（纺织工程专业论文）基于结构特性的机织物计算机仿真模拟[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 y9 3 0 2 0 s 缩短产品的设计周期，提高产品的设计质量，已经成为纺织新面科丌发的目标， 计算机辅助设计( c a d ) 技术在纺织领域的应用，成为实现这目标的首选工具。 所以，能否达到真实、逼真的模拟织物外观和图案的效果，成为衡量织物c a d 是 否具有实用价值的标准。 为了这样一个理念，本文存首先回顾已有软件的模型和数学方法的基础上，从 机织物本身入于，首先对大量的机织物进行切片实验，观察纱线在机织物中的真实 截面形态，并使用精密的测量仪器测得数据，结合织物的工艺参数，分析了结构相 对织物的影响及对生产的指导意义；获得切片的显微镜照片后，发现了纱线在机织 物中的截面形态的多样性，在前人的基础上提出了纱线截面形态的新观点并建立了 纱线截面的形态区域理沦。本文认为，纱线在机织物巾的截面形态小能用统一的形 状去定论，并且对卡其类织物，更不适合_ l 规则的几何形状去描述，应该利用不同 的模型对这些截而分门别类，分别对待，而不足概而论。这些新的观点和理论不 但能够方便的概述同浮长线卜- 多个组织点挤紧、压缩、相互支撑的现象，而且对织 物外观仿真模拟处理纱线截面形态时提供了更简单的模型；在此基础上，本文利用 纱线截面形态的新观点建立了用于平纹织物仿真模拟的纱线走向的数学模型，计算 了模型分段中的x 、y 坐标。 本文选用面向对象的程序 发语言d e l p h i 丌发了【z j 以模拟简中机织物外观效 果的软件，为了使模拟的织物图像效果逼真，采用了简币光反射模型，使织物图像 具有表面凹n 、明显阴影变化的效果，而且系统具有良好的人机交瓦界面，使操作 者使用方便。 利用计算机程序语言开发在汁算机二维显不屏上模拟织物的维寺体效果，已 经成为当前开发相关软件的一大目标，本文为r 弥补所丌发软件在这方面的不足， 最后，使用计算机绘图上具a u f o c a d ，采用小同的纱线截血形状及结构相制作了大 量的小提花机织物的几1 j 模型，i j 样可以达到显示三维立体效果的f 1 标，并利用 a u t o c a d 本身的功能可以从小同角度规察纱线在织物巾的空间几f u j 配合天系，收到 了良好的效果。 关键词：机织物c a d 、切片、纱线截面形念、形态区域、光照模犁、结构模型 第1 章绪论 的过程。其基本原理是根据经纱和纬纱密度分别在计算机屏幕的作图区的垂直和水 平方向上铺上相对应的经、纬纱线，经、纬纱交错的地方按照组织点的属性判定是 经纱还是纬纱，从而显示经纬组织点1 1 ”。这种模拟方法只从纯数学的角度出发，把 织物组织、经纬纱密度、纱线的排列等影响因素数字化，所以显示的模拟图就是直 线与直线的交叉平铺，看到的组织点外观是个个矩形色块，没有屈蓝，更没有质 感，而且这种模拟只能勉强显示经纬纱异色的情形，对于素色织物，模拟的效果只 是一片网格或矩形块的铺展，而且模拟的织物组织范围极其有限。 1 3 2 基于数学方法的纱线仿真 1 3 2 1 纱线的几何建模 对纱线进行建模的传统方法是用图形的方式对纱线进行参数化设计从而达到模 拟纱线的目的，设计思想是用一组循环排列的倾斜放置的矩形色块来表示纱线，每个 具有色彩的小矩形即代表纱线每个单元块的仿真模型，如图1 2 所示。这种方法简单 明了，在理论研究上很有意义，但在实际软件开发过程中，由于缺乏纱线模拟的真实 性和程序实现的方便性，所以在2 0 0 2 年1 2 月，杭州电子工、陋学院的马云芳、王小华在 进行纱线的计算机模拟时采用了擦去四个角的平行四边形来模拟纱线的方法 1 5 】，其纱 线的单元块模型如图1 | 3 所示，这种方法在考虑纱线捻度的基础上增强了纱线的凹凸 感，为织物模拟奠定了良好的基础。 a 氏拗 第l 章绪论 数在系统运行时取随机数。 2 0 0 3 年2 月华中科技大学的邓中明和武汉科技大学的吕红梅合作采用上述两种 方法的智能结合模拟纱线”，对有规律的股线或段染纱用数字化描述，而对于花式 纱线中的装饰如线结、彩点、毛羽等用图像或随机规律表达，这样易于形象逼真的 表示各种特殊纱线的效果。计算机可以根据纱线的形状判断并转化成纱线参数( 如 号数、捻度、色泽、捻向等) ，且可以将设计完成的纱线存入纱线库，以备后期织 物模拟时调用。 1 3 2 3 通过纱线外观的统计特性模拟纱线 我们知道当光线照到纱线表面上时，纱线的颜色或明暗程度由于其形态( 弯曲、 不光滑) 及光源的照射角度的不同呈不对称分布。浙江工程学院的施国生和梁道雷 认为，如果把纱线外形看成圆柱形，则纱线的颜色变化表现为具有统计规律的随机 特性，并丁2 0 0 4 年4 月提出了用随机过程的马氏链模型建立纱线模型的方案【3 1 ，并 在织物模拟时取得了一定的效果，且在纱线的模拟技术上丌辟了又一条新思路。 1 3 2 4 纱线的三维建模( 结合物理方法) 在绝大多数的枫织物c a d 系统的织物外观模拟功能中，基本都提供了纱线的 设计功能，但基本上都是二维造型的，而且是单纱。