亮布的結(jié)構(gòu)分析及色彩成因

王 巖，秦修遠(yuǎn)，沈 蓓，施昌勇，龔 龑

(1. 北京服裝學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029；2. 廣西工藝美術(shù)研究所，廣西 南寧 530012；3. 北京服裝學(xué)院 基礎(chǔ)部，北京 100029)

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亮布的結(jié)構(gòu)分析及色彩成因

王 巖1，秦修遠(yuǎn)1，沈 蓓2，施昌勇3，龔 龑1

(1. 北京服裝學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029；2. 廣西工藝美術(shù)研究所，廣西 南寧 530012；3. 北京服裝學(xué)院 基礎(chǔ)部，北京 100029)

為拓展紡織品環(huán)保設(shè)計(jì)思路，從民族傳統(tǒng)手工紡織品中挖掘工藝效果借鑒點(diǎn)，并合理地建立理論支撐和研究方法，采用掃描電鏡、拉曼光譜、紫外-可見(jiàn)光譜等儀器與檢測(cè)方法對(duì)亮布的顯微結(jié)構(gòu)和光學(xué)與光譜學(xué)特征進(jìn)行分析。針對(duì)亮布的色彩來(lái)源問(wèn)題，進(jìn)行科學(xué)剖析和理論解釋。結(jié)果表明，亮布表面泛著金屬光澤的絳紫色，是靛藍(lán)染料的化學(xué)色和亮布結(jié)構(gòu)色的綜合作用結(jié)果。絳紫色的結(jié)構(gòu)生色部分來(lái)源于2個(gè)方面：一方面源于亮布表面覆蓋的膜層結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的薄膜干涉作用；另一方面則源于表面規(guī)律的微觀凸起結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的衍射作用。亮布金屬光澤則源于薄膜反射和多級(jí)干涉。

亮布；結(jié)構(gòu)生色；拉曼光譜；民族紡織品

亮布[1]是一種傳統(tǒng)民族手工紡織品，主要存在于黔桂湘三省交界地帶的苗族、侗族地區(qū)的民族服飾中。亮布?xì)v史悠久，具有較好的服用價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值和文化價(jià)值，其泛著光澤的絳紫色散發(fā)著神秘感和高貴氣質(zhì)。目前的研究主要集中在亮布的服用性能，針對(duì)其生色原因的研究鮮有報(bào)道。物質(zhì)生色可分為化學(xué)生色和結(jié)構(gòu)生色[2-3]，結(jié)構(gòu)生色可產(chǎn)生鮮艷的色彩和明亮的色澤，其產(chǎn)生原因基于微結(jié)構(gòu)的規(guī)律和尺寸，大致有薄膜干涉、衍射、散射和光子晶體[4-5]。目前紡織品結(jié)構(gòu)生色應(yīng)用研究較少見(jiàn)，比較新穎的如織物光子晶體可控顏色紡織面料[6-7]、光子晶體石墨[8]印花。本文從結(jié)構(gòu)生色角度對(duì)亮布色彩進(jìn)行研究，為紡織品環(huán)保設(shè)計(jì)[9]中結(jié)構(gòu)生色面料的設(shè)計(jì)提供理論參考和新思路。相對(duì)于傳統(tǒng)印染成色，結(jié)構(gòu)生色因其屬于物理生色，不需要化工染料處理，具有很大的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，不僅可滿(mǎn)足消費(fèi)者健康、時(shí)尚的服飾材料需求，還有利于減少紡織品生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料取自廣西侗族村落手工生產(chǎn)的絳紫色亮布。實(shí)驗(yàn)儀器包括：TU-1901型雙光束紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；DXR型顯微拉曼光譜儀(賽默飛世爾科技公司)；JSM-6360型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)；VK型激光共聚焦顯微鏡(基恩士(中國(guó))有限公司)；RM 200型測(cè)色配色儀(PANTONE X-Rite公司)等。

