染色纖維與色紡紗線間的顏色傳遞規律及其影響因素

袁 理， 熊 瑩， 谷 遷， 王丹書， 霍 達， 劉軍平

(1. 武漢紡織大學 電子與電氣工程學院， 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學 省部共建紡織新材料與先進加工技術 國家重點實驗室， 湖北 武漢 430200； 3. 武漢紡織大學 數學與計算機學院， 湖北 武漢 430200)

由2種或2種以上不同色澤纖維經特定工序混合加工紡制而成的紗線稱為色紡紗，因其顏色豐富、立體感強而深受消費者喜愛[1]。與傳統的“紗染”工藝不同，色紡紗的呈色特性不僅與染色纖維的混配參數有關，而且與其加工的工藝參數緊密相關。在實際生產中，由于顏色傳遞過程復雜，需要根據客戶來樣，依靠經驗和反復試紡、目測來達到目標色，不僅費時費力，而且容易導致產品色度學指標的波動，影響產品的質量控制與商業交割[2-3]。

近年來，隨著色紡產業的迅猛發展以及顏色測量手段的豐富，國內外眾多研究機構和團隊對染色纖維在成紗過程中的顏色傳遞規律及其影響因素展開研究。陳美玉等[4-5]以捻系數對著色滌綸紗和有色粘膠紗的呈色變化規律展開分析。結果表明，隨著成紗捻系數的增加，著色滌綸長絲紗線與有色粘膠紗線的明度、飽和度均呈負指數規律下降，而色相呈線性規律增加，并明確指出紗線捻系數的變化會對其呈色特性產生影響；周方穎等[6]在精梳毛紗加捻顏色分析與補償系統開發過程中明確指出，捻系數不僅是影響紗線結構的最重要的因素，同時也影響著織物的視覺顏色。因此，在產品生產和開發過程中，需要對紗線顏色進行補償，保證紗線捻系數的前提下，滿足用戶對產品顏色的需求；張建祥等[7]在影響少量紗線顏色測量因素的研究中表明，紗線加捻狀態時所測得的色差值普遍低于紗線未加捻狀態時所測得的色差值，表明成紗過程中的加捻程度會對紗線的最終呈色產生影響。

值得注意的是，上述研究僅針對單一染色纖維在成紗程中由于加捻處理導致的顏色變化，而色紡紗線通常由多種染色纖維混配而成，其中纖維作為色紡紗線的基本呈色單元，會因為成紗加捻處理導致其孔隙率發生改變，并使不同組分的纖維在紗線表面相互聚集或堆疊，即色紡紗線的基本呈色單元尺寸很大且分布不均[8-9]。因此，色紡紗線的呈色機制與單一單色纖維制成的織線及織物存在顯著差異。此外，目前大部分研究均采用單一色度學指標對顏色特性進行定量分析，而在實際生產或銷售環節中，需要利用“譜差”和“色差”2種顏色體系下的評價指標同時對產品的顏色進行分析，從而滿足色彩信息溝通的需要。

針對以上問題，本文將重點針對染色纖維混配紗線的顏色傳遞特性以及加捻導致的顏色變化規律展開研究；同時，將采用“譜差”和“色差”以及特征類別可分比指標分析染色纖維及其色紡紗線的呈色特性和變化規律。本文研究對于探索色紡紗線的顏色表征與分析建模具有重要的理論價值，同時也能夠為染色纖維混配色預測模型以及色紡企業的實踐生產提供有力保障。

1 顏色測量與分析

1.1 光譜特征相似度

光譜反射率曲線能夠較為全面地表征物體的顏色屬性，被廣泛應用于紡織品色彩測量與分析中。本文采用光譜泛相似測度(SPM)準則對色紡紗的呈色特性進行表征。光譜曲線A和B的 SPM數學模型可表示為

(1)

式中，SBD(A,B)為光譜曲線A和B的矢量大小，具體定義如下：

(2)

同時，SSD(A,B)為光譜曲線A和B的形狀差異度，具體定義如下：

(3)

