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      原配色絲顏色預(yù)測(cè)模型

      2021-03-06 09:38:04王玉娟
      紡織學(xué)報(bào) 2021年2期
      關(guān)鍵詞:單絲透射率色差

      王玉娟, 汪 軍

      (1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620; 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

      為獲得純色的紗線,一般采用對(duì)纖維染色或者對(duì)紡絲液原液著色的方法,但是對(duì)纖維染色存在上染色差、不環(huán)保等問(wèn)題,而原液著色在產(chǎn)品更換時(shí)需要過(guò)渡料沖洗流道,造成浪費(fèi)[1]。本團(tuán)隊(duì)提出了原配色絲的紡絲方法[2],即直接將單絲按照不同比例、不同排列方式染成不同的顏色,然后再抱合為一束復(fù)絲。當(dāng)單絲足夠細(xì)的時(shí)候,由于人眼的視覺特性[3],單絲間的色差很難察覺,因此可形成均勻的純色絲。該工藝屬于原液著色紡絲方法,所以單絲的顏色、線密度、排列都容易控制;但是該方法目前尚采用試紡的方法打樣,而每生產(chǎn)1個(gè)品種的復(fù)絲需要較大的人力物力成本,所以急需為該工藝探索一種顏色預(yù)測(cè)模型,減少打樣次數(shù)。

      對(duì)于紗線混色的預(yù)測(cè)模型研究已經(jīng)有很多報(bào)道,經(jīng)典的模型有Kubelka-Munk模型[4]、Stearns-Noechel模型[5]和Friele模型[6],后來(lái)在這些模型的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了許多優(yōu)化模型[7-9],但是,Kubelka-Munk模型假設(shè)紡織品是不透明或足夠厚的,而化纖絲一般是半透明的。除此之外,有n種單紗就需要提前紡制2n種混色紗來(lái)計(jì)算單紗的吸收系數(shù)和散射系數(shù)。對(duì)于Stearns-Noechel模型和Friele模型,不同的纖維需要確定不同的未知參數(shù)。雖然未知參數(shù)一般在0~1范圍之內(nèi),但是未知參數(shù)微小的差異也會(huì)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響[10],而且,這些模型不考慮纖維的分布,也就是說(shuō)計(jì)算的是混合物總體的混合色,并不能體現(xiàn)出局部的顏色,所以會(huì)存在色紡紗中同譜異色的現(xiàn)象[11],即測(cè)色儀測(cè)試的混色紗的反射率相同,但是混色紗的色貌卻不相同。

      本文首先給出原配色絲的模型,然后提出基于該模型的顏色預(yù)測(cè)模型,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論分析。所提模型不僅能表達(dá)總體的混合色,而且能體現(xiàn)局部的顏色分布,這也為后續(xù)原配色絲混色均勻度等的研究打下基礎(chǔ)。

      1 原配色絲

      因?yàn)樵渖z紡絲工藝尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,為便于在現(xiàn)有條件下對(duì)原配色絲混色模型展開研究,本文提出了一種原配色絲簡(jiǎn)化模型,簡(jiǎn)化過(guò)程如圖1所示。

      圖1 原配色絲模型簡(jiǎn)化Fig.1 Simplified model of compound filament model

      由于復(fù)絲表面的顏色取決于內(nèi)部單絲對(duì)光的反射和透射,所以本文從光的傳播角度分析復(fù)絲混合色的形成過(guò)程。考慮到圓形截面的單絲其透射光和反射光的分布過(guò)于復(fù)雜[12],很難考慮單絲之間光的傳播,而方形截面的單絲由于有平行平面的存在,光的傳播分析相對(duì)容易,所以這里將圓形截面的單絲簡(jiǎn)化為方形截面的單絲。此外,由于復(fù)絲表面不同位置的內(nèi)部單絲排列方式不盡相同,為了求復(fù)絲表面的顏色,這里將復(fù)絲沿長(zhǎng)度方向分割為不同的子塊。通過(guò)分別計(jì)算每個(gè)子塊的混合色,然后組合到一起即為復(fù)絲表面的顏色,再在此基礎(chǔ)上計(jì)算復(fù)絲表面的混合色。