2 結(jié)果與分析

2.1 光學(xué)性能

廣西亮布是在靛藍(lán)染布的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)表面特殊處理后的絳紫色面料，具有金屬光澤，顯微鏡下觀察到的照片如圖1所示。

圖1 亮布的表面形態(tài)照片(×150)Fig.1 Surface of Liang cloth(×150). (a) Front; (b) Back

亮布的傳統(tǒng)染整工藝可分為2部分：一是上色工藝，即將自紡自織的棉布依次經(jīng)過(guò)天然靛藍(lán)染液浸染、漂洗和晾曬過(guò)程上色，面料每染漂1次，晾曬1次，顏色就加深1層，從淺藍(lán)色到藍(lán)黑色；二是生色工藝，即將上染好的藍(lán)色系面料依次經(jīng)過(guò)多次重復(fù)的上漿、熏蒸、復(fù)染、捶打過(guò)程，讓面料表面更平整，色牢度更高，發(fā)出金屬光澤，透出絳紫色。從生色工藝來(lái)看，推測(cè)上漿的成分、熏蒸捶打過(guò)程導(dǎo)致的可能的結(jié)構(gòu)特性與亮布生色有直接關(guān)系。根據(jù)色相組合原理，亮布絳紫色是由紅色和藍(lán)色混合而成，而根據(jù)色彩互補(bǔ)理論，亮布若能呈現(xiàn)紅色則應(yīng)是吸收可見(jiàn)光中綠光部分的結(jié)果。根據(jù)減色混合原理，亮布中藍(lán)色染料部分吸收紅光、反射綠光和藍(lán)光，亮布的絳紫色則是源于亮布中其他成分對(duì)綠光大量吸收從而表現(xiàn)出紅色或結(jié)構(gòu)所致，從樣品的紫外-可見(jiàn)光漫反射光譜(如圖2所示，圖中4條數(shù)據(jù)線為樣品上隨機(jī)選取的4個(gè)區(qū)域的檢測(cè)結(jié)果)可看出，亮布在綠色光波段內(nèi)吸收顯著，而在紫色和紅色區(qū)域有2個(gè)明顯的反射峰，紅色區(qū)域反射峰很強(qiáng)，且整個(gè)樣品表面數(shù)據(jù)結(jié)果一致。為確定面料特殊處理后的成分是否對(duì)其顏色有顯著影響，首先進(jìn)行了拉曼光譜測(cè)定，結(jié)果如圖3所示。1 800 cm-1處附近為蛋白質(zhì)C—H伸縮振動(dòng)的指紋峰，1 573 cm-1處有明顯強(qiáng)特征峰，應(yīng)為色氨酸殘基的特征振動(dòng)峰，該峰區(qū)別于動(dòng)物膠，是蛋類(lèi)組分獨(dú)有的特征[10]，此外759 cm-1處為蛋氨酸殘基中C—S鍵伸縮振動(dòng)峰，1 456 cm-1處為脂類(lèi)中CH3/CH2變形振動(dòng)，870、1 003、1 210、1 630 cm-1處的峰歸屬于芳香類(lèi)氨基酸如酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，特別是1 003 cm-1處丙氨酸殘基振動(dòng)峰為蛋白類(lèi)膠料共有的常規(guī)振動(dòng)峰[11]。由此可知，實(shí)驗(yàn)所用亮布中存在蛋類(lèi)蛋白物質(zhì)。

圖2 樣品的紫外-可見(jiàn)光漫反射光譜Fig.2 UV-Vis diffusion spectra of Liang cloth

圖3 亮布的拉曼譜圖Fig.3 Raman spectrum of Liang cloth

亮布的傳統(tǒng)工藝?yán)?，上漿過(guò)程根據(jù)不同地區(qū)的習(xí)慣大都會(huì)使用蛋清或牛膠中的一種，二者最終呈現(xiàn)出來(lái)的亮布在外觀和色澤上一致，因此進(jìn)一步以本次蛋清處理過(guò)的樣品進(jìn)行研究。由于蛋清蛋白質(zhì)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)無(wú)明顯吸收[12]，所以其成分與亮布的色彩本身并無(wú)顯著關(guān)聯(lián)。由此可推測(cè)，亮布的紫色并非完全由染料顏色等化學(xué)色形成，而是由基底的藍(lán)色和因結(jié)構(gòu)生色而致的紅色混合而成。為進(jìn)一步探索亮布表面可能存在的可形成結(jié)構(gòu)色的結(jié)構(gòu)，對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步研究。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

