棉織物涂料數碼印花適性規律

鄔振東， 丁 亦， 劉蘊瑩

(東華大學 a. 紡織面料技術教育部重點實驗室； b. 紡織學院， 上海 201620)

在紡織品的生產過程中，印花工藝是一道非常重要的工序，其既可滿足消費者對色彩的需求，也可提升紡織品的價值。傳統紡織品印花多為輥筒印花和圓網印花，適用于工廠大批量生產，但存在生產流程長、勞動強度大、染料浪費嚴重、環境污染嚴重等問題[1-2]。隨著科技的發展，紡織品數碼印花在紙張噴墨印刷的基礎上逐漸發展起來，其通過噴墨打印頭往復運動向織物表面噴射不同顏色的微小墨滴，從而印制色彩繁多的圖案[3]。相比傳統印花，數碼印花明顯減少了廢水污染和能源消耗，提高了生產的靈活性和產品多樣性，尤其適用于小批量生產與多色彩設計[4]。

在涂料數碼印花中，顏料與織物間的著色機理不同于染料，主要靠黏合劑將顏料和纖維黏結在一起，因此顏料粒子可黏著于所有纖維[5]；涂料數碼印花流程較其他種類墨水數碼印花更為簡易，省略了蒸化和水洗步驟。但涂料數碼印花技術在實際運用中仍存在許多問題，例如：由于印前和印后顯色機理及設備不同，印花過程中顏色信息的轉換導致出現色差，最終產品和設計原稿產生較大差異；相同的配色方案運用到不同面料上時，由于基質紋理、光澤等特征的不同，最終的印花效果也不盡相同；只有打印完成后印品所表現的特征才能體現織物的印花適性，即“用了才知道”。影響紡織品印花適性的因素有很多，如預處理、墨水種類、紡織基質性能等。

采用主成分分析法構建棉織物印花適性的評價預測模型，以擺脫對經驗的依賴；通過實際印花試驗獲得檢測數據，從而探索棉織物印花適性及其印花顯色規律，以驗證棉織物印花適性評價模型。該研究在探討織物結構與顯色效果之間關系時考慮了較多變量，當數據量足夠大時，有望為涂料數碼印花適應智能織造的發展打下良好基礎。

1 試驗部分

1.1 棉織物印花適性評價指標選取

(1) 紗線支數。紗線支數即紗線的粗細程度。研究[6]發現，棉織物的紗線越細，噴墨印花后織物的顏色越深，防滲化效果越好。現采用線密度(單位：tex)表征紗線細度，為使研究更貼近實際生產，選用英制支數作為評價指標，并簡稱為支數。

(2) 織物密度。織物密度是影響顏料墨水在織物上滲化的主要因素。研究[7]表明，輕薄或疏松織物的纖維間空隙較大、抱水性較差，噴墨印花時，墨水易沿著纖維之間的空隙流動從而導致墨水滲化。若織物結構緊密，纖維間空隙較小，墨水則難以滲化。參照GB/T 4668—1995測試織物密度。

(3) 厚度。織物厚度影響印花的滲透率與染色深度K/S值，即：厚度越大，墨水層越薄，印跡越淺；厚度越小，印花時越容易發生墨水透印現象[8]。參照GB/T 3820—1997測定紡織品厚度。

(4) 紗線捻度。紗線捻度對墨水滲化的影響較大，紗線捻度越大，纖維間空隙越小，防滲化能力越好[8]。參照GB/T 2543.2—2001測定紗線捻度，本試驗中捻度為10 cm內紗線的捻回數。

(5) 白度。織物的白度是指織物的潔白程度，其是可見光在所有波長范圍內均勻漫反射的總反射率。一般而言，織物白度越高，墨水的顯色效果越好，紡織品的色彩越鮮亮，所能表現的色域越廣，視覺感受越好；反之，紡織品的色彩暗淡，階調的再現性差，易出現偏色現象[9]。參照GB/T 8424.2—2001測定織物白度，選取CIE 1982白度。

