اثر تراکم پودی بر گسترش مایع در سطح پارچه با استفاده از تکنیک پردازش تصویر

علی احمدی (کارشناسی ارشد تکنولوزی نساجی دانشگاه یزد)
علیرضا احمدی(کارشناسی ارشد مدیریت نساجی دانشگاه علوم تحقیقات تهران)
هادی معتمد پور(کارشناسی ارشد نرم افزار کامپیوتر دانشگاه رازی کرمانشاه)

میزان گسترش مایع بروی سطوح، از اهمیت زیادی برخوردار است. با افزایش منطقه گسترش، تبخیر از سطح پارچه و به دنبال آن، انتقال حرارت نیز افزایش می یابد. در این تحقیق، با استفاده از پردازش تصویر، اثر تراکم پارچه بر مساحت منطقه گسترش یافته، بروی پارچه پنبه پلی استر، برسی شد. نتایج نشان می دهد با افزایش تراکم، مساحت منطقه گسترش یافته کاهش پیدا می کند. حرارت تولید شده در بدن در اثر انجام فعالیت روزانه، منجر به عرق کردن قابل توجهی می شود که میزان آن با نوع فعالیت فردی متناسب است. قابلیت جذب و انتقال سریع عرق یکی از خصوصیات مهم پارچه است که در راحتی پوشش، برای بدن تاثیر زیادی دارد.

۱- مقدمه

حرارت تولید شده در بدن در اثر انجام فعالیت روزانه، منجر به عرق کردن قابل توجهی می شود که میزان آن با نوع فعالیت فردی متناسب است. قابلیت جذب و انتقال سریع عرق یکی از خصوصیات مهم پارچه است که در راحتی پوشش، برای بدن تاثیر زیادی دارد. در طراحی لباسها، از پارامترهای موثر پارچه استفاده می شود که نرخ گسترش مایع بر روی سطوح، از اهمیت زیادی برخوردار است. بنابراین هر چه پارچه سریعتر عرق را جذب و در مساحت بیشتری روی سطح خود، پخش کند سرعت تبخیر افزایش یافته و بدن احساس راحت تری پیدا می کند.

با توجه به رفتار پارچه در انتقال آب، ویکینگ عرضی یک پدیده منحصر به فرد است. مایع سطح الیاف را خیس می کند و از طریق فضاهای بین الیاف جابه جا می شود. به صورتی که عبور یک قطره مایع، از درون منافذ، بستگی به نیروهای مویینگی دارد. مقدار و سرعت عبور مایع به جنس الیاف، ساختمان نخ و بافت آن بستگی دارد. برای مطالعه تجربی نفوذ مایع به سطح پارچه، از انواع تکنیک ها و روشها، بهره گرفته شد [۱,۲].

ایده ای که منجر به مطالعه گسترش قطره بر روی محصولات نساجی شد، مربوط به زمانی است که گلیسپی (در سال ۱۹۵۰) روشی برای اندازه گیری شعاع قطره بر روی کاغذ فیلتر در فواصل زمانی ثابت، ایجاد کرد. این مطالعات نشان داد که گسترش فرایند را می توان به دو مرحله تقسیم نمود. شکل یک (a) که در آن مایع هنوز هم در بالای بستر است و شکل یک (b) که در آن قطره به طور کامل روی بستر موجود است. در مرحله دوم قطره مایع از طریق بافت به صورت افقی تحت تاثیر نیروهای مویینگی قرار می گیرد. معادله زیر که توسط گیلسپی ایجاد شد، بیانگر روند گسترش است [۳].

(۱)

که در آن RT بیانگر شعاعی از لکه در زمان T و R0 شعاعی از لکه در زمان صفر و V حجم مایع و h ضخامت بستر و مقدار β در فرمول زیر مشخص شده است.

(۲)

که در آن b مشخصه ثابتی است از بستر،QS نفوذپذیری بستر،  V کشش سطحی مایع، η ویسکوزیته مایع، θ زاویه تماس و CS غلظت اشباع مایع در بستر است.

شکل (۱) چگونگی گسترش مایع را نشان می دهد. (a) نشان دهنده فاز اول است که در آن، بخشی از قطره هنوز بالاتر از بستر است، (b) نشان دهنده فاز دوم است، که در آن تمام قطره در داخل بستر موجود است.

شکل (۱): چگونگی گسترش قطره در سطح پارچه

فیچر وهمکارانش روش دیگری بر اساس تغییر در مقاومت الکتریکی پارچه ابداع کردند. آنها از شش حلقه متحد المرکزی (سنسور) استفاده کردند که با اندازه های مختلف در هر دو سطح پارچه قرار داده شده بود.  فاصله بین دو حلقه متوالی  «۵» میلی متر شد، به جز اولی، که در  «۱.۵» میلی متری از مرکز قرار گرفت. نتایج به دست آمده توسط این روش بستگی به چگونگی قرارگیری حلقه های متحد المرکز و دقت مقدار مقاومت الکتریکی دارد [۴].