其中，SCM為光譜矢量間的皮爾森相關系數[11]，取值范圍為-1～1。SPM值越小，表明這2條光譜曲線越相似。

1.2 CMC2∶1色差值

CMC(l:c)色差分析公式被廣泛應用于紡織品色度學指標的差異性分析，是色差控制與客觀評價的重要指標[12]，具體定義如下：

(4)

式中：ΔL、ΔCab、ΔHab分別為樣本的明度差、飽和度差、色相差；Sl、Sc、SH分別為明度差、飽和度差、色相差的加權系數；l和c分別用于調整明度與飽和度相對寬容量，一般取l∶c=2∶1，并記作CMC2∶1。

1.3 顏色差異性判別準則

色紡面料染色纖維的分布具有復雜性與多樣性，很難對其呈色特性進行準確描述[13]，即色紡產品存在“類內色差”，導致無法采用確定閾值作為“類間色差”的差異性判別依據。為此，本文結合顏色特征的“類內距離”和“類間距離”，建立顏色特征的類別可分比(CSR)公式[14]用于樣本間顏色差異性判別準則。定義如下：

(5)

2 實驗與結果

2.1 實驗樣本制備

委托企業制備所需的實驗樣本。其中，纖維樣本采購于上海德福倫化纖有限公司，長度為38 mm，線密度為1.65 dtex；根據顏色視覺理論，由紅、綠、藍3種原色構成的色域空間區域較大，其中的任何顏色均可通過這3種原色的不同比例混合而成，是色彩分析中常用的原色體系。為了分析染色纖維混配過程中色相、明度、飽和度等色度學指標的變化規律，本文選用紅、綠、藍、白這4種纖維進行混合加工制樣，其色度參數如表1所示。根據文獻[9]，當纖維混配比差異接近或達到1.0%時, 色紡紗線的呈色具有穩定且顯著的差異性，因此本文樣本質量配比差異從1%開始，并依次遞增，共計11種配比方案；為分析捻系數對顏色傳遞的影響，所有配色方案均制作300、350、400和450等4種捻系數的紗線樣本。根據文獻[15]，對于混色紗線，其紗線線密度及其捻系數均會對其呈色差異產生影響，為了簡化分析，突出重點，本文在制備實驗樣本過程中，將所有紗線樣本的線密度固定不變，定為29.5 tex；紡紗方式均采用環錠紡，制成單股色紡紗線，并采用Z捻，具體紡紗工藝流程參考表2。實驗樣本的配色方案與加捻參數如表3所示。其中：樣本編號中的數字表示配色方案，如FS1表示第1種配色方案。

表1 單色纖維的CIELAB色度參數Tab.1 CIELAB chromaticity parameter of monochromatic fiber

2.2 色度學指標測量

采用X-rite Color I7分光光度計測量實驗樣本的光譜反射率值。儀器參數設定為：光線幾何條件確定為照明觀察條件d/8、照明光源D65、測量孔徑22 mm。同時，由于測量對象的無光澤性，按照GB/T 8424.1—2001《紡織品 色牢度試驗 表面顏色的測定通則》，采用去除鏡面反射(SCE)模式：在熒光(UV)去除方面，設置為無UV濾鏡模式。在測量之前，按照上述設置進行設備的校正和標準數據的測試。同時，將滌綸條與色紡紗試樣分別無縫密集地繞在黑色磨砂有機玻璃面板上，并重復疊層保證不透面板底色。全部樣本在相對濕度為65%的狀態下平衡后進行測色，FS4(捻系數為300)滌綸條及其色紡紗樣本如圖1所示。

表2 色紡紗樣本制備流程及實驗儀器Tab.2 Color spinning sample preparation process and experimental instrument

表3 樣本配色方案與捻系數參數Tab.3 Sample color scheme and twist coefficient parameter

圖1 FS4(捻系數為300)滌綸條及色紡紗測試樣本Fig.1 FS4 (twist coefficient is 300) polyester sliver (a) and dyed yarn test sample(b)

