色紡針織物緊密程度對(duì)顏色預(yù)測(cè)的影響

楊 柳， 李羽佳， 張 鑫， 何文婧， 童勝昊， 馬 磊， 張 毅， 張瑞云,5

(1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 2. 浙江金梭紡織有限公司， 浙江 金華 321000； 3. 中國(guó)紡織信息中心， 北京 100020； 4. 浙江省常山紡織有限責(zé)任公司， 浙江 衢州 324200； 5. 上海市紡織智能制造與工程一帶一路國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

色紡織物是先將各種本色纖維染成有色纖維，然后選取2種或者2種以上不同顏色的色纖維，按照設(shè)定的質(zhì)量比經(jīng)充分混合后紡制而成，具有特別的朦朧的混色效果[1]。相比坯布和成品染色，其染色工藝能源消耗更少，污染排放更低。同時(shí)色紡織物在各領(lǐng)域的應(yīng)用很廣泛，需求量也與日劇增，因此色紡產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊，發(fā)展空間巨大。色紡織物的生產(chǎn)具有“批量小、品種多、變化大、翻改頻繁”的特點(diǎn)[2]，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中如何精準(zhǔn)地控制色紡織物的顏色是急需解決的重要課題。

影響色紡織物顏色的因素很多，色纖維的種類、不同色纖維的質(zhì)量比、紗線的線密度、捻度、組織結(jié)構(gòu)和經(jīng)緯密度等都對(duì)色紡織物最后的顏色呈現(xiàn)有不同程度的影響。其中，Saeideh等[3]對(duì)幾種不同顏色紗線織成的不同織物組織結(jié)構(gòu)針織物的表面顏色效果風(fēng)格進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示, 是織物的紋理結(jié)構(gòu)，而不是織物的粗糙度更能影響織物的顏色效果，但是織物的紋理結(jié)構(gòu)并不是唯一的影響因素。楊文芳等[4]研究表明，捻系數(shù)不僅影響成紗顏色的深淺，還影響著成紗顏色的明度及色相。何文婧等[5]研究表明織物組織和紗線的彎紗深度對(duì)色紡針織物的明度有一定程度的影響，但對(duì)針織物的飽和度和色相幾乎無(wú)影響。這些研究都只是探討了織物結(jié)構(gòu)對(duì)織物表觀顏色呈現(xiàn)上的影響趨勢(shì)，在指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)意義甚微。

織物的顏色預(yù)測(cè)模型主要有Stearns-Noechel模型[6-7]、Friele模型[8]和Kubelka-Munk模型[9]，其中，Stearns-Noechel模型相比Friele模型更簡(jiǎn)潔，顏色預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度也相對(duì)較高。國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)Stearns-Noechel模型做了一些研究，對(duì)于模型中待定參數(shù)M的確定提出了不同的優(yōu)化方法。本文選用Stearns-Noechel模型作為顏色預(yù)測(cè)模型，確認(rèn)模型中待定參數(shù)M時(shí)，引入色紡織物的緊密程度常數(shù)，以擬合色差最小時(shí)對(duì)應(yīng)的M值為最優(yōu)參數(shù)，探索色紡織物的緊密程度對(duì)顏色預(yù)測(cè)模型參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

材料：染色棉纖維(浙江省常山紡織責(zé)任有限公司提供)，選用紅和藍(lán)2種色纖維，纖維長(zhǎng)度為29 mm，線密度為1.87 dtex。

儀器：LS600電子秤，杭州友恒稱重設(shè)備有限公司；A186F型梳棉機(jī)，青島紡織機(jī)械廠；A272F型并條機(jī)，沈陽(yáng)紡織機(jī)械廠；A454G型粗紗機(jī)，天津紡織機(jī)械廠；A513F型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，上海第二紡織機(jī)械廠；LXC-352SCV-14G型電腦橫機(jī)，江蘇金龍科技股份有限公司；850型分光光度計(jì)測(cè)色儀，美國(guó)Datacolor公司產(chǎn)品；Nikon ECLIPES LV 100N POL型顯微鏡，北京創(chuàng)誠(chéng)致佳科技有限公司。

1.2 織物制備

紅藍(lán)色纖維按不同比例從1∶9到9∶1依次混合，然后通過(guò)梳棉機(jī)梳理2～3次，使得色纖維均勻混合，再依次通過(guò)并條、粗紗和細(xì)紗機(jī)紡制成線密度為19.4 tex的色紡紗，每管紗由電腦橫機(jī)織成不同緊密程度的色紡針織物。有研究表明，彎紗深度增加會(huì)使織物線圈圈弧和圈柱長(zhǎng)度增加，使得針織物孔隙率增加，織物總體緊密程度減小[5,10]，因此，不同緊密程度色紡針織物，可通過(guò)在同一彎紗深度時(shí)設(shè)置織物的不同組織結(jié)構(gòu)或者同一組織時(shí)改變織物的彎紗深度來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文中，當(dāng)彎紗深度一定時(shí)，即電腦橫機(jī)的度目設(shè)置為80度目時(shí)，織造平針、1+1羅紋和雙反面色紡針織物；當(dāng)彎紗深度改變時(shí)，電腦橫機(jī)度目分別設(shè)置為70和90度目，織造平針織物；一共織造45塊色紡針織物。

