裝飾材料表面形貌與顏色關(guān)系的研究?

偉樂斯 張峻華 蘇潤洲

（東北林業(yè)大學(xué)理學(xué)院物理系，黑龍江 哈爾濱 150040）

裝飾材料是室內(nèi)裝飾裝修的重要材料[1-3]，對(duì)美化環(huán)境[4]、提升人們幸福指數(shù)具有重要的作用。對(duì)其表面涂飾（涂層）材料色彩的形成及其變化的研究，特別是光致變色現(xiàn)象的研究，已成為行業(yè)研究的重要內(nèi)容[5]。蘇潤洲在研究裝飾用材——PVC貼面光致變色機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，涂飾表面形貌的改變會(huì)引起顏色的變化，并運(yùn)用衍射光柵的理論進(jìn)行了解釋[6]。為進(jìn)一步探究裝飾用材表面形貌與顏色的關(guān)系及光致變色機(jī)理，本文選用了比較典型的三大類裝飾材料，即較常用的PVC貼面、聚氨酯漆[7]板材及木塑復(fù)合材中較常用的聚丙烯（Polypropylene，簡稱PP）[8-10]五個(gè)系列的樣品作為試驗(yàn)材料，采用人工打磨的辦法獲得不同表面粗糙度試樣，然后利用色度學(xué)測量儀測定試樣的色度學(xué)參數(shù)；從物質(zhì)表面呈現(xiàn)的顏色本質(zhì)出發(fā)，綜合各個(gè)領(lǐng)域的研究成果[9]，尋求相對(duì)合理的理論解釋，并提出了運(yùn)用結(jié)構(gòu)色的概念，以期為提高室內(nèi)裝飾材料的裝飾效果提供有益參考[11-13]。

1 材料與方法

1.1 材料

5種試驗(yàn)材料：自帶聚氨酯漆涂層的五層膠合板（文中簡稱“聚氨酯漆板材”），涂層由天津市德實(shí)化工涂料有限公司生產(chǎn)；涂層覆蓋部分為天然刨切薄木；深色與淺色PP，為東莞市聚強(qiáng)塑膠材料有限公司生產(chǎn)的文件夾；深色與淺色PVC貼面材料，巧妹裝飾有限公司。

1.2 設(shè)備

WGS-9型色度學(xué)試驗(yàn)儀，由天津港東科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，并附帶同廠家開發(fā)的配套軟件；尼康（Nikon）DXM1200F型熒光顯微鏡，日本尼康公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中將5種不同材料裁剪成矩形，然后在盡可能力度一致的基礎(chǔ)上使用80、240、400、800、1 200目不同型號(hào)的砂紙對(duì)其進(jìn)行米字型打磨3 min，水洗晾干后用于測量。用WGS-9型色度學(xué)試驗(yàn)儀測量其反射光譜，并利用儀器所帶的系統(tǒng)軟件計(jì)算各項(xiàng)色度指數(shù)，表征顏色變化的色度參數(shù)主要為主波長、色度純度、飽和純度以及3個(gè)色度坐標(biāo)x、y、z。使用Nikon DXM1200F型熒光顯微鏡觀察材料表面形貌，選用普通光學(xué)顯微鏡模式，放大200倍，進(jìn)行表面形貌的測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚氨酯漆板材

圖1為聚氨酯漆板材試樣處理前后的視覺效果。圖2為測得的反射光譜圖。

圖1 聚氨酯漆板材試樣處理前后視覺效果Fig. 1 Visual effects of polyurethane paint sheet samples before and after treatment

圖2 聚氨酯漆板材的反射光譜圖Fig. 2 Reflection spectrum of polyurethane paint

利用色品計(jì)算功能得到各項(xiàng)色度參數(shù)的測量結(jié)果如表1所示。

表1 聚氨酯漆板材的主要色度參數(shù)隨砂紙目數(shù)的變化Tab.1 The major chromaticity parameters of polyurethane paint sheets change with the number of sandpaper meshes

選取主波長、飽和純度、色度坐標(biāo)x、色度坐標(biāo)y主要參數(shù)制圖，獲得參數(shù)變化曲線，如圖3所示。

圖3 聚氨酯漆板材主要色度參數(shù)變化曲線Fig. 3 Change curve of major chromaticity parameters of polyurethane paint

