染色纤维与色纺纱线间的颜色传递规律及其影响因素

袁 理， 熊 莹， 谷 迁， 王丹书， 霍 达， 刘军平

(1. 武汉纺织大学 电子与电气工程学院， 湖北 武汉 430200； 2. 武汉纺织大学 省部共建纺织新材料与先进加工技术 国家重点实验室， 湖北 武汉 430200； 3. 武汉纺织大学 数学与计算机学院， 湖北 武汉 430200)

由2种或2种以上不同色泽纤维经特定工序混合加工纺制而成的纱线称为色纺纱，因其颜色丰富、立体感强而深受消费者喜爱[1]。与传统的“纱染”工艺不同，色纺纱的呈色特性不仅与染色纤维的混配参数有关，而且与其加工的工艺参数紧密相关。在实际生产中，由于颜色传递过程复杂，需要根据客户来样，依靠经验和反复试纺、目测来达到目标色，不仅费时费力，而且容易导致产品色度学指标的波动，影响产品的质量控制与商业交割[2-3]。

近年来，随着色纺产业的迅猛发展以及颜色测量手段的丰富，国内外众多研究机构和团队对染色纤维在成纱过程中的颜色传递规律及其影响因素展开研究。陈美玉等[4-5]以捻系数对着色涤纶纱和有色粘胶纱的呈色变化规律展开分析。结果表明，随着成纱捻系数的增加，着色涤纶长丝纱线与有色粘胶纱线的明度、饱和度均呈负指数规律下降，而色相呈线性规律增加，并明确指出纱线捻系数的变化会对其呈色特性产生影响；周方颖等[6]在精梳毛纱加捻颜色分析与补偿系统开发过程中明确指出，捻系数不仅是影响纱线结构的最重要的因素，同时也影响着织物的视觉颜色。因此，在产品生产和开发过程中，需要对纱线颜色进行补偿，保证纱线捻系数的前提下，满足用户对产品颜色的需求；张建祥等[7]在影响少量纱线颜色测量因素的研究中表明，纱线加捻状态时所测得的色差值普遍低于纱线未加捻状态时所测得的色差值，表明成纱过程中的加捻程度会对纱线的最终呈色产生影响。

值得注意的是，上述研究仅针对单一染色纤维在成纱程中由于加捻处理导致的颜色变化，而色纺纱线通常由多种染色纤维混配而成，其中纤维作为色纺纱线的基本呈色单元，会因为成纱加捻处理导致其孔隙率发生改变，并使不同组分的纤维在纱线表面相互聚集或堆叠，即色纺纱线的基本呈色单元尺寸很大且分布不均[8-9]。因此，色纺纱线的呈色机制与单一单色纤维制成的织线及织物存在显著差异。此外，目前大部分研究均采用单一色度学指标对颜色特性进行定量分析，而在实际生产或销售环节中，需要利用“谱差”和“色差”2种颜色体系下的评价指标同时对产品的颜色进行分析，从而满足色彩信息沟通的需要。

针对以上问题，本文将重点针对染色纤维混配纱线的颜色传递特性以及加捻导致的颜色变化规律展开研究；同时，将采用“谱差”和“色差”以及特征类别可分比指标分析染色纤维及其色纺纱线的呈色特性和变化规律。本文研究对于探索色纺纱线的颜色表征与分析建模具有重要的理论价值，同时也能够为染色纤维混配色预测模型以及色纺企业的实践生产提供有力保障。

1 颜色测量与分析

1.1 光谱特征相似度

光谱反射率曲线能够较为全面地表征物体的颜色属性，被广泛应用于纺织品色彩测量与分析中。本文采用光谱泛相似测度(SPM)准则对色纺纱的呈色特性进行表征。光谱曲线A和B的 SPM数学模型可表示为

(1)

式中，SBD(A,B)为光谱曲线A和B的矢量大小，具体定义如下：

(2)

同时，SSD(A,B)为光谱曲线A和B的形状差异度，具体定义如下：

(3)

其中，SCM为光谱矢量间的皮尔森相关系数[11]，取值范围为-1～1。SPM值越小，表明这2条光谱曲线越相似。

1.2 CMC2∶1色差值

CMC(l:c)色差分析公式被广泛应用于纺织品色度学指标的差异性分析，是色差控制与客观评价的重要指标[12]，具体定义如下：

(4)

式中：ΔL、ΔCab、ΔHab分别为样本的明度差、饱和度差、色相差；Sl、Sc、SH分别为明度差、饱和度差、色相差的加权系数；l和c分别用于调整明度与饱和度相对宽容量，一般取l∶c=2∶1，并记作CMC2∶1。

