張 戈， 周 建， 王 蕾， 潘如如， 高衛(wèi)東

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

有色纖維顏色測量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性是色紡行業(yè)染色和配色的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確的顏色測量可保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，有助于色紡企業(yè)提高配色打樣效率，縮短交貨時(shí)間，提高生產(chǎn)效率[1-2]。 在使用分光光度計(jì)測量纖維顏色過程中，纖維樣品的制備方法、纖維的狀態(tài)會(huì)對(duì)顏色測量結(jié)果造成影響。研究有色纖維樣品制備過程是解決準(zhǔn)確穩(wěn)定測量纖維顏色的重要部分。

目前，企業(yè)大多采用將纖維紡制成紗線或者紡紗后織成小樣，通過間接測量紗線或者織物小樣的顏色獲取有色纖維的顏色值[3]，而直接對(duì)染色纖維、混色纖維測色的研究相對(duì)較少。不同于紗線、織物樣品，纖維自身存在一定特殊性[4], 如蓬松、形狀不固定，受外力作用易變形等。此外，測量過程中，纖維易進(jìn)入分光光度計(jì)積分球內(nèi)部，污染積分球內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，影響顏色測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，直接測量纖維的顏色難以得到穩(wěn)定的結(jié)果。Che等[5]通過自制測量容器，前端為光學(xué)鏡片，并對(duì)光學(xué)鏡片產(chǎn)生的測量誤差進(jìn)行修正，但其修正結(jié)果仍存在一定的誤差。華孚色紡股份有限公司利用特殊部件梳理纖維獲得纖維絮片，將2個(gè)纖維絮片整齊疊放后，測量其顏色參數(shù)[6]，但測量纖維顏色時(shí)無法保證纖維絮片的受力均勻。

本文選取染色棉纖維為研究對(duì)象，探索在應(yīng)用分光光度計(jì)測量纖維樣品顏色時(shí)，樣品制備過程中纖維層厚度、密度、排列方式對(duì)顏色測量結(jié)果的影響，選取出最優(yōu)的測量條件，提供纖維顏色測量的標(biāo)準(zhǔn)操作方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

選用品紅(M)、藍(lán)(B)、黃(Y)三色染色棉纖維作為實(shí)驗(yàn)原料，如圖1所示。纖維經(jīng)染色后，易疏密不勻，糾纏結(jié)塊，排列混亂。實(shí)驗(yàn)中所用染色纖維均經(jīng)過小樣梳棉機(jī)梳理，保證纖維處于伸直、蓬松、均勻狀態(tài)。

圖1 三色染色棉纖維Fig.1 Three pre-colored cotton fibers

1.2 纖維顏色參數(shù)測試

為保證纖維樣品顏色測量過程中狀態(tài)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中借助自制容器測試棉纖維的顏色。自制容器前端為石英光學(xué)鏡片，鏡片兩面平整光滑，厚度為3 mm, 直徑為54 mm, 大于目前常用測色儀器的最大孔徑(30 mm)，方便實(shí)驗(yàn)中最大面積讀取樣品顏色參數(shù)。自制纖維測色容器見圖2。

圖2 自制纖維測色容器Fig.2 Sketch (a) and physical (b) map of fiber color measuring container

采用Datacolor 650型臺(tái)式分光光度計(jì)測量纖維樣品的顏色參數(shù)。Datacolor 650的照明方式為d/8(漫射照明，8°方向接收)，有2種測量模式：SCI(包含鏡面反射光)和SCE(不包含鏡面反射光)[7]。測試之前，設(shè)備預(yù)熱30 min，以保證測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。儀器校正后，選擇在D65標(biāo)準(zhǔn)光源、10°標(biāo)準(zhǔn)觀察角條件下操作，測試孔徑選用 LAV(30 mm), 測量模式選用SCE，波長范圍為360～700 nm, 每間隔10 nm 取一個(gè)值，樣品在不同位置測量6次，取平均值。

1.3 纖維顏色測量的影響因素

1.3.1 纖維厚度

在利用分光光度計(jì)測量顏色時(shí)，要求樣品具有一定的厚度，光不能透過，纖維樣品應(yīng)達(dá)到不透明狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，將梳理后的纖維層層鋪入前端有光學(xué)鏡片的自制纖維測色容器內(nèi)(容器的外壁上有刻度尺)，最小厚度為0.2 cm，每次增加0.2 cm，最大值設(shè)置為1.2 cm。通過滑塊裝置對(duì)纖維施加作用力，滑塊裝置如圖3所示。

