植物染色紡紗測(cè)配色模型研究

王云鵬 姜 偉 張建明 金凱震 姜 展

（1.青島大學(xué)，山東青島，266071；2.德州恒豐紡織有限公司，山東德州，253500）

植物染料是從植物的根、皮、種子、果實(shí)、花等部位提取的色素制成的染料，銀杏葉、杏仁殼、指甲花、蘆木等色素提取物都可以應(yīng)用于紡織品染色［1］。植物染無毒無害、色彩自然，且原料具有可再生性，可應(yīng)用在棉、麻、羊毛、蠶絲、錦綸等纖維材料上，在國(guó)內(nèi)高端市場(chǎng)具有廣闊的發(fā)展前景。然而植物中色素含量低，植物染的成本高；植物染料的染色性能差、上染率低、色牢度低等缺陷也一直限制著植物染的發(fā)展［2］。

常用配色模型包括Stearns?Noechel模型、Friele模型、Kubelka?Munk模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。目前應(yīng)用最為廣泛的是Kubelka?Munk模型，但研究表明Kubelka?Munk模型是基于均勻散射的理論和情況下，并不適用于色紡紗；Stearns?Noechel模型與Friele模型相較具有更為優(yōu)良的配色表現(xiàn)［3］。在實(shí)際生產(chǎn)過程中不單純是三原色的簡(jiǎn)單配比，很多時(shí)候會(huì)出現(xiàn)需要用原有白色纖維進(jìn)行混和的時(shí)候。Friele模型在實(shí)際研究的配色中會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)問題：一是在矩陣運(yùn)算中加入白色反射率構(gòu)成多組分配色極易與原有三原色反射率構(gòu)成0向量；二是添加了新的反射率數(shù)據(jù)會(huì)使矩陣運(yùn)算精確程度加大，誤差更加明顯；三是Friele模型是一種基于理論的模型，其運(yùn)算結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)情況，不符合實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)［4］。本研究選擇Stearns?Noechel配色模型為研究重點(diǎn)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與配色模型分析

1.1 問題分析

基于植物染色紡紗的計(jì)算機(jī)測(cè)配色需要考慮眾多實(shí)際生產(chǎn)帶來的影響。一是配色模型是否符合工業(yè)生產(chǎn)情況和生產(chǎn)模式，需要適合的原料與配比方式。二是植物染上色不均勻?qū)е碌木植可顔栴}會(huì)使獲取的反射率數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，影響測(cè)配色的準(zhǔn)確性，需要改進(jìn)測(cè)色樣品。三是植物染料的色牢度不高，在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生掉色等情況，大幅增大了擬合配比與實(shí)際配比情況的差距，對(duì)此需要對(duì)配色模型進(jìn)行一定程度的修正處理。

1.2 Stearns?Noechel模型分析

Stearns?Noechel模型的擬合公式見式（1）和式（2）。

式中：X1、X2、X3、…、X n對(duì)應(yīng)不同組分占總質(zhì)量的比例，r（i，n）表示不同組分不同波長(zhǎng)下的反射率，M為配色公式中與材料相關(guān)的未知量，rm（i）為擬合的色紗反射率，f（X，M）為配色公式中的相關(guān)代數(shù)。

由公式（1）可以看出Stearns?Noechel配色模型實(shí)際上是對(duì)不同顏色紗線的反射率進(jìn)行一定比例的擬合，基于人視覺的反射率系數(shù)運(yùn)算后求得在視覺上與標(biāo)樣最接近的反射率時(shí)的配比。Stearns?Noechel模型在運(yùn)算中的各組分?jǐn)M合配比是通過不斷循環(huán)求出擬合反射率與實(shí)際反射率色差最低時(shí)的配比，且配比的求得與標(biāo)樣的顏色種類無關(guān)，因此在原公式的基礎(chǔ)上加入白色或其他顏色纖維時(shí)不會(huì)對(duì)后續(xù)的配色運(yùn)算產(chǎn)生影響。通過對(duì)模型的分析與實(shí)際的配色擬合，發(fā)現(xiàn)該模型較適合多種不同顏色組合的配色。

