用分光光度計法測量纖維顏色的影響因素

張 戈， 周 建， 王 蕾， 潘如如， 高衛東

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學 紡織科學與工程學院， 江蘇 無錫 214122)

有色纖維顏色測量的準確性和可重復性是色紡行業染色和配色的基礎。準確的顏色測量可保證產品質量的穩定，有助于色紡企業提高配色打樣效率，縮短交貨時間，提高生產效率[1-2]。 在使用分光光度計測量纖維顏色過程中，纖維樣品的制備方法、纖維的狀態會對顏色測量結果造成影響。研究有色纖維樣品制備過程是解決準確穩定測量纖維顏色的重要部分。

目前，企業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]，而直接對染色纖維、混色纖維測色的研究相對較少。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，纖維易進入分光光度計積分球內部，污染積分球內部的標準環境，影響顏色測量數據的準確性，直接測量纖維的顏色難以得到穩定的結果。Che等[5]通過自制測量容器，前端為光學鏡片，并對光學鏡片產生的測量誤差進行修正，但其修正結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個纖維絮片整齊疊放后，測量其顏色參數[6]，但測量纖維顏色時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象，探索在應用分光光度計測量纖維樣品顏色時，樣品制備過程中纖維層厚度、密度、排列方式對顏色測量結果的影響，選取出最優的測量條件，提供纖維顏色測量的標準操作方法。

1 實驗部分

1.1 原 料

選用品紅(M)、藍(B)、黃(Y)三色染色棉纖維作為實驗原料，如圖1所示。纖維經染色后，易疏密不勻，糾纏結塊，排列混亂。實驗中所用染色纖維均經過小樣梳棉機梳理，保證纖維處于伸直、蓬松、均勻狀態。

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

1.2 纖維顏色參數測試

為保證纖維樣品顏色測量過程中狀態的穩定性，實驗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)，方便實驗中最大面積讀取樣品顏色參數。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型臺式分光光度計測量纖維樣品的顏色參數。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，設備預熱30 min，以保證測量數據的穩定。儀器校正后，選擇在D65標準光源、10°標準觀察角條件下操作，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

在利用分光光度計測量顏色時，要求樣品具有一定的厚度，光不能透過，纖維樣品應達到不透明狀態。實驗中，將梳理后的纖維層層鋪入前端有光學鏡片的自制纖維測色容器內(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，最大值設置為1.2 cm。通過滑塊裝置對纖維施加作用力，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。實驗中纖維處于緊密狀態。測量不同厚度時纖維樣品的顏色參數，分析厚度變化對纖維顏色測量結果的影響。

1.3.2 纖維密度

纖維處于蓬松或緊密狀態，顏色測量結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，借助纖維之間的相互作用，改變每次放置纖維的質量，研究纖維密度對顏色的影響。實驗中依次放置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后測量不同密度時纖維的顏色參數。

1.3.3 纖維排列方式

分光光度計光源發出的光束照射在纖維表面，纖維的排列方式會改變光束進入纖維后的傳播方向，影響測量纖維的顏色參數。實驗中，每個樣品質量均為10 g，放置在自制容器內，測試纖維縱向平行分布、橫向平行分布以及任意排列3種條件下的顏色參數。比較纖維排列方式對顏色測量結果的影響。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、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個不同濃度(染料用量不同)的梯度。在不同的條件下對36個染色織物樣品進行顏色測量，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)，每個染色織物樣品折疊成8層，分光光度計的其他參數設置均一致，保證測量結果的準確性。光學鏡片與自制容器前端鏡片一致。條件一測量結果為染色織物實際顏色參數，即為標準。條件二測量結果為有光學鏡片影響下染色織物的顏色參數。條件三測量結果為本文方法結果。文獻 [5]結果由條件二測量結果計算得到。

2 分析與討論

2.1 纖維厚度對顏色測量的影響

品紅、藍、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。不同厚度時三色棉纖維顏色參數如表1所示。可知，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L*、a*、b*數值均有少量變化，且變化趨勢平穩。實驗中，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，結果如圖5所示。

表1 不同厚度時三色棉纖維顏色參數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果Fig.5 Color difference of three colored cotton fibers for thickness variation

