六基色纖維混紡構建的全色相混色模型及其色紡紗紡制

孫顯強, 薛 元, 劉曰興, 張國清, 劉立霞

(1. 江南大學 紡織科學與工程學院, 江蘇 無錫 214122; 2. 愉悅家紡有限公司, 山東 濱州 256600)

將染色纖維、原液著色纖維、天然色纖維以及結構生色纖維混紡生產彩色紗和色織面料與服裝,是一種短流程、低排放和環境友好型生產工藝技術[1-3]。傳統紡織品的染色與印花,是通過調控不同染料的混色比來調制染液或色漿,再對織物進行染色、印花工藝。與傳統紡織品的染色、印花工藝不同,彩色紡紗是將織物染色、印花工藝前移,先對纖維進行染色或著色,然后通過纖維自身所具有的色彩經紡紗工序混合后生產具有各種色彩的色紡紗及色織產品,并通過調控不同顏色纖維的混紡比來調控色紡紗及色織產品的色彩及其分布。

染液染色技術通過調控多元基色染料的混合比調制染液進行任意色彩的染色,或者通過調控多元基色色漿的混合比調制墨水進行數碼印花[4]。例如,用于染色的自動滴液機電子配液系統,可以根據設計色彩進行自動調控配液比并染出預定的織物色彩;用于數碼印花機的電子噴墨系統,可以依據照片像素的色彩自動調控多基色墨水混合比并高還原度的打印出照片色彩。因此,本文模仿染液配色過程構建類似的紡紗自動配色系統,通過彩色纖維混紡比的自動調控紡制出預定色彩的紗線。

色紡產品的色彩視覺風格是通過幾種不同纖維的原生色彩空間并置混合再由視神經傳遞至大腦形成的[5-6]。不同纖維的原生色經空間并置混合,可能會達成較好的色彩融合度,形成一種新的穩定且均衡的色彩混合效應,當幾種不同原生色纖維之間有明顯的邊界,會形成不穩定的多色夾花效應。通過選擇色差較小的原生色并運用合理的混紡方式可使不同原生色纖維實現均勻的纖維級混合,實現融合度較好的混合色彩。在這種條件下,可利用多原基色混色原理選擇類似色或者近似色纖維以不同的比例進行混紡,實現色紡紗產品的色彩調控、配色及創新。

借鑒染色染液和印花色漿配色技術的思路研究色紡紗產品的配色,首先需要構建全色相調控色紡紗產品的數字化顏色模型,借助大數據原理構建原生色纖維網格化混合模式、基于網格化混合過程色彩的傳遞規律構建色彩混合模型、再基于混色色立體構建網格點坐標與混合色彩的對應關系并進一步明晰混色比例與原生色纖維混合色彩之間的關系;其次是需要構建彩色纖維的數字化自動化混色裝備,如兩通道數控紡紗可以通過調控兩通道牽伸比實現對成形紗線的色纖維混紡比調控,也能基于成形紗線的色纖維混紡比調控兩通道牽伸比[7-8]。將兩者結合起來,可以通過調控多元基色纖維混紡比來調控成形紗線的色彩,也能基于紗線色彩確定多元基色纖維混紡比,再通過調控兩通道牽伸比紡制預定混紡比的紗線。通過將兩通道數控紡紗調控多元基色纖維混合比的機制與多元基色纖維的全色相網格化混紡模型相結合,構建“多通道數控細紗機牽伸比、多元基色纖維混紡比、成形紗線色彩”三要素的協同調控機制,是實現彩色紗紡制的關鍵[9]。

本文選擇色相差為60°左右的相鄰色纖維或明度及彩度等級差小于±0.3左右的纖維作為混紡用六元基色纖維,基于二元耦合混色模式并以10%為混色比梯度構建了色相調控范圍為0～360°的全色相色紡模型,研究全色相顏色矩陣及其混色色譜的構建方法;結合數控兩通道紡紗技術,基于構建的全色相色紡模型研究六基色纖維全色相色紡紗的成紗機制,設計成紗工藝并紡制60個色相的色紡紗,為驗證相關理論打基礎。

1 全色相混色模型構建及其混色色譜

1.1 六基色纖維及其顏色值的獲取

經染色獲取彩色纖維α、β、γ、δ、ε、ω,設六元彩色纖維的質量分別為Wα、Wβ、Wγ、Wδ、Wε、Wω,由分光測色儀獲取六基色纖維的顏色值分別為Cα(Rα,Gα,Bα)、Cβ(Rβ,Gβ,Bβ)、Cγ(Rγ,Gγ,Bγ)、Cδ(Rδ,Gδ,Bδ)、Cε(Rε,Gε,Bε)、Cω(Rω,Gω,Bω)。

