纺织品视觉遮蔽性评价指标比较研究

张 娜，王 妮，施楣梧，俞建勇

(1.中国专利技术开发公司，北京 100088;2.东华大学纺织学院，上海 201620;3.产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620;4.总后勤部军需装备研究所，北京 100088;5.东华大学研究院，上海 201620)

不同用途的纺织品，要求具有不同的光学特性，如防紫外、防红外、透明或防透明。防透明一般指防可见光透视，即具有良好的视觉遮蔽性。近年来，由于服用纺织品功能化和高支轻薄化的发展，视觉遮蔽性不足的问题凸显。但是遮蔽性和时尚舒适会互为矛盾，如夏季浅色、白色的轻薄服装和泳装经常会出现内衣颜色外露或“走光”的不雅现象。同时，遮蔽性不足的问题也影响到精纺毛纺织品向夏季轻薄凉爽服用面料的拓展［1－2］。

由于人类视觉的复杂性，如视觉的光感受、明暗适应性、光分辨能力以及对光辐射反应特性不同等，使得服装的遮蔽效果评价应该同时包含物理、心理和生理等诸多方面，故纺织品视觉遮蔽性客观评价方法远远滞后于相关纤维及产品的开发。目前的研究中，或是利用主观评价的方法，或是借鉴一些其他行业的指标及方法［3］来进行表征，如:施楣梧等［4－5］将被测试纺织品作为遮挡物，利用观察者在一定距离后观察被其遮挡的视力表，然后根据最小能见距离来表征被测织物的视觉遮蔽性;张燕等［6］在标准D65光源下，以GB/T 250—2008《纺织品色牢度试验评定变色用灰色样卡》规定的1级色差灰卡样品为标准物质，将待测织物覆盖其上，根据色差等级评判方法，得到类似于色差的4级9档视觉遮蔽效果值，这种方法可简便地对织物的视觉遮蔽性进行定量检测，且已经应用于海军官兵白色衬衣面料的视觉遮蔽性评价;蒋惠钧等［7］利用光线通过织物照射背衬材料并反射透过织物的二阶反射光来表征织物的遮蔽性能;陈丽芬等［8］让观察者在北向自然光条件下目测判断评级样卡上不同大小和颜色深浅的字，通过对字的辨识确定相应防透等级。此外，与此方面类似的还有一些用简单的主观对比法研究复合材料透明度，如:Naganuma T等［9－10］在研究不同尺寸纳米二氧化硅粒子对环氧树脂基复合材料光学透明度的影响中，利用背衬图片的清晰程度来评价复合材料的透明度;而Li Yuanqing等［11］也采用同样的方法研究了纳米氧化锌环氧树脂的透明度。

上述方法虽然在一定程度上可以表征织物或其他材料的遮蔽性能，但多为主观性测试方法，或多或少都存在人为因素的影响。标准测试方法和表征指标的滞后，一方面造成在研究中测试方法和表征指标各异，且相互之间缺乏可比性;另一方面在很大程度上阻碍了防透明纤维及相关视觉遮蔽纺织品的进一步研发。因此，本文在详细介绍和对比这些常见纺织品光学性能表征指标的基础上，对其在视觉遮蔽性表征上的适用性进行探讨，以期进一步推动相关标准的建立和防透明纤维及视觉遮蔽纺织品的开发。

1 试验部分

1.1 试样准备

试样选用30种不同纤维种类、颜色、组织的织物。其中1～13号为白色或浅色织物，14～30号为不同颜色的织物，具体规格见表1。

1.2 测试方法与原理

1.2.1 白度测试

选用国产WSB-Ⅱ d/0白度计(温州仪器仪表有限公司)，将卤钨灯光经滤光器修正为模拟CIE标准D65光源作为照明光源，ISO白度光学系统光谱功率分布的主峰波长为457 nm(蓝色光波段范围为430～470 nm)，半峰高波宽度为44 nm。白度仪器可测试的指标主要有白度值R457(引用造纸行业样品的蓝光反射因数R457表示白度，即ISO白度)、不透明度以及透明度［12－13］。将白度计用黑筒和标准硫酸钡校准，测量时每块织物选取4个不同的点，取平均值得到每块织物的R457白度值。不透明度N和透明度O的计算公式分别为

式中:R0为单层试样背衬黑筒时对主波长为457 nm光的漫反射因数;RY为背衬白度为(84±2)%的白板时单层试样的绿光漫反射因数;R∞为厚度达到不透光程度的多层试样折叠时的反射因数。