圖3 纖維施加作用力裝置圖Fig.3 Sketch (a) and physical (b) map of fiber constant force device

滑塊A、B和彈簧為一個(gè)整體，每次彈簧的壓縮量一致，可確保纖維所受作用力恒定。實(shí)驗(yàn)中纖維處于緊密狀態(tài)。測量不同厚度時(shí)纖維樣品的顏色參數(shù)，分析厚度變化對(duì)纖維顏色測量結(jié)果的影響。

1.3.2 纖維密度

纖維處于蓬松或緊密狀態(tài)，顏色測量結(jié)果之間存在一定的差異。自制纖維測色容器的體積一定，高度固定。在密閉容器內(nèi)，借助纖維之間的相互作用，改變每次放置纖維的質(zhì)量，研究纖維密度對(duì)顏色的影響。實(shí)驗(yàn)中依次放置3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13 g纖維，使纖維充滿整個(gè)容器(13 g為容器的最大容納量)，靜置5 min后測量不同密度時(shí)纖維的顏色參數(shù)。

1.3.3 纖維排列方式

分光光度計(jì)光源發(fā)出的光束照射在纖維表面，纖維的排列方式會(huì)改變光束進(jìn)入纖維后的傳播方向，影響測量纖維的顏色參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)樣品質(zhì)量均為10 g，放置在自制容器內(nèi)，測試?yán)w維縱向平行分布、橫向平行分布以及任意排列3種條件下的顏色參數(shù)。比較纖維排列方式對(duì)顏色測量結(jié)果的影響。纖維排列方式示意圖如圖4所示。

圖4 3種纖維排列方式Fig.4 Fibers arrangement in three conditions. (a) Vertical arrangement; (b) Horizontal arrangement;(c) Random arrangement

1.4 不同測量方法比較

由于纖維材料的特殊性，選取品紅、藍(lán)、黃三色棉纖維織造的平紋織物作為樣品，每種顏色包含由低到高12個(gè)不同濃度(染料用量不同)的梯度。在不同的條件下對(duì)36個(gè)染色織物樣品進(jìn)行顏色測量，比較不同測量方法之間的差異。

條件一：直接測量, 測量選用SCI模式。

條件二：將光學(xué)鏡片置于織物與積分球中間，選用SCI模式測量。

條件三：將光學(xué)鏡片置于織物與積分球中間，選用SCE模式測量。

測量過程中，孔徑選用LAV(30 mm)，每個(gè)染色織物樣品折疊成8層，分光光度計(jì)的其他參數(shù)設(shè)置均一致，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。光學(xué)鏡片與自制容器前端鏡片一致。條件一測量結(jié)果為染色織物實(shí)際顏色參數(shù)，即為標(biāo)準(zhǔn)。條件二測量結(jié)果為有光學(xué)鏡片影響下染色織物的顏色參數(shù)。條件三測量結(jié)果為本文方法結(jié)果。文獻(xiàn) [5]結(jié)果由條件二測量結(jié)果計(jì)算得到。

2 分析與討論

2.1 纖維厚度對(duì)顏色測量的影響

品紅、藍(lán)、黃三色棉纖維在恒定壓力作用下，逐步改變纖維層厚度，并測量其顏色。不同厚度時(shí)三色棉纖維顏色參數(shù)如表1所示?？芍?，在恒定壓力作用下，隨著厚度的逐步變化，三色棉纖維顏色參數(shù)L*、a*、b*數(shù)值均有少量變化，且變化趨勢平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)中，纖維厚度每次的變化量為0.2 cm, 用色差[8]衡量厚度改變前后纖維顏色的變化量，結(jié)果如圖5所示。

表1 不同厚度時(shí)三色棉纖維顏色參數(shù)Tab.1 Colorimetric parameters of three colored cotton fibers at different thicknesses

圖5 厚度改變前后三色棉纖維色差結(jié)果Fig.5 Color difference of three colored cotton fibers for thickness variation

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，纖維厚度從0.2 cm增加到 0.4 cm, 厚度變化前后三色棉纖維的顏色色差相對(duì)較大，其中黃色棉纖維的色差值基本達(dá)到0.45，但仍小于人眼的可察覺范圍。隨著纖維厚度的逐步增加，纖維顏色之間色差變化越來越小，厚度增加到 0.8 cm 之后，纖維顏色的變化趨于穩(wěn)定，色差值均小于0.1。

