纺织品结构生色印花技术

纺织品结构生色印花技术
自然界色彩缤纷、绚丽多彩，从蓝天、彩虹，到五颜六色的花草、矿物和动物，颜色丰富多彩，真是万紫千红。
颜色是可见光对我们视觉神经刺激的反映。即一定波长的可见光，产生一定的颜色反映，颜色只是人的一种视觉感觉。
产生或发射可见光有多种多样的起源，因此颜色的起因也就有多种多样。Nassau将颜色的起因大致分为以下五种类型：
（1）电子的振动和简单激发：例如火焰、闪电、极光以及碘等的颜色效应，其中部分属高温等离子体发射；
（2）电子配位场效应的跃迁：红宝石、祖母绿、绿松石以及各种金属络合染料（或颜色）中的金属络合颜色效应都属这类；
（3）电子在分子轨道问的跃迁：绝大数有机染料（或颜料）和一些无机物（蓝宝石）的颜色效应属这类；
（4）电子在能带中的跃迁：有色金属（金、银、铜和铁）、半导体以及色心（紫晶、烟水晶）的颜色效应属这类；
（5）几何和物理光学效应：色散折射、散射、干涉和衍射颜色效应。
在这五种起因中，至少可进一步细分为十五种。
其中三种是物理作用，一种是化学作用，还有一种是和化学共同作用。
物理作用，产生颜色的方式包括光反射、折射和干涉等三种，化学作用主要是染料和颜色料等色素与光的作用，而一些物质，例如宝石的颜色则是物理和化学共同作用的结果。例如红宝石的组成是Al2O3晶体，但含有少量Cr2O3·Al2O3晶体是无色的，Cr2O3则是绿色的，少量Cr2O3存在于Al2O3晶格中则呈现红色。这是由于相邻分子的距离受到微扰（压缩）的原因，Cr-O键长微小的缩短，造成激化能量变化，吸收不同波长，使颜色由绿变红。所以说是物理和化学共同作用的结果。
纺织品显色（包括染色和其它方式着色）属于光与大块固体物质的相互作用。使纺织品产生颜色也有多种途径，目前主要是通过施加有色物质（吸附染料或粘着上颜料）来产生颜色，但是除此以外，还有其它一些途径。即使是用染料染色或颜料着色，产生的颜色也受其它因素而改变，本文主要讨论物体通过几何与物理光学产生颜色及其对纺织品颜色的影响，特别所谓结构生色及其影响。当一束光与纺织品发生相互作用时，至少会发生如图1所示的几种作用方式。
图1可见光与纤维的作用方式
如图l所示，光与纺织品的作用也是存在物理和化学作用，这些作用都可产生或影响颜色。物理作用包括（1）反射和漫射；（2）散射和透射；（3）折射或偏转等化学作用则是对光的吸收。
1、自然界的一些结构生色现象
物体颜色缤纷多彩。产生颜色是基于所含色素对光的吸收和对光的色散、散射、干涉和衍射等作用。色素产生颜色是对光产生选择吸收作用的结果，即选择吸收后互补光的颜色；而由色散、散射、干涉和衍射引起的是选择反射产生的颜色，后者称为结构色或组织色。这两种方式产生的颜色，性能有显著不同，有关选择吸收产生的颜色，大家已很熟悉，因为通过染料染色，涂料着色产生的颜色就属这种，本文不再重复。结构色和它有所不同，它不改变强度，结构色和它有所不同，它不改变光强度，结构色大致有以下几种情况：（1）色彩艳丽，且随方向强烈变化，色彩仅在直射光中看到，主要是由衍射光栅产生的颜色；（2）色彩艳丽，且随方向适度变化，主要是由薄膜干涉产生的颜色；（3）色彩较艳丽，且不随方向而变化，主要由散射和色散产生的颜色。