1.2.2 明度测试

非光源物体表面的颜色取决于照明光源的光谱能量分布、观察者的视觉特性和物体对光选择性吸收的结果。CIE的三刺激值表色体系中，照明光和观察者已被标准化，将复杂的测色简化为测光。利用Datacolor 650型电脑测色仪(美国Datacolor公司)测量织物在近似平均白昼光D65光源下的L*、a*、b*值。其中L*表示明度，其值等于0时表示对光线全部吸收而呈现黑色，等于100时表示对光全反射而呈现白色;a*表示偏红或偏绿程度，正值时偏红，负值时偏绿;b*表示偏黄或偏蓝程度，正值时偏黄，负值时偏蓝［14］。测试时将织物折叠为4层以不透光，同一样品在不同部位测试4次，取其平均值。

1.2.3 透射率和反射率测试

使用日立U-4100型紫外可见近红外分光光度仪(日本日立公司)，在波长340～800 nm范围每间隔4 nm测试透射率及反射率，取550 nm的透射率及380～780 nm波段的平均透射率及反射率来分析织物的遮蔽性能。透射率T和反射率R的表达式分别为

表1 试样的基本参数Tab.1 Basic parameters of samples

式中:IR为反射光的辐射强度;It为透射光的辐射强度;I0为从某标准表面反射光的辐射强度。

2 结果及分析

2.1 白度与不透明度、透明度

由于防透明类纺织品通常是针对夏季浅色轻薄型服装而开发的，所以对各类不同颜色和组织等织物的白度与透明度和不透明度之间的关系进行了分析，结果如图1、2所示。通常而言，白色是最常见的色调，白度则是物质表面特殊的颜色属性，具有高的反射率和低的纯度，是一个受观察者心理因素影响的量，同时也是棉花、羊毛、白色涂料等多种物质品质评定的主要指标之一［15］。本文白度仪测试的是波长457 nm光的反射率，并非可见光谱所有波长的反射率平均值，即白度越高时，457 nm处的光反射率越高。而透明度和不透明度则主要是针对绿光波段的漫反射因素，即490～580 nm处，前半段为青色(蓝绿色)，后半段为黄绿色(550～570 nm)，所以透明度和不透明度主要是针对主波长在550 nm的光而言。从透明度计算式的各变量定义中可看出，R0可以认为是织物本身对绿光的全部漫反射光量占照射织物总绿光量的百分数，因为测试时其背衬的黑筒将所有透过织物的绿光全部吸收;而Ry可以认为是织物本身对绿光的全部漫反射光量，再加上透过织物的部分绿光经过Ry=(84±2)%的白板反射后再次经过织物的散射、折射和透射的绿光量之和，所以白度与透明度以及白度与不透明度在所有的颜色范围内没有显示出可循的规律，也就是不能用白度来表示织物的视觉遮蔽性。

图1 白度与不透明度Fig.1 Whiteness and opaqueness

图2 白度与透明度Fig.2 Whiteness and transparency

为了进一步说明白度与不透明度之间的关系，从图1中观察对比1～13号白色或浅色织物及其他颜色织物的白度与不透明度时可见，当织物颜色为白色或浅色时，其白度和不透明度相关性很大，即白度越大，不透明度越高;而有色织物的白度和不透明度关系较复杂，无规律可循。这主要是因为越白的织物，其表面对波长为457 nm光的反射越强，而同时因为织物是白色或浅色的，其内部很少存在染料等分子的选择性吸收，因此，对绿光的漫反射程度也越高，即不透明度越高。对于白色织物而言，则可能利用其白度评价其视觉遮蔽性好坏;而对于有色织物而言，由于染料的选择性吸收，当织物对波长为457 nm光的吸收强时，其白度低，而同时可能织物对绿光的漫反射也很强，则不透明度高，也可能织物对绿光的漫反射较弱，则不透明度低。同样由图2可见，当织物为白色或浅色时，织物的白度和透明度相关性较大，即织物的白度越大，透明度越低。