由圖5可以發現，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較大，其中黃色棉纖維的色差值基本達到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，在容器光學鏡片表面及內部發生一系列的反射、吸收、折射[9-10]后進入纖維樣品，纖維樣品厚度不同導致光在纖維內部的傳播路徑長短不同。纖維厚度較小時，背景顏色會對纖維顏色造成影響；隨著纖維厚度的增加，當達到某個臨界值時，纖維層達到不透明狀態[10]，厚度繼續增加，纖維顏色不會隨厚度發生變化，并保持穩定，背景顏色不再對纖維顏色造成影響。實驗中若纖維量較少，纖維層達不到不透明狀態，顏色測量時需保證背景色一致。若纖維充足，厚度需滿足不透明狀態，保證測量結果的穩定可靠。此外，作用于纖維的壓力需保持一致，若壓力發生變化，也會對顏色造成影響。

2.2 纖維密度對顏色測量的影響

纖維之間的相互作用力發生改變，會導致纖維的密度隨之變化，影響顏色測量結果的穩定性及準確性。在密閉固定體積的容器中，通過改變3種顏色棉纖維的質量來控制纖維的密度變化。不同密度狀態下測得的纖維顏色參數如表2所示。

表2 不同密度時三色棉纖維的顏色參數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，隨著纖維質量的增加，纖維密度逐漸增大，對比每次顏色測量結果，三色棉纖維的顏色參數L*值隨著纖維密度變大，有少量增加，而a*、b*值變化較小。實驗中以最大密度(即13 g纖維)的顏色參數作為標準，分析纖維密度的改變對所測量顏色參數的影響，色差測試結果如圖6所示。

圖6 不同密度時三色棉纖維色差結果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)時的顏色參數與纖維密度最大時，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顏色差異逐步減小，并趨于穩定。

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

2.3 纖維排列方式對顏色測量的影響

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

表3 3種排列方式時三色棉纖維的顏色參數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與橫向平行排列時顏色測量結果非常接近，色差值均小于0.06。纖維任意排列的顏色測量結果與其橫向排列、縱向排列之間結果相差較大，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，光束照射在其表面，一部分在纖維表面發生反射，一部分進入纖維內部。由于纖維的排列方向一致，在纖維表面發生反射的那部分光，其反射方向一致；而纖維任意排列時，反射部分光的方向是任意的，導致與纖維平行(橫向和縱向)排列時顏色測量結果存在明顯差異。在顏色測量時，應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 不同測量方法對顏色測量的影響

比較36個染色織物樣品的條件二、條件三、文獻[5]結果與標準實際顏色參數之間的差異，其色差結果如表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表示條件二測量結果與實際的色差；DE00-2表示條件三測量結果與實際的色差；DE00-3表示文獻[5]測量結果與實際的色差。

由表5可見，條件二和文獻[5]得到的品紅、藍、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。光學鏡片對光傳播路徑的改變是造成條件二顏色測量不準確的主要原因，且光學鏡片對染料用量大的染色織物顏色的影響遠大于染料用量小的染色織物。文獻[5]修正了光學鏡片對顏色測量結果的影響，其結果明顯優于條件二，提高了顏色測量結果的準確性。

條件三中品紅、藍、黃三色織物最小色差值均大于條件二和文獻[5]，其最大色差值和平均色差值均小于條件二和文獻[5]，其中黃色織物與條件三的平均色差值為1.48，文獻[5]的平均色差值為1.49，結果非常接近。但條件三測量的品紅、藍、黃三色織物色差分布離散程度最小，且明顯優于條件二和文獻 [5]。文獻 [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。條件三的測量結果優于文獻 [5]，數據更穩定，受織物染料用量變化影響更小。實驗中借助光學鏡片測量顏色，鏡片表面平整光滑，光束照射上去會發生鏡面反射并對測量結果造成影響。

條件三相較于條件二和文獻 [5],排除了鏡面反射光對顏色測量結果的影響，與實際顏色值相比更準確；且隨著織物染料用量的變化，條件三下光學鏡片對樣品顏色的影響比較穩定，因此，條件三的顏色測量結果優于文獻[5]和條件二，該結果同時驗證了本文實驗中自制容器及實驗條件設置的可行性。

3 結 論

本文主要研究了纖維制樣因素對顏色測量結果的影響，并驗證了實驗中測量方法的準確性。采用品紅、藍、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，采用分光光度計分析纖維顏色參數的變化，得出如下主要結論。

1)顏色測量時，纖維厚度需滿足不透明狀態，保證測量結果的穩定可靠；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。孔隙率與纖維的顏色有著密切的關系，在顏色測量時，纖維密度需保持一致，保證測量數據的準確性和可重復性。

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

在后期研究中，纖維樣品經梳理充分混合后，可借助自制容器(前端為光學鏡片)測量其顏色，規定纖維樣品的質量為10 g, 纖維密度恒定，纖維任意排列，確保顏色測量數據的準確性和可重復性。