色散产生颜色在普通物理学中都有介绍，这是牛顿使用一块棱镜观察光谱时发现的，他解释这是因为不同颜色光的折射率不同的关系，因而光通过棱镜后可呈现红、橙、黄、绿、蓝、青、紫等色的光谱。这种色谱的分布决定于棱镜的折射率和棱镜顶角大小，不同材料有不同的色散值，不同顶角大小色散分离程度也不同。但和材料对光的吸收无关，所以是一种典型的结构生色的例子，光通过棱镜发生色散，光波长愈短，色散偏离角愈大，色散后可呈现一连续的彩虹颜色。
发生色散的物质很多，常见的是空气中的小水滴，在雨后或喷水池旁容易见到，这时太阳光线以一次内反射形式通过球形小水滴发生色散。事实上，光线在小水滴中发生二次内反射时，还可以看到二次彩虹。
宝石和一些其它材料，在反光时会发生色散，例如金刚石有极高的色散值，当金刚石旋转时，有炫耀的彩色闪光出现。一些材料以细小颗粒施加到纺织品E也可以通过色散产生彩虹一样的颜色。色散是结构生色简单的一种，自然界结构生色往往和色素生色同时出现。有关生物色素生色我们已有综述文章发表。本文重点讨论物体通过散射、干涉和衍射产生的结构色。
（1）光散射产生结构色
波长愈短，散射愈强，1-300nm粒子发生瑞利散射（小于可是光波长），较大粒子发生米氏散射（等于或大于可见光波长）。
典型例子是鸟羽的散射生色。如图2所示。可是光照射后，光散射局限于羽支上。在羽支的外层上有一层无色透明，厚度约为10um的角质，而在角质下面则是一层箱状细胞或称蜂窝状细胞，在箱状细胞下面又有含有黑色素的黑色细胞层。箱状细胞含有大量无规则的气囊，大小在30到300nto范围，它对光有很强的散射能力。羽支对光发生瑞利散射后产生蓝色。试验发现，如果使气囊充满液体，例如将蓝色羽毛在酒精中浸湮一定时间，使气囊充满酒精，则蓝色会消失，看到的是呈黑色的黑色素，而当酒精蒸发后，又会发生散射显露出蓝色。如果用槌敲打羽毛以破坏散射结构，也会使蓝色消失而暴露出黑色素。如果用稀过氧化氢溶液漂白黑色素，蓝色也会消失，然而在羽支背部涂上黑色，则又会使蓝色恢复。
（2）光干涉产生结构色
波长相同，传播方向相近的两束光会互相作用产生相长增强或相消删除的作用，例如在薄膜光干涉中，导致皂泡、水上油膜、双折散材料和一些动物颜色中产生彩虹色彩。这种光干涉色彩的色调是纯粹的，有金属光泽和透明性，不能采用染色方法获得，而且随着观察者的角度变化而改变颜色。对光干涉产生颜色长期以来进行了大量研究，而且可以进行精确的测定和控制。
天然存在的几种干涉生色例子如下：
鸟类羽毛干涉生色：鸟类存在干涉产生颜色，包括它的眼睛和皮肤等部位。即使是鸟类的羽毛，除了前述通过羽毛的羽支，特别是其上面的小倒刺表面组织对光发生散射，产生蓝色或绿色等外，还会通过干涉产生绚丽色彩，例如孔雀的羽毛，因为羽毛羽支上的小倒刺表面上，存在大小不一的许多薄片。小倒刺表面约为2×100p.1m大小，它被大小约为1×2.5¨m的百片形状为椭圆形的薄片组织组成的薄膜所覆盖，而且组成若干相互平行的层状结构。每层厚度随蜂鸟种类不同而异，约为200～350nto，它们的大小都约为可见光波长一半左右，因此对可见光会产生多重反射干涉，产生颜色，不同蜂鸟产生的颜色也都不同。
图3一种蜂鸟羽翼小倒刺的表面结构　　图4热带闪蝶照片
