使用环锭纱针织的织物的剪切特性值最低。Erdumlu 等。23比较了涡流纺纱与环锭纺和开放端转杯纱以及由此产生的纬编针织物。Kim 24研究了使用聚对苯二甲酸丙二醇酯 (PTT)/羊毛/莫代尔纺成的环锭纱、紧密纱和空气涡流纱的物理特性，以及用于高情感服装的所得针织面料的穿着舒适度，这些服装被定义为享受良好的成型性，舒适性，使用过程中手感柔软。据报道，空气涡流纱编织的织物手感比环锭纱或紧密纱编织的织物更粗糙。这归因于与使用环锭纱或紧密纱针织的织物相比，空气涡流针织物具有较低的延展性、压缩性以及较高的弯曲和剪切刚度。李等人。25比较了用涡流和环锭纱机织的羊毛涤纶织物的尺寸和机械性能。Erdumlu 和 Saricam 26比较了用涡流和环锭纺精梳棉纱针织的织物的垂直芯吸、吸水和干燥性能。据称，涡流纺纱和所得织物的芯吸和吸水率低于环锭纱。此外，据称纱线纺纱系统对织物的干燥时间没有显着影响。
数字图像相关 (DIC) 技术是一种非接触式光学方法，可用于仅使用两个数字图像测量位移。因此，DIC 被呈现为一种稳健、灵活且“易于应用”的位移测量技术。DIC 在结构变形评估、工程材料的机械性能以及最近在机织物的剪切和拉伸性能的评估中广泛使用。28– 30
对科学文献的回顾表明，与机织物相比，在大多数研究中针织织物的使用更占优势。本文研究了纺纱系统和纤维类型对机织物剪切行为的影响，这是一个由于其复杂性而在科学研究中被忽视的领域。还研究了通过应用 DIC 技术在斜向拉伸条件下使用环锭纱、转杯纱和涡纺纬纱编织的织物的变形。
材料与方法
纱线和织物生产
各种 29.5 tex 棉、粘胶和聚酯纱线在环锭纺、转杯纺和涡流纺系统上纺纱。聚酯纤维和粘胶纤维的细度和短纤维长度分别为 1.2 旦尼尔和 38 毫米。棉纤维的上半部平均长度为 31.5 毫米，细度为 4.2 马克隆值。棉纤维的性能用HVI9000仪器测量。棉纱使用精梳条子生产。表1显示了所用纱线的主要工艺参数。涡流纱、转杯纱和环锭纱分别在 MVS861、赐来福 SE9 和 Zinser 421 纺纱系统上生产。
使用标称宽度为 390 厘米、速度为 300 ppm 的 P7300 片梭织机。总共有 9 个平纹织物样品，19.68 tex 经纱涤纶/粘胶 (65/35%) 涡旋纱 [断裂强力：490.88(8.77%) cN，断裂伸长率：12.96(8.98%)，实际支数：20.33 tex，抗弯刚度：1.725 mN.mm 2 ] ，编织纬纱，如表2所列。灰色样品的经纬密度分别为每厘米 30 和 20 根。然后对所有样品进行去浆、擦洗和干燥。
纱线和织物性能的测量
纱线和织物的拉伸性能分别根据 ASTM-D2256 和 ASTMD-5035 使用 Zwick Tensile Tester 在 CRE 模式下测量。表2显示了纬纱的规格。根据 Nair 等人提出的方法测量纱线 - 纱线摩擦系数。31和Page和Wang，32的示意图如图3所示. 在基于该方法测量纱线-纱线摩擦力时，6 cm * 6 cm 滑动顶面在一侧连接到 220 g 重物，在另一侧连接，如图 3所示, 到拉伸试验机的上钳口。在滑动表面的 6 厘米宽度上，16 根等距的经纱相互平行放置。在下固定表面上，有效地取代了 Zwick 拉伸测试仪的下钳口，16 根等距纬纱也以 6 厘米的距离相互平行放置。此外，纬纱垂直于 16 根等距平行定位的经纱。实验以 1 mm/s 的优化速率进行。上表面的移动被限制在 60 毫米。使用KES-F2A纯弯曲试验机测量纱线的弯曲刚度。