紅、黃、藍(lán)、白四組分的Stearns?Noechel模型配色公式見式（3）。

經(jīng)過針對(duì)不同組分的配色模型試驗(yàn)分析，Stearns?Noechel模型對(duì)于紅、黃、藍(lán)、白四者相互不同混和有著優(yōu)異的適應(yīng)性，分類配色有以下優(yōu)點(diǎn)。一是針對(duì)不同情況，去除生產(chǎn)中不會(huì)添加的組分，更加符合實(shí)際生產(chǎn)；二是分類配色可以減少不同組分組合之間配色存在的相互影響，提高配色的準(zhǔn)確性；三是分類配色同時(shí)令不同組分的相互影響因素獨(dú)立出來，便于后續(xù)的改進(jìn)。

1.3 試驗(yàn)樣品制備

選用CM?2300d型分光測(cè)色儀，測(cè)色方便快捷；原料為茜草、姜黃、靛藍(lán)植物染色莫代爾纖維與白色莫代爾纖維，由山東恒豐集團(tuán)有限公司提供。將不同染色的莫代爾纖維以及不同質(zhì)量比例的混和纖維經(jīng)過“開松→混和→梳理→并條→粗紗→細(xì)紗”工序后獲得對(duì)應(yīng)的棉網(wǎng)以及細(xì)紗，將其中的細(xì)紗在一個(gè)3 cm×4 cm的黑色板上均勻緊密纏繞3 cm×3 cm面積大小以制成測(cè)色樣品。均勻緊密地纏繞在一定程度上減小了測(cè)色時(shí)產(chǎn)生的色差，緩解了染色不勻?qū)е碌姆瓷渎蕯?shù)據(jù)偏差過大的問題，如圖1所示。最終以不同原料和組合的棉網(wǎng)與細(xì)紗樣品作為測(cè)色用試樣。

圖1 樣品示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與改進(jìn)

2.1 標(biāo)樣與樣品種類的選擇

以純色原料制成的試樣作為配色中的標(biāo)樣，不同原料混紡制成的試樣作為樣品。不同類型的標(biāo)樣與樣品組合對(duì)計(jì)算機(jī)測(cè)配色的準(zhǔn)確程度具有不同程度的影響。為尋求最佳的測(cè)配色標(biāo)樣與樣品類型，采用纖維網(wǎng)與細(xì)紗兩種不同的標(biāo)樣與樣品相互組合，以此擬合配比得出最合適的樣品類型。樣品中紅、黃、藍(lán)、白成分賦予代號(hào)R、Y、B、W。不同樣品測(cè)配色擬合配比見表1。

表1 不同樣品反射率測(cè)配色擬合配比

在計(jì)算機(jī)配色過程中，由于擬合機(jī)制是計(jì)算所能達(dá)到的最小色差時(shí)的擬合配比，因此當(dāng)擬合配比與實(shí)際配比越為相近時(shí)，擬合效果越好，最終生產(chǎn)紗線與樣品的色差會(huì)越小。誤差值取擬合配比與實(shí)際配比各纖維成分中最大誤差，誤差值的計(jì)算見式（4）。

式中：Δ為擬合配比與原配比的誤差值，X n擬合配比為各組分的擬合配比值，X n原配比為各組分的原配比值。

由表1可以看出，棉網(wǎng)與細(xì)紗相互之間配色結(jié)果與實(shí)際配比的誤差值過大，普遍在2到3之間，擬合結(jié)果都不理想；棉網(wǎng)標(biāo)樣與棉網(wǎng)樣品以及細(xì)紗標(biāo)樣與細(xì)紗樣品的配色與實(shí)際配比的誤差值均在1.0左右，較為符合實(shí)際配比情況；其中細(xì)紗標(biāo)樣與樣品的誤差值多小于1.0，棉網(wǎng)標(biāo)樣與樣品的誤差值多大于1.0，可見細(xì)紗標(biāo)樣與樣品的配色效果最為穩(wěn)定。因此選用細(xì)紗標(biāo)樣的反射率與細(xì)紗樣品進(jìn)行配色可以提高測(cè)配色的準(zhǔn)確性。