由表1數(shù)據(jù)可見，試樣在打磨前后，其主波長并未發(fā)生明顯變化。但是試樣的飽和純度與色度坐標(biāo)x都隨著砂紙目數(shù)的減少而減少；其中，經(jīng)過80目砂紙的打磨，試樣的色度純度比未處理表面減少了6.63%，而其飽和純度更是比未處理表面減少了11.8%。由此表現(xiàn)出如圖1所示的較大視覺改變。

圖4所示為200倍顯微鏡下不同型號(hào)砂紙打磨的試樣表面。由圖可見其表面粗糙度因不同號(hào)的砂紙打磨而不同。

圖4 聚氨酯漆板材表面的200倍照片F(xiàn)ig. 4 200 times photo of the surface of polyurethane paint sheet

2.2 PVC貼面

采用相同的方法處理PVC貼面材料，圖5和圖6所示分別為PVC深淺兩個(gè)系列試樣的主要色度參數(shù)隨砂紙目數(shù)的變化曲線。打磨前后試樣形貌變化與聚氨酯漆板材類似，故此處不再贅述。

圖5 PVC深色貼面主要色度參數(shù)變化曲線Fig. 5 Major chromaticity parameter change curve of PVC dark-colored veneer

圖6 PVC淺色貼面主要色度參數(shù)變化曲線Fig. 6 Major chromaticity parameter change curve of PVC light-colored veneer

由圖5和圖6明顯可見，PVC貼面材料無論是深色還是淺色，顏色均發(fā)生了較為明顯的變化，且深色PVC貼面材料的顏色改變明顯大于淺色PVC貼面材料。在經(jīng)過最粗糙的80目砂紙打磨后，試樣的主波長與未打磨表面相比分別減少了0.63%和0.05%；飽和純度比未打磨表面分別減少了11.1%和3.23%；色度坐標(biāo)x比未打磨表面分別減少了5.9%和0.93%。

根據(jù)圖5和圖6的變化趨勢可以預(yù)測，在使用小于400目的砂紙打磨深淺兩類PVC貼面樣品后，各指標(biāo)變化都較為明顯；但是與未處理試樣相比，在使用更細(xì)膩的1 200目砂紙打磨后，深色PVC貼面飽和純度、色度坐標(biāo)x和色度坐標(biāo)y三個(gè)指標(biāo)的變化率（-0.16%、0和+0.15%；負(fù)號(hào)代表減少，正號(hào)表示增加，下同）均小于淺色PVC貼面各個(gè)對(duì)應(yīng)指標(biāo)的變化率（-0.54%、-0.21%和-0.46%）。

2.3 PP材料

PP材料色度參數(shù)變化曲線如圖7和圖8所示，深淺兩個(gè)系列的試樣均表現(xiàn)出較為明顯的顏色變化。

圖7 深色PP主要色度參數(shù)變化曲線Fig. 7 Change curve of main chromaticityparameters of dark-colored PP

圖8 淺色PP主要色度參數(shù)變化曲線Fig. 8 Change curve of main chromaticity parameters of light-colored PP

其中，深色PP材料的主要色度參數(shù)大致隨砂紙目數(shù)的增加而減少；其中主波長隨材料表面粗糙度的增大而增大，出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象（即波長向紅色方向移動(dòng)），這與蘇潤洲[5]提出的變色機(jī)理分析中的衍射理論相吻合。值得注意的是，在240目砂紙?zhí)幚砗髽悠返闹鞑ㄩL、飽和純度與色度坐標(biāo)x出現(xiàn)了數(shù)據(jù)“谷值”，色度坐標(biāo)y卻出現(xiàn)了“峰值”。與未打磨者相比，其主波長最大增加了約0.81%（400目砂紙打磨樣品）；飽和純度最大增加了62.9%（400目砂紙打磨樣品）；色度坐標(biāo)x最大增加了1.9%（400目砂紙打磨樣品）。另外，經(jīng)1 200目砂紙打磨樣品的主波長比未處理者減少了0.07%，色度坐標(biāo)x減少了0.06%。

而淺色PP材料的色度指標(biāo)隨砂紙目數(shù)的增加而下降，這一趨勢相較于深色PP材料更為明顯。值得注意的是，這四個(gè)指標(biāo)在800目砂紙位置上出現(xiàn)了較小的波動(dòng)，均表現(xiàn)為“谷值”，但不影響整體變化趨勢。另外，在使用大于400目的砂紙后，這四項(xiàng)色度指標(biāo)相較于未處理者有所減少，而使用小于400目砂紙會(huì)讓色度指標(biāo)較未打磨者有所增加。

