活性染料三原色泡沫染色配色體系

張曉云, 冒曉東, 趙文杰, 鐘 毅, 徐 紅, 毛志平

(東華大學(xué) a. 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院; b. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

活性染料三原色泡沫染色配色體系

張曉云a, b, 冒曉東a, b, 趙文杰a, b, 鐘 毅a, b, 徐 紅a, b, 毛志平a, b

(東華大學(xué) a. 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院; b. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

為探討活性染料三原色泡沫染色配色體系, 采用配伍性良好的雷馬素深紅RGB、金黃RGB、藏青RGB對(duì)棉織物進(jìn)行泡沫染色, 建立了泡沫染色配色基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù), 研究了泡沫染色配色算法.結(jié)果表明, Kubelka-Munk單常數(shù)理論方程適合活性染料三原色泡沫染色配色體系研究.由于泡沫拼色染色時(shí)染料之間相互會(huì)有影響, 在Kubelka-Munk單常數(shù)理論方程中引入糾正系數(shù), 可以減小理論K/S值和實(shí)測(cè)K/S值的偏差.

三原色; 泡沫染色; 活性染料; 測(cè)色; 配色; 染色基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

泡沫染色是一種新型的低給液、高節(jié)能的染色技術(shù).相對(duì)于傳統(tǒng)高帶液率(56%～100%)的浸軋方式, 泡沫染整的帶液率為20%～40%.低帶液率加工不僅能顯著降低用水量、化學(xué)品耗用量和后期烘燥能源, 而且能夠避免大量的染料水解, 以及在后續(xù)烘燥環(huán)節(jié)由于高帶液率產(chǎn)生的染料“泳移”現(xiàn)象[1-2].因此, 泡沫染色技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)整個(gè)染整行業(yè)的清潔生產(chǎn)和節(jié)能減排具有重要意義[3]. 目前關(guān)于泡沫染色的研究大多為單色染色, 棉織物泡沫染色配色研究少有報(bào)道[4].研究泡沫染色的配色算法, 并將其應(yīng)用到計(jì)算機(jī)配色技術(shù)中, 可以節(jié)省打樣時(shí)間, 提高生產(chǎn)效率, 對(duì)于推動(dòng)泡沫染色技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義.Kubelka-Munk函數(shù)理論是目前大多數(shù)配色軟件的理論基礎(chǔ), 其單常數(shù)理論形式簡(jiǎn)單, 易于應(yīng)用, 常用于紡織印染、皮革染色、印刷油墨拼色配色中[5-6].

在對(duì)泡沫染色液體系的發(fā)泡性和穩(wěn)定性以及泡沫染色工藝系統(tǒng)研究[6-9]的基礎(chǔ)上, 本文采用配伍性能良好的雷馬素深紅RGB、金黃RGB和藏青RGB三原色活性染料對(duì)棉織物進(jìn)行泡沫染色拼色, 研究了3支染料泡沫染色染棉織物的配色體系, 修正了泡沫染色配色算法, 為進(jìn)一步研究泡沫染色計(jì)算機(jī)配色建立基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

織物: 純棉機(jī)織半漂布(華紡股份有限公司), 經(jīng)、緯紗線密度均為25 tex, 經(jīng)密: 520根/(10cm), 緯密: 280根/(10cm), 面密度為115 g/m2.

試劑: 雷馬素深紅RGB、金黃RGB、藏青RGB(上海德司達(dá)印染科技有限公司); 十二烷基硫酸鈉(SDS)(上海精細(xì)化工材料研究所, 化學(xué)純); 十二醇、無(wú)水碳酸鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司, 化學(xué)純); 瓜爾膠(鄭州市中原區(qū)豐和化工商行, 工業(yè)級(jí)).

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

泡沫發(fā)生器和泡沫施加器(上海技楷機(jī)電設(shè)備有限公司); UPEI型連續(xù)式織物熱定型機(jī)(中國(guó)臺(tái)灣瑞比公司); Model P-BU型電動(dòng)均勻軋車(chē)(中國(guó)臺(tái)灣Rapid公司); Datacolor 650型測(cè)色儀(美國(guó)Datacolor公司); UV-1800型紫外分光光度儀(日本Shimadzu公司), SW-12AⅡ型皂洗機(jī)(溫州大榮紡織儀器有限公司).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 泡沫染色方法

泡沫染色液的配方: 活性染料為Xg/L; SDS為2.0～8.0 g/L; Na2CO3為15～30 g/L; 十二醇和瓜爾膠用量總和為0.28～0.70 g/L, 其中十二醇和瓜爾膠質(zhì)量比為3∶4.