1.2 六基色纖維的離散化質量

將六基色纖維的質量分別進行如下離散化處理,可得到以下6組數列。式中i=1,2,3,…,10,11。

(1)

1.3 基于六基色的二元耦合混色模式構建

令Wα=Wβ=Wγ=Wδ=Wε=Wω,則由式(1)構建兩兩組合的二元耦合混色模式如下(式中i=1,2,3,…,10,11)。

(2)

設Wα～β(i)、Wβ～γ(i)、Wγ～δ(i)、Wδ～ε(i)、Wε～ω(i)、Wω～α(i)等6組兩兩組合耦合混色樣的混色比分別為[Kα(i),Kβ(i)]、[Kβ(i),Kγ(i)]、[Kγ(i),Kδ(i)]、[Kδ(i),Kε(i)]、[Kε(i),Kω(i)]、[Kω(i),Kα(i)],基于式(2)可得到與每組耦合混色樣對應的混色比(式中i=1,2,3,…,10,11)。

(3)

設6組兩兩組合耦合混色樣的顏色值分別為Cα～β(i)、Cβ～γ(i)、Cγ～δ(i)、Cδ～ε(i)、Cε～ω(i)、Cω～α(i),基于式(3)可得到與每組耦合混色樣對應的顏色值如下(式中i=1,2,3,…,10,11)。

(4)

設六基色纖維α、β、γ、δ、ε、ω顏色值分別為Cα(255,0,0)、Cβ(255,255,0)、Cγ(0,255,0)、Cδ(0,255,255)、Cε(0,0,255)、Cω(255,0,255),根據式(4)可得到6組耦合混色樣色譜(如圖1所示)。

圖1 二元耦合混色樣色譜Fig. 1 Binary coupling color mixing chromatography

1.4 全色相混色模式構建

基于式(1)構建的全色相耦合混色模型如下(式中ξ=1,2,3,…,59,60)。

(5)

當ξ=1,2,3,…,9,10時,Wx=Wα,Wy=Wβ;

當ξ=11,12,…,19,20時,Wx=Wβ,Wy=Wγ;

當ξ=21,22,…,29,30時,Wx=Wγ,Wy=Wδ;

當ξ=31,32,…,39,40時,Wx=Wδ,Wy=Wε;

當ξ=41,42,…,49,50時,Wx=Wε,Wy=Wω;

當ξ=51,52,…,59,60時,Wx=Wω,Wy=Wα。

且W(ξ) 完成Wα?Wβ?Wγ?Wδ?Wε?Wω?Wα的變化過程。由此得全色相混色樣的質量。

(6)

1.5 全色相耦合混色樣的混色比

設λ(ξ)=[λx(ξ),λy(ξ)]為全色相混色過程各混色樣混合比,則基于式(5)可得:

(7)

或:

(8)

1.6 全色相耦合混色樣的顏色值

設C(ξ)=[R(ξ),G(ξ),B(ξ)]為全色相混色過程各混色樣顏色值,則基于式(7)可得:

(9)

或:

(10)

基于式(10)可得到全色相混色樣的矩形色譜(見圖2)。

圖2 全色相矩形色譜Fig. 2 Full color phase rectangular chromatography

1.7 圓環狀全色相混色模型的構建

根據圖2將全色相矩陣色譜首尾拼接可得到全色相環形色譜(如圖3所示)。

圖3 全色相環形色譜Fig. 3 Full color phase circular chromatography

2 全色相色紡紗兩通道數控紡紗原理

2.1 兩通道數控紡紗系統

數控紡紗是以多根粗紗異步牽伸(多個通道)為本質特征,對所紡制紗線的混色比、線密度及捻度的變化進行在線調控的紡紗方法,其設備如圖4所示,分別示出2種不同色紗混紗時的實物圖。對于數控紡紗而言,一個完整的系統包括紡紗機械系統、紡紗控制系統和紡紗伺服系統。紡紗機械系統包括多通道耦合數碼紡紗機的耦合牽伸機構、加捻機構和卷繞成形機構;紡紗控制系統包括上位機觸摸屏、下位機及控制程序;紡紗伺服系統包括與機械系統各機構對應的伺服電動機、變頻電動機及其伺服驅動器、變頻器、編碼器、減速器等組成。

圖4 數控紡紗系統實物圖Fig. 4 Image of numerical control spinning system. (a) Color mixing of roving red and yellow; (b) Color mixing of roving yellow and green; (c) Color mixing of roving green and cyan; (d) Color mixing of roving cyan and blue; (e) Color mixing of roving blue and magenta; (f) Color mixing of roving magenta and red

2.2 兩通道數控紡紗成形參數

1)兩通道牽伸比。兩通道牽伸比如下:

(11)

令ρx=ρy=ρ,則式(11)簡化為

(12)

2)成紗線密度。在兩通道混色數控紡紗系統中,2根粗紗經2個獨立驅動的后羅拉喂入,則在前羅拉鉗口匯合并進入加捻機構進行加捻形成的兩通道色紡紗的線密度ρs為

(13)

3)成紗混紡比。在兩通道混色數控紡紗系統中,將2根異步牽伸得到的須條合并加捻形成紗線,各須條在成紗中的混紡比λx、λy為

(14)

λx+λy=1

(15)

4)成紗顏色。假定成紗顏色由各粗紗條的顏色值及其混紡比決定,則成紗顏色Cs=[Cr,Cg,Cb]T為

(16)

3 全色相混色模型的色紡紗紡制原理

3.1 基于紗線色彩獲取兩基色纖維混紡比

假定成紗顏色為Cs(ξ)=[R(ξ),G(ξ),B(ξ)],且已知兩通道粗紗的色彩為Cx(Rx,Gx,Bx),Cy(Ry,Gy,By),由式(9)可得混紡比參數。

(17)

3.2 基于紗線混紡比的兩基色纖維牽伸比

假設兩基色纖維對應的粗紗線密度為ρx、ρy,顏色分別為Cx(Rx,Gx,Bx)、Cy(Ry,Gy,By),前羅拉線速度為Vq(ξ),2個后羅拉線速度為Vx(ξ)、Vy(ξ),2個通道牽伸比為Ex(ξ)、Ey(ξ),各須條在成紗中的混紡比為λx(ξ)、λy(ξ),紗線的線密度為ρs(式中ξ=1,2,3,…,59,60)。

則兩基色纖維的牽伸比為

(18)

令ρx=ρy=ρ,則式(18)簡化為

(19)

由此可得紡制全色相色紡紗的牽伸比矩陣:

(20)

基于兩通道數控紡紗機和六基色粗紗,以相鄰色進行兩兩耦合混紡。由此可得全色相混色樣的混紡比,α與β、β與γ、γ與δ、δ與ε、ε與ω、ω與α兩基色色紡紗的混紡比均為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、3∶2、1∶1、2∶3、3∶7、1∶4、1∶9,有10個梯度。

兩通道數控紡紗所用粗紗的線密度均為450 tex,所紡色紡紗線密度均為27.76 tex,由此可得全色相混色樣的牽伸比,α與β、β與γ、γ與δ、δ與ε、ε與ω、ω與α兩基色色紡紗的牽伸比均為16.2∶0、18.0∶162.1、20.3∶81.0、23.2∶54.0、27.0∶40.5、32.4∶32.4、40.5∶27.0、54.0∶23.2、81.0∶20.3、162.1∶18.0共10個梯度。

由此可得全色相混色紗的顏色值,如表1所示。

表1 全色相色紡紗的顏色值Tab. 1 Colors of melange yarns in full color phase

通過上述工作,將兩通道數控紡紗調控六基色纖維混紡比與六基色纖維全色相網格化混色模型相結合,構建了能協同調控多通道數控細紗機牽伸比-多元基色纖維混紡比-紗線色彩三要素的彩色紡紗機制。

4 實驗部分

4.1 色紡紗的紡制

原料為長絨棉,采用活性染料染色分別獲得紅(R)、黃(Y) 、綠(G)、藍(B)、青(C)、品紅(M)六基色纖維,經過開清棉、梳棉、精梳、并條、粗紗工序獲得線密度為450 tex的彩色粗紗。

60種色紡紗的設計線密度均為27.76 tex,紗線捻度均為600捻/m,紗線捻系數均為316.13,紗線的捻向均為Z捻,機器用JWF1551A兩通道數控環錠細紗機,錠子的轉速為7 500 r/min,前羅拉速度為12.50 m/min,鋼領型號為PG1-4254,鋼絲圈型號為UDR 5/0,鋼領的上升速度為0.8 mm/s,級升距離為0.5 mm,鋼領的下降速度為2.5 mm/s。

4.2 基于六基色粗紗實測色彩全色相混色色譜

采用3nh YS6010分光測色儀在D65光源,10°視場,25.4 mm孔徑,SCI模式條件下獲得紗線的反射率值,每個樣品測量5次,取其平均值。由此獲得的六基色實測顏色值分別為CR(117,30,44)、CY(220,175,0)、CG(0,98,80)、CC(0,114,135)、CB(35,63,111)、CM(151,20,71),則六基色混色色譜如圖5所示。