رامش بابو و همکارانش روش توسعه یافته دیگری تحت عنوان ویکینگ عمودی ابداع کردند که در این روش محاسبه اندازه منطقه گسترش بر اساس تغییر در مقاومت الکتریکی پارچه محاسبه می شود. در این تحقیق آنها برای اندازه گیری ارتفاع ویکینگ ۱۶ تست انجام دادند، هشت تا در جلو و هشت تا در پشت پارچه. نتایج به دست آمده با این روش بستگی به دقت و صحت مقدار مقاومت الکتریکی دارد [۵].

برای اندازه گیری ویکینگ پارچه ابزار توسعه داده شده دیگری توسط IIT دهلی طراحی شد. این ابزار بر اصل سایفونیک و ثبت زمان آب جذب شده توسط نمونه پارچه کار می کند [۶].

آدامز و همکارانش یک ابزار مشابه دیگری برای اندازه گیری اینپلین جریان مایعات در یک شبکه فیبری طراحی کردند. آنها با استفاده از روش تجزیه و تحلیل تصویر، شکل و موقعیت شعاعی جلو سیال را بدست آوردند که می تواند تعریفی جهت تراوایی در پارچه باشد [۷].

کیسا منطقه گسترش قطره بروی پارچه را، به عنوان یک تابع از زمان اندازه گیری نمود. در منطقه گسترش یافته عکس در فواصل زمانی یکنواخت با دوربین تصویر آنی گرفته شد [۸].

لی و همکاران ویکینگ افقی را با یک طیف سنج اندازه گیری کردند. آنها مساحت قطره آب متصل به پارچه را با اندازه گیری تفاوت در عمق رنگ بین پارچه مرطوب و خشک بدست آوردند [۹].

محققان مختلف، به عنوان مثال مورنت و همکاران و پرویلز و همکاران تجزیه و تحلیل تصویر را به جای تعادل تحلیلی جهت تعیین میزان ویکینگ افقی پیشنهاد دادند. در این مطالعه پیشرفت جلوی مایع در طول ویکینگ با دوربین های دیجیتال ثبت شد و الگوریتم آن برای محاسبه مساحت پارچه مرطوب شده توسط مایع مورد استفاده قرار گرفت [۱۰].

پترلیت و همکارانش اندازه گیری جذب آب دینامیکی پارچه حوله ای را با استفاده از یک تصویر به روش تجزیه و تحلیل صورت دادند. آنها با محاسبه سرعت جذب پارچه های بافته شده حوله ای، تاثیر ارتفاع پایل با توجه به ظرفیت حبس شده مایع از روند خیس شدن را محاسبه کردند [۱۱].

راجا و همکارانش اثر نمره و نوع ریسندگی را بر سرعت و مساحت گسترش قطره آب بروی سطح پارچه بدست آوردند. آنها برای این کار از روش گرفتن عکس و پردازش تصویر بهره بردند [۱۲].

این تکنیک ما را به مطالعه عمیق تر در رفتار آب گسترش یافته در پارچه هدایت کرد. اگر چه بسیاری از افراد مطالعاتی در مدیریت رطوبت در نخ ها و پارچه ها داشته اند، تعداد کمی به بررسی گسترش آب پرداخته اند. در این تحقیق اثر تراکم پودی بر گسترش مایع در سطح پارچه پلی استر ویسکوز با استفاده از تکنیک پردازش تصویر بررسی شده است.

نمودار (۱): مراحل مختلف تهیه تصویر

۲- تجربیات

تهیه تصویر از سطح منطقه گسترش یافته و پردازش آن، مراحل مختلفی را شامل میشود که در نمودار (۱) نشان داده شده است.

۲-۱ تهیه پارچه مورد نظر

چهار نمونه پارچه با تراکم پودی متفاوت ولی نمره نخ یکسان از مخلوط الیاف پنبه پلی استر طبق مشخصات جدول (۱) هر کدام به طول یک متر بروی ماشین بافندگی دابی سولزر روتی تولید شد.

جدول (۱): مشخصات نمونه های پارچه پلی استر ویسکوز

۲-۲  شستشو و خشک کردن در شرایط استاندارد

نمونه ها تحت شرایط یکسان در دمای ۴۵ درجه با دترجنت ۵ درصد جهت جداسازی چربی و ناخالصی های بوجود آمده در حین تولید، شستشو داده و سپس جهت خشک شدن در سطحی صاف بدون اعمال کشش در دمای ۵۰ درجه قرار داده شد. سپس برای کسب شرایط استاندارد، نمونه ها در یک اتاق در دمای  ۲۵° C و رطوبت نسبی۶۵ (RH) ٪ قرار داده شد.