(6) 芯吸高度。芯吸是指纖維從一處向另一處傳遞液體的能力，直接影響墨水的滲透性。在數碼印花中，紡織品通過纖維間的毛細管效應傳遞墨水，芯吸主要表現為對墨水的吸收能力和均勻程度，將會對織物的印花滲透率、K/S值以及印花色彩階調的再現性產生影響[10]。織物芯吸的測量參照FZ/T 01071—2008，試驗測試30 min液面上升的高度，即芯吸高度。

(7) 光澤度。織物光澤度被定義為織物表面在反射入射光方面與完全鏡面反射的接近程度。在數碼印花中，將墨水噴印在紡織基質上，當入射光照射在墨層上時，首先在墨層表面反射(即首層表面反射光)，其余入射光透過墨水層經墨水的選擇性吸收后再透射出來，即主色光。因此，觀察到的色光為主色光和首層表面反射光的混合光[11]。參照FZ/T 01097—2006測量織物的光澤度。

(8) 表面粗糙度。織物表面粗糙度是表示織物表面平整、光滑和均勻程度的物理量，直接影響織物的光澤度、芯吸高度以及反射率，從而影響墨水的轉移以及印花的清晰程度[7]。參照FZ/T 01054—2012測試織物的表面粗糙度。

1.2 棉織物試樣選取及物理性能測試

為控制織物組織結構不變，選取9塊厚度、密度、白度、表面粗糙度等物理指標不同的平紋純棉織物(南京美棉紡織品有限公司)作為研究對象，編號為1#～9#。試驗的9塊織物均不做預處理，其中，3#織物未經漂白處理，其織物印花適性指標數值涵蓋范圍較廣，能更好地驗證得到的綜合模型的可靠性。使用Y511B型織物分析鏡(常州二紡精密機械有限公司)、YG141N型數字式織物厚度儀(南通宏大實驗儀器有限公司)、Y331N型紗線捻度儀(南通宏大實驗儀器有限公司)、YG871-II型毛細管效應測試儀(溫州方圓儀器有限公司)、YG524型織物光澤度測定儀(北京京晶科技有限公司)、Surface Tester KES-FB4-A型表面性能測試儀(KATO TECH)對織物的物理性能進行測試。

1.3 主成分分析法

主成分分析法(principal component analysis)是通過降維過程將多指標轉化為少數幾個綜合指標的一種統計分析方法[12]。基于SPSS 24.0軟件，利用主成分分析法對棉織物的物理性能指標進行分析，以主成分的方差貢獻率為權重，通過線性加權求和的方式得到織物印花適性的綜合評價值。

1.4 織物印花與顯色性能測試

利用Photoshop cc 2019軟件進行單通道印花機打印色塊設計，打印機用RICOH Design軟件控制，打印色塊的示意圖如圖1所示，其用于測試印后織物色塊CIE Lab值、K/S值以及印花滲透率。使用RICOH Ri 100型數碼直噴印花機(理光中國投資有限公司)和青-品紅-黃-黑(CMYK)四色捷特絲紡織水性涂料墨水(鄭州鴻盛數碼科技股份有限公司)進行單通道純色印花。使用RICOH Rh 100型固色機(理光中國投資有限公司)進行固色操作，打印前熱壓使織物平整的溫度和時間分別為165 ℃和5 s，打印完成后熱固溫度和時間分別為165 ℃和90 s。

圖1 CMYK純色印花測試圖Fig.1 Test pattern of CMYK solid color printing

使用Datacolor 850型分光測色儀(德塔顏色商貿上海有限公司)對織物印花前后的顏色進行測試。測色條件：D65/10°，測色孔徑為30 mm，不包含UV濾鏡。儀器校正后，選擇3次測試結果并求取平均值。墨水的滲化程度用織物印花的滲透率進行表征，根據測得的顏色區(打印后)和白布(打印前)的染色深度K/S值，計算印花滲透率RP[13]。

(1)