設(shè)備參數(shù)設(shè)定: 發(fā)泡比為8.0; 液體密度為1.00 g/cm3; 幅寬為0.50 m; 帶液率為35%; 車(chē)速為8.0 m/min; 攪拌速度為400 r/min.

泡沫染色工藝流程如圖1所示.

圖1 泡沫染色工藝流程

Fig.1 Foam dyeing process

1.3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的方法: 按照表1中3種活性染料(雷馬素深紅RGB、金黃RGB、藏青RGB)單色樣分檔質(zhì)量濃度分別對(duì)棉織物進(jìn)行泡沫染色, 染色完成后利用測(cè)色儀對(duì)棉織物進(jìn)行測(cè)色, 記錄各測(cè)色數(shù)據(jù).為保證測(cè)量精確度, 測(cè)量時(shí)應(yīng)注意: 采用大孔測(cè)量(大孔徑為30 mm); 布樣折疊4層以上, 排除背景影響; 每塊布樣取著色均勻的8個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)色.

表1 3種活性染料單色樣分檔質(zhì)量濃度

1.3.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的檢驗(yàn)

完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)后, 需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢驗(yàn)以確保其正確性.在染制不同色樣的過(guò)程中, 由于稱(chēng)料、配液、時(shí)間等操作誤差, 可能會(huì)造成打樣偏差.因此, 需要檢驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的正確性, 對(duì)有偏差的色樣進(jìn)行修正, 對(duì)于偏差較大的布樣, 應(yīng)重新進(jìn)行打樣加以修正[10-11].

(1) 反射率R值與波長(zhǎng)λ的曲線圖

在不同單色染料質(zhì)量濃度下, 染色樣的反射率R值曲線應(yīng)是有規(guī)律的平行分布.染料質(zhì)量濃度越小, 反射率R值越高; 染料質(zhì)量濃度越大, 反射率R值越低.若曲線有不規(guī)則現(xiàn)象或出現(xiàn)交叉, 則應(yīng)加以修正.

(2) 表面色深K/S值與波長(zhǎng)λ的曲線圖

在不同單色染料質(zhì)量濃度下, 染色樣的表面色深K/S值曲線應(yīng)是有規(guī)律的平行分布.染料質(zhì)量濃度越小, 表面色深K/S值越小; 染料質(zhì)量濃度越大, 表面色深K/S值越大.若曲線有不規(guī)則現(xiàn)象或出現(xiàn)交叉, 則應(yīng)加以修正.

(3) 表面色深K/S值與染料質(zhì)量濃度C的曲線圖

在低染料質(zhì)量濃度時(shí), 隨著染料質(zhì)量濃度的增加, 表面色深K/S值增加; 在高染料質(zhì)量濃度時(shí), 表面色深K/S值增加速度變慢, 直到纖維達(dá)到染色飽和, 表面色深K/S值不再隨染料質(zhì)量濃度C的增加而增加, 染色達(dá)到平衡.若不符合這一規(guī)律, 則必須進(jìn)行修正.

1.3.4 單常數(shù)配色算法

計(jì)算機(jī)配色的基礎(chǔ)理論是Kubelka-Munk函數(shù)理論[12-14], 其表達(dá)式為

(K/S)=(1-R)2/(2R)

(1)

其中: K為光在不透明介質(zhì)中的吸收系數(shù); S為光在不透明介質(zhì)中的散射系數(shù); (K/S)為Kubelka-Munk函數(shù); R為不透明介質(zhì)的反射率.