蝴蝶干涉生色：昆虫的干涉色例子很多，为典型的是蝴蝶的干涉色。蝴蝶有非常美丽的彩色，重要起因是能够呈现绚丽的干涉色。图4为某种蝴蝶的照片，在它的翅膀的薄片对光发生干涉分不开。
由图5A可看出，翅瓣鳞粉的结构很复杂，它大致由两部分，即翼鳞粉和支条组成。鳞粉大小为150×100μm，厚度约为0.54μm，它上面平行排列着许多薄片（又称隆线，厚度约为0.08μm）。薄片问距离约为0.14～0.16μm，翼鳞粉高约为1.8μm，相互间距离约为0.70um支撑的支条高约为1.7μm。翅瓣的立体模型见图5B薄片处在翼鳞粉的陡峭斜边上，相互平行排列，类似于多层的薄膜可对光发生干涉作用，当入射光以相当窄的角度入射到这些平行排列的薄片将产生干涉作用，并产生干涉结构色。图6为翼鳞粉表面平行薄片的干涉作用示意图。
自然界这种干涉作用产生颜色的例子很多，还包括甲壳虫外壳、鱼鳞和眼睛、蛇皮以及一些矿石的干涉生色。
（3）光衍射产生结构色
光衍射产生结耕色取决于物体各层间的距离，并随观察角度而改变颜色，典型的例子是液晶生色。
结构生色的现象很多，它的颜色和色素生色有很大不同。它特别明亮，颜色鲜艳，而且往往随观察角度而不同。这是一种无污染的生色途径。
2、纺织品的结构及仿生着色
结构色是一种无需用染料．颜料着色就产生的颜色，即一种清洁无污染的发色途径，还可节水、节能，结构生色是一种生态仿生着色途径。
2.1结构生色纤维和薄膜
仿照自然界蝴蝶等生物结构生色原理，目前已设计和研制了结构生色纤维，这是一种多层结构的纤维。通过严格选择一定折射率的高聚物和计算各层的厚度，使纤维薄层对光干涉时，各层纤维薄层使发光发生相长增强作用，反射出很强的一定波长的彩色光。
从前述蝴蝶翅瓣表面对光的干涉生色可知，只要其表面的薄片重复尺寸与可见光的波长相当，翅瓣表面的薄片起多层薄膜对光干涉作用，入射光在两种不同层面的每一界面上都发生反射，只要薄层厚度和两种薄层的折射率适当，就可使光发生干涉生色。
表1为干涉生色光波长与薄膜厚度的关系。（入射角=0，　折射率=1.55）
颜色波长,nm层厚度，μm
紫　430　　0.069
蓝　480　　0.076
绿　520　　0.083
红　630　　0.101
表2为Motphotex丝的物理特性这种多层结构生色丝是扁平截面，截面见图7。如果在电镜下观察，其截面是由许多层PET/PA交替叠合组成的，其截面电镜图见图8。由图7可看出，这种纤维中心是空的，截面由数量非常多的薄层紧密叠合而成。
表2　Morphotex丝的物理特性
颜色　　波长nm单纤线密度dtex强度dtex延伸度CN/dtex干热收缩%
紫　　　430　　10　　　　　　3.2　　　35　　　　　　3
蓝　　　480　　10　　　　　　3.4　　　40　　　　　　3
绿　　　520　　10　　　　　　3.5　　　50　　　　　　3
红　　　6930　10　　　　　　3.5　　　50　　　　　　3
红外　　1000　10　　　　　　3.5　　　50　　　　　　3
紫（细）430　　4.0　　　　　　4.2　　　25　　　　　　4
绿（细）520　　4.0　　　　　　4.1　　　30　　　　　　4
目前利用结构生色的薄膜和涂层产品已很多，并得到广泛的应用。
2.2结构色对颜料和涂层颜色的影响