圖5 用于六基色纖維的混色色譜Fig. 5 Color mixing chromatography for six primary colored fibers

4.3 色紡紗的性能測試與表征

色紡紗在標準大氣壓條件下儲存24 h,溫度為(20±2)℃,相對濕度為(65±2)%。參照GB/T 3292.1―2008《紡織品 紗線條干不勻試驗方法 第1部分:電容法》[10],采用YG133B/Pro-H條干均勻度測試儀測試色紡紗條干均勻度,測試速度為400 m/min,測試的紗線長度為400 m。參照FZ/T 01086―2000《紡織品 紗線毛羽測定方法 投影計數法》[11-12],通過Y172A紗線毛羽測試儀測試色紡紗的毛羽,測試速度為30 m/min,測試段的長度為10 m,測試10次,結果取平均值。采用XL-2紗線強伸度儀測試色紡紗的力學性能,每種紗線樣品測試20次,紗線的拉伸速度為500 mm/min,加持距離為500 mm,紗線的預加張力為13.8 cN[13-15]。

4.4 色紡紗織物的制備與色彩值測試

采用HC21K圓筒針織機用上述紗線進行織造,線圈長度為0.6 mm,織物橫密為49縱行/(5 cm),縱密為80橫列/(5 cm)。采用4.2節中的測試條件,測試60種織物的反射率值,每個樣品測量5次,結果取其平均值并換算成顏色值。

5 結果與討論

5.1 色紡紗織物色彩比較分析

如圖6所示,將所得的織物分為11行6列,每行的兩基色分別為RY、YG、GC、CB、BM、MR,每行以10%為梯度進行變化的混紡比。以此混紡比變化實現了六基色色彩間的梯度漸變。

圖6 色紡紗織物實物圖Fig. 6 Image of fabrics woven by melange yarns

基于上述實驗結果,將其與圖5進行對比,可知基于全色相混色模型60個網格點所定義的六基色纖維混紡比紡制60種混色紗,其色彩變化規律與六基色纖維混紡比變化規律一致,與全色相網格化混色模型的色彩分布規律也具有一致性。與圖6對應的織物實測顏色值如表2所示。

表2 全色相織物的實測顏色值Tab. 2 Measured colors of fabrics in full color phase

5.2 色紡紗外觀及力學性能測試分析

對相同混紡比不同色系的紗線的條干不勻率、毛羽、強力的測試結果分別如表3～5所示。

表3 紗線的條干比較Tab. 3 Comparison of yarn unevenness

表4 紗線毛羽比較Tab. 4 Comparison of yarn surface hairiness

表5 紗線強力比較Tab. 5 Comparison of yarn tensile properties

兩通道數控紡紗是通過調控各通道牽伸比來調控混紡比。一般來說,當后區牽伸比小于1.3時屬于張力牽伸,這是傳統紡紗采用的工藝,它有利于改善紗線條干不勻、改善毛羽和提升強力;當后區牽伸比介于1.3～1.8之間時屬于彈性牽伸,不利于改善紗線條干不勻、改善毛羽和提升強力均勻性,是傳統紡紗中不鼓勵采用的工藝;當后區牽伸比大于1.8時屬于位移牽伸,對紗線條干不勻、改善毛羽和強力均具有破壞性作用,是傳統紡紗中不可能采用的工藝。由于兩通道數控紡紗是通過調控各通道牽伸比來調控混紡比,在紡制某種混色比紗線時,有可能同時存在張力、彈性和位移牽伸中的1種或2種形式的牽伸。綜合來看,采用兩通道數控方式紡制色紡紗的條干、毛羽及其力學性能的均勻性均低于傳統的紡紗模式。

6 結 論

本文選擇色相差為60°左右、明度及彩度等級差小于±0.3左右的紅(R)、黃(Y) 、綠(G)、藍(B)、青(C)、品紅(M)等六基色纖維,基于二元耦合混色模式構建了色相調控范圍為0～360°的全色相混色模型,給出以10%為混色梯度的全色相顏色矩陣及混色色譜;結合數控兩通道紡紗機制,基于全色相混色模型探討了六基色纖維全色相色紡紗的成紗機制。為驗證相關理論,設計紡紗工藝并制備了60個色相的色紡紗及其色織物,對60種全色相色紡紗的條干、毛羽、斷裂強力等外觀質量與力學性能指標進行了測試分析。結果表明,基于全色相混色模型60個網格點所定義的六元基色纖維混色比紡制60種色紡紗,其色彩變化規律與六元基色纖維混紡比變化規律一致,與全色相網格化混色模型的色彩分布規律也具有一致性,驗證了本文構建的“兩通道數控細紗機牽伸比-六元基色纖維混紡比-紗線色彩”的協同調控機制,對于指導紡制全色相色紡紗具有支撐作用,紡制的60種全色相色紡紗各項指標基本達到GB/T 398—2018《棉本色紗線》二級的要求。