假設(shè)每個(gè)染料分子對(duì)光的吸收和散射的程度相同, 則表面色深K/S值應(yīng)與染料質(zhì)量濃度成正比.對(duì)于染色織物而言, 染料的相對(duì)數(shù)量較少, 可認(rèn)為其散射作用由紡織材料所致, 與染料無(wú)關(guān), 故僅考慮吸收系數(shù)K的變化[15-16], 式(1)可簡(jiǎn)化為

(K/S)j=(K/S)t, j+∑iCi·(k/s)t, j

(2)

其中: (K/S)t, j為基底在j波長(zhǎng)下的表面色深; (k/s)i, j單常數(shù)為質(zhì)量濃度為Ci的i染料在j波長(zhǎng)下的單位濃度表面色深; 在染單色樣時(shí), 即僅存在一種染料, 式(2)可簡(jiǎn)化為

(K/S)j=(K/S)t, j+C·(k/s)j

(3)

對(duì)于每種染料, 在不同染料質(zhì)量濃度下染制色樣, 可繪制K/S對(duì)C的曲線, 如圖2所示, 以作配色計(jì)算使用[10, 14].

圖2 理論K/S-C曲線Fig.2 The curve of theoretical K/S value and concentration of dyes

由于配色的結(jié)果要求配制樣品的(K/S)m值等于標(biāo)樣的(K/S)s(m代表配制樣品,s代表標(biāo)樣), 故

(K/S)m=(K/S)s

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 單色樣顏色檢驗(yàn)

2.1.1R-λ曲線

3種活性染料在不同染料質(zhì)量濃度下的反射率R值隨波長(zhǎng)的曲線圖如圖3所示.由圖3可知, 染料質(zhì)量濃度越大, 反射值R越小; 染料質(zhì)量濃度越小, 反射值R越高.各單色染料在不同質(zhì)量濃度下染色樣的反射值曲線呈有規(guī)律的平行分布, 無(wú)明顯不規(guī)則現(xiàn)象或出現(xiàn)交叉.

(a) 雷馬素深紅RGB

(b) 雷馬素金黃RGB

(c) 雷馬素藏青RGB圖3 3種雷馬素RGB活性染料R值與波長(zhǎng)λ曲線圖Fig.3 The curve of reflected value and wavelength of three kinds of Remazal RGB? dyes

2.1.2K/S-λ曲線

3種活性染料在不同染料質(zhì)量濃度下的表面色深K/S值隨波長(zhǎng)λ的曲線圖如圖4所示.由圖4可知, 染料質(zhì)量濃度越大, 表面色深K/S值越大; 染料質(zhì)量濃度越小, 表面色深K/S值越小.各單色染料在不同質(zhì)量濃度下染色樣的K/S值與波長(zhǎng)λ的曲線呈有規(guī)律的平行分布, 無(wú)明顯不規(guī)則現(xiàn)象或出現(xiàn)交叉.

(a) 雷馬素深紅RGB

(b) 雷馬素金黃RGB

(c) 雷馬素藏青RGB

2.2 單常數(shù)配色算法改進(jìn)

2.2.1K/S-C曲線線性擬合

通過(guò)課題組前期實(shí)驗(yàn)可知, 雷馬素深紅RGB、金黃RGB和藏青RGB各自最大吸收波長(zhǎng)分別是430, 530和620 nm.由3種活性染料在不同波長(zhǎng)下的K/S值, 可得K/S-C曲線, 即不同染料質(zhì)量濃度下各染色樣在最大吸收波長(zhǎng)(即反射值最小)處的表面色深K/S值與染料質(zhì)量濃度C的關(guān)系, 分別如圖5～7所示. 利用線性擬合的方法, 可以得到K/S-C的擬合曲線, 得到擬合方程.

(a) 雷馬素深紅RGB

(b) 雷馬素金黃RGB

(c) 雷馬素藏青RGB

由圖5可得, 在430 nm下,K/S-C線性擬合方程為

(5)

(a) 雷馬素深紅RGB

(b)雷馬素金黃RGB

(c) 雷馬素藏青RGB

由圖6可得, 在530 nm下,K/S-C線性擬合方程為

(6)

(a) 雷馬素深紅RGB

(b) 雷馬素金黃RGB

(c) 雷馬素藏青RGB

由圖7可得, 在620 nm下,K/S-C線性擬合方程為

(7)

在前期課題組實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 隨機(jī)選取不同染色布樣, 根據(jù)式(2)和式(5)～(7), 分別計(jì)算出在430, 530和620 nm處的理論K/S值, 與實(shí)測(cè)K/S值作比較, 結(jié)果如表2～4所示.