2 0 0 2 年4 月5 月天津工、眦大 学的郑天勇博士致力于更加真实地反映纱线在织物中的空间状态的研究，运用数学 和物理结合的方法建立了纱线和股线的三维模型1 4 】【1 9 】。其研究理论是，利用n u r b s 曲线构造纱线的表面，采用纹理映射4 均方法反映纱线表商的粗糙度和捻度，得到 的织物模拟图像具有高低起伏的凹凸感和阴影效果，并改变了过去模拟图像中纱线 的单调和光滑的局面。这些模型的建立使织物模拟技术更进了一步，并使织物模拟 技术上升到了三维模拟的阶段。 i 3 2 5 基于纱线仿真的织物模拟技术分析 经过研究人员的不断摸索，建立了很多基于纱线仿真的织物外观模拟的模型， 其中较突出的方法如表1 1 所示。每种方法都使纱线的模拟技术逐步完善，同时也 拓宽了织物模拟的思路。 ( 表1 1 见下一页) 一d 一 第1 章绪论 在对纱线进行计算机仿真时考虑了纱线的外观( 包括捻度、毛羽、纹理、颜色 等) 、表面粗糙度、光照等诸方面的影响因素，但由于计算机技术与纺织的结合还 存在瓶颈，在定程度上制约了两者智能化结合的发展。而且，纱线模拟时所建立 的模型仍然与实际的纱线结构存在差距，使纱线的模拟仍然在探索当中。 1 3 3 数学和物理方法相结合的织物模拟 1 3 3 1 纱线的三维建模( 见1 3 2 4 ) 1 3 3 2 考虑织物几何结构对织物进行模拟 除了色彩属性，织物的外观和性能主要由织物的原料及几何结构决定。若假 x 第1 章绪论 体造型、光照模型，扦创了以考虑纱线在织物中的几何形态为线索的织物模拟方法， 并且到目前为止，这种以研究织物几何结构为基础，数学和物理方法相结合的织物 模拟方案是织物外观模拟技术方谣达到的最好效果，它不但能解决上述方法中的问 题，还可用于多层、多重织物及复杂织物的模拟。 ，二二二 型 l 1 韬。0 巡黜盂骞9 图1 4 浮长线唧凸成因示意图图1 5 浮长线拉拢和分离规律示意图 然而，在模型的建立之前假定织物原料相同，但我们知道，纱线在织物中因组 织结构的不同要受到各种力的作用，且纱线的表面由于受力表现成曲面，这个弯曲 的程度和大小又与多方面的因素有关，如表面有明显凹凸效应的蜂巢组织25 1 。所以， 用普遍性的规律，基于同一个模型，模拟出的织物外观效果还是不能与实际纱线的 弯曲和捻乒l 严格对等，新的理论和方法还有待开发。 1 3 4 织物应用效果模拟技术 上述对织物的模拟是从织物本身考虑，展示了其实际的表面外观图案和花纹 而织物设计的最终用途是要与实际环境和实际对象结合的，所以为了展示设计出的 织物的质感、悬垂性、运动、织纹、光泽等在不同用途下表现出的特征，就引出了 织物应用效果模拟技术，1 9 8 6 年w e 订使用悬链线法模拟出下垂的布，之后，使 得织物的真实感仿真和动画模拟成为计算机图形学的一个热点，吸引了众多学者对 此开展了深入研究。 这种对织物的仿真模拟，思想是将设计好的织物穿到人体或模特身卜，或贴到 沙发、桌子等不同形状的静物上，或将多种实物组合即整间房间中织物的实物效果， 观察其褶皱、变形及织物特有的柔性。织物的这些特征是区别于其他具有相似几何 形态的物体( 如颦料、橡胶膜、纸张等) 的，所以将模拟出的织物实用化，也是织 物模拟技术的发展趋势。2 0 0 1 年1 2 月，中山大学的高成英、刘宁、罗笑南合作， 提出了基于数学和物理结合的方法【”，解决曲面织物真实感模拟、动念仿真等问题， 第】章绪论 增强了织物模拟三维效果的应用价值；2 0 0 3 年1 1 月，浙江大学的朱华健和张森林 利用o p e n g l 技术 6 加入了物理环境对织物模拟的影响，考虑光照、观察角度等 因素，进行织物模拟三维效果的实现。 有的学者认为这项技术不能归属到织物模拟技术当中，但我们认为织物模拟技 术的实用性及其未来的发展趋势恰恰体现在此。在这方面，国内外已有很多纺织技 术及计算机研究人员进行了探索和研究8 】 1 7 】【2 6 【2 7 脚】【2 9 】。 1 。4 机织物外观模拟技术的原理 织物模拟技术是以织物组织设计为基础，从对形成织物的纱线分析及纱线设计 入手，将各种影响织物外观效果的主要的因素( 如纱线的细度、纱线在织物中的屈 曲变形、织物的密度、环境因素等) 数字化、模型化，采用纯数学的方法或数学与 物理结合的方法显示织物，从而达到实现织物的实物模拟，模拟生成的织物样品最 终还可应用于织物的悬垂、褶皱、运动的模拟，以及实物的场景模拟。 综合织物模拟技术的发展和现有的机织物模拟方法，我们可以将机织物外观模 拟技术的本质原理分为两类：纯数学的方法；数学与物理相结合的方法。纯数 学的方法是指在进行纱线设计时把纱线与数学模型联系起来，如纱线的图像描述、 纱线的统计特性分析、采用样条曲线表示纱线等，从而求出纱线上的各种参数，达 到纱线模拟的目的；数学与物理相结合的方法是指在实现织物模拟时，除了运用数 学手段显示织物外，在织物的光泽和褶皱的模拟上加上光照模型，使织物模拟更接 近实物。 从织物模拟技术的发展历史来看，机织物外观模拟主要经历了i 个阶段：纱线 模拟、织物模拟和织物应用效果的模拟，而每个阶段运用的方法也经历了从纯数学 的方法向数学与物理相结合的方法的过渡，所实现的模拟效果也从二维提升到i 维。