# Étude phénoménologique du comportement au frottement de surfaces textiles

Michel Tourlonias, Marie-Ange Bueno

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## To cite this version:

Michel Tourlonias, Marie-Ange Bueno. Étude phénoménologique du comportement au frottement de surfaces textiles. CFM 2009 - 19e Congrès Français de Mécanique, Aug 2009, Marseille, France. hal-03391310

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Submitted on 21 Oct 2021

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# Etude phénoménologique du comportement au frottement de surfaces textiles

M. TOURLONIAS, M.-A. BUENO

Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles (UMR 7189 CNRS/UHA),
Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs Sud-Alsace - Mulhouse
Université de Haute-Alsace
11, rue Alfred Werner,68093 MULHOUSE Cedex

## Résumé :

Ce travail consiste à étudier le comportement au frottement de surfaces textiles différentes et en l'occurrence l'étude porte sur un tricot jersey et un tricot à structure à bouclettes ayant une orientation privilégiée. Les phénomènes macroscopiques à l'interface entre le palpeur et la surface analysée sont étudiés. Pour cela un tribomètre à masse morte a été développé au laboratoire permettant de mesurer la force de frottement et de visualiser le mouvement du palpeur dans la direction normale à la surface de contact. L'étude porte sur l'influence de différents paramètres tels le matériau constituant le palpeur, la charge appliquée sur les caractéristiques de frottement de ces échantillons.

## Abstract :

This work consists in studying the friction behaviour of various textile surfaces and in this case we focus on knitting fabrics. The first one is a jersey and the second one shows a structure with preferred orientation thanks to its curls. Macroscopic phenomena at the interface between the probe and the surface are analyzed in this study by means of a dead mass tribometer. This last one was developed at the laboratory to measure the friction force and visualize the movement of the stylus in the normal direction to the contact surface. This study investigates the influence of various parameters (such as the material of the probe and the load) on the friction characteristics of these samples.

**Mots clefs :** tribomètre, surfaces textiles, frottement.

## 1 Introduction.

L'importance du toucher dans la conception de produit prend une place prépondérante de nos jours. Ceci est notamment le cas pour les surfaces textiles et l'un des premiers gestes fait lors de l'achat d'un vêtement est de le toucher afin de se faire une idée de son rendu tactile. L'objet de cette étude est la compréhension des phénomènes de surface qui interviennent dans le toucher de matériaux textiles et dont l'origine se situe au niveau des différentes échelles d'une structure textile [1-4]. Un tribomètre alternatif pion plan a été développé. Il est à charge constante, sous la forme d'une masse morte, avec acquisition du déplacement du frotteur par rapport à la normale à la surface. Le mouvement alternatif linéaire choisi reprend le geste d'une personne touchant une surface.

## 2 Expérience.

### 2.1 Etoffes testées.

Les étoffes testées sont des étoffes textiles qui se présentent sous deux formes. La première est un tricot de type maille cueillie de liage jersey. Dans notre étude, nous nous intéressons seulement à l'envers de la surface. Le second type de surface présente une orientation structurelle qui justifie une modification du rendu tactile dans une direction par rapport à l'autre. Dans notre cas, il s'agit d'un tricot à bouclettes type chaussette de sport (figure 1 et figure 2). Un autre type de surface à pilosité superficielle directionnelle aurait été les velours par exemple [5].
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIG. 1 – Echantillon de tricot jersey.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIG. 2 – Echantillon de tricot bouclette.</figcaption></figure>

## 2.2 Dispositif expérimental.

Le dispositif expérimental (figure 3), mis en place au LPMT, consiste à venir frotter un échantillon au moyen d'un palpeur sous une charge constante. Au cours de l'essai sont réalisées des mesures de la force de frottement et du déplacement vertical du frotteur. L'échantillon a un mouvement de translation alternatif (figure 4) donné par une plateforme de translation pilotée de façon à avoir des conditions expérimentales de vitesse respectant l'allure trapézoïdale représentée en figure 5. La force de frottement à l'aller et au retour est tracée en fonction de la distance parcourue.

En complément de la mesure de la force de frottement, le déplacement vertical du palpeur est également mesuré à l'aide un capteur de triangulation laser. La variation d'altitude de ce palpeur est tracée lors des essais en centrant le signal sur la valeur moyenne du cycle aller-retour de la mesure effectuée.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>FIG. 3 – Vue générale du tribomètre.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>FIG. 4 – Tête de mesure du tribomètre.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>FIG. 5 – Conditions de déplacement de l'échantillon.</figcaption></figure>
Dans notre étude, le frotteur est de forme cylindrique de diamètre 16 mm avec un chanfrein du côté en contact avec l'échantillon et par conséquent une surface plane en contact avec l'échantillon de l'ordre de 150 mm² (figure 6). L'étude est faite au moyen du palpeur en acier nu, poli mais également avec le même palpeur recouvert d'un matériau dont les propriétés tribologiques se rapprochent de celles de la peau sèche afin de s'approcher au maximum d'une simulation du toucher humain. Ce matériau, mis en place par l'EMPA [6] est constitué d'un non-tissé recouvert de polyuréthanne, le Lorica® (figure 7).