      2 顏色預(yù)測(cè)模型

      2.1 表面色的計(jì)算方法

      對(duì)于相鄰的2根單絲,假設(shè)透過(guò)第1根單絲的各個(gè)方向的光都照射到了第2根單絲上,且由第2根單絲反射上來(lái)的光都照射到了第1根單絲上(見圖2)。由于單絲彼此只是簡(jiǎn)單地靠在一起,所以單絲之間存在1個(gè)空氣層。雖然光在單絲內(nèi)部也會(huì)經(jīng)多次的反射和透射,但是本文通過(guò)測(cè)試的方法直接獲得單絲的復(fù)合反射率和透射率,所以不再考慮光在單絲內(nèi)部的傳播,只考慮光在單絲間的空氣層中的多次反射和透射。

      圖2 光路分析Fig.2 Analysis of light propagation between two monofilaments (a) and many monofilaments (b)

      r1+t1×r2×t1+t1×r2×(r1×r2)×t1+…+

      t1×r2×(r1×r2)n-1×t1=

      (1)

      式中:r1、t1為第1根單絲的反射率、透射率;r2、t2為第2根單絲的反射率、透射率;n為循環(huán)次數(shù)。

      2.2 混合色的計(jì)算方法

      計(jì)算出各子塊的混合色后,使用加法混色原理求復(fù)絲的混合色。這里使用對(duì)三刺激值加權(quán)求和的方法進(jìn)行計(jì)算,公式如下所示:

      Xm=∑iniXi

      (2)

      式中:Xm代表混合色的三刺激值;Xi和ni代表第i個(gè)子塊的三刺激值及混色比。

      為便于后續(xù)分析,將所得混合色三刺激值輸入到MatLab 2014a中,利用軟件中所帶函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的色度值。

      3 實(shí)驗(yàn)部分

      3.1 單絲反射率與透射率的測(cè)試

      由于1根單絲太細(xì),目前的實(shí)驗(yàn)條件還不能直接測(cè)試其反射、透射率,因此本文研究從上海紫東薄膜有限公司獲得紅、黃、綠、藍(lán)4種顏色的PET薄膜,其平均厚度為0.022 mm,以此代替一層平行排列的單絲,然后使用Datacolor 850型分光光度計(jì)測(cè)試其反射率和透射率。由于單層薄膜很薄,為了獲得其反射率,在測(cè)試時(shí)將分光光度計(jì)中用于校正的黑阱添加到試樣與試樣夾之間,如圖3所示。由于黑阱被視為絕對(duì)黑體,即進(jìn)入其內(nèi)部的光都被吸收了,所以測(cè)得的反射率即為單層薄膜的反射率。透射率的測(cè)試方法未做改動(dòng)。

      圖3 反射率測(cè)試Fig.3 Test of reflectance

      測(cè)試條件為D65光源、10°視角、鏡面光包含、100%UV包含,測(cè)試反射率時(shí)使用的是大孔徑,測(cè)試透射率時(shí)使用的是中孔徑。隨機(jī)選取試樣中不同位置進(jìn)行測(cè)試,最后取400~700 nm間隔10 nm的 31個(gè)波長(zhǎng)下的反射率和透射率的平均值。

      3.2 復(fù)絲的制備及測(cè)試

      1根復(fù)絲的細(xì)度目前也無(wú)法直接測(cè)試,所以這里仍然采用模擬的方法驗(yàn)證所提模型的有效性。將2種顏色的薄膜裁剪成不同大小形狀,如圖4(a)~(d) 所示。最后將單絲層A~D按照從大到小的順序依次疊加,得到一種模擬復(fù)絲,如圖4(e)所示。模擬復(fù)絲中含有4種不同的堆疊方式,所以產(chǎn)生了4個(gè)不同的色帶,這與圖1中的子塊相對(duì)應(yīng)。

      圖4 模擬復(fù)絲的制作方法Fig.4 Manufacturing method of simulated multifilament. (a) Monofilament layer A; (b) Monofilament layer B; (c) Monofilament layer C; (d) Monofilament layer D; (e) Multifilament

      依此方法共制得12種模擬復(fù)絲試樣,仍然使用3.1節(jié)中所介紹的反射率測(cè)試方法對(duì)模擬復(fù)絲進(jìn)行測(cè)色。需要說(shuō)明的是,本文所用單絲層A和單絲層C是一種顏色的薄膜,單絲層B和單絲層D是另一種顏色的薄膜。