使用 KES-F1A 仪器沿经向和纬向获得样品的剪切力 - 剪切角滞后。KES-F1A 仪器的原理有效地基于简单的剪切测试方法，如图 4 所示. 在该方法中，样品被夹在固定夹爪和活动夹爪之间。为了延迟试样在试验过程中的屈曲，如图4，法向力 ( W ) 施加在样品上。获得了沿主方向的初始剪切刚度、剪切刚度、0.5度剪切角处的剪切滞后和5度剪切角处的剪切滞后。样品的规格和性能，代码与表2相同，见表3和表4。每个样品的织物代码与纬纱代码一致。
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统计分析
采用方差分析和Tukey事后检验来研究每个独立因素的有效性，即纺纱系统、纬纱纤维类型以及纬纱纤维类型与纺纱系统的组合效应。使用 Levene 检验和选定的事后检验评估各种样本的方差相等性。如果显着性水平值 ( p值) 大于显着性水平，则方差相等是可以接受的。33等方差和不等方差分别使用 Tukey's post hoc 和 Dunnett's T3 post hoc 检验进行验证，最终确认使用 Tukey's post hoc 检验。
使用数字图像相关技术的偏置扩展测试
使用 5 厘米 * 15 厘米的样品进行斜向拉伸测试，该样品由在三个先前命名的纺纱系统上纺成的纬纱聚酯纱线编织而成。由于统计分析生动地证明了与棉或粘胶纬纱相比，涤纶纬纱对织物剪切性能的主导作用，因此仅考虑涤纶纬纱织造的织物。DIC 技术的详细信息，用于研究整个测试过程中试样的应变场，由参考文献给出。Dridi 28等。和皮尔斯29等。使用 Instron 拉伸测试仪（4485 型，500N 称重传感器）以 10 毫米/分钟的速度进行偏置延伸。由于本文的重点是研究机织物的面内剪切行为，因此仅使用二维 DIC 来使用 GOM Aramis 测量软件分析测试样品的变形。为了显示大的灰度，测试样品喷有黑色钢笔墨水。
在斜向拉伸试验中，样品的中间区域受到纯剪切，因此选择该区域进行评估。应变的增量通过每个图像上的等高线图计算和可视化。
结果和讨论
织物纬向剪切特性
织物初始剪切刚度（G-init）
表 5显示了纬纱纤维类型、纺纱系统及其对织物纬向初始剪切刚度的综合影响的 95% 置信水平 (sig. < 0.05) 的统计显着性。结果表明纬纱纤维类型对纺纱系统的影响占主导地位。这一发现与图 5(a)所示表面图中观察到的趋势一致. 表 6和表7显示了多重比较测试结果。表 6证实，与使用转杯纱或涡流纺纱机织的织物相比，环锭纺纱系统的使用导致织物初始剪切刚度的降低。虽然这一发现在 95% 的置信水平上具有统计显着性，但在 95% 的置信水平下，没有发现涡旋和转杯纺纬纱织造的织物的初始剪切刚度之间的差异具有统计学意义。表 7表明，在 95% 的置信水平下，由于使用涤纶纬纱，织物初始剪切刚度的增加在统计上是显着的。此外，没有统计学上的显着影响，正如在图 5(a), 存在于用棉纱或粘胶纱机织的织物的初始剪切刚度中。