其内在的逻辑联系如图1 6 ( 见下一页) 。 纯数学的方法主要应用在纱线的设计上，也应用在织物模拟的仞级阶段如对 纱线的几何建模、对纱线的图像及数字化描述、对纱线的统计特性分析以及织物模 拟的二维阶段，这些方法采用不同的数学手段力求得到逼真的纱线外观模型；采用 7 第l 章绪论 数学与物理相结合的方法主要应用在织物的生成及织物的应用效果的模拟上，由于 采用了物理手段，在织物形成时加入了场景的设计，使采用几何曲线形成织物曲面 与光照模型相结合，把织物模拟的外观效果提升到三维阶段，织物的应用效果模拟 技术也从单的实物效果模拟上升为多种实物组合的模拟。 纯数学法数学和物理结合法 图1 6 织物模拟技术各阶段之间的逻辑关系 1 5 机织物外观模拟技术存在的问题及未来的发展方向 1 5 1 机织物外观模拟技术存在的问题 经过以上我们对现有机织物外观模拟技术的实现原理、所使用的模型、方法及 在此基础上开发的系统或软件的分析，我们发现，无论采用数学方法，还是数学与 物理相结合的方法进行织物的模拟，都有其优点和缺点。尽管该技术在不断的成熟 和进步，但仍然仔在一些有待解决的问题： 没有充分利用计算机技术体现组成织物的纱线在材质上的特殊性： 使用物理方法时，光照模型的选取过于单一； 使用普遍性的模型模拟织物这个千变万化的物体。 1 5 2 机织物外观模拟技术未来发展的重点和方向 如同前述，织物模拟技术经历了一个研究人员不断摸索的漫k 经历，但由于在 实现外观模拟时仍然存在上述的不足，所以决定了它今后的研究重点和发展方向 ( 女图1 7 所示) 。 第1 章绪论 ，一一l 恰当的梗型 图1 ，7 织物模拟的重点、难点及未来发展趋势分析图 1 5 2 1 纱线设计是否能体现材料的质感 基于纱线设计及纱线实体造型技术的织物模拟，在定程度上推动了织物模拟 技术的发展，但织物模拟是有别于与之具有相似形态的其他物体的，所以如何在纱 线设计时就体现其材质的独特性，将成为研究人员着手于提高织物模拟效果的一个 切入点。 1 5 2 2 有针对性的设计 考虑织物的几何结构，利用浮长线对纱线的作用对织物进行的模拟虽已达到了 目前认为的织物模拟的最好效果，但由于几何模型的建立是有假定条件的，而纱线 的截面形态在织物巾究竟具体是怎样的形状，与多种因素有关，所以针对不同织物， 采用与之相对应的不同几何模型结构来提高织物外观模拟效果将是今后研究的方 向之一。 1 5 2 3 织物模拟应用效果显示 用没计得到的织物模拟人体穿着效果，或模拟窗帘、床上用品、桌布等室内布 置的装饰效果，已达到织物模拟的实用价值，这项技术成为织物模拟技术的研究重 点和难点，也是未来织物模拟技术研究的热点。 1 5 2 4 与网络技术结合达到织物设计的快速反应 织物模拟技术是织物c a d 中一项必不可缺的内容，它的进步同时影响着织物 c a d 技术的发展。由于i n t e m e t 、p d m 、e - b u s i n e s s 和网络数据库等新技术的飞速 发展，为纺织品设计注入了更新的理念，近期出现了网络版织物组织c a d 系统【9 】 和基于网络的纺织品计算机辅助设计( f n a d ) ，支持动态建模和产品性能设计， 实现远程面料、服装及其仿真模拟的设计，以期实现全球化的设汁生产系统。如果 o j ，譬节罨 第l 章绪论 表1 2 机织物按原料、织物组织、布面风格的简单分类 1 6 2 利用切片实验实测纱线在不同织物中的截面形态 织物足个窄间中的三维实体，经纬纱在形成织物时由于互相作用( 交纵) 而 成为波浪形态，即屈曲形态，经纬纱之间屈曲程度的不同配置会显示出不同的结构 特7 l f ，使它们的表面并不是光滑如平面的，有凸起也有下凹，这种【兀i 起和下凹也是 形成织物纹理的原因之一。在此通过研究织物中纱线的截面形态，试图在计算机的 二维显示屏幕卜表现织物的这种外观效果。 关于纱线在织物巾的截面形态，2 0 年来对此已有多种论点 2 【3 6 】：f r e d r i c kt o m a s p i o r c e 主张以圆形或椭圆形描述，a k e m p 主张跑道形截面，h e a r l e 和s h a n a n a n 提 出凸透镜形截而，还有人提出了碗形截面。各截面形状如图1 8 所示。 据有些资料提供【5 3 】，埘本色棉布和部分毛织物切片观测，提出织物中的单独浮 1 1 第1 章绪论 感滑糯，秋冬季毛织物要求厚实保暖，而棉织物用作内衣面料时更多地考虑舒适性， 有时也织的厚实而粗糙，但强力要求较高，如帆布。从光学角度讲，织物糊糙度不 同，或是否要在建立光照模型时考虑粗糙度，是因为织物的应用场合、纱线细度、 织造工艺、组织结构等因素有关。粗糙织物的表面与光线的作用大多数考虑为漫反 射，从视觉角度讲，观察到的织物表面上的光亮度几乎相同，这也是我们通常看到 毛织物和棉织物光泽度要比丝织物的光泽度柔和的主要原因，而对于丝织物，由于 其本身材质决定，会在相对于光线直射的区域表现出高_ ) 匕区域或强光区域，是因为 对于它光滑的表面考虑更多的是镜面反射，所以丝织物在强光的照射下显得光彩夺 目。 以上四点就是本课题基于机织物外观模拟技术的原理计划解决的问题。 