取样方向与皮革物理力学性能的关系研究
时间：2023-06-22 21:55:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈燕婷
（兴业皮革科技股份有限公司福建省皮革绿色设计与制造重点实验室，福建晋江362200）
随着社会经济的高速发展，皮革及皮革制品已经从高端产品的定位逐渐向平民化延伸，利用皮革边角余料加工制造的收纳袋、摆件、挂饰等也随处可见。随着皮革及皮革制品的普及，加之标准化的观念逐渐深入人心，需要对皮革及皮革制品的相关标准进行深入研究。中轻检验、温州质量技术检测、深圳海关技术中心和宁夏质量计量检验等多家检测、质量监测机构已经对皮革化学性能指标的相关标准做出了相关研究，但是对物理力学性能的研究却鲜见报道[1-4]。皮革的物理力学性能的测试方法、测试原理与纺织品类似，甚至有部分测试是直接使用纺织品设备完成的[5,6]。以摩擦色牢度为例，GB/T 3920-2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》中规定将纺织试样分别与干摩擦布和湿摩擦布摩擦，评定摩擦布沾色程度[7]，而QB/T 2537-2001《皮革 色牢度试验往复式摩擦色牢度》则是规定用毛毡对皮革的表面进行往复式摩擦[8]。GB/T 30128-2013《纺织品负离子发生量的检测和评价》是适用于织物的负氧离子释放和评价的标准，皮革便是直接使用纺织品的设备对负氧离子释放性能进行检测和评价[9,10]。在物理力学性能的测试上，皮革与纺织品类似，都要考虑测试方向与物理力学性能的关系，这种方向性在纺织品中被称为（平行于）经纱、纬纱，而在皮革中则是通过背脊线判定，即平行于背脊线和垂直于背脊线。通常情况下，将平行于背脊线的试样称之为平行方向，垂直于背脊线的称为垂直方向。由于皮胶原纤维的排列具有方向性，因此平行方向和垂直方向的物理力学性能也有所不同。从分析测试报告中看，平行方向的物理力学性能总体上略优于垂直方向，这与纤维的定向排列有关，顺着纤维生长方向施加作用力，其物理力学性能也会较强。而在皮革后加工企业（如鞋厂、服装厂、沙发厂等）对物理力学性能的具体要求并非按照平行方向与垂直方向的平均值计，而是按照平行/垂直方向的最小值对皮革物理力学性能进行要求。姚庆达[11]分析了皮革取样部位对动态防水性能和静态吸水性能的影响，发现皮胶原纤维的状态对数据的离散性、稳定性有较大影响，越松散的部位（如腹肷部）数据稳定性越差，离散度最大可达15%以上。为了防止产品在抽检时因物理力学性能不达标而导致折价、退货、返工，通常情况下，内部管控时会使用腹肷部检测，但是腹肷部的检测数据波动较大，加之平行方向、垂直方向数据的不稳定性，如何有效地利用腹肷部的数据成为了一大难题。本文测试了同一批次30个样品的撕裂力、抗张强度、规定负荷伸长率等物理力学性能指标，通过常规控制图计算不同物理力学性能的平均值、标准差、离散度等指标以确定取样方向对皮革物理力学性能的影响。
1.1 测试材料与仪器
成品革：兴业皮革科技股份有限公司。
拉力强度试验机：AI-7000-SUI，高铁检测仪器有限公司。
1.2 测试与分析
1.2.1 物理力学性能
撕裂力参照QB/T 2711-2018《皮革物理和机械试验撕裂力的测定：双边撕裂》；
抗张强度和规定负荷伸长率参照QB/T 2710-2018《皮革物理和机械试验抗张强度和伸长率的测定》。
1.2.2 数据标准差和变异系数
数据标准差S的计算公式见式(1)[11-13]，变异系数CV的公式见式(2)[11,12]：
式中：Xi——物理力学性能测试值；
n——测试次数。
1.2.3 数据处理分析
数据处理分析参照GB/T 4091-2001常规控制图。常规控制图需要假设数据符合高斯分布，偏离影响控制图结果，结合正态性假设，计算各项物理力学性能指标的控制限系数[11,12]。根据中心极限定理，对于单值X的控制图而言，对极差R作正态性假设可检验出数值变化偏大的异常数据，并根据统计检验标准（标准差和变异系数），即可判定数据的稳定性与误差值[11,12]。对于皮革的物理力学性能而言，撕裂力、抗张强度和规定负荷伸长率并无标准值，因此计量控制图的控制限公式如表1。
表1 常规计量控制图控制限公式[13]Tab.1 Control limit formulaof conventional measurement control chart[13]
E2、D3和D4为常规控制图的控制限系数，其数值与分析组数有关，当数据组数为1时，控制限系数E2、D3和D4分别为2.660、0.000和3.267[13]。
2.1 撕裂力
取同一批次皮革对其撕裂力进行测试，取样部位为腹肷部，对其水平方向数据和垂直方向测试数据进行汇总，结果如表2所示。
表2 撕裂力测试结果Tab.2 Test resultsof tearingforce