当考虑 Grossberg 和 Park 9以及 Leaf 和 Sheta提出的方程时，可以假设织物交点处的纬纱和经纱是焊接的。11换句话说，在机织物剪切变形的初始阶段，所施加的剪切力的大小不足以引起纱线滑移。因此，在这个假设下，纱线的弯曲是唯一可能发生的变形。这表明纬纱的抗弯刚度是影响织物初始剪切刚度的主要因素。表 2证实，不仅与转杯纱和涡流纱相比，环锭纱的弯曲刚度较小，而且涤纶纱的弯曲刚度普遍高于粘胶或棉纱。抗弯刚度的最高值为 3.915 mN.mm 2，这是涤纶涡流纺纱线的。根据 Soe 等人的研究结果，34与环锭纱和转杯纱相比，涡流纱的高抗弯刚度可能是由于环锭纱和转杯纱的螺旋螺旋弹簧结构对结构施加了较低的弯曲力矩。在涡旋纱中，芯部的纤维被假定为直的，可以假定为直杆。很明显，弯曲直杆所需的力总是大于弯曲相同外周长的螺旋弹簧所需的力。图 6 表示这些纱线纺纱系统的示意图。
织物剪切刚度 (G)
表 5显示了纬纱纤维类型和纬纱纺纱系统对织物剪切刚度的影响在 95% 置信水平 (sig. < 0.05) 下的统计显着性。这一趋势与图 5(b)所示结果一致. 表 6表明，虽然环锭纬纱机织织物的剪切刚度最低，但在 95% 置信水平下，涡旋或转杯纬纱机织织物的剪切刚度在统计上没有显着差异。表 7指出在纬向用涤纶纬纱织造的织物中G的最高值，在 95% 的置信水平下，使用棉或粘胶纬纱织造的织物在统计上差异不显着。
结果似乎表明，在这个剪切变形区域，即图 2 中的BC，纱线之间的压力程度和交叉点处的纱线摩擦阻力是影响织物刚度的两个主要有效参数。如表 2所示，环锭纱通常具有最小的纱线与纱线摩擦力。0.112 的最低纱线-纱线摩擦与棉环锭纱有关。与转杯纱和涡流纱相比，环锭纱的摩擦系数较低可能是由于环锭纱的表面更均匀。与环锭纱相比，位于转杯纱外表面的带状纤维和位于涡流纱外表面的包覆纤维可以增加表面的不规则性和粗糙度。18，27，34此外，与棉和粘胶短纤纱相比，涤纶短纤纱通常具有最高的摩擦力，尽管它们的区别不是很明显。这与涤纶纬纱织造的织物在纬向比用棉和粘胶纺纱织造的织物具有更高的弹性模量是一致的。织物的弹性模量见表3。涤纶环纱、转杯纱和涡流纱机织物的弹性模量分别为 125、100 和 110.16 N/cm。
0.5 度剪切角下的织物剪切滞后
表 5显示了纬纱纺纱系统是 2HG0.5 在 95% 置信水平 (sig. < 0.05) 上唯一重要参数的影响。多重比较测试结果，如表 6和7 所示，表明在 95% 置信水平下唯一的统计显着差异是环锭纺和涡旋纺系统之间的差异。这与纬纱纤维类型和转杯纺系统形成对比，后者在纬向为 0.5 度剪切角时对剪切滞后没有显着影响。图 5(c)显示了纺丝系统在 2HG0.5 中引起的不稳定性。图2表明通常由于剪切力的增加，纱线在交点处发生滑动并一直持续到 B 点。这种复杂的剪切行为，如图 2所示，通常是由于在交叉点处纱线之间的织物紧密度和压力不同，因此在 B 点附近出现了 0.5 度的剪切角。由于纱线滑移的变化和织物的结构差异，超出 B 点的织物剪切行为很复杂。这种解释可以通过图 5(c)来验证，这表明在 0.5 度剪切角处没有观察到剪切滞后的明显或相干差异。
5 度剪切角下的织物剪切滞后