2.2 修正改進(jìn)

由于染色與生產(chǎn)的不穩(wěn)定，在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)過部分配比與預(yù)期異常的情況，在分析原因的過程中發(fā)現(xiàn)不同標(biāo)樣的反射率中有以下現(xiàn)象：不同波長(zhǎng)下，棉網(wǎng)反射率高于紗線的反射率數(shù)據(jù)，棉網(wǎng)的反射率數(shù)據(jù)與紗線的反射率數(shù)據(jù)在一定的比例范圍內(nèi)，一般在1.2～1.3。

由此可以假設(shè)在紡紗過程中的環(huán)境因素影響以及不同紗線之間的相互影響偏向于作用在紗線的整體，即在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的掉色與染色纖維之間的相互作用均勻體現(xiàn)在整個(gè)色紗上，針對(duì)這個(gè)推論可以在原有配色公式的基礎(chǔ)上增加修正系數(shù)并初步設(shè)定修正系數(shù)范圍在0.8～1.5之間，以達(dá)到擬合修正實(shí)際生產(chǎn)因素的效果。同時(shí)基于工業(yè)生產(chǎn)中不同的生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件，選擇在不同配色模型中處理，也適應(yīng)加入修正系數(shù)達(dá)到配色的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。

式中：t1、t2、t3、t4分別為紅、黃、藍(lán)、白植物染莫代爾纖維的修正系數(shù)。在擬合試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)配色模型中的M變量在一定范圍內(nèi)對(duì)配色擬合的結(jié)果影響不大，基于此，將固定配比的混紡色紗反射率、固定配比的數(shù)值、各組分的反射率數(shù)據(jù)以及預(yù)先擬合出的相近M值代入，獲得修正系數(shù)并進(jìn)行式（6）的計(jì)算。

式中：i表示4種不同色紗（i=1，2，3，4），j表示第n個(gè)樣品，tij為同一種類型的組合下不同配比時(shí)所計(jì)算得到的各組分的修正系數(shù)，如t12為某一組合下第2個(gè)樣品反射率計(jì)算所得到的紅色修正系數(shù)，t1為最終所得到的對(duì)應(yīng)組合下的紅色修正系數(shù)。首先使用未加入修正系數(shù)的原模型進(jìn)行模擬配比，計(jì)算對(duì)應(yīng)的M變量，將紗線實(shí)際配比與M變量代入式（5）中，經(jīng)過計(jì)算機(jī)循環(huán)模擬，對(duì)比獲得此配比下擬合色差最小時(shí)的修正系數(shù)t1j、t2j、t3j、t4j，代入式（6）得t1、t2、t3、t4作為該組合類型的配色修正系數(shù)。例如：計(jì)算四色組合（R∶Y∶B∶W）的修正系數(shù)時(shí)，求得3∶2∶3∶2、3∶3∶2∶2、2∶3∶3∶2樣品下原模型時(shí)的3個(gè)M值，將M值與對(duì)應(yīng)的配比代入式（5）求得t11、t21、t31、t41、t12、t22、t32、t42、t13、t23、t33、t43，將其代入式（6）得t1、t2、t3、t4，即R、Y、B、W配比組合的修正系數(shù)，此R、Y、B、W組合下的t1、t2、t3、t4分別為1.080、0.417、1.268、1.215。通過此方法計(jì)算所得不同組合下的修正系數(shù)見表2。

表2 不同組合下各組分修正系數(shù)