2.2 550 nm光透射率、反射率与不透明度

由于在不透明度的测试中采用波长为550 nm的光，所以此处将不透明度与分光光度计在550 nm处所得反射率和透射率进行比较，结果如图3、4所示。

图3 550 nm光透射率与不透明度Fig.3 Transmittance at 550 nm and opaqueness

图4 550 nm光反射率与不透明度Fig.4 Reflectance at 550 nm and opaqueness

从图3可见，对于以纸张不透明度所表示的织物防透性而言，与分光光度计所测得的550 nm光透射率有着较好的相关性，其相关系数达－0.8948。从图4可见，不透明度指标与同样550 nm条件下的光反射率相关性较小。这主要是因为透明与否虽然在理论上与表面反射光有关系，也就是增强的表面反射光会干扰到有效信息，但是其与光透射率更相关，也就是人眼发出的光线要透过织物，照射到被观察物体上，然后由被观察物的表面反射，携带着被观察物体特征的反射光必须要再次透过织物，进而到达人眼，才能引起视觉的反应而被观察到。如透射率太低，或在第1次从人眼发出的光线透过织物或携带有效信息的反射光第2次从织物反面透过织物时，即因被吸收、散射等而衰减到无法到达人眼或者强度不够，则人眼是无法观察到被织物遮挡的物体的，所以虽然光线的透射率仅仅是涉及到能量的透过多少或比例，而不涉及成像，与透明度不完全相关，但是在很多情况下，可以在很大程度上表征或量化透明度。

2.3 明度与不透明度

物体吸收的光线越少，反射光的比率越多时，看起来会比较明亮，就是明度高。在各种彩色中，黄色明度较高，蓝色明度较低。一般认为，明度越高，颜色越浅，反之越深。不同织物的明度与不透明度的测试结果如图5所示。

图5 明度与不透明度Fig.5 Brightness and opaqueness

由图5可见，织物的明度和不透明度之间没有明显的规律可循。这是因为对织物而言，纤维材料本身对光的吸收不同，再加上染色后，染料的光吸收不同，对不透明度影响最大的是黑色、紫色和蓝色，其次是绿色和红色，再其次是橙色和黄色［11］，从而造成不透明度差别或明度差别的来源不同，所以其二者之间的可比性较差。此外不透明度/透明度仅是指某一波长光照射织物，进一步增加了这个问题的复杂性。为了排除颜色的影响，探讨织物明度和不透明度之间的关系，选取图5中1～13号织物，比较其明度和不透明度之间的关系。同样可以看出，即使是白色或浅色织物，其明度和不透明度之间的相关性也不大。这主要是与织物的纤维材料组成有关，不同种类纤维对可见光的吸收不同，因此，图6示出了不同颜色的25～30号苎麻织物明度和不透明度之间的关系，可以发现具有一定的规律性，织物的明度越大，不透明度越小。利用明度表征纤维及织物的防透明效果，在日本的关于防透明纤维及织物的开发中应用较多。但是从本文对明度和不透明度的对比可见，应用明度表征视觉遮蔽性或防透明性有很大的局限性，应慎重选用。

2.4 可见光平均透射率、反射率与不透明度

图6 苎麻织物明度与不透明度Fig.6 Brightness and opaqueness of ramie fabric

织物的视觉遮蔽性实际上是一个涉及到视光学、物理光学、材料科学、纺织科学等多方面的复杂问题，而本文所选用的表征指标为透明度/不透明度以及白度和不同波段下的反射率/透射率等指标，与视觉遮蔽性并不完全等同。透明度/不透明度所测试的仅仅是可见光波段范围内局部波长下的视觉遮蔽性，但是在目前尚无相关标准的前提下，透明度/不透明度作为造纸行业衡量纸张质量的一个客观指标，可以借鉴表征纺织品的视觉遮蔽性，尤其是浅色、甚至白色织物。如刘晓松等［16］研究发现，人眼在自然光条件下，对白色织物的主观视觉透明感评价与白度仪测得的透明度值秩位相关系数最高，而素色织物则是与可见光波段平均透射率相关系数最高。为了进一步研究可见光波段平均透射率、反射率与不透明度的关系，将其进行对比，结果如图7、8所示。

图7 可见光区域内平均透射率与不透明度Fig.7 Average transmittance and opaqueness under visible light

图8 可见光区域内平均反射率与不透明度Fig.8 Average reflectance and opaqueness under visible light

可以看出，可见光平均透射率和织物不透明度的相关性较大，其相关系数达到－0.8886，但低于550 nm光透射率与不透明度的相关系数(－0.8948)，而平均反射率则与不透明度的相关性不大。这主要是因为不透明度测试时的主波长在500～550 nm范围内，更接近于550 nm光透射率。

3 结论

1)白度与织物不透明度、透明度之间的关系不大，仅在织物为浅色或白色时，二者才具有一定相关性。明度仅在纤维材料组成相同时，才能用于表征织物的遮蔽性。

2)550 nm波长光的透射率以及可见光平均透射率和织物不透明度相关性均较好，而反射率与不透明度相关性不大;在目前标准测试方法及指标缺失的情况下，可以考虑采用这2种透射率表征及比较不同织物的视觉遮蔽性。

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