在顯微鏡下觀察上述樣品發(fā)現(xiàn)，其形貌從400目處理開始就出現(xiàn)了略有周期性排列的特征，800目出現(xiàn)了島狀結(jié)構(gòu)。圖9顯微鏡圖片分別呈現(xiàn)了深色與淺色PP材料用400、600、800目砂紙?zhí)幚砗蟮谋砻鏍顩r。

圖9 200倍顯微鏡下PP試樣表面照片（上深下淺）Fig. 9 Surface photo of PP sample under 200 times microscope (upper depth, lower light)

3 表面形貌與顏色關(guān)系的理論分析

3.1 表觀顏色形成的基本理論

有關(guān)非發(fā)光體物體表面顏色呈現(xiàn)的經(jīng)典理論認(rèn)為，表觀顏色主要由材料表面對(duì)光存在選擇吸收決定。就顏色本質(zhì)而言，顏色并不存在，它只是人類視覺神經(jīng)對(duì)可見光產(chǎn)生的反映。 即某種波長的可見光，會(huì)產(chǎn)生一定視覺刺激，從而使人產(chǎn)生某種視覺感受。因此表觀顏色由反射光的光譜成分決定，包括直接的表面反射（含漫反射）、散射，甚至于反射后可能存在的干涉和衍射的結(jié)果，即總反射光。現(xiàn)代理論認(rèn)為[6]，除了自發(fā)光的顏色，生活中的顏色主要包括色素顏色（比如花的顏色），以及結(jié)構(gòu)色（比如孔雀羽毛的顏色）。色素色也稱為化學(xué)色，即通過色素產(chǎn)生的顏色。這種顏色主要是由電子在分子軌道間的能級(jí)躍遷對(duì)不同波長能量吸收產(chǎn)生[15]，此為經(jīng)典的選擇吸收理論。結(jié)構(gòu)色也稱為物理色，主要是由于物理結(jié)構(gòu)不同，通過光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的顏色，包括光的干涉、衍射、色散、散射及其共同作用[15]。

3.2 結(jié)構(gòu)生色的表現(xiàn)形式

就目前研究來看，結(jié)構(gòu)生色的產(chǎn)生形式主要有如下幾種：

1）光衍射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。光衍射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色主要符合了衍射光柵的原理，衍射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色取決于各層間隔距離，且隨著觀察者觀察角度的變化而變化。

2）光色散產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。色散是由于光的不同波長其對(duì)應(yīng)的折射率不同而產(chǎn)生，光通過棱鏡后會(huì)呈現(xiàn)彩虹色?，F(xiàn)實(shí)生活中色散現(xiàn)象較多，是結(jié)構(gòu)生色中最簡單的一種。

3）光干涉產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。通常指因薄膜干涉而導(dǎo)致光干涉生色。其特點(diǎn)是：顏色色調(diào)較純，有金屬般光澤和透明性，一般不太容易通過染色方法獲得；而且隨著觀察者角度的改變顏色也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[16-17]。

4）光散射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。光通過不均勻介質(zhì)時(shí)，從側(cè)面也可以看到光的軌跡，這種現(xiàn)象稱為光的散射[6]。日落時(shí)的晚霞就是由散射中的瑞利散射造成的。光散射產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色特點(diǎn)為色彩艷麗，且不隨方向改變。常見的由光散射產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色主要有藍(lán)鵲的羽毛、猴子的面部以及外國人的藍(lán)眼睛等[15]。

5）光子晶體結(jié)構(gòu)生色。1987年，Yablnolovitch[17]、John[18]將能帶的概念拓展到了電磁波中，提出了光子晶體的概念。這是一種具有光子帶隙且結(jié)構(gòu)有序的材料，主要通過按照一定周期順序排列兩種以上不同介電常數(shù)的介電材料形成。當(dāng)帶隙的范圍落在可見光波段內(nèi)（380～780 nm）時(shí)，某些特定頻率的光將不能透過該晶體。這些不能傳播的可見光將被光子晶體反射，在晶體表面形成相干與衍射，從而產(chǎn)生絢麗的結(jié)構(gòu)色[20]。自然界中天然的光子晶體也較多，如孔雀羽枝表皮處的二維光子晶體結(jié)構(gòu)[21]。圖10是孔雀羽毛羽小枝橫截面的電子顯微鏡圖片，可以看到明顯的周期結(jié)構(gòu)，也就是光子晶體[15]。

圖10 孔雀開屏電子顯微鏡下的羽毛截面Fig. 10 Feather cross section of peacock under open screen electron microscope