借助自制容器測量顏色，光從積分球出來后，在容器光學(xué)鏡片表面及內(nèi)部發(fā)生一系列的反射、吸收、折射[9-10]后進(jìn)入纖維樣品，纖維樣品厚度不同導(dǎo)致光在纖維內(nèi)部的傳播路徑長短不同。纖維厚度較小時(shí)，背景顏色會(huì)對(duì)纖維顏色造成影響；隨著纖維厚度的增加，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，纖維層達(dá)到不透明狀態(tài)[10]，厚度繼續(xù)增加，纖維顏色不會(huì)隨厚度發(fā)生變化，并保持穩(wěn)定，背景顏色不再對(duì)纖維顏色造成影響。實(shí)驗(yàn)中若纖維量較少，纖維層達(dá)不到不透明狀態(tài)，顏色測量時(shí)需保證背景色一致。若纖維充足，厚度需滿足不透明狀態(tài)，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定可靠。此外，作用于纖維的壓力需保持一致，若壓力發(fā)生變化，也會(huì)對(duì)顏色造成影響。

2.2 纖維密度對(duì)顏色測量的影響

纖維之間的相互作用力發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致纖維的密度隨之變化，影響顏色測量結(jié)果的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。在密閉固定體積的容器中，通過改變3種顏色棉纖維的質(zhì)量來控制纖維的密度變化。不同密度狀態(tài)下測得的纖維顏色參數(shù)如表2所示。

表2 不同密度時(shí)三色棉纖維的顏色參數(shù)Tab.2 Colorimetric parameters of three colored cotton fibers at different densities

由表2可知，在固定體積容器內(nèi)，隨著纖維質(zhì)量的增加，纖維密度逐漸增大，對(duì)比每次顏色測量結(jié)果，三色棉纖維的顏色參數(shù)L*值隨著纖維密度變大，有少量增加，而a*、b*值變化較小。實(shí)驗(yàn)中以最大密度(即13 g纖維)的顏色參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，分析纖維密度的改變對(duì)所測量顏色參數(shù)的影響，色差測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同密度時(shí)三色棉纖維色差結(jié)果Fig.6 Color difference of three colored cotton fibers for different fiber density

由圖6可知，三色棉纖維密度最小(即3 g纖維)時(shí)的顏色參數(shù)與纖維密度最大時(shí)，色差值均大于0.5，人眼可察覺其顏色差異。隨著密度的逐漸增加，纖維顏色與最大密度時(shí)顏色差異逐步減小，并趨于穩(wěn)定。

纖維密度的改變導(dǎo)致纖維顏色隨之改變，主要與纖維之間的孔隙率有關(guān)。3 g纖維充滿整個(gè)容器時(shí)，纖維之間的相互作用力小，空隙率高，積分球發(fā)出的光與其接觸時(shí)，易穿過纖維間的空隙，在纖維表面的反射減少，因此，密度小時(shí)纖維的明度值L*低。隨著纖維質(zhì)量的增加，纖維之間的孔隙率逐步縮小，光在纖維表面反射的次數(shù)增加，L*增加，a*、b*也有相應(yīng)的變化。纖維的密度、孔隙率與纖維的顏色有著密切的關(guān)系。顏色測量時(shí)，纖維密度需保持一致，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

2.3 纖維排列方式對(duì)顏色測量的影響

光從積分球內(nèi)部出來后，照射在纖維表面，纖維的排列方式會(huì)影響光的傳播方向。3種排列方式測得的纖維顏色參數(shù)如表3所示，其色差測試結(jié)果如表4所示。

表3 3種排列方式時(shí)三色棉纖維的顏色參數(shù)Tab.3 Colorimetric parameters of three colored cotton fibers of three arrangements

表4 不同纖維排列方式之間的色差值Tab.4 Color difference between different arrangements

由表3、4可知，三色棉纖維縱向平行排列時(shí)與橫向平行排列時(shí)顏色測量結(jié)果非常接近，色差值均小于0.06。纖維任意排列的顏色測量結(jié)果與其橫向排列、縱向排列之間結(jié)果相差較大，色差值最小為0.47, 最大為0.86。