2 結果與討論

2.1 棉織物印花適性評價指標測試結果分析

棉織物印花適性評價指標測試結果如表1所示。

表1 棉織物印花適性評價指標測試結果

在SPSS軟件中，對棉織物印花適性評價指標執行主成分分析算法。為消除量綱的影響，對表1中的數據進行標準化處理，最終得到各指標之間的相關系數矩陣，如表2所示。

表2 各指標之間的相關性矩陣

由表2可知：相關系數超過0.8的指標有紗線支數、緯密、厚度、紗線捻度、白度、表面粗糙度，這6項指標間存在明顯的相關性，說明其彼此間存在信息上的重疊；部分指標的相關系數低于0.6，說明這些指標間的相關性較弱。主成分分析法可消除相關性，能夠反映棉織物間確切的關聯和影響[12]。

計算相關系數矩陣的特征值、貢獻率以及累計貢獻率，結果如表3所示。

表3 方差分解主成分提取表

由表3可以看出各成分解釋原始變量總方差的情況，可知主成分分析提取到3個主成分。原始變量總方差的解釋率也稱作累計貢獻率。按照主成分選取標準，通常將累計貢獻率超過85%的主成分提取出來，因此表3提取的3個主成分是合適的。

3個主成分的成分矩陣如表4所示。由表4可知：紗線支數、經密、緯密、紗線捻度、白度、光澤度在第1主成分上正載荷較大，即與第1主成分呈較強的正相關性；厚度、表面粗糙度在第1主成分上具有較高的負載荷，即呈現出較強的負相關性。這8項指標能夠反映織物表面性能和基本物理性能，對織物印花的影響較為明顯。對于紗線支數較高、經緯密與紗線捻度較大、白度與光澤度較高、厚度與表面粗糙度較低的織物，在進行印花時能夠以最大的面積與墨水接觸，可較均勻、完整地完成墨水轉移，并且印品的色彩還原性較好。紗線支數在第2主成分上正載荷較大，即與第2主成分呈較強的正相關性，

表4 主成分矩陣

表明紗線支數對織物印花有較明顯的正向影響；芯吸高度在第3主成分上正載荷較大，即與第3主成分呈較強的正相關性。織物芯吸效果越好，墨水吸收性越好，印品的色彩、階調再現性也越好。棉織物的9項指標均有體現，表明提取的3個主成分可基本反映所有指標，故采用3個新變量代替原始的9個變量。

計算主成分系數得到各個主成分的表達式。以這9項指標為自變量，與各自的權重相乘，得到評價棉織物印花適性的綜合表達式，如式(2)～(5)所示。

Y1=0.324X1+0.367X2+0.336X3-0.389X4+0.414X5+0.299X6+0.112X7+0.313X8-0.350X9

(2)

Y2=0.458X1+0.045X2+0.370X3-0.123X4+0.200X5-0.421X6-0.341X7-0.424X8+0.352X9

(3)

Y3=0.134X1-0.147X2-0.204X3-0.394X4+0.056X5-0.327X6+0.763X7+0.025X8+0.268X9

(4)

Y=(0.528 9Y1+0.223 6Y2+0.117 5Y3)/0.869 9=

0.333X1+0.215X2+0.272X3-0.321X4+0.311X5+0.030X6+0.084X7+0.085X8-0.086X9

(5)

式中：X1，X2， …，X9依次為棉織物的紗線支數、經密、緯密、厚度、紗線捻度、白度、芯吸高度、光澤度、表面粗糙度標準化處理后的數據；式(2)～(4)分別為第1～3主成分的表達式；Y為棉織物印花適性的綜合值。

2.2 綜合得分及排名

利用式(5)計算各織物主成分的綜合得分即印花適性的綜合值，結果如表5所示。

表5 各棉織物主成分及印花適性綜合排名

由表5可知：5#、 6#、 8#、 9#織物在第1主成分上得分較高，表現為具有較高的紗線捻度和經緯密，以及較低的厚度和表面粗糙度；3#、 8#、 9#織物在第2主成分上得分較高，表現為這3種織物具有較高的紗線支數；2#、 5#織物在第3主成分上得分較高，表現為這兩種織物具有較好的芯吸效應。從棉織物印花適性的綜合評價結果看，6#、 7#、 8#、9#織物的排名靠前，這與其在第1、2主成分上的排名基本一致。因此，織物綜合評價模型能夠較好地體現各主成分，表明由主成分分析法得到的綜合模型可用于快速評價織物的印花適性。