3.3 運(yùn)用結(jié)構(gòu)色理論分析試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)材料表面粗糙度改變時(shí)，視覺顏色發(fā)生了較為顯著的變化。從其組成情況看，基本可以排除色素色（材料的選擇吸收）生色；結(jié)合樣品表面形貌觀察結(jié)果，可以推斷結(jié)構(gòu)色生色起主要作用。

在本次試驗(yàn)所用的生物質(zhì)裝飾材料表面涂飾用料中，根據(jù)材料材質(zhì)組成可以確定，多層介質(zhì)膜的干涉和色散的可能性較低。從顯微鏡形貌觀察結(jié)果看，基本上都出現(xiàn)了線條狀或島狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)了一定的周期性，如圖9所示。因此可以推斷，衍射是顏色改變的主要因素。而對(duì)比圖10出現(xiàn)的略顯周期性空間結(jié)構(gòu)的表面，光子晶體成色可能也存在一定的影響，而散射的作用還不能有定論。

對(duì)于衍射的影響，PP材料顏色的變化中出現(xiàn)了比較顯著的紅移現(xiàn)象（即主波長隨粗糙度變大而增加），如圖7、8所示，這與蘇潤洲的纖維素顆粒試驗(yàn)結(jié)果相一致[5]。

對(duì)于光子晶體的影響，從顯微鏡圖片可以看出，粗糙度適中（600目左右）時(shí)，基本形成了周期性的島狀或線狀結(jié)構(gòu)，PP材料較為顯著?？紤]到凸起部分邊緣不夠清晰，且在微小區(qū)域可能顯現(xiàn)出的折射率不同（類似于金屬鈉蒸汽形成的三棱鏡[22]），因此不能排除光子晶體成色的影響。

結(jié)構(gòu)色本身是一個(gè)復(fù)雜的概念，且形成原因也較復(fù)雜。前文分類只是總體上的一個(gè)概括，仔細(xì)研究會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)同一類結(jié)構(gòu)色的形成，干涉和衍射的因素是互相交織和包含的。如一維光子晶體成色跟薄膜干涉有相似之處，島狀的三維光子晶體也能看到布拉格衍射的影子[23]。從物體表面呈現(xiàn)顏色的機(jī)制上看，裝飾材料表面粗糙度改變引起的視覺顏色變化的原因是結(jié)構(gòu)色，并且可能是多種結(jié)構(gòu)色綜合成色的結(jié)果。材料屬性不同，某種結(jié)構(gòu)色成色的作用不同。

3.4 拓展裝飾材料表面顏色生色的設(shè)想

通過本次研究發(fā)現(xiàn)，將結(jié)構(gòu)色成色機(jī)制運(yùn)用到裝飾材料表面呈現(xiàn)顏色上，是一個(gè)新的研究思路。不需要染料等化學(xué)材料，單純通過人為調(diào)控表面結(jié)構(gòu)即可呈現(xiàn)所需要的顏色，這是一種非常綠色環(huán)保的方法，將該法應(yīng)用于居家環(huán)境的裝飾材料是一項(xiàng)較為重大的突破。

目前這種綠色環(huán)保生色方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于紡織印染業(yè)。已有學(xué)者在紡織品結(jié)構(gòu)生色研究方面做了較為深入的研究[24-28]。最近，賴偉根等報(bào)道了利用光子晶體生色研制的光固化噴印墨水。結(jié)構(gòu)生色應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)更加廣泛。

4 結(jié)論

裝飾材料表面相貌的改變，在一定程度上會(huì)直接影響其視覺顏色，裝飾材料材質(zhì)不同變色規(guī)律不完全相同；其中粗糙度對(duì)深色PP和聚氨酯漆板材影響較大，且PP材質(zhì)出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象；深色樣品顏色改變較淺色樣品改變顯著，如PVC貼面材料主波長改變量深色的達(dá)3.7 nm，而淺色的僅為0.3 nm。

裝飾用材表面粗糙度不同引起顏色的改變機(jī)理主要是結(jié)構(gòu)色而不是色素色，結(jié)構(gòu)生色中光的衍射影響和光子晶體占主要因素，且中等粗糙度（600目打磨）下光子晶體生色占比增大。

在裝飾材料研究領(lǐng)域，追求表面顏色的完美與穩(wěn)定，一直都是努力的目標(biāo)。本次研究提出利用結(jié)構(gòu)色來滿足裝飾材料顏色需求的新思路，有助于提供更加環(huán)保和有利于人類身心健康的裝飾材料。