天然彩色棉花顏色測量與分級方法研究

湯壽伍，劉海峰*，肖月華，阿不都熱西提·買買提，陳文鋼，

曹艷艷1，宋武2，羅城2

（1.中國彩棉（集團）股份有限公司，烏魯木齊 830023；2.新疆彩色棉工程技術研究院有限公司，烏魯木齊 830023；3.西南大學，重慶 400715；4.新疆維吾爾自治區(qū)纖維質量監(jiān)測中心，烏魯木齊 830011）

天然彩色棉花是指棉纖維具有棕、綠等天然色彩的棉花[1]，其棉纖維在生長過程中就帶有顏色，可省去后續(xù)加工過程中的染色環(huán)節(jié)， 產品綠色環(huán)保，深受紡織服裝企業(yè)和廣大消費者的喜愛[2]。 我國對天然彩色棉花的研究始于20 世紀80 年代，推廣種植始于20 世紀末，截至2020 年，天然彩色棉花種植面積累計達16.7 萬hm2，我國已成為世界重要的天然彩色棉花生產國[3]。 隨著近年對天然彩色棉花研究的不斷深入，選育的天然彩色棉花品種越來越多，同一顏色但深淺不同的天然彩色棉花越來越豐富。顏色的深淺是天然彩色棉花的重要品質指標之一，顏色深的天然彩色棉花可以生產出顏色更加鮮艷的產品，同時也可以配入更多的白棉，降低生產成本。

目前，國內外對天然彩色棉花的研究主要集中在生物育種擴大色域范圍以及顏色形成的原理上，而對彩棉顏色等級的定義和劃分的研究尚處空白。目前， 彩棉的顏色只是在目視評價的基礎上命名，并沒有以客觀的方式進行定義。 我國于2005 年發(fā)布了天然彩色棉質量評價的國家標準《棉花 天然彩色細絨棉》（GB/T 1103.3－2005）[4]。 由于該標準參考的是白棉國家標準，因此未對顏色指標檢驗作出規(guī)定，僅對其標識做了具體要求：須注明彩色細絨棉類型，以顏色的文字標識作為類型代號，棕棉、淺棕棉、綠棉、淺綠棉的類型代號分別為棕、淺棕、綠、淺綠。因此，亟須對同一顏色但深淺不同的天然彩色棉花的測量、分級及其方法進行研究，以便在棉花品種選育、種植、加工，以及紡紗、紡織、銷售過程中進行統(tǒng)一應用。

鑒于此，本研究主要選用不同顏色深度的棕色天然彩色棉花進行顏色測量和分級試驗，為建立天然彩色棉花顏色等級評價標準奠定基礎。

1 樣本準備

1.1 樣本的制作

選取不同顏色深度的55 個自育天然棕色彩棉品種（系）棉花進行樣本制備。為了保證樣本顏色在測量時不受外界環(huán)境的影響，將棉花樣本統(tǒng)一稱量1 g， 制成厚度為1 cm 的均勻不透光棉層。 所用自制容器為黑卡紙制成的紙盒，尺寸為10 cm（長）×10 cm（寬）×1 cm（高）。紙盒中心設置1 個展示棉花樣本的圓形區(qū)域，直徑為4 cm，如圖1 所示。

圖1 制作的棉花待測樣本實物

1.2 樣本的測量

為研究樣本顏色測量的穩(wěn)定性，以4 次測量結果的色度平均值作為標準值，分別將每次測量的色度值與標準值進行比較，計算其CIEDE2000 色差，以所有樣本4 次計算的CIEDE2000 色差的平均值代表顏色測量結果的穩(wěn)定性。得到測量的穩(wěn)定性變化范圍為0.01～1.32，平均值為0.33。 說明測量穩(wěn)定性滿足試驗要求[5-6]。

選擇美國愛色麗X-Rite SP64 積分球式分光光度計、X-Rite eXact 分光密度儀 （密度版）、 英國VeriVide 公司Digieye 數字測色系統(tǒng)、 網屏SCREEN 彩仙掃描儀等進行了天然彩色棉花的顏色測量[7]，如圖2 所示為不同測量儀器、不同測量方法采集到的彩棉色度值散點分布?？紤]到實際測量的可操作性和測量儀器的普及性，最終選用X-Rite SP64 積分球式分光光度計測量， 測量條件為D65（照明體）照明/10°（10°標準觀察者）、di:8°（漫射：8°幾何條件，包含鏡面反射）。 測量時，每次在圖1 所示的圓形區(qū)域上的3 個不同位置隨機采樣，取3 個位置的平均值代表棉花樣本1 次測量的色度值，在不同時間段隨機測量4 次，以4 次測量的平均值代表棉花樣本最終的色度值。 55 個棉花樣本在不同測量條件下測量的色度值在L*C*和a*b*色品圖上的分布如圖2 所示。