亮布表面顯微形貌如圖4所示?？煽吹搅敛颊嬗忻黠@殼層結(jié)構(gòu)，且發(fā)生皸裂(見(jiàn)圖4(a))，亮布反面可看到纖維結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4(b))，纖維表面亦覆蓋有較明顯的膜層結(jié)構(gòu)，結(jié)合拉曼光譜，2種層狀結(jié)構(gòu)應(yīng)為蛋白質(zhì)為主的成分。

圖4 亮布表面顯微形貌照片F(xiàn)ig.4 SEM photographs of Liang cloth surface. (a) Front; (b) Back; (c) Three-dimensional morphologies of Liang cloth

由于存在正面殼層和背面膜層，因此應(yīng)考慮其存在薄膜干涉作用，從亮布正面殼層皸裂程度較大的表面殼層三維微觀形貌(見(jiàn)圖4(c))可看出，殼層有明顯的厚度分布，結(jié)合顯微鏡厚度識(shí)別功能，可粗略測(cè)算出殼層厚度約為2.5 μm。這是因?yàn)樵诹敛嫉闹谱鞴に囍惺菑牧敛颊鎲蝹?cè)上漿進(jìn)行捶打，并且上漿的過(guò)程中還會(huì)重復(fù)幾次復(fù)染和漂洗步驟，故正面殼層實(shí)際上是多次上漿層和染料層疊加后捶打復(fù)合的結(jié)果，無(wú)法直接確定起生色作用的蛋白質(zhì)層厚度，而亮布反面的膜層是上漿后蛋白質(zhì)成分通過(guò)捶打工藝滲透到背面纖維上的，無(wú)多層復(fù)合的染料-上漿混合疊加層。此外染料分子會(huì)對(duì)紅光產(chǎn)生吸收，即無(wú)論殼層還是膜層本身不會(huì)因?qū)梢?jiàn)光的吸收導(dǎo)致紅光的反射疊加，另一方面參考單層薄膜干涉生色原理[13]，入射光照射到亮布表面時(shí)，未被纖維及染料吸收的光發(fā)生折射和干涉，從圖4(b)中紗線表面膜層斷裂的部分可粗略看出，其厚度約為0.8 μm，薄膜干涉所產(chǎn)生的光波長(zhǎng)的計(jì)算根據(jù)如下薄膜反射干涉公式進(jìn)行。

式中：d為實(shí)際起生色作用的膜層的厚度；n1、n2分別為空氣、蛋白質(zhì)的折射率；i1為光線入射角度；j為干涉級(jí)數(shù)；λ為出射光波長(zhǎng)。假定光線(白光)以30°～75°入射，空氣折射率約為1.00，蛋清白蛋白質(zhì)折射率約為1.35，因薄膜厚度約為0.8 μm，根據(jù)入射角度變化范圍可通過(guò)薄膜折射反射光程差公式[14]計(jì)算，得到光程差范圍為1 403.1～1 549.3 nm，屬于三級(jí)干涉的光程差范圍(1 100～1 650 nm)，故j=2，由此可計(jì)算出在既定條件下，由于薄膜干涉所產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)范圍為623.6～802.5 nm，即隨著觀察角度(視線與亮布平面夾角)的增加，紫紅色越發(fā)明顯。此外，當(dāng)光線入射角度為30°時(shí)，理論計(jì)算波長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到人眼對(duì)光線顏色感知的極限，所以起到薄膜干涉作用的膜層實(shí)際厚度應(yīng)略小于0.8 μm，結(jié)合紫外-可見(jiàn)漫反射譜圖所對(duì)應(yīng)的700 nm波長(zhǎng)、光線從30°入射，可計(jì)算得到膜層厚度約為0.7 μm。當(dāng)以極限條件即光線垂直入射時(shí)，可計(jì)算出膜層厚度約為0.65 μm，所以可推測(cè)膜層的實(shí)際厚度在0.65～0.7 μm之間，此外，因二級(jí)干涉后面的所有等級(jí)干涉均為相同顏色，并且顏色逐漸減弱，在區(qū)域性光的加強(qiáng)和減弱出現(xiàn)明顯的層次感和對(duì)比，同時(shí)捶打工藝也導(dǎo)致了因表面平整而光反射能力增強(qiáng)的亮度增強(qiáng)效果，與紡織軋光工藝有異曲同工之處，所以亮布的表現(xiàn)為感官光澤度的提升。由此可推測(cè)，亮布的色澤一部分來(lái)源于可見(jiàn)光照射后亮布表面折射反射后相干光作用的結(jié)果。