1.3 織物反射率測(cè)量

采用分光光度計(jì)測(cè)色儀測(cè)量織物反射率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，儀器預(yù)熱30 min，選取標(biāo)準(zhǔn)光源D65和10°視場(chǎng)并校正。為了盡可能消除織物測(cè)試范圍大小造成的色差，選擇最大測(cè)色孔徑30 mm。每個(gè)樣品在不同位置多次測(cè)量，使得測(cè)量偏差小于0.1，取平均值，記錄樣品在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為380～700 nm時(shí)的光譜反射率值，間隔10 nm取值。分別測(cè)試色紡針織物單層和折疊4層(不透光)時(shí)光譜反射率值。

1.4 織物緊密程度測(cè)量

色紡針織物緊密程度用織物表面孔隙率來(lái)表示?？椢锉砻婵紫堵适强椢锉砻婵紫睹娣e與織物總表面積比值，本文采用圖像法計(jì)算織物的表面孔隙率。顯微鏡放大40倍時(shí)，用照相機(jī)采集織物多個(gè)位置的原始圖像，然后用Image J軟件對(duì)織物表面圖像進(jìn)行灰度處理，如圖1所示。原始圖像導(dǎo)入軟件后，轉(zhuǎn)化為灰度圖像，其中白色像素點(diǎn)表示織物中孔隙占據(jù)的區(qū)域，黑色像素點(diǎn)則表示紗線區(qū)域。表面孔隙率計(jì)算公式為

P=A0/A×100%

式中：P為織物表面孔隙率，%；A0為織物表面孔隙像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；A為織物表面總的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖1 Image J 圖像處理Fig.1 Image processing of Image J. (a) Original image; (b) Grayscale image

2 待定參數(shù)M的確定及顏色預(yù)測(cè)

2.1 M的固定參數(shù)法確定

Stearns-Noechel模型公式為

用Stearns-Noechel模型進(jìn)行顏色預(yù)測(cè)，首先需確定模型中的待定參數(shù)M，參數(shù)的確定方法很多，前期對(duì)參數(shù)的優(yōu)化方法已有一些研究[11-12]，本文選用固定參數(shù)法。

運(yùn)用MatLab軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，M的取值為0.001 0～1.000 0，間隔設(shè)為0.000 1，混色擬合樣與目標(biāo)樣達(dá)到最小匹配色差時(shí)停止計(jì)算，輸出M值，去除因?qū)嶒?yàn)操作誤差等原因產(chǎn)生的異常值，根據(jù)參數(shù)M的集中趨勢(shì)，選取中位數(shù)作為最優(yōu)參數(shù)M。即模型中的M變?yōu)橐粋€(gè)固定的常數(shù)值。按此方法，每類不同緊密程度織物隨機(jī)留一塊用于驗(yàn)證，其他織物用于求解預(yù)測(cè)模型中的M。得到的不同緊密度織物對(duì)應(yīng)的M值及預(yù)測(cè)色差見(jiàn)表1?？芍琈的取值在0.200 0～0.300 0之間，根據(jù)GB/T 8424.3—2001《紡織品 色牢度試驗(yàn) 色差計(jì)算》中色差公式計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)色差CMC(2∶1)(簡(jiǎn)寫為CMC)大于2.00。

表1 預(yù)測(cè)模型中參數(shù)M取值及相應(yīng)預(yù)測(cè)色差Tab.1 Value of parameter M in prediction model and corresponding prediction color difference

2.2 引入織物緊密程度常數(shù)后Mp的確定

混合樣擬合反射率的公式為

式中：Ri(λ)表示波長(zhǎng)λ下第i組分色纖維的反射率；xi表示第i組分色纖維占混色織物總質(zhì)量比例。

織物緊密程度常數(shù)用織物的孔隙率來(lái)描述，則上式變?yōu)?/p>

F(Rλ,m)=ρF(Rλ,0)+(1-ρ)[C1F(Rλ,1)+C2F(Rλ,2)]