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>FIG. 6 – Palpeur</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>FIG. 7 – Surface Lorica</figcaption></figure>

Le dispositif est à charge constante et position du frotteur mobile, c'est-à-dire à masse morte, par opposition à un système à position du frotteur constante, où le chargement varie au cours de l'essai. Ce choix s'est fait afin de se placer dans des conditions similaires à celles du toucher humain. En effet, il s'avère que lorsque l'on touche une étoffe avec son doigt, celui-ci tend à suivre le relief évalué (cf. figure 8). Une série d'essais a été réalisée en mesurant le déplacement du doigt d'un manipulateur placé en situation de toucher un échantillon. Le test a été réalisé sur un tricot "bouclette". La courbe en figure 8 représente donc la position verticale du doigt en fonction du déplacement relatif par rapport à l'échantillon. Nous pouvons constater, ainsi que cela correspondait avec le ressenti du manipulateur qu'à chaque changement de direction de déplacement, le doigt monte et retourne les bouclettes qui avait été couchées dans le sens du déplacement précédent.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>FIG. 8 – Position verticale du doigt lors d'un essai de toucher d'un échantillon de tricot bouclette.</figcaption></figure>

## 3 Résultats expérimentaux.

L'ensemble des résultats présentés pour le tricot bouclette concerne des essais où la partie "aller" du cycle correspond à écraser les bouclettes dans leur orientation privilégiée.

### 3.1 Influence de la charge sur le frottement.

Des essais préliminaires ont montré que lorsque l'être humain touche une étoffe, il exerce une pression proche de 2 kPa [7]. Compte tenu du palpeur utilisé, cela représente une charge proche de l'ordre de 0,3 N. La deuxième série d'essais sera réalisée avec une charge plus importante, à savoir de 2,25 N, ce qui représente une pression de l'ordre de 15 kPa, pression entre la chaussette et la peau dans une chaussure lors
d'une course à pied [8]. En figure 9, nous étudions les résultats obtenus en testant le tricot bouclette. Nous pouvons constater fort logiquement que plus la charge imposée est grande, plus la force de frottement mesurée augmente. On peut constater que la force est symétrique avec la forte charge entre l'aller et le retour, ce qui signifie que les bouclettes restent couchées selon le sens précédent de frottement et par conséquent, dans chaque direction, le palpeur les retourne. Par contre, avec la petite masse, la force mesurée est plus faible dans le sens ou le déplacement tend à coucher les bouclettes dans leur sens privilégié. La pression est suffisamment faible pour que les bouclettes gardent après le passage du capteur la même orientation et par conséquent, seul à revers les bouclettes doivent être retournées, d'où une force à fournir plus importante.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>FIG. 9 – Evolution de la force frottement en fonction de la masse morte sur un tricot bouclette.</figcaption></figure>

Par la suite, les essais étudiés seront exclusivement réalisés avec une charge normale de 2,25 N.

## 3.2 Influence de la surface testée

Les courbes présentant l'évolution de la force de frottement mesurée avec le palpeur simple en acier sont récapitulées en figure 10. On peut noter que les essais réalisés avec le jersey forment une sorte de créneau traduisant l'uniformité du comportement dans chacune des directions de translation. Par contre, les essais réalisés sur la surface à bouclettes montrent une pente intermédiaire entre la partie verticale correspondant au changement de direction et la partie horizontale traduisant l'équilibre établi après quelques millimètres parcourus. Cette pente s'explique par le fait qu'il soit nécessaire de coucher les bouclettes dans la direction opposées à celle où elles se trouvaient précédemment avant d'atteindre le régime établi. On constate de surcroît que la force est plus importante pour la bouclette que pour le jersey. Ceci s'explique par le fait que le palpeur peut s'enfoncer dans les bouclettes et par conséquent doit continuellement lors de son déplacement pousser ces bouclettes alors que la surface du jersey ne présente pas cette structure orientée et émergente.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>FIG. 10 – Evolution comparative du frottement et de l'altitude pour les tricots jersey et bouclette.</figcaption></figure>
En étudiant la position verticale du palpeur (partie inférieure et grisée de la figure 10), on constate que l'amplitude des variations est évidemment moindre avec le jersey. Il est intéressant de noter dans l'étude de la courbe obtenue avec le tricot bouclette que lors de chaque changement de direction, le frotteur remonte brusquement traduisant le retournement des bouclettes afin qu'elles se couchent dans le sens de déplacement. A l'aller, le retournement des bouclettes se fait dans leur direction de prédilection. Par conséquent, il y a moins de comportement "parasite" et un régime établi peut se mettre en place rapidement. Dans le sens retour, le frotteur s'enfonce plus qu'à l'aller, ce qui signifient que certaines bouclettes ne restent pas sous le palpeur lors du retournement vers dans le sens inverse mais doivent rester dans la position initiale, ou bien se coucher latéralement. Ceci explique également un pic de retournement de moindre amplitude. Puis en arrivant sur de nouvelles bouclettes, cette fois-ci attaquées de face qui sont forcées de se coucher, le frotteur remonte doucement.