2.3 棉織物印花適性與顯色規律探究

棉織物顯色性能測試結果及分析如表6～9所示(3#織物未經漂白處理，數據單獨分析，文中在計算平均值與標準差時將3#剔除)。表6為噴墨印花品紅色塊的顏色數據。由表6可知，在打印品紅色時，除3#織物以外的其余8塊織物隨織物印花適性(用表5中的綜合得分表征)增加，CIEa*值逐漸增加，8塊織物的CIEa*值為51.48(均值)±2.79(標準差)，表明視覺上打印在織物上的品紅色中反射出的紅色光成分增多。CIEb*值為負數，表明打印在織物上的品紅色中含有少量的綠色。CIEC*值代表顏色飽和度，剔除3#織物后，織物的顏色飽和度隨其印花適性的增加而增加。CIEL*值表示顏色明度，8塊織物的CIEL*值為48.55±0.98，其中3#、 6#、 7#、 8#明度較低。這是因為明度主要取決于物體的反射率[6]，即織物的光澤度與白度對印花明度的影響較大，而這4塊織物的白度與光澤度均較低，因此其明度較低。3#織物的K/S值(1.42)在9塊織物中最大，這是因為3#織物未經漂白處理，底色較深，影響了最終打印顏色的深度。其次為8#和9#織物，根據K/S值的計算公式，反射率減小將導致織物的表觀顏色變深[14]，織物厚度越小，墨滴在毛細管、氫鍵的作用下越易于穿過纖維孔隙向織物內部滲化，易發生墨水透印現象[8]，使得更多的染料固著在織物上，從而使8#、 9#織物對光的吸收率增大，對光的反射程度下降，因此除3#織物以外，這兩塊織物所顯現的品紅色最深。9塊織物的印花滲透率為1#織物最低、9#織物最高。結合表1可知：1#織物厚度最大，9#織物厚度最小，表明厚度對印花滲透率的影響較大；芯吸對印花滲透率也有一定影響，紡織品芯吸主要表現在對墨水的吸收能力和均勻程度方面，芯吸效應增強，通過紗線或纖維傳導的墨滴量較多，織物防滲化能力減弱，印花滲透率增大[15]。

表6 噴墨印花色塊的顏色數據(品紅)

噴墨印花青色色塊的顏色數據如表7所示。其中，CIEa*為負值時，代表綠色成分，該值越低，顏色中的綠色成分越高。由表7可知：打印青色時，3#織物白度最低，打印時會出現偏色現象，其表面粗糙度最高，印花適性最差。由此可見，白度與表面粗糙度對棉織物印花適性影響較大，推測提高棉織物白度或降低其表面粗糙度，可提升印花織物的顏色再現性。除3#織物以外，其余織物的CIEa*值隨織物印花適性的增加而略有增加，表明織物顏色中的綠色成分逐漸減少。CIEb*值為負且隨織物印花適性的增加而逐漸增大，表明視覺上打印在織物上的青色中反射出藍色光成分逐漸增多，導致視覺上反射出的藍色光成分增多的直接原因是織物結構的改變。CIEC*值隨織物印花適性的增加而增加，即織物顏色逐漸變得鮮艷。9塊織物的CIEL*值為69.00±1.60，其中3#、 7#、 8#織物的明度較低，這是因為這3塊織物的白度與光澤度較低。9塊織物的K/S值為1.66±0.23， 8#和9#織物所顯現的青色最深。9塊織物的印花滲透率為(43.22±9.42)%，滲透率的波動較大，1#織物最低，8#和9#織物最高(均大于50%)，從織物背面明顯能看到顏色的滲透現象。結合表1可知，1#織物厚度最大而芯吸效應最差，9#織物厚度最小且芯吸效應較好，表明厚度與芯吸效應對印花滲透率的影響較大。

表7 噴墨印花色塊的顏色數據(青色)