因此，当平行于背脊线取样时，即取样方向为水平方向时，对于撕裂力而言，可计算出（以下涉及撕裂力单位均为N）：
极差R的移动极差控制图如图1所示，29个极差均位于上控制限和下控制限间，极差呈现出统计控制状态（若单值或极差的状态超出了控制限，则应剔除异常数据，同时异常数值的出现也说明了数据的波动性极大）。
图1 水平方向撕裂力的移动极差控制图Fig.1 Movingrangecontrol chart of tearing force in horizontal direction
因此水平方向的单值X的控制状态为：
因此水平方向撕裂力的单值控制图如图2所示。
图2 水平方向撕裂力的单值控制图Fig.2 Singlevaluecontrol chart of tearing force in horizontal direction
从图1和图2中可以看出，当测试的方向为水平方向时，测试得到的30个撕裂力的极差R和单值X均未偏离其上控制限UCL和下控制限LCL，均为有效数据。此时可计算得出标准差S为8.653，变异系数为11.34%。
图3 垂直方向撕裂力的移动极差控制图Fig.3 Movingrange control chart of tearing force in vertical direction
从图1到图4可以发现，水平方向和垂直方向的撕裂力数据均为有效数据，其计算分析统计结果如表3所示。当变异系数≤10%时，认为数据的稳定性较好[14]，但是水平方向和垂直方向撕裂力的变异系数均大于10%，说明腹肷部的数据波动性较大，具体的是水平方向为76.31±8.653N，垂直方向63.70±7.479N，从数值上看，垂直方向的物理力学性能较水平方向差，数据变异系数也最大，为11.74%。即在皮革生产加工制造过程中，应留意垂态，未出现异常，由此可计算得出X的单值控制图上控制限UCL为87.40，下控制限LCL为39.99，中心线为63.70，由上述数据绘制的单值控制图如图4所示，垂直方向的撕裂力均为可控数据，因此测试数据有效。此时极差S和变异系数CV分别为7.479和11.74%。直方向的撕裂力，且垂直方向撕裂力的平均值乘以（100%-变异系数）为理论撕裂力最小值。从表3中可以发现，撕裂力最大变异系数为11.74%，实际生产应用中在分析验证腹肷部撕裂力数据时，可将变异系数提升至15%以确保产品性能符合相关标准要求。
表3 不同方向撕裂力测试数据分析结果Tab.3 Analysisresults of tearing forcetest datain differentdirections
图4 垂直方向撕裂力的单值控制图Fig.4 Single value control chartof tearing forcein vertical direction
2.2 抗张强度
取同一批次皮革30块，对其抗张强度进行测试，结果如表4所示。
表4 抗张强度测试结果Tab.4 Test resultsof tensile strength
图5 水平方向抗张强度的移动极差控制图Fig.5 Movingrangecontrol chart of tensile strength in horizontal direction
图6 水平方向抗张强度的单值控制图Fig.6 Singlevaluecontrol chart of tensile strength in horizontal direction
结合表4和图5-图8可以发现，水平方向的抗张强度整体优于垂直方向，具体地，水平方向和垂直方向抗张强度的最小值、最大值、平均值分别为13.42 N/mm2、17.86 N/mm2、15.46 N/mm2和8.39 N/mm2、14.68 N/mm2、10.99 N/mm2。对抗张强度的分析结果如表5所示，水平方向和垂直方向抗张强度的标准差S和变异系数CV分别为1.269、8.207%和1.700、15.46%。水平方向上的抗张强度变异系数≤10%，但是垂直方向的变异系数超过了15%，波动性过大。即在考虑皮革的抗张强度时，应主要检测平方向的抗张强度均为有效数值。同理可得垂直方向的抗张强度平均值和平均极差分别为10.99和1.932。移动极差控制图和单值控制图分别如图7和图8所示，其中上控制限UCL和下控制限LCL分别为6.313、0.000和16.13和5.852。垂直方向的抗张强度，变异系数可适当放宽至20%。在本批次产品中，水平方向抗张强度为15.46±1.269 N/mm2，垂直方向为10.99±1.700 N/mm2。对比水平方向和垂直方向抗张强度的单组数据还能发现，性能差异极大，以第27组数据为例，水平方向和垂直方向的抗张强度分别为17.06 N/mm2和9.29 N/mm2，水平方向是垂直方向的1.836倍，因此，即便水平方向的抗张强度远超过相关标准要求，仍需对垂直方向进行测试。