شکل (۲): چگونگی تصویربرداری

۲-۳ انداختن یک قطره  آب مقطر و فیلم برداری از آن

جهت ضبط فیلم از دوربینی با مشخصات زیر استفاده شد: سامسونگ مدل NV20 با حسگر CMOS و دقت ۱۲ مگاپیکسل، زوم ۳X برابر(۱۰۲-۳۴)، لرزه گیر پیشرفته  (ASR)، فیلمبرداری تا ۳۰FPS، تکنولوژی پردازش بهبود یافته، کنترل آسان دگمه های روی بدنه، وکاهش دهنده نویز قوی. (که امکان عکس با کیفیت تا ISO 3200 را فراهم کرده است) برای اینکه تصاویر از کیفیت بالایی برخوردار باشند، نور پردازی تحت زاویه ۴۵ درجه، توسط دو LED دوازده وات سیلندری انجام شد. همانگونه که در شکل (۲) نشان داده شده است مراقبت های مناسب برای جلوگیری از هر گونه لرزش برای دوربین پیش بینی شد.

برای اندازه گیری میزان گسترش لکه آب، یک نمونه پارچه به قطر ۱۰ سانتی متر بر روی قاب گلدوزی نصب شد. قاب بدون هیچ گونه جنبشی ثابت شد به طوری که تنش در تمام لبه ها برابر و پارچه بدون کشش باشد. یک بورت ۵ میلی متر بالاتر از سطح پارچه قرار داده و اجازه داده شد یک قطره آب از بورت سقوط کند و گسترش یابد. برای هر نمونه، حدود یک ثانیه قبل از افتادن قطره، ضبط آغاز شد و پس از ۲۵ ثانیه، فیلم برداری قطع و جهت محاسبات و تجزیه تحلیل، از نرم افزار متلب استفاده شد. «در تمامی نمونه ها از آب مقطر استفاده شد.»

نمودار (۲): اثر تراکم پودی بر گسترش مساحت آب

۲-۴ تبدیل فیلم گرفته شده به فریم متوالی و فرمت avi 

ابتدا فیلم گرفته شده از پارچه با استفاده از چند خط کد در متلب به صورت فریم استخراج شده و توسط نرم افزارهای موجود، به فرمت avi تبدیل می شود.

۲-۵  تبدیل فریم ها به حالت باینری

عکس های ذخیره شده از دیسک خوانده شده و به فرم سیاه و سفید تبدیل می شوند. در محیط متلب هر عکس یک آرایه دو بعدی است به طوری که هر عنصر آن مقداری بین ۰ تا ۲۵۵ دارد که نشان دهنده شدت روشنایی (Intensity) هر پیکسل تصویر می باشد. مقدار پیکسل تصویر در قسمتی از پارچه که مایع روی آن پخش شده از نقاط دیگر بیشتر می باشد. بنابراین لازم است پیکسل های تصویر به دو قسمت تقسیم شوند. اولی پیکسل های قسمتی که مایع پخش شده و دیگری جایی که مایع هنوز پخش نشده است.

۲-۶  تقسیم بندی و نویزگیری تصویر

برای تقسیم بندی تصویر لازم است یک مقدار آستانه (Threshold) در نظر گرفته شود تا بوسیله آن تصاویر باینری تولید شوند. پیکسل هایی که سطح خاکستری (grayscale) آنها بزرگتر از حد آستانه می باشد مقدار «۱» (رنگ سفید) و بقیه پیکسل ها مقدار «۰» (رنگ سیاه) می گیرند. این مقدار آستانه با توجه به شرایط محیطی تعیین می شود. (در اینجا ۲۴۰) ممکن است مقدار عددی بعضی از پیکسل های تصویر، قسمتی که مایع پخش شده با قسمتی که مایع پخش نشده مشابه باشد. بنابراین تصویر باینری تولید شده باید رفع نویز شود تا خط مرزی مکان تشکیل مایع از بقیه تصویر کاملا مجزا شود. برای این کار از عمل باز کردن (opening) که یکی از عملیات ریخت شناسی (morphology) است برای رفع نویز استفاده شده است.

۲-۷  محاسبه مساحت تصویر بر اساس تعداد پیکسل

با استفاده از چند خط دستور در متلب، تصویر مایع جدا شده و مساحت آن بر حسب تعداد پیکسل تعیین می شود. برای تعیین مساحت واقعی، باید نسبت پیکسل های بدست آمده از تصویر قطره را نسبت به تعداد کل پیکسل های تصویر تعیین کرد و سپس در ابعاد واقعی فیلم گرفته شده ضرب نمود. این فرآیند تعیین مساحت، برای کلیه فریم های تصویر تکرار می گردد تا سرعت پخش مایع روی پارچه تعیین شود.