各組合的修正系數(shù)代入配色公式（5）中對(duì)各配色組合中其他配比的混紡紗進(jìn)行修正配比擬合，得出表3修正后的模擬配比與誤差值，可進(jìn)行各組合修正前后擬合的配比以及模擬配比與實(shí)際配比的誤差值對(duì)比。

表3 修正前后細(xì)紗組分反射率配色模擬誤差對(duì)比

通過表3中修正前后模擬配比與實(shí)際生產(chǎn)配比的誤差值可以看出，原先紅、黃、藍(lán)配色與原配比的誤差值在1～2，經(jīng)過修正后誤差值均縮小到1以內(nèi)，在各組合中經(jīng)過修正后的擬合配比與實(shí)際配比的誤差值相比于原擬合配比與實(shí)際配比的誤差值在整體上減小，尤其對(duì)于誤差值較大的組合更為明顯，因此修正后的擬合配比更加接近實(shí)際的配色比例，在實(shí)際配色中與原色紗的色差會(huì)更小。在同一組合下不同誤差值較為平穩(wěn)，修正后部分?jǐn)M合數(shù)據(jù)有較大的改進(jìn)，說明在穩(wěn)定生產(chǎn)條件下修正系數(shù)的添加對(duì)于同一配比組合具有明顯的修正效果。

2.3 試紡驗(yàn)證

由配色模擬獲得較小的配比誤差值可初步實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的配色模型，之后再根據(jù)未修正的模型與添加修正系數(shù)后的模型模擬的配比進(jìn)行試紡，通過對(duì)修正前后試紡樣品與原樣的色差對(duì)比觀察實(shí)際生產(chǎn)上修正系數(shù)添加的效果。表4為部分第一次試紡的細(xì)紗與原配比混紡紗的色差對(duì)比。由于植物染料的色牢度與染色的不穩(wěn)定性，在實(shí)際紡紗中紗線與目標(biāo)顏色的色差要比化學(xué)染高，難以達(dá)到穩(wěn)定的配色效果。由表4可以看出，經(jīng)過修正后所紡的色紗與目標(biāo)的色差小于原模擬配比與目標(biāo)的色差，對(duì)于模擬配比在實(shí)際生產(chǎn)上有較大改進(jìn)，修正模擬后在第一次試紡中色差的減小說明修正系數(shù)的添加對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有積極的效果，可以有效減少實(shí)際生產(chǎn)中植物染色牢度的不穩(wěn)定對(duì)配色模擬準(zhǔn)確性的影響，平衡有關(guān)產(chǎn)生色差的各種影響因素，對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境等問題帶來的嚴(yán)重配色差距有著明顯的效果，以便減少后續(xù)修色的次數(shù)而更加有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)。

表4 修正前后第一次試紡色差對(duì)比

3 結(jié)論

在經(jīng)過不同配色模型、樣品、比例等試驗(yàn)與分析可得出以下結(jié)論。

（1）Stearns?Noechel模型在實(shí)際生產(chǎn)中具有優(yōu)良的適應(yīng)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可適應(yīng)于色紗中多種不同組分組合的生產(chǎn)工藝；在棉網(wǎng)與細(xì)紗樣品中，由細(xì)紗所制成的樣品在配色方面更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

（2）分類配色與修正系數(shù)可以在一定程度上減小不同色紡纖維間的相互影響產(chǎn)生的各組合間的配色準(zhǔn)確性差距；修正系數(shù)的添加可以一定程度上減小色紡紗掉色等問題的影響，令數(shù)據(jù)的處理更加適應(yīng)于實(shí)際生產(chǎn)情況。

（3）針對(duì)植物染色紡紗進(jìn)行的配色模型處理是基于生產(chǎn)條件與原料穩(wěn)定的情況下，減小實(shí)驗(yàn)室中第一次試紡色差可以加速模擬到成品之間的流程，一定程度上改善植物染掉色嚴(yán)重等帶來的配色困難問題，對(duì)于植物染中原配比模型誤差較大的情況具有明顯的改善，不失為一種有效、便捷的修色方式。