第2 章机织物切片的制作 2 机织物切片的制作 2 1 织物切片技术及织物切片的目的 2 1 1 织物切片技术 织物切片技术源于对织物结构的研究，2 0 世纪3 0 年代，f t 皮尔斯、h r 诺维可夫、a k e m d 、并木觉等学者从纱线在织物内的形态出发，根据几何关系分 析几何结构，并进行了必要的计算。一直到8 0 年代末，才又有学者进行了这方面 的研究5 引。在这方面展开研究的前提就是要对大量的织物进行切片观测。 织物切片技术包括对织物进行着色、包埋、切片、粘片、观测等操作( 以后分 节详细介绍) ，有的切片还要对样布进行脱水、置换等，不论采用什么方法，每一 步骤都决定着切片的质量，在着色剂、包埋剂、粘片剂的选择以及每一步的开展都 要操作谨慎。这样j 可能得到优质的切片，为后续从织物切片中观测和计算纱线的 几何结构和形态埋下伏笔。 2 1 2 织物切片的目的 织物结构在原料一定的条件下，主要内含织物的几何结构。经纬纱线在织物中 相互交错与配置的空间形态称为织物的几何结构4 ”。机织物的几何结构状态，包括 经纬纱的交织规律、经纬纱的截面积大小和形态、经纬纱的密度和其轴心线的屈曲 形态等。 织物的外观和织物的性能，主要由织物的原料和其几何结构所决定，通俗的讲， “原料是根据，结构是基础，结构决定性能”，所以，对于织物的设计和生产，研 究织物的结构是很重要的。 在实际织物中，纱线是可以发生伸长和挤压变形的 44 1 ，从而影响到织物的几何 结构，纱线的变形取决于纤维原料和纱线结构。存织物中的这种微妙而隐性的变化 从织物的表面是难以识别的，我们必须找到一种能够从织物的内部分析纱线在织物 1s 第2 章机织物切片的制作 中变形形态的研究方法，这项工作就是对织物进行切片，从纱线的截面结构与形态 分析纱线的变形，从而找到纱线的几何截面形态与织物外观的关系，并用这些结论 来指导机织物仿真模拟，使这样的仿真模拟真正从实际出发，有针对性的设计织物， 更具有力的数据和说服力。 所以，检查织物的几何结构形态对机织物的仿真模拟有着至关重要的作用。 2 2 切片 切片是用锋利的刀片，将材料切成符合实验目的和要求的厚度的操作。机织物切 片是指利用锋利的刀片对经过着色和包埋处理的织物进行的切割操作。对织物进行切 片时刀片必须沿着经向或纬向纱线的轴心线，保证得到的纱线的截面是沿纱线直径方 向的。机织物切片分为经向切片和纬向切片两种，用于观测织物中经纬纱线的变形形 态和截面形状，便于计算纱线的相关参数，并指导织物的设计。 根据切片的厚度，切片有以下三种类型： 厚切片：5 微米以上。如石蜡切片、滑走切片； 半薄切片：o 5 2 微米，如g m a 切片； 超薄切片：4 0 1 0 0 纳米，如电镜切片。 机织物切片属于第一种类型厚切片，但由于组成织物的纱线因织物工艺参数的 不同要求和千差万别的配置，纱线的支数各不相同，所以，机织物的切片也因此而 厚度不一，纱支越高的机织物切片厚度越小，反之，厚度越大。般而言，切片越 薄，可能达到的分辨率越高，观察的效果越清晰，但越薄的切片越难得到，制片方 法越精密，操作要求越苛刻，相对应的着色剂、包埋剂和粘片剂的选择也更加严格。 2 3 包埋、包埋剂及常见的包埋方法 2 3 1 包埋与包埋剂 包埋是使包埋剂- j 材料固化为一体并便于将材料切成适当薄的切片的一种操 作方法。对织物进行切片前，首先要对织物进行包埋处理，以此固定织物的结构状 第2 章机织物切片的制作 态，防止切片时织物内的纱线发生松散。 包埋剂是为了便于织物切片和显微观测，用来固定织物中纱线相对位置而使用 的胶水或蜡质材料。所以包埋剂主要有两个基本作用，一是固定织物中的纱线位置， 二是为织物切片和织物几何结构的观测提供良好条件。包埋剂的选择直接决定了切 片能否顺利进行，使用何种包埋剂决定了后续选择相应的切片方式，并决定了切片 的其他试剂及操作过程。所以，包埋剂对切片的成功起着决定性作用。对包埋剂有以下四个方面的基本要求： 对织物中的纱线和纤维不产生化学的或物理的影响，或这种影响小到可以忽略不计； 凝固时给织物带来的体积变化微乎其微：凝固后的硬度适中，便于切片操作； 透明度好，即包埋剂包埋后的织物仍然可以看清纹路，利于进行切片。 常用于织物切片的包埋剂有石蜡、火棉胶、甲基丙烯酸甲酯共聚物以及某些树 应适当的包埋剂对织物进行包埋。 2 3 2 常见的包埋方法 因为包埋剂在制片中起着举足轻重的作用，所以包埋方法和切片方法通常以包 胶包埋法、树脂材料包埋法、石蜡包埋法等，还有如医学上常用的gma包埋法、 b m m 包埋法、环氧树脂包埋法等4 5 删。包埋方法的选择要与切片的要求严格对应 起来，即包埋剂的确定同时也确定了切片的操作方式和方法。 2 4 着色剂的选择 织物在包埋前应首先着色( 坯织物、漂白织物以及色泽很浅的成品织物均需着 色) 。着色的目的是提高织物切片中经、纬纱截面和纱线与包埋剂之间的反差，使 两个系统的纱线在显微观测中显现m 足够强的色筹，便于分辨各系统的纱线。 1 7 第2 章机织物切片的制作 为了避免包埋剂沾色或与包埋剂发生化学发应，并保持包埋剂的透明性能，一 般应等待着色剂干燥之后再对织物进行上胶包埋操作。