進(jìn)一步增加掃描電鏡放大倍數(shù)，探究亮布表面可能存在的其他結(jié)構(gòu)生色因素?？紤]到樣品表面在做掃描電鏡前制樣的過(guò)程中進(jìn)行了噴金處理，表面的噴金可能影響微觀結(jié)構(gòu)的觀察，因此，在經(jīng)過(guò)噴金處理后，將亮布表面使用刀片進(jìn)行劃刻，使同樣絳紫色的纖維暴露出來(lái)進(jìn)行觀察。將掃描電鏡放大到1萬(wàn)倍觀察微觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示，圖中右上角顯微照片為纖維上紅色圓圈區(qū)域局部放大到2.2萬(wàn)倍后的表面形貌，可看到所選擇的纖維剛好存在膜層脫落的情況，纖維下側(cè)膜層脫落后較為光滑，纖維上側(cè)仍存在膜層，膜層表面有密集排列類(lèi)似溝壑的微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)局部放大圖可看到，纖維表面膜層上是一個(gè)個(gè)凸起的密排結(jié)構(gòu)，每個(gè)凸起的平均距離約為270 nm，與孔雀羽毛結(jié)構(gòu)生色的研究[15]中，纖維加蛋白質(zhì)圓柱形棒狀物所形成的二維晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)似，通過(guò)適用于二維晶體生色的修正的布拉格衍射方程[16]進(jìn)行驗(yàn)證：

其中：λmax為最大衍射峰波長(zhǎng)；m為布拉格衍射規(guī)整度(在這里結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，m=1)；d為2個(gè)凸起間的平均間距，約為270 nm；n2為凸起結(jié)構(gòu)材料的折射率，與之前的研究相同，為1.35；θ為觀察角(此處為視線與法線的夾角)，通過(guò)計(jì)算可確定，在亮布纖維表面膜層上的微觀密排凸起結(jié)構(gòu)在尺寸參數(shù)下，可觀測(cè)到紅光(600 nm波長(zhǎng)以上)的觀察角度范圍約為0°～60°。這說(shuō)明，亮布纖維表面膜層上的微觀結(jié)構(gòu)也具有生色效果，并對(duì)亮布的絳紫色有貢獻(xiàn)。另外值得思考的是，在上述角度范圍內(nèi)剛好屬于可形成紅色衍射光的條件，并與薄膜顏色所得到的紅光在觀察角度范圍上具有疊加，這部分疊加的光也可能通過(guò)相干作用得到區(qū)域性的增強(qiáng)效果，宏觀上表現(xiàn)則是明度的增加和顏色的艷麗。