根据表 5，纬纱纤维类型和纺纱系统的影响及其组合效应在 95% 的置信水平（sig. < 0.05）上具有统计显着性。织物的剪切滞后可以定义为允许变形完全恢复到原始状态时织物剪切循环内的能量损失。因此，剪切滞后和织物的恢复之间存在反比关系。纬纱纤维类型是影响 5 度剪切角剪切滞后的主要有效参数。表 6表明与转杯纺或涡流纺系统相比，环锭纺系统导致的 2HG5 减少在 95% 的置信水平上具有统计显着性。在 95% 的置信水平下，转杯和涡流纺系统之间的差异在统计上并不显着。如表 2 所示，涤纶转杯纱和涡流纺纱的更高摩擦阻力可能是这一趋势背后的原因。表 7表明，与棉或粘胶纤维相比，聚酯纤维的使用增加了 2HG5。棉和粘胶纤维之间的差异在 95% 的置信水平上没有统计学意义。这种趋势由 5 度剪切角处的剪切滞后的表面图证实，如图所示图 5(d). 5 度剪切角的剪切滞后值较高可归因于涤纶短纤纱机织物与棉和粘胶短纤纱机织物相比具有更高的弹性模量，如表 3所示，这使织物具有更高的紧密度。
织物经向剪切特性
织物初始剪切刚度（G-init）
表8表明纬纱纤维类型以及纬纱纤维类型和纺纱系统作为单一因素的综合作用影响织物在经向的初始剪切刚度。此外，如表8所示，纬纱纺纱系统对织物经向初始剪切刚度没有影响。表 9和表10表明，虽然经向织物初始剪切刚度的增加是由于使用涤纶纬纱，在 95% 置信水平上具有统计显着性，但使用棉或粘胶纬纱在统计上不显着。图 7(a)的曲面图证实了这一点，其中显示了G-init与纱线纺纱系统和纬纱纤维类型的关系。图 7(a) 所示的行为可以首先通过纱线弯曲和纱线滑移的综合效应来证实，由于涤纶纱线的摩擦力较高，因此在交叉点处织物剪切的初始阶段发生。其次，如表3所示，由于交叉点接触长度的增加，使用高摩擦涤纶纬纱往往会增加经纱的卷曲程度。这导致在剪切织物变形循环的初始阶段期间可用经纱自由弯曲长度减少。根据 Grossberg 和 Park 9以及 Leaf 和 Sheta 11提出的方程，织物初始剪切刚度的增加与纱线自由弯曲长度成反比。这与观察到的涤纶纬纱织造织物的初始剪切刚度增加一致
织物剪切刚度 (G)
表8表明纬纱纤维类型和纺纱系统作为单一因素和纬纱纤维类型和纺纱系统作为组合因素对G的影响在95%的置信水平上是显着的。图 7(b)表明与纬纱纺纱系统相比，纬纱纤维类型对G的影响占主导地位。表 9和表10不仅指出了环锭纺和转杯纺系统对G的统计显着性，而且表明使用转杯纺纬纱倾向于增加经向G的值。然而，在 Tukey 诚实显着差异 (HSD) 测试中，纺纱系统分类包括两个定义的分类中的涡流纺纱系统，因此无法定义涡流纺纱系统的效果。涤纶纬纱的高摩擦，如表2所示，倾向于增加G与棉或粘胶纺纱相比。与粘胶或棉纬纱相比，这反过来又会导致交叉点处的纱线-纱线压力增加。这种现象因涤纶纬纱机织织物的较高弹性模量而进一步加剧
0.5 度剪切角下的织物剪切滞后
表 8显示了纬纱纤维类型对 0.5 度剪切角的剪切滞后影响的统计显着性。表10表明，与涤纶或粘胶纬纱相比，纬纱棉纱的经向2HG0.5降低。图 7(c) 显示了与使用涤纶或粘胶纬纱相比，由于使用棉纬纱导致纬纱纺纱不稳定以及 2HG0.5 降低的影响。
5 度剪切角下的织物剪切滞后