由于纺织纤维遇水均有物理 变化，所以不采用水溶性的着色剂。本实验中采用亚甲基兰的无水酒精溶液作为着 色剂，它能使棉织物着色之后变形在1 左右，而使用水溶性着色剂会使织物的变 形在3 左右，影响了纱线在织物中的真实几何形态的研究。亚甲基兰无水酒精溶 液基本适用于各种原料织制的纺织品及其混纺织物。 2 5 粘片与粘片剂 粘片是把完好的剀片用适当的粘片剂粘贴在贴有标识的载玻片上，使切片在以 后的处理过程中不会从载玻片上脱落。粘片在切片过程中起着节点的作用，在一定 意义上讲，粘片的成功决定了整个切片过程的最终完成。因为切片微小，所以在使 用镊子捏取切片时用力要恰到好处，既不能大到因压力使切片变形，也不能微弱到 捏不住切片，这个捏取的具体力度要身体力行，通过多次实践才能掌握。 粘片剂一股选用普通胶水或火棉胶，使用时一般先用刷子蘸取少量粘片剂并在 载玻片上涂覆一层粘膜，这样，可以直接将镊子中的切片放置在适当位置。最好不 使用将镊子中的切片直接蘸取粘片剂的方法，以免粘片剂过多使切片吸收粘片剂膨 胀变形以及给切片的显微观测造成困难，或粘片剂过少导致切片粘贴不稳固而造成 切片滑脱的现象。 2 6 机织物切片方案的设计 切片方案以包埋剂命名( 2 3 2 ) ，本实验按照包埋剂的不同设计了四种切片方 案，分别是普通胶水切片法、树脂材料切片法、火棉胶切片法和石蜡切片法。在这 四种方案中又涉及到切片方法的选择，即徒手切片或使用切片仪切片，根据切片对 象的不同选择相应的方法，并在各自方案的实验仪器中给以详细说明。 2 6 1 方案l 普通胶水切片法 实验仪器及材料 第2 章机织物切片的制作 景5 0 m 1 ) 、普通物理显微镜、水浴锅、钥匙、天平、称量纸、滴管、机织物( 不同 组织) 样布若干块 实验试剂 a ，包埋剂的配料、用量及各种药品的规格： 模塑粉：工业品 丙酮：分析纯，天津市瑞京特化学品有限公司 乙醇：分析纯，分析纯，天津市四通化工厂 三氯甲烷( 氯仿) ：分析纯，天津市四通化工厂 邻苯二甲酸二丁j 酯：分析纯，天津市瑞京特化学品有限公司 b 着色剂、粘片剂( 同方案i ) c 药品的用量 模塑粉：3 9 一6 9 丙酮：3 0 一3 5 m 1乙醇：8 m l 邻苯二甲酸二丁酯：3 5 m 1 三氯甲烷( 氯仿) ：1 2 1 5 m 1 切片方式 徒手切片 实验步骤( 同方案i ) 方案特点 调配包埋剂是该方案的难点也是重点，所以这个环节一定要谨慎。 该方案有以下特点： a 由于包埋剂的各试剂有控制粘度、柔性和硬度的功能，所以在调配时可以视 情况灼量增减，灵活性较强； b 包埋剂粘度、柔性和硬度适当的情况下切片完整、纱线形态完好： c 包埋后对织物的体积影响较小( 小于2 ，见2 7 ) ，得到的切片真实可靠： d 树脂材料略显桃粉色，故包埋剂不完全透明，但不影响包埋后的纱线的清晰 程度。 注意市项 包埋剂要在6 0 。c 的恒温水浴中配制( 温度的不适当会影u 向包埋剂的粘性) 。 ，n 第2 章机织物切片的制作 包埋剂的配置顺序是在模塑粉中加入三氯甲烷，调匀溶解，这时模塑粉处于凝 结状态，再加入丙酮，用玻璃棒充分搅拌，依次加入乙醇和苯二甲酸二丁酯。其中， 丙酮和模塑粉的多少决定了包埋剂的浓度和硬度，丙酮同时是稀释剂，苯二甲酸二 丁酯是柔性剂，乙醇是调节包埋剂脆性的试剂，乙醇的量要适当，否则容易使涂层 产生裂纹，影响切片质量。 2 6 3 方案i | i 火棉胶切片法 实验仪器及材料 双面刀片、有机玻璃尺、载玻片、排刷、表面皿、眼罩( 5 x 或7 x ) 、标识卡、 玻璃板( 4 0 c m + 3 0 c m ) 、平口不锈钢镊予、烧杯( 容量1 0 0 m 1 ) 、普通物理显微镜、 滴管、机织物( 不同组织) 样布若干块 实验试剂 包埋剂：火棉胶( g e u o i d i n ，三硝基纤维素的商品名，是由浓硝酸和浓硫酸作 用丁脱脂棉而成，易溶于酒精及乙醚的等量混合液体中，也可溶于丙酮及丁香油等； 分析纯，天津市化学试剂第二厂) 着色剂、粘片剂( 同方案i ) 切片方式 徒手切片 实验步骤( 同方案1 ) 方案特点 a 火棉胶做织物包埋剂干燥后硬度大于普通胶水，得到的切片较完整，包埋剂 透明度好，包埋后布面清晰； b 火棉胶作包埋剂得到的样布硬而脆、易切割，但若走到不迅速容易中途断裂； c 火棉胶中含有大量的浓酸成分，所以对棉纤维的影响较大，切片形态易失真， 难以控制。 注意事项 涂覆包埋剂后要让前i 样白然_ _ 燥，不得风干，否则增加了包埋后的脆性，使织 ，l 一 第2 章机织物切片的制作 物高度卷曲，给切片和粘片都带来困难。 2 ，6 4 方案i v 石蜡切片法 实验仪器及材料 手摇式切片仪、有机玻璃尺、载玻片、排刷、表面皿、眼罩( 5 x 或7 x ) 、标 识卡、玻璃板( 4 0 锄t 3 0 c n l ) 、平口不锈钢镊子、烧杯( 容量1 0 0 m 1 ) 、锥形瓶( 容 量5 0 m 1 ) 、普通物理显微镜、滴管、酒精灯、石蜡模具、机织物( 不同组织) 样布 若t 块 实验试剂 包埋剂：石蜡( 熔点为5 9 0 c 6 1o c ) 、火棉胶 脱水剂：无水酒精、酒精( 5 0 、7 5 ) 、乙醚 着色剂：亚甲基兰无水酒精溶液 粘片剂：蛋白甘油 脱蜡剂：二j 甲苯 切片方式 使用专用手摇式切片仪切片( 切片的厚度范围：1 1 0 0 u m ) 实验步骤 取样脱水干燥浸蜡固化包埋( 溶解石蜡并注模) 固化 切片脱蜡展片着色显微观测拍片 方案特点 石蜡切片是目前各种切片制作方法中最普遍应用的一种方法。