在測量過程中，每個樣本隨機選取10個不同的點進行測量;然后，將每個樣本的10個測量結果隨機分為2組并取其平均值，分別記為“前五”測量均值和“后五”測量均值，并針對每個樣本的10個測量數據取其均值，記為該樣本的整體均值；在樣本數據分析過程中，利用某樣本的“前五”測量均值和“后五”測量均值計算出該樣本的類內特征值；同時，利用2類樣本的整體均值計算出該2類樣本的類間特征值。在此基礎上，根據式(5)求出樣本間的類別可分比值。這種綜合分析方法在減小測量誤差的同時，也便于分析樣本顏色特征的隨機波動性與傳遞規律。

2.3 基于光譜特征的顏色傳遞規律分析

對樣本進行光譜特征提取與分析，結果如表4、5所示。其中：d1、d2、d3和d4分別表示滌綸條與4種捻系數色紡紗線樣本間的SPM特征值，即類間光譜特征距離；d5、d6和d7則表示捻系數為300的樣本分別與捻系數為350、400、450的樣本間的光譜特征距離；d8和d9分別表示捻系數為350的樣本分別與捻系數為400、450的色紡紗樣本間的光譜特征距離；d10則表示捻系數為400的樣本與捻系數為450的色紡紗樣本間的光譜特征距離。

表4 滌綸條與色紡紗樣本類間光譜特征距離及統計分析Tab.4 Spectral characteristic distance and statistical analysis table between polyester sliver and dyed yarn samples

表5 不同捻系數色紡紗樣本類間光譜特征距離及統計分析Tab.5 Spectral characteristic distance and statistical analysis among colored spinning samples with different twist coefficients

結果表明，對具有相同配色方案的滌綸條以及色紡紗線樣本之間，光譜特征存在顯著差異。具體而言，滌綸條與色紡紗線樣本間的光譜特征距離遠遠大于色紡紗線樣本間的特征距離(相差1個數量級以上)，說明染色纖維混配物形態的變化會導致其呈色特性的顯著改變，而且這種改變具有普遍性；此外，統計分析結果表明，滌綸條樣本的光譜更接近于低捻系數色紡紗線樣本，即樣本間光譜特征距離更小；同時，色紡紗線間的光譜特征差異趨于穩定，統計方差顯著下降。

利用光譜特征的“類內距離”對樣本呈色的均勻性進行提取與分析，結果如表6所示。其中：d11表示滌綸條樣本的類內光譜特征距離；d12、d13、d14和d15分別表示為300、350、400、450這4種捻系數色紡紗樣本的類內光譜特征距離。

表6 滌綸條與色紡紗樣本類內光譜特征距離及統計分析Tab.6 Spectral characteristic distance and statistical analysis of polyester sliver and dyed yarn samples

結果表明，對于滌綸條以及色紡紗線樣本，其自身顏色的均勻性存在差異。總體而言，滌綸條樣本不同區域間的光譜特征差異度高于色紡紗樣本，說明染色纖維混配物的形態變化會影響其自身顏色的一致性，而且這種影響具有普遍性；同時，捻系數的差異會影響色紡紗線呈色的均勻性和穩定性，即隨著捻系數的增大，色紡紗線樣本的類內光譜特征均值和方差都發生改變，但均值處于同一數量級。

在此基礎上，結合樣本光譜的“類間”與“類內”特征距離，采用“類間可分比”公式對樣本的整體呈色差異進行定量與統計分析，結果如表7、8所示。其中:C1、C2、C3和C4分別表示滌綸條樣本與300、350、400、450這4種捻系數色紡紗線樣本之間的光譜特征類別可分比值；C5、C6、C7則表示捻系數為300的樣本分別與捻系數為350、400、450的色紡紗線樣本間的光譜特征類別可分比值；C8和C9分別表示捻系數為350的樣本分別與捻系數為400、450的色紡紗線樣本之間的光譜特征類別可分比值；C10則表示捻系數為400的樣本與捻系數為450的色紡紗線樣本間的光譜特征類別可分比值。