图7 垂直方向抗张强度的移动极差控制图Fig.7 Movingrangecontrol chart of tensile strength in vertical direction
图8 垂直方向抗张强度的单值控制图Fig.8 Singlevaluecontrol chart of tensile strength in vertical direction
表5 不同方向抗张强度测试数据分析结果Tab.5 Analysis results of tensilestrength test datain different directions
2.3 规定负荷伸长率
抗张强度除了是衡量皮革物理力学性能的关键指标外，还决定着皮革的规定负荷伸长率大小。QB/T 1873-2010《鞋面用皮革》中规定，规定负荷伸长率的测试中规定负荷（即抗张强度）为10 N/mm2，家具用皮革、汽车装饰用皮革等也对规定负荷伸长率有相关要求[15-17]。本试验检验的皮革为鞋面用皮革，从表4的测试结果可以看出，腹肷部水平方向的抗张强度符合测试规定负荷伸长率的基本要求，但是垂直方向30个数据有9个数据抗张强度＜10 N/mm2，约有30%的样品未到规定负荷。在测试规定负荷伸长率时，试样未到规定负荷便发生断裂，即判定为不合格。经与中纺联检、方圆检测、天纺标等皮革检测机构进行沟通，鞋面革中普遍存在垂直方向规定负荷伸长率不合格的情况，而试样未到规定负荷便断裂的情况更是常有发生。为了更好地探究取样方向与规定负荷伸长率的关系，将未到规定负荷试样断裂的数据剔除，对试样断裂的样品重新取样，直至试样不断裂并测试出具体数值（在实际送检时，并不会因试样断裂而进行二次取样，本文仅是以统计学的角度分析测试数据），30个样品的有效规定负荷伸长率测试结果如表6所示。
表6 规定负荷伸长率测试结果Tab.6 Test resultsof specified load elongation
根据表6对水平方向和垂直方向的规定负荷伸长率数据进行分析，其分析结果如图9~图12所示，计算分析统计结果如表7所示，数据均为有效数据，且具有一定的稳定性。从数据的分布上看，水平方向和垂直方向规定负荷伸长率主要分布在30%~40%的区间内，垂直方向（9.691%）具有较水平方向（11.65%）更好的数据稳定性。从分析结果上看，水平方向的规定负荷伸长率为31.22±3.636%，垂直方向为38.57±3.738%，在分析鞋面革的物理力学性能时，更需考虑垂直方向的规定负荷伸长率。从单组的结果上看，水平方向的规定负荷伸长率都可以满足相关产品要求，即便是垂直方向试样断裂，水平方向的规定负荷伸长率都未超过标准要求，但是垂直方向与水平方向不同，主要表现在：一是试样容易断裂，导致无法测出规定负荷伸长率；
二是规定负荷伸长率极易超过40%，表5中30个试样中便有超过30%的试样垂直方向规定负荷伸长率超出标准要求。如果无法有效管控皮革的规定负荷伸长率，将有可能造成产品的大规模降级、退货甚至索赔。总体上看，水平方向和垂直方向的规定负荷伸长率的平均值能满足相关标准的要求，但是需要留意垂直方向的规定负荷伸长率。
表7 不同方向规定负荷伸长率测试数据分析结果Tab.7 Analysisresultsof specified load elongation test datain different directions
图9 水平方向规定负荷伸长率的移动极差控制图Fig.9 Movingrange control chart of specified load elongation in horizontal direction
图10 水平方向规定负荷伸长率的单值控制图Fig.10 Singlevaluecontrol chart of specified load elongation in horizontal direction
图12 垂直方向规定负荷伸长率的单值控制图Fig.12 Singlevaluecontrol chart of specified load elongation in vertical direction
图11 垂直方向规定负荷伸长率的移动极差控制图Fig.11 Moving rangecontrol chart of specified load elongation in vertical direction
(1)变异系数：撕裂力水平方向和垂直方向的变异系数均≈11%；
抗张强度水平方向变异系数＜10%，垂直方向＞15%；
规定负荷伸长率水平方向和垂直方向的变异系数均≈10%，因此在评估样品的物理力学性能时，撕裂力和规定负荷伸长率的变异系数可适当放宽至15%，垂直方向抗张强度放宽至20%。
(2)测试结果：总的来看，垂直方向的物理力学性能较水平方向差，垂直方向的撕裂力比水平方向低约17%；
垂直方向抗张强度比水平方向最大可低45.5%；
测试规定负荷伸长率时，与水平方向相比，垂直方向易未到规定负荷便发生断裂。