噴墨印花黃色色塊的顏色數據如表8所示。由表8可知：打印黃色時，除3#織物以外，其余8塊織物的CIEa*值為0.44±0.19，說明打印黃色中的紅光基本相同且都趨向于0。3#織物受其底色影響，CIEa*值略大。CIEb*值隨織物印花適性的增加而逐漸增加，表明打印的黃色調逐漸增強，但是各織物打印黃色時的顯色效果相差較大。CIEC*值隨織物印花適性的增加而增加，但9塊織物的CIEC*值標準差為±5.58，表明各織物黃色的顯色飽和度存在較大差異，即本試驗所用黃色墨水在印花適性較高的織物上可實現高飽和黃色，而相同織物上品紅和青色的飽和度較低。9塊織物的CIEL*值為54.55±1.39，表明各織物表面黃色的明度波動較大，其中，4#、5#、6#織物黃色明度較高，2#織物較低，3#織物最低，同理證明織物光澤度與白度對印花明度的影響較大。9塊織物的K/S值為6.05±1.05，其中8#和9#織物所顯現的黃色最深，隨織物印花適性增加，織物表觀黃色逐漸變深且各織物間顏色深度差異較大。9塊織物的印花滲透率為(6.55±2.84)%。其中3#～8#織物的印花滲透率基本一致，黃色墨水在該9塊織物上的滲透率較青色和品紅有所降低，其中1#和9#織物的印花滲透率相差較大，同理證明厚度與芯吸效應對印花滲透率有較大影響。

表8 噴墨印花色塊的顏色數據(黃色)

噴墨印花黑色色塊的顏色數據如表9所示。理論上在打印純黑色時CIEa*值和CIEb*值應趨向于0。由表9可知：9塊織物的CIEa*值為-2.21±0.24，CIEb*值為1.34±0.07，本試驗所用的黑色墨水呈現微弱的綠光和黃光。9塊織物的CIEC*值為2.58±0.24，表明各織物打印黑色時的飽和度基本一致。由于黑色為非彩色，則CIEC*值越趨近于0，黑色越純正。由CIEL*值可知，明度隨織物印花適性的增加而降低，即所打印的黑色越來越黑。CIEL*值從1#織物的37.77降低至9#織物的30.18，表明各織物打印黑色時明度相差較大且所打印的黑色越接近于純黑色。9塊織物的K/S值為7.09±0.55，其中8#和9#織物所顯現的黑色最深，隨著織物印花適性的增加，織物表觀黑色越深。9塊織物的織物印花滲透率為(5.29±2.80)%，波動較大，黑色墨水在九塊織物上的滲透率都比較低。

表9 噴墨印花色塊的顏色數據(黑色)

3 結 論

(1) 根據主成分分析法得到的棉織物涂料數碼印花適性評價模型，結合棉織物印花適性與顯色規律，可將其用于快速評價棉織物印花適性。

(2) 在棉織物涂料數碼印花中，白度與表面粗糙度對棉織物印花適性的影響較大，提高棉織物白度或降低其表面粗糙度可提升印花織物的顏色再現性。織物光澤度與白度對印花明度的影響較大，提高織物光澤度與白度有利于提高印花的明亮程度。若織物的厚度和經緯密增加、表面粗糙度降低，則墨滴的鋪展面積將變小，墨滴在織物上的K/S值將增大，從而表觀顏色會變深。織物厚度和芯吸效應對印花滲透率的影響較大，即織物厚度降低、芯吸效應增強時，通過紗線或纖維傳導的墨滴量較多，防滲化能力減弱，織物的印花滲透率增大。

(3) 在墨水方面，于相同織物上打印品紅、青色時的印花滲透率明顯高于黃色與黑色；在色彩飽和度方面，于相同織物上打印的黃色的飽和度明顯高于品紅與青色；在K/S值方面，打印的黃色與黑色的顏色深度明顯高于品紅與青色。因此，不同顏色的墨水打印在同種織物上的顯色效果不同，色彩品質也不同。本文未做墨水配方的討論，后續可針對墨水配方對織物顯色的影響做深入研究。