表7 滌綸條與色紡紗樣本間光譜特征 類別可分比值及統計分析Tab.7 Category separable ratio and statistical analysis of spectral feature between polyester sliver and dyed yarn samples

結果表明:滌綸條與色紡紗線之間的光譜特征類別可分比值均大于1，說明其呈色特性存在顯著差異；但對于色紡紗線樣本而言，由于染色纖維配比參數與捻系數均存在差異，其類別可分比值變化范圍較大，區間為0.12～89.91,說明色紡紗線樣本的光譜差異性不僅與配比參數相關，而且還與紡紗工藝緊密相連。此外，統計分析表明，由于在類別可分比中同時包含了樣本的“類間”與“類內”特征，所以度量更為準確、穩定，能夠有效克服色紡產品自身呈色的隨機波動性，滌綸條與色紡紗線間的差異性與捻系數的線性度更高。

表8 不同捻系數色紡紗樣本間光譜 特征類別可分比值及統計分析Tab.8 Category separable ratio and statistical analysis of spectral feature among dyed yarn samples with different twist coefficients

2.4 基于CMC2∶1色差的顏色傳遞規律分析

與光譜特征分析過程類似，首先對樣本進行色差計算與統計分析，結果如表9、10所示。其中：D1、D2、D3和D4分別表示滌綸條樣本與4種捻系數色紡紗樣本之間色差值；而D5、D6和D7則表示捻系數為300的樣本分別與捻系數為350、400、450的色紡紗樣本間的色差值；D8和D9分別表示捻系數為350的樣本分別與捻系數為400、450的色紡紗樣本之間色差值；D10則表示捻系數為400的樣本與捻系數為450的色紡紗樣本間的色差值。

表9 滌綸條與色紡紗樣本的類間色差值及統計分析Tab.9 Color difference value and statistical analysis between polyester sliver and thedyed yarn samples

表10 不同捻系數色紡紗樣本類間色差值及統計分析Tab.10 Color difference value and statistical analysis of dyed yarn samples with different twist coefficients

結果表明，對具有相同配色方案的滌綸條以及色紡紗線樣本之間，色差變化范圍較大且存在顯著差異。總體而言，滌綸條與色紡紗線間的色差大于色紡紗線樣本間的色差值，說明染色纖維混配物的形態變化會導致其顏色的顯著改變，而且這種改變具有普遍性；此外，滌綸條樣本與低捻系數色紡紗線樣本間的色差更小，與樣本的光譜特征變化趨勢一致。

同時，利用色差分析對樣本自身呈色差異，即顏色的“類內距離”進行測量與分析，結果如表11所示。其中：D11表示滌綸條樣本的類內色差值；D12、D13、D14、D15分別表示4種捻系數色紡紗樣本的類內色差值。

表11 滌綸條與色紡紗樣本類內色差值及統計分析Tab.11 Color difference value and statistical analysis of polyester sliver and dyed yarn sample class

結果表明:滌綸條與色紡紗線樣本的顏色存在一定程度的波動，但變化范圍有限，且色紡紗線樣本的類內色差值均小于經驗閾值1.0。總體而言，滌綸條樣本的類內色差值均大于色紡紗樣本的類內色差值，且方差較大，說明不同樣本不同區域間色差變化更為劇烈；而當纖維聚集形態發生改變后，樣本的顏色更趨于穩定和一致。

在此基礎上，結合樣本的“類間”與“類內”色差值，采用“類間可分比”公式對樣本的整體呈色差異進行定量與統計分析，結果如表12、13所示。其中：C11、C12、C13和C14分別表示滌綸條樣本與4種捻系數色紡紗線樣本之間的色差特征類別可分比值；C15、C16、C17則表示捻系數為300的樣本分別與捻系數為350、400、450的色紡紗線樣本間的色差特征類別可分比值；C18和C19分別表示捻系數為350的樣本分別與捻系數為400、450的色紡紗線樣本之間的色差特征類別可分比值；C20則表示捻系數為400的樣本與捻系數為450的色紡紗線樣本間的色差特征類別可分比值。