纺织品加工经常要用涂料（或颜料）着色，从纺制有色纤维到纺织品的染色和印花都可能用涂料（或颜料）来着色。此外，纺织品涂层加工，在纺织品表面施加一层高聚物薄膜，薄膜中也可以加入颜料来着色，即使不加人颜料，在纺织品表面施加薄膜后，对纺织品，特别是对纺织品的底色会发生影响。在这些影响中，结构起了一定的影响。
（1）颜料和结构色
涂料（或颜料）着色性能不仅决定于它们的分子结构，还和它们的物理结构有关。颜料的颜色同时由对可见光的选择吸收产生的颜色对光的散射、干涉和衍射引起的结构色两种颜色构成，即分子结构变化会改变颜色，颜色的物理结构不同也会改变颜色。分子结构和颜色的关系和染料类似。本节仅简要分析一下其物理结构的关系，即结构色和其物理结构的关系。
同一化学结构的颜料，由于晶型、颗粒大小和形状不同，它们的折射率、反射率等性能会不同，从而引起不同的结构色和色强度。事实上，这些物理结构也会影响其吸收光谱。图9是散射强度和颜色强度与颜料颗粒大小的关系。
由图可看出，大多数白色颜料（曲线A）的散射率随颗粒大小增加而增加，达到一定大小后（约λ2）达到大，然后随颗粒增大，反而减小。另一类颜料（曲线c），它们的散射强度虽然也随颗粒增大而增强，超过一定大小后，也减小，但它们的散射强度比曲线A类小，达到散射大值的颗粒也较大，这通常是一些有机有色颜料。
由前述可知，当散射颗粒大小比光波波长小时，产生瑞利散射，主要产生波长短的蓝色光，而且波长愈短散射愈强。比光波长的粒子通常产生白色的米氏散射，但其强度较低。散射强的颜料遮盖好，白色颜料要求颜色洁白，而且遮盖性要好，通常是一些折射率很大的无机颜料，大多数折射率大于2（例如各类别的TiO2、铅白、锌白粉等），此外，它们的颗粒大小对遮盖能力影响很大，当颗粒大小大约为可见光波长一半（即0.2～0.4um）时，光散射有效，所以白色颜料的颗粒大小应控制在此范围，如图中曲线A所示。对有色颜料来说，要求有较强的颜色强度，因此对发色浓艳的无机颜料，例如镉黄或钴蓝，有很高的折射率，反射能力很强，这些颜料颗粒可控制较大，以减少散射。对折射率较低的有机颜料，虽然高散射是在较大的颗粒范围，为了有很好的颜色强度，颗粒大小应较小。
近年来，纳米技术在染整中正在开发应用，一些研究者正在开发纳米级的涂料着色用颜料，研究表明，有机颜料颗粒达到或接近纳米级后，颜料色强度大为提高，对纺织品的渗透性也较好，特别适合涂料染色，因为虽然它们的遮盖性不是很好，但并不会影响涂料染色产品质量，相反由于颜色强度高，渗透性好，故颜料用量可降低（可降低一半左右），而且均匀性好。不过，随着颜料颗粒变小，比表面积大，颗粒团聚较严重，要求有很好的分散技术。
如上述，发生瑞利散射时，会产生结构色（主要为波长较短的蓝色）这种散射对蓝、紫、绿色颜料的色光影响相对较小，而对黄、橙、红色颜料则会使其色光带蓝紫光而变得萎暗，所以应加以防止。散射的其它结构色也会影响颜料的色光，因为散射光的颜色总不会和吸收产生的颜色完全一致，这是颜料着色通常比染料染色颜色鲜艳度和强度低的原因之一。
颜料还可能通过干涉和衍射影响纺织品的色光。许多颜料显现出双折射和二色性，这些颜料晶体具有较低的结构对称性，光学上属各向异性，具有一个以上的折射率值，具有两个折射值的特性称为双折射，光通过这种结构对称性差的颜料晶体后，透射光是偏振的。即双折射晶体中的双折射效应会产生偏振光。