表2 430 nm下不同染料質(zhì)量濃度染色K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

(續(xù) 表)

表3 530 nm下不同染料質(zhì)量濃度染色K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

表4 620 nm下不同染料質(zhì)量濃度染色K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

由表2～4可知, 利用單常數(shù)配色算法的理論方程式得到的理論K/S值和實(shí)測(cè)K/S值的偏差較大.造成誤差的兩個(gè)主要原因: 一是纖維存在表面反射; 二是染色時(shí)染料沒(méi)有完全上染到纖維上, 即隨著染料濃度的增大, 纖維已達(dá)到染色飽和.因此, 活性染料泡沫染色染棉并不完全符合Kubelka-Munk單常數(shù)理論, 可通過(guò)對(duì)K/S值與質(zhì)量濃度C的關(guān)系曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理, 以減小偏差.

2.2.2 引進(jìn)調(diào)整系數(shù)

從理論上來(lái)講, 染色樣品的K/S值與染料質(zhì)量濃度C之間關(guān)系, 其圖形應(yīng)是一條直線, 即

Φ=[K/S-(K/S)t]/C

(8)

由于拼色上染時(shí), 混合染料之間相互產(chǎn)生影響.實(shí)際上, 從圖5～7知雷馬素深紅RGB、金黃RGB、藏青RGB在各自最大吸收波長(zhǎng)處的提升力曲線并不呈直線關(guān)系, 往往是凹向下方的曲線.為提高準(zhǔn)確度, 可采用引進(jìn)調(diào)整系數(shù)的方法來(lái)調(diào)整曲線凹凸.采用多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)K/S-C關(guān)系曲線進(jìn)行修正[14], 如式(9)所示.

K/S=a0+a1·C+a2·C2+a3·C3

(9)

其中: 常量a0為基質(zhì)的(K/S)t; a1近似地代表單位染料質(zhì)量濃度的表面色深K/S值; 常量a2和a3用來(lái)修正曲線的凹陷.考慮到可修正的幅度大小, 一般不需要使用高于三階的多項(xiàng)式進(jìn)行修正.

在Matlab中采用最小二乘擬合得到, 雷馬素深紅RGB、金黃RGB、藏青RGB在波長(zhǎng)430 nm下K/S值與染料質(zhì)量濃度C的方程為

(10)

其中: (K/S)R, (K/S)Y, (K/S)B分別表示雷馬素深紅RGB、金黃RGB、藏青RGB的K/S值; CR, CY, CB分別表示雷馬素深紅RGB、金黃RGB、藏青RGB的質(zhì)量濃度.

由式(2)和(10)可以計(jì)算得到波長(zhǎng)430 nm時(shí)的理論K/S值, 與實(shí)測(cè)K/S值作比較, 如表5所示.

表5 430 nm下不同染料濃度染色調(diào)整K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

同理, 利用Matlab可以得到530 nm下的K/S值與染料質(zhì)量濃度C的方程為

(11)

由式(2)和(11)可以計(jì)算得到波長(zhǎng)530 nm時(shí)的理論K/S值, 與實(shí)測(cè)K/S值作比較, 如表6所示.

表6 530 nm下不同染料濃度染色調(diào)整K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

同理, 利用Matlab可以得到620 nm下的K/S值與染料質(zhì)量濃度C的方程為

(12)

由式(2)和(12)可以計(jì)算得到波長(zhǎng)530 nm時(shí)的理論K/S值, 與實(shí)測(cè)K/S值作比較, 如表7所示.