纖維平行排列(橫向和縱向)時(shí)，光束照射在其表面，一部分在纖維表面發(fā)生反射，一部分進(jìn)入纖維內(nèi)部。由于纖維的排列方向一致，在纖維表面發(fā)生反射的那部分光，其反射方向一致；而纖維任意排列時(shí)，反射部分光的方向是任意的，導(dǎo)致與纖維平行(橫向和縱向)排列時(shí)顏色測量結(jié)果存在明顯差異。在顏色測量時(shí)，應(yīng)盡量保證纖維排列是任意分布的，避免其單一方向的排列。

2.4 不同測量方法對(duì)顏色測量的影響

比較36個(gè)染色織物樣品的條件二、條件三、文獻(xiàn)[5]結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際顏色參數(shù)之間的差異，其色差結(jié)果如表5所示。

表5 3種方法的色差值比較Tab.5 Comparison of color differences among different method

注： DE00-1表示條件二測量結(jié)果與實(shí)際的色差；DE00-2表示條件三測量結(jié)果與實(shí)際的色差；DE00-3表示文獻(xiàn)[5]測量結(jié)果與實(shí)際的色差。

由表5可見，條件二和文獻(xiàn)[5]得到的品紅、藍(lán)、黃三色織物的色差值，均隨染料用量的增加逐步增大，染料用量越大色差值越大。光學(xué)鏡片對(duì)光傳播路徑的改變是造成條件二顏色測量不準(zhǔn)確的主要原因，且光學(xué)鏡片對(duì)染料用量大的染色織物顏色的影響遠(yuǎn)大于染料用量小的染色織物。文獻(xiàn)[5]修正了光學(xué)鏡片對(duì)顏色測量結(jié)果的影響，其結(jié)果明顯優(yōu)于條件二，提高了顏色測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

條件三中品紅、藍(lán)、黃三色織物最小色差值均大于條件二和文獻(xiàn)[5]，其最大色差值和平均色差值均小于條件二和文獻(xiàn)[5]，其中黃色織物與條件三的平均色差值為1.48，文獻(xiàn)[5]的平均色差值為1.49，結(jié)果非常接近。但條件三測量的品紅、藍(lán)、黃三色織物色差分布離散程度最小，且明顯優(yōu)于條件二和文獻(xiàn) [5]。文獻(xiàn) [5]色差方差值的最小值為黃色織物的0.48，條件三色差方差值的最大值為黃色織物的0.18。條件三的測量結(jié)果優(yōu)于文獻(xiàn) [5]，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，受織物染料用量變化影響更小。實(shí)驗(yàn)中借助光學(xué)鏡片測量顏色，鏡片表面平整光滑，光束照射上去會(huì)發(fā)生鏡面反射并對(duì)測量結(jié)果造成影響。

條件三相較于條件二和文獻(xiàn) [5],排除了鏡面反射光對(duì)顏色測量結(jié)果的影響，與實(shí)際顏色值相比更準(zhǔn)確；且隨著織物染料用量的變化，條件三下光學(xué)鏡片對(duì)樣品顏色的影響比較穩(wěn)定，因此，條件三的顏色測量結(jié)果優(yōu)于文獻(xiàn)[5]和條件二，該結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了本文實(shí)驗(yàn)中自制容器及實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置的可行性。

3 結(jié) 論

本文主要研究了纖維制樣因素對(duì)顏色測量結(jié)果的影響，并驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中測量方法的準(zhǔn)確性。采用品紅、藍(lán)、黃3種顏色的棉纖維，借助自制測色容器，改變纖維厚度、纖維密度、纖維的排列方式，采用分光光度計(jì)分析纖維顏色參數(shù)的變化，得出如下主要結(jié)論。

1)顏色測量時(shí)，纖維厚度需滿足不透明狀態(tài)，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定可靠；若纖維量較少，需保持背景色一致。此外，作用于纖維的壓力需保持一致。

2)纖維密度的大小影響纖維之間的孔隙率?？紫堵逝c纖維的顏色有著密切的關(guān)系，在顏色測量時(shí)，纖維密度需保持一致，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

3)在顏色測量時(shí)，應(yīng)盡量保證纖維排列是任意分布的，避免其單一方向的排列。本文方法測量結(jié)果優(yōu)于直接測量結(jié)果和文獻(xiàn)[5]測量結(jié)果。

在后期研究中，纖維樣品經(jīng)梳理充分混合后，可借助自制容器(前端為光學(xué)鏡片)測量其顏色，規(guī)定纖維樣品的質(zhì)量為10 g, 纖維密度恒定，纖維任意排列，確保顏色測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。