衡量优质石蜡切 片的的标准足切片要平整、无刀口、无划痕、无皱褶，着色鲜明、清晰，蓝白对照 明显。 石蜡切片的缺点是程序较多，步骤复杂，无论哪个环节出现问题，都会影响切 片整体质量，但石蜡切片却有很多其他方案替代不了的优越性，如下所列： a 切i 的厚度小、精度高、可以避免人为的操作误差； b 可以连续制片，所以多次切片保证了切片当中有沿纱线卣径的优质切片。 一2 2 第2 章机织物切片的制作 注意事项 石蜡的选择是有要求的，选用5 9 。c 6 l 。c 的高熔点石蜡包埋织物( 高熔点石 蜡能使包埋后的蜡块坚固，切片时利于织物与石蜡一同卷曲) 。切片时蜡块四周要 平整，被包埋织物四周要留有余蜡，上、卜 各留3 m m ，左右两边各留2 m m ，使切 片完整。 2 7 各种切片方案比较 2 7 1 各方案包埋剂对织物体积影响的比较 织物上胶包埋后，其体积变形在3 以内，则认为包埋剂对织物的变形产生的 影响可以忽略不计。 取三种织物的小样，对每块小样的原面积和原厚度取1 0 次测量值，并求算术 平均数，再对它们着色和上胶包埋后的面积和厚度取l o 次测量值，求算术平均数， 用两种值求得体积并求变化后的体积与包埋前的体积之比的数值，得到体积变化百 分数，用此衡量包埋剂对切片的实验样品体积的影响是否符合要求。 表2 1 是对前三种切片方案中的包埋剂包埋后织物体积变化的比较，从表中可 以看出，树脂材料配置的包埋剂对织物的体积影响最小，在1 5 左右。 表2 1织物包埋后的体积变化表 第2 章机织物切片的制作 从2 6 和2 7 可以分析出，在四种切片方案中，方案i i 和方案i v 的制片方法和 所得到的切片较理想，方法较可取，成为实验采用的方案。 2 7 2 各种切片方案的特点 经过切片试验的比较，我们发现四种方案各有特点，但根据实验的实际要求和 现有条件，本课题选用了方案儿作为获得机织物截面形态的最终手段。 普通胶水透明度好，方法简单，但因浓度和硬度偏低包埋不彻底，切片时容 易使纱线分叉； 由于火棉胶化学成分的影响，包埋会引起棉织物较大的体积变形，包埋后还 容易皱缩，极易挥发，且包埋剂干燥后脆度和硬度都很大，所以切片时纱线易产生 裂痕； 石蜡切片法虽然精度较高，但：r 序繁琐，所需药品较多，常用在医学和生物 学上，不是纺织实验室常选的方法。 树脂切片法，药品配方简单，包埋后对织物的体积影响微乎其微，切片时硬 度和柔韧性均适中，成为本实验获得纱线在织物中的形态所选择的主要方法。 2 8 切片操作的注意事项 本篇涉及到的切片多数是徒手切片方式，人为因素较多，经过对多种样品的实 际操作实践，提出一些规范操作方法及注意事项，作为参考。 2 8 1 有关刀片及走刀方式 ，j 片最好选择单而刀片； 刀片必须锋利，刀片垂直丁布面，尺子平行并紧贴布面，所以切片时尺子、 布血和刀片之削是两两垂直关系，切片时一次性走刀，不可拉锯式移动，以免纱线 披裂； 切片时应沿同一根纱线的直径方向走刀，保证经向切片的经纱是完整的，纬 柚切片的纬纱是完整的。 4 第2 章机织物切片的制作 2 & 2 上胶包埋的要点 先着色，后包埋的原因，着色剂被样布吸收渗透：先包埋，后着色，着色剂 4 i 易被样布吸收、渗透，且包埋剂容易将着色剂析出( 见附录的实物) ，严重影响 切片及其观测： 包埋剂配好后，降至3 0 c ，应立即涂覆至样布上，若包埋剂放置过久，挥发 使浓度、粘度增大，包埋后的样布对刀片的阻力越大，下燥后的柔韧性大于硬度， 使切片难度增大； 若配好的包埋剂要- 次使用，使用前应根据经验填加适量的丙酮和无水乙 醇。因为这两种物质极易挥发，在包埋剂中又起到调节浓度和脆性的作用，故必不 可少。 2 8 3 切片操作的几点建议 样布一定要在切片之前保持平整，使样布在切片时不会出现因不平整而导致 没有平整的断面，只有存在断面才能在粘片时将清晰的断面向上，作为被观察面。 在载玻片上方贴上标识，标识的内容包括切片的方案号、经纬向切片种类、 样布的编号，这样方便了后续的操作，并能清楚的分析各切片的所属类型。 切片尺寸的确定：蚝度方向上是5 m m ，宽度方向上视纱线支数的大小在 0 3 m m o 5 m m 范围内。对于纱支较大或因包埋剂硬而脆织物切片困难的情况，每 一个臼j 片应是两根纱线的厚度，即卜边缘为a 纱直径的+ 半，中问是b 纱，为完 整的一根经纱或纬纱，下边缘是c 纱直径的一半，这样切片的厚度恰是两根经纱或 纬纱的厚度。这样做既能够使走刀顺利，又能使切片较为完气，a 遣勇量量量章量萤 整，在粘片时有a 、c 两根纱的截面都可以作为被观察面， c 增大了切片的可选择性。 蚓2 2 切片尺寸示意图 切片时，最好给每个切片尾部预留一个长为o 5 m m 左右的被夹取长度，作 为镊子的央取端。 