圖5 亮布表面纖維顯微形貌照片F(xiàn)ig.5 SEM photograph of fiber of Liang cloth

2.3 顏色分析

為確定表面膜層結(jié)構(gòu)對(duì)亮布色澤的影響，對(duì)亮布不同視角和水洗處理后的樣品進(jìn)行了測(cè)色，結(jié)果如表1所示。由表可看到，不同視角L值存在小范圍波動(dòng)，即明度變化，而隨著光澤的增加，a值向紅色偏移，亮面呈紫紅色光澤視覺(jué)效果，隨著光澤的減弱，b值向藍(lán)色偏移，說(shuō)明色彩更趨于藍(lán)紫色。多角度的色彩混合呈現(xiàn)組成了亮布所特有的絳紫色金屬光澤，這也與微觀結(jié)構(gòu)研究中薄膜干涉計(jì)算結(jié)果一致。水洗過(guò)后，L值出現(xiàn)顯著下降，即亮布表面光澤消失，而b值向藍(lán)色偏移，顏色變藍(lán)色，在隨著L值下降到很低的過(guò)程中，b值又向0偏移，與亮布?xì)蛹袄w維膜層近乎完全洗脫后的藍(lán)黑色相符合，說(shuō)明因薄膜干涉和二維晶體生色結(jié)構(gòu)受到了破壞，而得到的紅色疊加消失，亮布恢復(fù)到由染料本身所成的顏色，也就是說(shuō)亮布的絳紫色與蛋白質(zhì)膜層結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。

表1 亮布的測(cè)色結(jié)果Tab.1 Color measuring results of Liang cloth

注：觀察亮布色澤隨水洗時(shí)間變化時(shí)，觀測(cè)角為60°。

3 結(jié) 論

以侗族傳統(tǒng)手工藝品亮布為例，結(jié)合亮布染色及上漿工藝過(guò)程，通過(guò)光學(xué)及光譜學(xué)手段剖析其薄膜干涉、反射以及微觀結(jié)構(gòu)與亮布色澤的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，亮布表面泛著金屬光澤的絳紫色，屬于靛藍(lán)染料的化學(xué)生色和亮布表面結(jié)構(gòu)生色的綜合作用，絳紫色部分源于亮布上漿工藝所形成的表面膜層結(jié)構(gòu)的薄膜干涉作用，另一部分則源于表面規(guī)律的溝壑結(jié)構(gòu)，其金屬光澤則源于薄膜反射和多級(jí)干涉。

在應(yīng)用層面，纖維和面料是紡織品的基本構(gòu)成單元，隨著紡織印染行業(yè)環(huán)保要求的不斷提高，通過(guò)類(lèi)似亮布生色現(xiàn)象的研究，可利用科學(xué)的方法，從傳統(tǒng)手工藝中最自然的部分探索環(huán)保紡織品的設(shè)計(jì)靈感和思路。

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Structure analysis and color formation of Liang cloth

WANG Yan1, QIN Xiuyuan1, SHEN Bei2, SHI Changyong3, GONG Yan1

(1.CollegeofMaterialSciencesandEngineering,BeijingInstituteofFashionTechnology,Beijing100029,China; 2.GuangxiArtsandCraftsInstitute,Nanning,Guangxi530012,China; 3.FoundationDepartment,BeijingInstituteofFashionTechnology,Beijing100029,China)

In order to develop methods on designing environmental protective textiles, theoretical support and research methods are reasonably established from the process of the traditional national textile-handicraft. By scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, UV-visible spectroscopy and the other detection methods, the micro-structure, optical and other spectral characteristics of Liang cloth were analyzed, scientifically studied and theoretically explained aiming at analyzing the color formation source of the Liang cloth. The results show that the surface of the Liang cloth suffuses with metallic purple, which belongs to the indigo dye chemical color and bright color of fabric structure. This is resulted from the comprehensive effect of the chemical color and structural color of the indigo. The metallic luster is resulted from the thin film reflection and interference, and the purple derives from the micro-structure forms in the making process.

Liang cloth; structural coloration; Raman spectrum; national textile

10.13475/j.fzxb.20160706105

2016-07-20

2017-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51573211)；廣西科技廳基金項(xiàng)目(桂科轉(zhuǎn)1355099-7)；北京市教委面上項(xiàng)目(KM2015100120095)

王巖(1990—)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)槔庾V。龔龑?zhuān)ㄐ抛髡?，E-mail:2205206742@qq.com。

TS 10

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