此外，满足一定条件的偏振光会发生干涉，产生颜色，或影响原来的颜色，不同方向的偏振光，随晶粒厚度增加色光变化是不同的，例如研究C．I．颜料红1，发现它有两种偏振透射光，一种为快光线，一种为慢光线，快光线随晶粒厚度增加，开始时黄和红色调不断增强，达到一定程度后，黄色调非但不增强，反而快速减弱，即只增强红色调，对慢光线来说，则随晶粒厚度增加，黄色调快递减弱，绿色调不断增强。以上表明，颜料如果具有双折射和偏振光特性的话，随着晶粒增大，其色光会变化，而且不同方向的颜色变化是不同的。
为了得到良好的遮盖性和颜色强度，并提高它们的颜色稳定性。生产颜料时，不仅要控制它们的颗粒大小和形状，还要控制晶型。实际生产颜料时，不仅要控制它们的颗粒大小和形状，还要控制晶型。在实际生产颜料时，要经过严格的后加工，加入一定的添加剂，特别是分散剂和分散介质。
2.3反光、闪光和珠光印花及整理
对纺织品施加一些特殊物质，可以改变纺织品对光的反射、折射和散射，并产生干涉和衍射，获得一些特殊的光学效应，特别是获得光泽很强的花纹，例如反光、闪光和珠光花纹。这种产品很多，现简要介绍其中主要的几种印花和整理加工工艺。
（1）反光印花和整理
自然界有许多反光性极好的物体。包括一些细小的球珠和水滴，它们可以产生同方向反射，即反射光可以沿入射方向反射回来，而且强度基本不变，根据这种作用方式，选用一些透明微珠，用粘着剂或涂层剂均匀地固定在纺织品表面，使纺织品有极强的反光能力。因为当入射光照到微珠，进入内部并折射后，在微珠的另一面发生内反射，再从入射方向折射和反射出来，反射光与入射光基本保持平行，只是方向不同而已。这种反射不存在明显的散射，反射效率很高，每一微珠是一个反射单元，众多的微珠产生许多的平行光反射点，形成一个反射面，可以清晰反映出反射体的形状和位置。这种反射又称回归反射。
微珠一般是透明、均匀、反射能力强的玻璃或塑料材料，它通过粘着剂或涂层剂粘着在纺织品上。粘着状态不同，效果也不同，粘着点很小，粘着不牢，粘着面太大，甚至涂层剂将微珠完全包复时，会大大降低反射效果。粘着剂或涂层剂结膜后形成膜的性质对反射也有影响，所结的膜应有好的透射和反射能力，不发生散射和干涉。
通常纺织品的底色愈深，吸收光愈多，反射光就愈弱，因此银白色和柠黄色底色有很好的反光效果。反射光愈强，显示愈清楚醒目。这种纺织品一般用于警服和铁路、公路人员的工作服。也可用于其它对光反射要求高的产品。
（2）闪光印花和整理
闪光印花和整理也有人称为钻石印花和整理。通过印花或涂层整理获得有钻石闪光特性的纺织品。
天然钻石具有极好的反光和闪光性能，光彩夺目，它不仅由于折射率很高（2.42），反射性强，而会发生色散，导致产生彩虹般闪光。随着钻石转动，还可以看到颜色的晃动。钻石的色散值极高，有炫耀的彩色闪光，这些都属结构生色。一些含铅量高的玻璃也有很高的折射率（1.75）和色散值，所以常用来作枝形吊灯等反光材料。事实上，天然反光和闪光材料还有许多，例如一些月长石，这些月长石也称宝石，它和钻石不同，它是由多种组分混合而成，它们的闪光是由于其中的小颗粒散射所致。一种性能良好的人工仿制品是一种富铝尖晶石晶体，主要化学组成为MgAl10O16，闪光是其中的AL2O3粒子。此外，使用不同组分，例如氟化物、磷酸盐形成的玻璃体颗粒也有良好的闪光性。