刈于纱支较小、厚度偏大的精梳织物，应考虑双面包埋，这样j 能保证浸胶 第2 章机织物切片的制作 完全，经向切片在正面进行，纬向切片在反面进行，易于分辨纱线的准确位置，得 到优质的切片。 2 8 4 有关粘片的要点 给样布着色后，待完全干燥，用排刷蘸取包埋剂涂覆于样布的着色部位，排 刷使用前应是干燥的，防止对包埋剂有不良影响，或使包埋剂的涂层不均匀，涂包 埋剂还要避免产生气泡、厚度不匀及硬度的差异。 将粘片剂滴一滴于载玻片上，用刷子涂成薄膜。这样做是为了避免用镊子夹 着切片蘸取粘片剂时力度把握不当，或使切片吸湿太多膨胀，改变了真实的纱线截 面尺寸 用镊子捏取切片时用力要适当，这个力小到彳i 能使切片脱落，大到仅能捏住 切片不掉下来。捏取切片后将其放置在涂有粘片剂的载玻片上，避免反复的粘贴使 切片截面披裂或出现毛绒，损坏了原几何构形。 粘片时将切片垂直于载玻片放置，使刀口清晰的一面朝上，以便显微观测； 用镊子捏取切片时，用力要尽量小，防止人为受力使切片变形，或者为了避免误差， 使切片在长度方向上增大0 5 m m 左右，作为镊子捏取的预留空间。 第3 章纱线在织物中的儿何形态及其建模 3 纱线在织物中的几何形态及其建模 在第二部分中已经提到过纱线在机织物中的儿何形态的一些说法，第三部分经 过对切片实验的实践，对大量的机织物进行切片观测，从实际出发，得到纱线在机 织物中的实际形态。 多年以来，几乎所有文献资料中提到纱线在织物中的几何形态时，都足以理论 推测为依据，甚至假设，直没有做到根据实际的截面形态来展开研究，作者认为 真正的从各种织物切片中获取实际形态是非常具有指导意义的，而且，从以下实验 分析中可以推翻一些资料叶1 提过的推理。如有的文献认为，织物内纱线的浮长越长， 其本身可能的凸起或凹下程度就越大，而且对另一系统的纱线的拉拢或分离的作用 也越大，浮长中间部位离织物的中心线越远，浮长大到一定程度时，经纱和纬纱不 再接触。然而，通过对大量的织物进行切片观测，发现现象并不是这样，切片晟示 出来的结果与文献所陈述的现象并不符合，可见切片对织物几何结构的指导意义的 必要性。 3 1 机织物中纱线的截面形状 以天然纤维为原料的纱线在自由状态时截面形状般为圆形，织入织物后，因 为通常纤维束或纱线是由复丝组成，且当每完成运动的一个循环后纬纱都要向织 口打紧，经纱同时也受到力的作用，因此，纱线在织物中的截面形状不可能绝对舰 则，或成为绝对的圆形。 在此方面的研究中，近7 0 年来已有多种论点【5 1 1 【5 3 】：f r e d r i c kt o m a sp ie r c e 主张以圆形或椭圆形描述( 见3 1 1 中的图3 1 和图3 ，2 ) ，a ，k e m p 主张跑道形截 面，h e a r le 和s h a n a n a n 提出凸透镜形截面，还有人提出了碗形截面。纱线在机织 物巾的截面形态叮谓众口不一，缘此，对大量的机织物进行切片观测，以期获得真 实贴切的纱线截而形状。 第3 章纱线在织物中的几何形态及其建模 3 1 t 机织物几何结构的p i e r c e 模型 f r e d r i c kt o m a sp i e r c e 被认为是最早研究织物几何结构的学者( 1 9 3 7 年) 1 3 8 1 ， 他通过对平纹织物、2 2 方平和2 2 斜纹织物等短浮长纵物( 短浮长织物的浮长为 l 或2 ，至多是3 个组织点) 的研究，提出著名的p i e r c e 机织物结构模型。短浮长 织物结构有两个特点：一是，在经纱和纬纱交织处，两个系统的纱线紧密接触；二 是，在一个组织循环中，所有经纱( 或纬纱) 的浮长屈曲波高恒定，织物中心线既 是经纱屈曲波高的中心，也是纬纱屈f 轩波高的中心。 p i e r c e 最初将纱线的截面假设成圆形( 如图3 1 ) ，后来考虑到纱线的压缩变形， 又假设纱线的截面足椭圆形( 如图3 2 ) 。p i e r c e 的椭圆截丽理论在解决密度较大 的织物结构的计算时并不适应，于是，就出现了3 ，1 2 巾的其他一些纱线的截面形 态的说法。 颜 图3 1p e i r c e 圆形截面几何模型 3 1 2 纱线的其他截面形态几何模型 、。 b l 。沙万弋、j o 她7 图3 2p e i r c e 对扁平 纱线几何模型的近似处理 山于p e i r c e 的椭圆形截面在处理紧密结构时计算较繁琐，1 9 5 8 年a k e n l p 【5 0 】 为了应用圆形截面中的一些参数，又考虑到纱线的压扁形态，提出了跑道形截面的 几何模型，其形状是由两个半圆和一个矩形的上、下两条边组合而成的，如图3 3 所示，这种几何模型用于挤紧织物中的扁平纱线的参数计算。 h e a r l e 【5 1 认为纱线被挤压变形后呈凸透镜形，其形状是通过圆弧收缩后变形得 来，如图3 4 所示。 第3 章纱线在织物中的几何形态及其建模 图3 3k 锄p 的跑道形截面的几何模型 图3 4h e a r l e 的凸透镜形截面的几何模型 3 1 3 纱线截面几何模型中各参数间的数学关系 规定各参数的意义： d 纱线直径( j 和w 分别代表经纱和纬纱) d 经、纬纱直径之和 a 长轴直径 b 短轴直径 e 一纱线的压扁系数( b a ) h 纱线的屈曲波高 l 同系统相邻两根纱线中心间的距离 l ，同系统相邻两根纱线除弧线外直线段的距离 n 单位长度内纱线的根数( 1 p ) k 覆盖系数 s 纱线在单元结构中的长度 r 凸透镜形中圆弧对应的半径 一，q 第3 章纱线在织物中的儿何形态及其建模 o 纱线的轴心线与织物中心线之间的夹角( 称织造角) 对于凸透镜形： 上，2 ( s 。