圖2 棕色彩棉樣本色度值在a*b*和L*C*色品圖上的分布

2 顏色分級試驗

棕色彩棉顏色分級試驗分2 組進行。

第1 組試驗在北京印刷學院進行，試驗條件為光暗室。 選用Gretag Macbeth The Judge II 多光源標準觀察箱Day 模式光源進行照明， 觀察條件為0/45（即光源0°照明，觀察者45°角評價），光照度為706 lx，色溫為6 793 K，光源顯色指數為95.6。共有10 人參與該目視評價試驗，其中6 男4 女，年齡在24～26 歲， 所有觀察者均為色覺正常的北京印刷學院學生，具有顏色科學的知識背景。 每位觀察者獨立進行3 次重復的彩棉樣本顏色分級評價，共采集到30 組試驗數據。

第2 組試驗在中國彩棉集團進行，條件為北窗日光。 觀察者均為從事彩棉育種的專業(yè)科研人員，共13 人，10 男3 女，年齡在23～47 歲。 其中6 人重復試驗2 次，7 人進行1 次試驗，共采集到19 組試驗數據。 在分級試驗正式開始前，試驗組織者首先向觀察者展示飽和度最大和最小的樣本，使觀察者了解樣本的顏色分布和變化范圍。

2 組試驗中觀察者根據樣本的飽和度和明度進行分級，其中第1 組試驗中要求將樣本分為5級，第2 組試驗不限制劃分級數，以數字1，2，3……代表分級結果，其中“1”代表飽和度較大的等級。對55 種棕色彩棉的分級結果見表1。

表1 目視分級試驗結果中棕色彩棉各等級樣本數

3 棕色彩棉顏色分級

3.1 分級方法的建立

對天然彩色棉花樣本的分級方法建立從以下幾個步驟進行：

（1） 選用X-Rite SP64 積分球式分光光度計測量， 并計算得到55 個棕色彩棉樣本在標準觀察箱Day 光源照明下的色度值。

（2） 根據試驗組織觀察者對55 個棕色彩棉樣本的分級結果，分別計算5 個等級中所有天然彩色棉花樣本色度值的平均值。 選擇飽和度C值為0的白棉作為標準樣品（標樣），計算各等級天然彩色棉花色度值平均值與標樣白棉的CIELAB 色差值，見表2。

表2 天然彩色棉花樣本各等級色度值平均值與色差值

色差ΔE計算公式：

（3）將目視分級結果（Grade_d）與計算色差結果繪制成散點圖，根據散點圖的分布，進行指數關系的擬合。 針對di:8°、8°:di（8°：漫射幾何條件,包含鏡面成分） 條件下的X-Rite SP64 積分球式分光光度計測量數據，可得出如下擬合公式：

（4）將3 次測量計算得到的樣本平均值代入顏色分級公式（1），計算樣本的顏色等級，計算結果按照數值修約規(guī)則保留到整數。計算結果≤6，即將棕色天然彩色棉的顏色分為6 個等級，“1” 代表樣本飽和度最大的等級，“6” 代表樣本飽和度最小的等級（該樣本的顏色接近于白棉）。

3.2 分級方法的檢驗

為檢驗分級公式的準確性， 將樣本與標樣的CIE1976L*a*b*計算色差分別代入公式（1）中，計算出各樣本的分級結果，結果保留整數。 2組試驗目視分級的結果與計算分級的結果見表3、表4。

由表3 可知，第1 組試驗中，有3 個樣本的計算分級結果與目視分級結果不一致，計算分級結果正確率為95%。 由表4 可知，第2 組試驗中，5 個樣本的計算分級結果與目視分級結果不一致，計算分級結果正確率91%?？梢姡诠剑?）建立的顏色計算分級結果與目視分級結果一致性較好，滿足棕色彩棉顏色分級的要求。 進一步以色度值L＝85.0、a＝0.0、b＝0.0 的白棉為標樣， 計算得到1、2、3、4、5、6 級棕色彩棉的色差分布范圍，見表5。為方便使用，表5 還列出了基于X-Rite eXact 分光密度儀測量色差的測算結果。 實際應用時，可根據顏色測量儀器的測量結果計算色差，并直接用其進行彩棉顏色分級。

表3 第1 組試驗目視分級與計算分級結果比較

表4 第2 組試驗目視分級與計算分級結果比較

4 結論

本研究為天然彩色棉花顏色的檢測分級提供了一種顏色測量和分級方法，為實現天然彩色棉花顏色分級的儀器化檢測提供方案。本研究是對天然彩色棉花顏色分級的創(chuàng)新性研究，其結果可作為相關檢測機構在相關法律法規(guī)允許范圍內使用的技術性參考。根據表5 中的棕色彩棉與標樣白棉的色差分布，制作色卡和天然彩色棉花纖維色卡，可用于棕色天然彩色棉花顏色分級的實踐操作。

表5 天然彩色棉花顏色分級與色差分布范圍關系