表 8表明纬纱纤维类型和混纺系统-纤维类型的影响在 95% 的置信水平上具有统计显着性。此外，表 9和表10不仅指出了环锭纺纱和转杯纬纱之间差异的统计显着性，还说明了纬纱棉纱与粘胶或涤纶纬纱相比在 5 度剪切角下剪切滞后的降低纱线。这种现象在图 7(d) 中或多或少清晰，其中显示了纬纱纤维类型和纺纱系统对 5 度剪切角的剪切滞后的影响。正如 Lu 和 Hu 报道的，剪切刚度和剪切滞后这两个参数之间存在高度相关性，35指出影响这两个参数的机制的相似性。由于织物剪切刚度主要受纱线-纱线摩擦力的影响，因此剪切滞后也必须受纱线-纱线摩擦力的控制。纱线-纱线摩擦在整个织物剪切周期中有效存在。结果同时表明，在分别用转杯纺纬纱和棉纬纱织造的织物中，剪切刚度和剪切滞后在 5 度剪切角处呈倒数。G和2HG5之间的相关系数为0.883，证实了上述解释。
数字图像相关结果
图 8使用 DIC 技术显示了涤纶纬纱纺丝系统对机织物在斜向拉伸中的力 - 应变性能的影响。结果基于对发生纯剪切变形的样品中心区域的评估。图 9显示了在各种纺纱系统上纺出的涤纶纬纱编织的织物之间的差异。这与用环锭纺纬纱机织织物的实验结果一致，其初始剪切刚度和剪切刚度最小。与偏置扩展测试结果兼容的 DIC 技术结果如图 8所示. 图 9图 1 显示了样品在 5、10 和 20 N 时的 DIC 轮廓应变。 DIC 轮廓应变清楚地说明了用纬向涤纶环锭纱织造的织物与用转杯纱和涡流纺纱织造的织物之间的差异。当样品经受偏置延伸时，结果与不同的纱线滑移模式兼容。此外，在所有图像中，可以观察到通常与偏置延伸测试相关的三个不同剪切区域的清晰迹象
结论
评估了用棉、粘胶和涤纶纬纱在环锭纺、转杯纺和涡流纺系统上纺成的织物的剪切特性。检查了纬纱纤维类型和纺纱系统对机织物在纬向和经向剪切特性的有效性。发现与使用转杯或涡流纺纬纱在纬向编织的织物相比，使用环锭纺纬纱编织的织物具有最低的剪切刚度值和初始剪切刚度值。还指出，一般而言，涡流或转杯纺系统对织物剪切刚度和初始剪切刚度的影响在统计上并不显着。纬向初始剪切刚度的最低和最高值分别为 3.11m 和 6.70 N/cm。发现这些分别与用环锭粘胶纬纱和涡旋涤纶纬纱编织的样品有关。发现纬纱的纺纱系统是在 0.5 度剪切角、95% 置信水平下影响剪切滞后的唯一参数。此外，这两个参数，即纬纱的纤维类型和纺纱系统，在 5 度剪切角时对剪切滞后有显着影响。发现在 5 度剪切角下剪切滞后的最低和最高值分别为 4.74 和 8.57 cN/cm。这些分别与棉和粘胶环锭纱和涤纶转杯纱机织物有关。然而，虽然发现纬纱纤维类型对经向织物剪切特性的影响在统计上是显着的，发现纬纱纺纱系统对织物初始剪切刚度和经向剪切角为 0.5 度和 5 度时的剪切滞后没有显着影响。得出的结论是，DIC 技术 DIC 是一种成功的工具，通过它可以确定用不同纬纱织成的织物的剪切特性差异。
此外，发现针织物的剪切特性的最低值与环锭纺机织物相关的趋势相同。最重要的是要认识到在针织物的剪切行为领域没有进行任何基础研究。
最终发现，在服装制造过程中，考虑到剪切特性对剪裁性和成型性的影响，使用棉或粘胶环锭纺纱是有利的。在机织织物的工程设计过程中，考虑经纬纱规格之间的相互作用至关重要。
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