شکل (۳): مساحت گسترش قطره برای نمونه پارچه با تراکم پودی ۲۵ در زمانهای مختلف

۳- نتایج

همان طور که در شکل (۳) نشان داده شده، با گذشت زمان مساحت گسترش قطره آب افزایش پیدا می کند. این حالت برای تمامی نمونه ها صادق می باشد. نکته قابل اهمیت این است که مساحت نهایی حاصل از پخش قطره، با افزایش تراکم، کاهش پیدا می کند. همانطور که در جدول (۲) نشان داده شده این کاهش مساحت، می تواند در اثر افزایش ظرفیت نگهداری آب در پارچه با تراکم بالاتر باشد. مقدار گسترش مایع را میتوان به سه قسمت تقسیم کرد:
قسمت اول: ۴ ثانیه ابتدایی که بیشترین سطح گسترش را داریم در حدود ۵۶ %
قسمت دوم: ۸ ثانیه بعدی که میزان سطح گسترش کاهش می یابد در حدود ۳۴ %
قسمت سوم: ۱۶ ثانیه نهایی که میزان سطح گسترش کاهش بیشتری می یابد در حدود ۱۰ %

جدول (۲): میانگین مساحت بدست آمده از نمونه ها با تراکم های پودی مختلف

در این تحقیق مشخص شد با گذشت زمان، سرعت گسترش مایع برای تمامی نمونه ها کاهش می یابد. همچنین با کاهش تراکم، مساحت گسترش مایع بروی سطح پارچه افزایش پیدا می کند. برای طراحی البسه (خصوصا ورزشی) پیشنهاد می شود از پارچه ای استفاده شود که هم از نخ ظریفتری برخوردار باشد و هم دارای تراکم بافت کمتری باشد. برای تحقیقات بعدی می توان اثر جنس الیاف بروی مساحت منطقه گسترش را بررسی کرد.

جدول ) ۳(: مساحت بدست آمده از نمونه ها با تراکم های پودی مختلف

مراجع:

[۱] D’Silva A P, Greenwood C, Anand SC, of fabrics: A new test method. J Text Inst 2000; 91, 1(3): 383–۳۹۶.
[۲] Washburn EW. The dynamic of capillary flow. Phys Rev 1921; 17: 273-283.
[۳] Gillespie T. The spreading of low vapour pressure liquids in paper, J. Colloid Sci. 1958; 13: 32-50.
[۴] Fichet D, Lesage F, Ventenat V, Latifi MA. Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Multiphysics User’s Conference. Paris 2005.
[۵] Ramesh Babu V, Koushik CV, Lakshmikantha CB, Subramaniam V. Influence of the Weave Factor on the Character of Fabric Wicking Measured by a Multiple Probe Vertical Wicking Tester. FIBRES& TEXTILES in Eastern Europe 2011; 19, 5(88): 60-63.
[۶] Chattopadhyay R, Chauhan A. Wicking behavior of compact and ring spun yarns and fabrics. In One Day Seminar on Comfort in Textiles, I I T Delhi,October16 2004, p. 20-30.
[۷] Adams KL, Rebenfeld L. In-plane flow of fluids in Fabrics: Structure/flow characterization. Text. Res. J. 1987; 11: 647-654.
[۸] Kissa E. Capillary Sorption in Fibrous Assemblies. J. Colloid Interface Sci. 1981; 83(1): 265-272.
[۹] Lee J. H., Kim S. H., Lee K. J., Lim D. Y., Jeon H. Y.; ‘Determining the absorption properties of split-type microfiber fabrics by measuring the change in color depth’. Textile Res. J. 2004; 74 (3): 271-278.
[۱۰] Perwuelz A, Mondon P, Caze C. Experimental study of capillary flow in yarn. Text. Res. J. 2000; 70(4): 333-339. 12. Saville BP, Physical testing of textiles.
UK: Woodhead Publishing, 2002, pp. 223–۲۳۵.
[۱۱] Petrulyte S, Nasleniene J. Investigation of the Liquid Retention Capacity of Terry Fabrics. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2010; 18, 5(82): 93-97.
[۱۲]Raja D, Koushik CV, Ramakrishnan G, Subramaniam V, Ramesh Babu V. Measuring In-Plane Liquid Spread in Fabric Using an Embedded Image Processing Technique. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2012; 20, 4(93): 72-76.

منبع: شماره ۲۰ مجله کهن

————————————————————————————

این مطلب را نیز بخوانید
پیشنهاد سردبیر : الیاف مصنوعی یا الیاف بشر ساخت چیست ؟ 

————————————————————————————
تحریریه مجله نساجی کهن
ارسال مقالات و ترجمه جهت انتشار در سایت : info@kohanjournal.com