表7 620 nm下不同染料濃度染色調(diào)整K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

2.2.3 引入糾正系數(shù)

由于混合染料拼色上染時(shí), 某一種染料在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)得的K/S值會(huì)受到另外兩種染料的影響, 為了糾正K/S理論值與實(shí)測(cè)值的偏差, 考慮引進(jìn)糾正系數(shù)k, 以減小拼色染色時(shí)染料間的互相影響[17-19].雷馬素深紅RGB的糾正系數(shù)的計(jì)算方法為

(13)

同理, 雷馬素金黃RGB和雷馬素藏青RGB的糾正系數(shù)分別為

(14)

(15)

為確定糾正系數(shù)與另外兩種染料用量間的關(guān)系, 考慮用Matlab軟件做多元線性回歸, 得到如下方程[17-19]:

kY=0.239 5+0.149 5·CR+0.097 8·CB

(16)

kR=0.957 5-0.044 5·CY+0.008 7·CB

(17)

kB=0.539 6+0.104 1·CR-0.068 8·CY

(18)

在Kubelka-Munk單常數(shù)理論方程中引入糾正系數(shù), 則在三拼色染色過(guò)程中[9, 18-19]有

(K/S)m=(K/S)w+kY·(K/S)Y+

kB·(K/S)B+kR·(K/S)R

(19)

由式(16)～(19)可得各波長(zhǎng)下的糾正理論K/S值, 與實(shí)測(cè)值對(duì)比, 如表8～10所示.

表8 430 nm下不同染料濃度染色糾正K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

表9 530 nm下不同染料濃度染色糾正K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

(續(xù) 表)

表10 620 nm下不同染料濃度染色糾正K/S值的理論值與實(shí)測(cè)值

由表8～10可知, 在Kubelka-Munk單常數(shù)方程中引入糾正系數(shù)得到的理論K/S值與實(shí)測(cè)K/S值的偏差較糾正前的偏差小, 且偏差基本可以降低到10%以下.考慮將得出的Kubelka-Munk糾正方程用于泡沫染色計(jì)算機(jī)配色數(shù)據(jù)庫(kù), 可以減小色差.

3 結(jié) 論

(1) 建立完成染料數(shù)據(jù)庫(kù)之后進(jìn)行測(cè)配色, 通過(guò)檢驗(yàn)R值與波長(zhǎng)λ的曲線圖、K/S值與波長(zhǎng)λ的曲線圖和K/S值與質(zhì)量濃度C曲線圖確定染料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是否正確.如有偏差, 需對(duì)異常色樣進(jìn)行修正或重新打樣.

(2) 活性染料混拼泡沫染色時(shí), 由于染料之間相互有影響, Kubelka-Munk單常數(shù)理論方程計(jì)算出的理論K/S值與實(shí)測(cè)K/S值有較大偏差; 通過(guò)在Kubelka-Munk單常數(shù)理論方程中引進(jìn)調(diào)整系數(shù)可以減小理論K/S值與實(shí)測(cè)K/S的偏差; 通過(guò)引進(jìn)糾正系數(shù)可以將理論K/S值和實(shí)測(cè)K/S值的偏差降低到10%以下.

致謝

感謝上海技楷機(jī)電設(shè)備有限公司提供泡沫連續(xù)染色試樣機(jī).

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Color Matching System for Trichromatic Reactive Dyes in Foam Dyeing

ZHANGXiao-yuna, b,MAOXiao-donga, b,ZHAOWen-jiea, b,ZHONGYi*a, b,XUHonga, b,MAOZhi-pinga, b

(a. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology; b. Key Laboratory of Science &Technology of Eco-Textile, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to investigate the color matching system for trichromatic reactive dyes in foam dyeing, Remazal Red RGB, Remazal Yellow RGB and Remazal Navy RGB had been used to dye bleached cotton fabric. The establishment of basic database for trichromatic reactive dyes in foam dyeing and their verifying methods in color matching were detailed. The results show that the Kubelka-Munk theory with single constant can meet the requirement of foam dyeing color matching. Owing to the interactions among mixed dyes in foam dyeing, the introduction of corrective coefficient to revise Kubelka-Munk theory with single constant can reduce the deviation of theoreticalK/Svalue and measuredK/Svalue.

trichromatic; foam dyeing; reactive dyes; color measurement; color matching; dyeing database

1671-0444 (2016)06

2015-07-31

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014BAE01B01，2014BAC13B02)；上海市聯(lián)盟計(jì)劃資助項(xiàng)目(LM201439)

張曉云(1989—)，女，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛钚匀玖吓菽旧?E-mail：didi-elva@foxmail.com 鐘 毅(聯(lián)系人)，女，講師， E-mail：zhongyi@dhu.edu.cn

TS 193.5

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