### 3.2.1 Influence du frotteur

En analysant tout d'abord les courbes de frottement obtenues avec le jersey en utilisant d'une part le palpeur nu en acier et d'autre part recouvert de Lorica® (figure 11.a), on peut constater que leurs allures diffèrent un peu. Avec la contrepartie en Lorica®, la force de frottement obtenue est plus élevée. On constate également que le frottement statique est plus élevé que le frottement dynamique. Cette force de frottement au démarrage traduit les phénomènes d'adhésion et de déformation entre la surface textile et le frotteur, qui se produisent spécifiquement lors du changement de sens avec le Lorica® et n'existant pas avec le frotteur en acier.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>FIG. 11 – Influence comparative du matériau frottant sur les forces relevées pour les tricots jersey (a) et bouclette (b).</figcaption></figure>
Les résultats obtenus avec les échantillons à bouclettes (figure 11.b) montrent le même comportement au frottement pour l'un et l'autre des deux revêtements de frotteur. A l'instar des résultats obtenus avec les échantillons en jersey, on constate l'influence de l'adhésion entre les tricots bouclette et les deux frotteurs. En effet, la force initiale est plus importante avec le palpeur recouvert de Lorica®. L'effet du frotteur est, en revanche, moins significatif que dans le cas du jersey.

En résumé, le changement de frotteur montre l'influence de l'adhésion entre le frotteur et la surface textile. En effet, l'initiation du glissement dans le cas de la bouclette est plus rapide avec le frotteur en Lorica® qu'avec celui en acier. Ces phénomènes d'adhésion sont probablement liés à la déformation de la surface, puisque le déplacement vertical du frotteur est plus important, pour la même surface frottée, avec le Lorica® qu'avec l'acier. Néanmoins, l'influence du frotteur est d'autant plus sensible que la surface textile se déforme peu, ce qui est le cas du jersey, dépourvu d'éléments structurels émergeants, par rapport aux bouclettes.

## 4 Conclusions et perspectives.

Cette approche tribologique nous a permis d'évaluer des paramètres entrant en jeu dans les caractéristiques de frottement de surfaces textiles. D'une part, le déplacement du frotteur dans la direction normale à la surface a été étudié ce qui nous permet d'étudier la déformation de la surface en particulier lors des changements de direction de glissement. Par ailleurs, l'influence du frotteur sur les forces de frottement évaluées a été étudiée. Les forces traduisant le frottement se décomposent en plusieurs mécanismes, à savoir à chaque changement de direction le retournement des éléments structurels de surface, c'est-à-dire la déformation, et les forces d'adhésion intimement liées aux caractéristiques surfaciques du matériau frottant par rapport au matériau testé. Les phases transitoires de changement de direction du glissement sont riches en informations concernant les mécanismes de déformation et d'adhésion. En régime établi, les mêmes mécanismes sont occcurrents ; en revanche, leur étude est plus délicate. Une étude plus approfondie des déformations à la surface de contact permettra de mieux appréhender les phénomènes abordés pour ce faire un dispositif de visualisation de la zone de frottement est en cours de mise au point.

Ce travail s'inscrit dans une étude plus globale portant sur la compréhension des phénomènes de frottement lors d'un contact surface textile - peau, en vue du développement d'un modèle, actuellement en cours dans les travaux de thèse de Eglantine Baussan.

## References

[1] Bueno, M.-A., Aneja, A. P. & Renner, M. 2004 *Influence of the shape of fiber cross section on fabric surface characteristics*. Journal of Materials Science, 39, 557-564.

[2] Ajayi, J. O. 1992 *Effects of Fabric Structure on Frictional Properties*, Textile Research Journal, **62**, 87-93.

[3] El Mogahzy, Y. E. & Gupta, B. S. 1993 *Friction in Fibrous Materials. Part II: Experimental Study of the Effects of Structural and Morphological Factors*, Textile Research Journal, **63**, 219-230.

[4] Gupta, B. S. 2001 *Frictional Properties of Textile Materials. In Surface Characteristics of Fibers and Textiles*, ed. Marcel Dekker, New York/Basel, 59-92.

[5] Praëne, J.-M., Bueno, M.-A. et Pensé, A.-M., *Etude phénoménologique du frottement des matériaux fibreux souples, 18ème Congrès Français de Mécanique*, 2007, Grenoble

[6] Derler, S., Schrade, U. et Gerhardt, L.-C., *Tribology of human skin and mechanical skin equivalents in contact with textiles*. Wear : 16th International Conference on Wear of Materials, 2007. **263**(7-12): p. 1112-1116.

[7] Breugnot, C., Bueno, M.-A., Ribot-Ciscar, E., Aimonetti, J.-M., Roll, J.-P. & Renner, M. 2004 Fabric touch: responses of mechanoreceptive afferent units and mechanical characterization., Congrès 2004 de la Société de Biomécanique - MecanoTransduction 2004 : Biologie - Physiologie - Mécanique, vol., 135-143.

[8] Baussan, E., Bueno, M.-A., Derler, S. & Rossi, R. 2008 *Étude tribologique de la formation des phlyctènes : cas de la course à pied, Journées Francophones de Tribologie 2008*, Lyon.