式中：F[Rλ,m]為關(guān)于反射率的函數(shù)；Rλ,m為混合樣在不同波長(zhǎng)下的反射率；ρ為織物的緊密程度常數(shù)，其數(shù)值為織物表面孔隙率，%；Rλ,0為背景白板在不同波長(zhǎng)下的反射率；Rλ,1、Rλ,2、C1和C2分別為紅色纖維和藍(lán)色纖維在不同波長(zhǎng)下的反射率和混合比例。同樣地，運(yùn)用MatLab軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，與前面計(jì)算過(guò)程相似，得到的最佳參數(shù)M命名為Mp。不同緊密程度織物對(duì)應(yīng)的Mp值及預(yù)測(cè)色差見(jiàn)表1。由表可知，Mp取值基本在0.300 0左右，大于相應(yīng)的M值，且預(yù)測(cè)色差明顯的小于未引入常數(shù)時(shí)的預(yù)測(cè)色差。

3 結(jié)果與分析

3.1 折疊層數(shù)對(duì)織物顏色測(cè)量的影響

為避免測(cè)試背景通過(guò)織物間隙影響織物顏色的測(cè)量結(jié)果，一般推薦將織物折疊多層在不透光的情況下測(cè)試。本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試了單層和折疊4層織物的反射率，然后再將反射率通過(guò)相應(yīng)公式換算為CIELAB顏色特征值，再根據(jù)GB/T 7921—2008《均勻色空間和色差公式》中色差公式計(jì)算CIELAB(簡(jiǎn)寫為ELAB)色差，根據(jù)GB/T 8424.3—2001《紡織品 色牢度試驗(yàn) 色差計(jì)算》中色差公式計(jì)算CMC色差，根據(jù)GB/T 7921—2008中色差公式計(jì)算CIEDE2000(2∶1∶1)(簡(jiǎn)寫為E00)色差。不同層數(shù)色紡針織物顏色測(cè)量結(jié)果的色差統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 單層和4層色紡針織物間平均色差Tab.2 Average color difference between single-layer and four-layer fabrics

從表2可看出，單層和4層織物間的色差為0.100～0.500個(gè)色差單位，表明織物折疊對(duì)于顏色測(cè)量結(jié)果存在較小影響。即當(dāng)織物緊密程度達(dá)到一定程度時(shí)，如本文中織造的織物，折疊多層對(duì)顏色測(cè)量的影響可以忽略。李啟正[13]在機(jī)織物的交織混色顏色預(yù)測(cè)研究中也推薦測(cè)試交織混色織物不必折疊多層進(jìn)行反射率測(cè)試。為了更好地探究織物緊密程度對(duì)色紡針織物顏色預(yù)測(cè)的影響，選擇單層織物測(cè)量的反射率為研究對(duì)象。從表2還可看出，不同色差公式得到的色差值不一樣，其中ELAB色差最大，CMC色差次之，E00最小。本文后續(xù)色差計(jì)算采用國(guó)標(biāo)推薦的紡織品CMC色差公式計(jì)算色差。

3.2 織物的緊密程度對(duì)顏色預(yù)測(cè)的影響

本文實(shí)驗(yàn)采集了每塊織物4個(gè)不同部位的圖像分別統(tǒng)計(jì)，取平均值作為該織物的表面孔隙率，用于描述色紡針織物的緊密程度。不同類別色紡針織物的表面孔隙率結(jié)果如圖2所示。可看出，當(dāng)織物組織不變時(shí)，織物的表面孔隙率隨織物度目的增大而變大，織物緊密程度逐漸變?。粰M機(jī)織造度目不變時(shí)，組織結(jié)構(gòu)不同，織物的孔隙率不同，緊密程度不同，其中雙反面織物孔隙率最小，織物最緊密。

圖2 預(yù)測(cè)模型未知參數(shù)與不同緊密程度織物關(guān)系圖Fig.2 Histogram of parameters in prediction model and surface porosity of fabrics

為更直觀地分析織物緊密程度對(duì)顏色預(yù)測(cè)模型待定參數(shù)M的取值及預(yù)測(cè)色差的影響，根據(jù)表1和圖2的數(shù)據(jù)得到預(yù)測(cè)模型中待定參數(shù)的取值及織物表面孔隙率和不同緊密程度針織物的關(guān)系(如圖2所示)。

由圖2可看出，計(jì)算混色樣反射率函數(shù)時(shí)，未引入織物緊密程度常數(shù)時(shí)，得到的M值較引入織物緊密度時(shí)的Mp小。當(dāng)織物組織相同時(shí)，增大電腦橫機(jī)度目，即線圈彎紗深度變大，織物線圈圈弧和圈柱長(zhǎng)度變長(zhǎng)，織物的表面孔隙率變大，緊密程度逐漸變小；M值有逐漸變小的趨勢(shì)，但變化很小；而Mp卻呈逐漸明顯增大的趨勢(shì)，從平針70度目的0.292 1到90度目的0.347 1。當(dāng)織機(jī)度目一定時(shí)，即線圈彎紗深度一致時(shí)，織物的表面孔隙率隨織物組織結(jié)構(gòu)的變化而變化，平針織物的表面孔隙率最大，織物最不緊密，雙反面織物的表面孔隙率最小，織物最緊密；M值隨著織物緊密程度的增加，逐漸增大，從平針的0.226 0到雙反面的0.281 0；但Mp卻呈逐漸變小的趨勢(shì)，且趨勢(shì)不明顯。