表12 滌綸條與色紡紗樣本色差特征 類別可分比值及統計分析Tab.12 Category separable ratio of color difference feature and statistical analysis between polyester sliver and dyed yarn samples

表13 不同捻系數色紡紗樣本色差特征 類別可分比值及統計分析Tab.13 Category separable ratio of color difference feature and statistical analysis of dyed yarn samples with different twist coefficients

結果表明:滌綸條與色紡紗線樣本間的色差特征類別可分比值均大于1，說明樣本間的色差存在且顯著差異；但色差特征類別可分比值的變化范圍存在差異。總體而言，滌綸條與色紡紗線間樣本間的色差特征類別可分比值變化范圍以及均值都大于色紡紗線樣本間的比值，說明染色纖維形態的改變會影響其呈色特性，與光譜特征變化規律保持一致。

綜合以上分析可以看出，染色纖維在混配過程中，纖維的聚集狀態以及彼此之間的孔隙率會直接影響其最終呈色效果。當纖維間的空隙較大時會增加光通量，并導致染色纖維對光的吸收減少，光譜反射率值以及L值、a值、b值會發生改變；當染色纖維加工成色紡紗線后，由于加捻處理，會導致紗線體積密度變化，改變紗線中染色纖維之間的接觸面積，并影響光通路，因此，染色纖維于色紡紗線間的顏色傳遞不僅與染色纖維的混配參數有關，而且與紡紗工藝參數緊密相連。

3 結 論

1)色紡紗線加工過程中，當染色纖維混配物的形態發生改變時，無論是“譜差”還是“色差”，均會發生顯著改變，滌綸條與色紡紗線間的顏色或呈色特性有明顯差異，而且這種差異與配比參數無關，具有普遍性，即在設計加工過程中，相同配色方案下不同形態的色紡產品之間的呈色差異是客觀存在的，并且隨著成紗捻系數的增大，“譜差”與“色差”均增大。

2)對于染色纖維混配物及其色紡紗線樣本，其自身均存在一定的“譜差”和“色差”，即顏色具有不均勻性；同時，對色紡紗線樣本而言，當捻系數增大時，顏色的一致性會有所提升，在實際生產加工中采用固有的設計方式，雖然能夠滿足捻系數條件，但紗線的呈色與目標顏色存在差異。利用本文的顏色傳遞規律對原色纖維的配比進行適當增減，既可保證紗線的捻系數，又能夠滿足客戶要求的產品顏色。

3)利用類別可分比的方法將“類內”與“類間”特征進行特征融合，滌綸條與色紡紗線樣本間的類別可分比值變化范圍以及均值都大于色紡紗線樣本間的比值，說明染色纖維形態的改變會影響其呈色特性；但色紡紗線間的特征類別可分比值，不僅與纖維配比參數相關，而且與紗線加工工藝緊密相連，是樣本間“譜差”和“色差”的主要影響因素。

4)光譜分析與色差分析對于色紡紗線的顏色表征能力有所不同，是2種不同顏色評價體系，雖然可以相互轉換，但不存在必然聯系，也是“同色異譜”現象存在的原因。其中“譜差”是在不同波長上對光線的吸收和反射進行差異化表征，特征維度在30左右；而“色差”僅在明度、飽和度、色相角上對顏色差異進行描述，因此，相較于“色差”分析，“譜差”特征信息量更為豐富；并且光譜特征比色差特征所呈現的顏色傳遞規律更加明顯，但在實際應用中，針對顏色質量的評價與控制通常只采用色差評價。

5)針對其他種類纖維(如棉纖維)是否具有同樣的規律，以及紗線線密度對呈色的影響，需要進一步建立多參數模型，是下一步研究工作的重點。