一d 吼) c o s 钆+ d s i n 吼( 3 1 ) _ 2 ( 一d 巴) s i n q + d ( 1 一c o s q )( 3 - 2 ) d 。= 2 尺，+ 6 。( 3 3 ) 口j = 2 月，s i n 办( 3 4 ) q = 2 月，c o s 谚( 3 5 ) p ，= q ，( 3 6 ) s i n 办= 2 勺( 1 + 勺)( 3 7 ) ，+ 。= 0 。( 3 8 ) s 。= d 。臼。( 3 9 ) 把声= 9 0 。，a ，= b ，= 2 r 。= d 。，d ，= d 。= d 。+ d 。= d ，带入上面一组式中，得 到p e i r c e 圆形截面几何模型的关系式，如下所示。所以可以把p e i r c e 的圆形截面的 几何模型看作是h e a r l e 的凸透镜形截面几何模型的一种特殊情况，即： ，= ( s 。一d 目。) c o s 吼+ d s i n 民( 3 1 0 ) 。= ( s ，一d q ) c o s 够+ d s i n 0 ( 3 1 1 ) ，= 忙，一d 口，) s i n g + d 0 一c o s q ) ( 3 1 2 ) 。= ( s 。一d 吼) s i n 吼+ d ( 1 一c o s 吼)( 3 1 3 ) ，+ 。= q + 6 。2 d ( 3 1 4 ) s q = d 。氏s 。，s 。= d ，q s ， ( 3 1 5 ) k e t n p 的跑道形截面的几何模型也可以从h e 盯l e 的凸透镜形截面几何模型中推 出，参数间的关系如卜： l j = 订，一6 + ( s d 臼。) c o s 吼+ d s i n 目。 ( 3 1 6 ) ，= ( s 一d 巴) s i n g + d ( 1 一c o s 巳) ( 3 1 7 ) s = s ，一( d 。一6 。)( 3 - 1 8 ) j + 。= i 帕。= d ( 3 _ 1 9 ) 第3 章纱线在织物中的儿何形态及其建模 图3 5 平纹经向切片图3 6 平纹纬向切片 图3 71 3 4 经向切片 图3 81 3 “纬向切片 图3 94 6 4 经向切片图3 1 04 6 “纬向切片 图3 1 14 8 4 经f q 切片 图3 1 24 8 “纬向切片 一一兰! 量竺垡垄堡塑主盟! ! 塑兰查墨基塞燮 图3 1 31 5 4 经向切片 图3 ，1 41 5 4 纬向切片 图3 1 51 6 4 经向切片 图3 1 61 6 4 纬向切片 图3 1 74 0 “经向切片 图3 1 84 0 ”纬向切片 从切片的显微照片上看，纵物的截面在经向和纬向上有较大的差别，尤其是单 向紧密织物。如号其类织物，一般纬向切片中经纱相互靠近、挤压变形较大，经向 切片中纬纱问的关系较松散，而且，纱线在织物中的截面形态并不是一成不变的， 而是随着织物的品种，纱线的原料，工艺特点等因素的变化而变化的，并受组织循 环的影响。 影响切片清晰度的主要原因是包埋效果和切片的厚度，包埋过度或一i 彻底会使 第3 章纱线在织物中的几何形态及其建模 切面板结或太松散：切片的厚度则影响了切片中是否有较多的阴影，从而影响观察 纱线截面的准确形状。除此以外，抓图软件中数码设备的调节也有一定的影响，如 灰度、亮度、曝光度、垂直或镜像等。 3 3 织物结构相及根据切片测得的样品结构相 以l 8 作为划分结构相的间隔。再以经纱完全伸直( h = o ) ，纬纱达到最大屈曲 状态( h 。= l ) 作为起始状态，为第结构相。然后经纱逐步增加屈曲波高，每次递 增l 8 。相应的，纬纱的屈曲波高则递减l 8 。于是就得到第2 、第3 结构相。 直到经纱屈曲波高h j = l ，而纬纱的屈曲波高h 。= o 为第9 结构相。各结构相的特征 值如表3 2 所示【5 2 】，经纬纱在不同结构相的相互配合状况见附录i i 。 表3 2 结构相与经纬纱屈曲波高的特征值 其中：h ( h 。) 经( 纬) 纱屈曲波高； d i ( d 。) 经( 纬) 纱直径； l = h j 十h 。= d j + d 。( 由于任意波形状态的经纬纱屈曲波高之和恒等于一个常数， 即等于经纬纱直径之和，设此常数为l 。) 3 3 1 屈曲波高的测量方法及测得的数据 将载玻片上的织物切片，置于普通生物显微镜下，依靠反射光进行放大观测。 在显微镜的目镜筒中置放测微尺，在观测时可以直接读出织物经、纬纱届曲波 高的数据( h ，h 。) 吲。 3 5 塑! 兰丝垡垄塑望塑些塑堡查垦基堡堡 每种布样的经、纬向屈曲波高各取2 0 个数值，然后求其甲均值。织物切片观 测数据见附录i i l 。 3 3 2 根据实测的数据确定样品的几何结构相 根据结构相与经纬纱屈曲波高的特征值(