      4 結(jié)果與分析

      模擬單絲的反射率和透射率曲線如圖5所示。測(cè)試和計(jì)算的模擬復(fù)絲反射率的CIEL*C*h°色度值分布如圖6所示。

      4.1 色 差

      紡織行業(yè)中,常用CMC(l∶c)色差公式進(jìn)行色差的評(píng)估,該公式是以CIELAB色差公式為基礎(chǔ)建立起來(lái)的,其計(jì)算公式如下所示:

      (3)

      式中:SL、Sc、SH分別為明度差ΔL*、飽和度差C*、色相差H*的加權(quán)系數(shù);l、c分別為調(diào)整明度和飽和度相對(duì)寬容度的系數(shù),紡織行業(yè)中一般取2∶1。當(dāng)ΔECMC(l∶c)為0~0.5時(shí)人眼幾乎感覺不到色差,為0.5~1.5時(shí)稍微能感覺到色差。

      本文中測(cè)試的和計(jì)算的模擬復(fù)絲混合色的ΔECMC(2∶1)色差均在1 CMC(2∶1)色差單位以內(nèi),中位數(shù)為0.34 CMC(2∶1)色差單位,其均值為 0.43 CMC(2∶1) 色差單位,說(shuō)明該模型預(yù)測(cè)的復(fù)絲混合色與測(cè)試的復(fù)絲混合色之間的差異非常小,可滿足一般的生產(chǎn)需求。

      圖7 飽和度和色相角與色差的關(guān)系Fig.7 Relationship between chroma(a), hue(b) and color difference

      4.2 影響色差的因素

      為進(jìn)一步探究影響色差變化的因素,分析了色差與預(yù)測(cè)的混合色的亮度L*、飽和度C*以及色相角h°之間的皮爾森相關(guān)性。結(jié)果表明,在顯著性水平為0.01的情況下,對(duì)色差有顯著影響的因素為預(yù)測(cè)的混合物的飽和度C*以及色相角h°。這些影響因素與色差之間的關(guān)系如圖7所示。

      從圖7(a)可看出,隨著飽和度C*的增加,色差逐漸減小,說(shuō)明該模型對(duì)低飽和度試樣的預(yù)測(cè)效果沒(méi)有對(duì)高飽和度試樣的預(yù)測(cè)效果好。從圖7(b) 可看出,隨著色相角h°的增大,色差逐漸增大,說(shuō)明該模型對(duì)偏紅黃色的試樣比偏藍(lán)綠色的試樣的預(yù)測(cè)好。

      當(dāng)多層復(fù)絲疊加在一起時(shí),其混合色的計(jì)算過(guò)程與此類似。垂直復(fù)絲集合體表面、沿厚度方向,將復(fù)絲集合體分割為不同的子塊,則每個(gè)子塊的顏色仍然是由其內(nèi)部的單絲決定。在獲得每個(gè)子塊中單絲的透射率、反射率和排列順序后,即可代入本文所提模型計(jì)算集合體的混合色。本文的研究思路為改進(jìn)傳統(tǒng)色紡紗混合色的預(yù)測(cè)模型提供了一種新的參考。此外,也可為色紡紗不勻率評(píng)估提供思路。

      5 結(jié) 論

      本文根據(jù)原配色絲的生產(chǎn)特點(diǎn),提供了一種混合色預(yù)測(cè)模型。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該模型的平均預(yù)測(cè)色差為0.43 CMC(2∶1)色差單位。通過(guò)皮爾森相關(guān)性分析,得出預(yù)測(cè)色差與混合色的飽和度和色相角有顯著性相關(guān)關(guān)系,即隨著復(fù)絲飽和度的增加,預(yù)測(cè)色差逐漸減小;隨著復(fù)絲色相角的增加,預(yù)測(cè)色差逐漸增大。從結(jié)果可看出,該模型可有效地預(yù)測(cè)原配色絲的混合色。

      真實(shí)原配色絲之間的排列會(huì)更加復(fù)雜,單絲之間光的傳播受較多因素影響,這也是該模型需要改進(jìn)的地方,下一步將在該模型的基礎(chǔ)上做更深入的研究。

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