无论是天然的或是人造的Al2O3。宝石，它们的颜色是含有着色杂质，它们的闪光性能则是由于含有细小的TiO2针状物所致，这些针状物以一定的角度排列成许多组，它们对一定方向人射的光发生交叉反射，并使宝石中的颜色发生晃动，星红宝石的着色介质是氧化铬，星蓝宝石则是FeTi的化合物。
闪光印花或涂层整理就是选用具有类似天然钻石或宝石的闪光特别强的细小颗粒物质，通过涂料印花或涂层整理工艺，施加到纺织品上，获得闪光印花或涂层纺织品。这些闪光材料不仅有很好的反光能力，还可以发生色散产生彩虹色，这些彩虹色会随观察角度变化而变化。
廉价的闪光粉是铝粉，但它反光性不十分好，而且不具备色散性，一些人工制造的微形粉末反光物质（它们实际上是一些薄状反光物），包括镀铝薄膜或彩色聚酯薄膜，这些闪光片又称彩葱片。可以切割成条形、正方形、六角形、星形等。它们的闪光性能和粘着剂成膜性能关系很密切。如果应用前述的干涉生色丝粉（长度仅为75u）作闪光印花或涂层粉，则不仅有闪光，还会呈现结构色，颜色明亮和持久，这种产品已用作车衣等产品。
(3）珠光印花和整理
珍珠自古以来就被视为贵重物品，它具有美丽的“珍珠光泽”，不仅反光性好，还具有闪光和彩虹色，光泽也较柔和。
珠光粉虽然可以将珍珠磨碎而得到，但发现这种珠光体在其它物体中可获得，例如鱼鳞，它的主要成分是2-氨基-6-羟基脲环，又称鸟嘌呤，结构如下：
它的晶体属长方晶型，大小约为0.1×0.02×0.00lmm3，表面积很大，是片状物体对光有很强的反射能力，并对光产生很强的干涉，有干涉彩虹色。它本身无色，所以还可以和彩色涂料拼混，不影响涂料的颜色，但会呈显较强的干涉色。
除了应用天然的珠粉外，也有人工合成的珠粉，这包括碱式碳酸铅、氧氯化铋、磷酸铅等无机化合物，它们的细粉也能产生类似珍珠粉的光泽，但效果稍差。
珠光印花或涂层整理工艺和常规的类似。但要注意粘着剂或涂层剂与珍珠粉的光学性能和加工性能的相容性。
结构生色印花应属特种印花，由于它独特的印花效果和良好的生态性质，在今后将会有快速发展，特别是用于一些具有特殊功能的功能印花产品。
结构生色在自然界广为存在，但在纺织染整加工利用它还是刚开始，人们对自然界的结构生色认识还很不够，例如前述的蝴蝶翅膀的颜色就是色素生色和结构生色的协同生色结果，非常美丽动人，而且又耐久无毒，属生态生色途径。事实上，蝴蝶翅膀中的色素是一种珍贵的天然颜料，称为蝶啶素，大部分都是黄蝶呤衍生物，其结构如下：
黄蝶啶染料核黄素又称维生素B2，其结构如上所示，也呈黄绿色的荧光，它是人类和动物的生长因子，黄蝶呤或维生素B2和一定的组织结构可以使色素生色和结物生色发生协同生色作用。许多具有药理或其它功能的物质在一定条件下也可以有这种效果，这为我们提供了一条功能性生色印染的思路，即药物功能染整加工。
又如本文前述的鸟类羽毛、甲壳虫外壳的色素也是一类结构生色和色素生色，同理，人类含有天然颜料黑色素，其结构如下式所示。为多巴一黑素和多巴胺一黑素。
这些色素是动物的生理组成之一，它们形成不同颜色的原理和方式对纺织品着色也是很有启发的。因为这些色素具有多种生理功能性。bLLMu2lFjD

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