對(duì)比表1中引入織物緊密程度常數(shù)前后的預(yù)測(cè)色差，引入織物緊密程度常數(shù)后，預(yù)測(cè)色差明顯小于未引入織物緊密程度常數(shù)，預(yù)測(cè)顏色更接近目標(biāo)樣?？椢锉砻婵紫堵首畲?，緊密程度最小的平針織物90度目的預(yù)測(cè)色差差值最大，CMC色差差值達(dá)到了0.28。而織物表面孔隙率最小，緊密程度最大的雙反面織物CMC色差差值最小。這說(shuō)明織物越不緊密越應(yīng)該考慮織物孔隙對(duì)色紡針織物顏色預(yù)測(cè)的影響。

3.3 預(yù)測(cè)驗(yàn)證

圖3示出不同緊密程度織物的目標(biāo)樣反射率和預(yù)測(cè)反射率。

圖3 不同緊密程度織物的目標(biāo)樣反射率和預(yù)測(cè)反射率Fig.3 Actual and predicted reflectance of fabrics with different surface porosity. (a) Flat stitch with 70 degrees; (b) Flat stitch with 80 degrees; (c) Flat stitch with 90 degrees; (d)1+1 ribbed stitch with 80 degrees; (e) Purl stitch with 80 degrees

引入織物緊密程度常數(shù)后，得到的Stearns-Noechel預(yù)測(cè)模型中的參數(shù)Mp較不引入常數(shù)得到的M值大，但預(yù)測(cè)色差更小。為了進(jìn)一步驗(yàn)證引入織物緊密程度常數(shù)后模型預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確，選取某一比例的不同緊密程度的織物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比引入織物緊密程度常數(shù)前后預(yù)測(cè)的反射率R。首先，預(yù)測(cè)的反射率和實(shí)際反射率有一定偏差，這主要與確定預(yù)測(cè)模中的待定參數(shù)M的方法有關(guān)，本文采用的固定參數(shù)法。如果用更優(yōu)化的方法確定M值，預(yù)測(cè)反射率會(huì)更接近實(shí)際反射率。其次，每個(gè)圖中引入織物緊密程度常數(shù)后得到的預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的織物反射率曲線較未引入織物緊密程度常數(shù)得到的模型預(yù)測(cè)的反射率更接近目標(biāo)樣的反射率，可以認(rèn)為預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。除此，對(duì)比不同緊密程度織物的預(yù)測(cè)反射率，最緊密的雙反面織物，引入織物緊密程度常數(shù)前后二者間的差距最小，而緊密程度最小的平針織物90度目二者間的差距最大，也驗(yàn)證了織物越不緊密越應(yīng)該考慮織物孔隙對(duì)色紡針織物顏色預(yù)測(cè)的影響。

4 結(jié) 論

1)對(duì)于色紡針織物，折疊層數(shù)對(duì)織物反射率的測(cè)量有一定的影響，當(dāng)織物表面孔隙達(dá)到一定程度時(shí)，織物較為緊密，光線照射在織物表面時(shí)，折疊層數(shù)對(duì)顏色測(cè)量的影響會(huì)相應(yīng)減小，不同折疊層數(shù)間的色差更小。為防止織物正反面色彩的不同，建議單層測(cè)量織物顏色。

2)織物表面孔隙率越大，織物緊密程度越小，引入織物緊密程度常數(shù)后，得到的Stearns-Noechel預(yù)測(cè)模型中的參數(shù)Mp較不引入常數(shù)得到的M值大，預(yù)測(cè)色差更小。通過(guò)驗(yàn)證，引入織物緊密程度常數(shù)后預(yù)測(cè)的反射率更接近實(shí)際反射率,但由于確定預(yù)測(cè)模型中待定參數(shù)的方法選用的固定參數(shù)法，使得預(yù)測(cè)的反射率與實(shí)際反射率有一定偏差。后續(xù)將探索更優(yōu)化的待定參數(shù)M的確定方法，同時(shí)引入織物緊密程度常數(shù)，針對(duì)不同緊密程度的織物顏色預(yù)測(cè)將更準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)結(jié)果也能更好地指導(dǎo)配色專家對(duì)不同緊密程度的織物的配色。

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