1.3 颜色差异性判别准则

色纺面料染色纤维的分布具有复杂性与多样性，很难对其呈色特性进行准确描述[13]，即色纺产品存在“类内色差”，导致无法采用确定阈值作为“类间色差”的差异性判别依据。为此，本文结合颜色特征的“类内距离”和“类间距离”，建立颜色特征的类别可分比(CSR)公式[14]用于样本间颜色差异性判别准则。定义如下：

(5)

2 实验与结果

2.1 实验样本制备

委托企业制备所需的实验样本。其中，纤维样本采购于上海德福伦化纤有限公司，长度为38 mm，线密度为1.65 dtex；根据颜色视觉理论，由红、绿、蓝3种原色构成的色域空间区域较大，其中的任何颜色均可通过这3种原色的不同比例混合而成，是色彩分析中常用的原色体系。为了分析染色纤维混配过程中色相、明度、饱和度等色度学指标的变化规律，本文选用红、绿、蓝、白这4种纤维进行混合加工制样，其色度参数如表1所示。根据文献[9]，当纤维混配比差异接近或达到1.0%时, 色纺纱线的呈色具有稳定且显著的差异性，因此本文样本质量配比差异从1%开始，并依次递增，共计11种配比方案；为分析捻系数对颜色传递的影响，所有配色方案均制作300、350、400和450等4种捻系数的纱线样本。根据文献[15]，对于混色纱线，其纱线线密度及其捻系数均会对其呈色差异产生影响，为了简化分析，突出重点，本文在制备实验样本过程中，将所有纱线样本的线密度固定不变，定为29.5 tex；纺纱方式均采用环锭纺，制成单股色纺纱线，并采用Z捻，具体纺纱工艺流程参考表2。实验样本的配色方案与加捻参数如表3所示。其中：样本编号中的数字表示配色方案，如FS1表示第1种配色方案。

表1 单色纤维的CIELAB色度参数Tab.1 CIELAB chromaticity parameter of monochromatic fiber

2.2 色度学指标测量

采用X-rite Color I7分光光度计测量实验样本的光谱反射率值。仪器参数设定为：光线几何条件确定为照明观察条件d/8、照明光源D65、测量孔径22 mm。同时，由于测量对象的无光泽性，按照GB/T 8424.1—2001《纺织品 色牢度试验 表面颜色的测定通则》，采用去除镜面反射(SCE)模式：在荧光(UV)去除方面，设置为无UV滤镜模式。在测量之前，按照上述设置进行设备的校正和标准数据的测试。同时，将涤纶条与色纺纱试样分别无缝密集地绕在黑色磨砂有机玻璃面板上，并重复叠层保证不透面板底色。全部样本在相对湿度为65%的状态下平衡后进行测色，FS4(捻系数为300)涤纶条及其色纺纱样本如图1所示。

表2 色纺纱样本制备流程及实验仪器Tab.2 Color spinning sample preparation process and experimental instrument

表3 样本配色方案与捻系数参数Tab.3 Sample color scheme and twist coefficient parameter

图1 FS4(捻系数为300)涤纶条及色纺纱测试样本Fig.1 FS4 (twist coefficient is 300) polyester sliver (a) and dyed yarn test sample(b)

在测量过程中，每个样本随机选取10个不同的点进行测量;然后，将每个样本的10个测量结果随机分为2组并取其平均值，分别记为“前五”测量均值和“后五”测量均值，并针对每个样本的10个测量数据取其均值，记为该样本的整体均值；在样本数据分析过程中，利用某样本的“前五”测量均值和“后五”测量均值计算出该样本的类内特征值；同时，利用2类样本的整体均值计算出该2类样本的类间特征值。在此基础上，根据式(5)求出样本间的类别可分比值。这种综合分析方法在减小测量误差的同时，也便于分析样本颜色特征的随机波动性与传递规律。

2.3 基于光谱特征的颜色传递规律分析

对样本进行光谱特征提取与分析，结果如表4、5所示。其中：d1、d2、d3和d4分别表示涤纶条与4种捻系数色纺纱线样本间的SPM特征值，即类间光谱特征距离；d5、d6和d7则表示捻系数为300的样本分别与捻系数为350、400、450的样本间的光谱特征距离；d8和d9分别表示捻系数为350的样本分别与捻系数为400、450的色纺纱样本间的光谱特征距离；d10则表示捻系数为400的样本与捻系数为450的色纺纱样本间的光谱特征距离。

表4 涤纶条与色纺纱样本类间光谱特征距离及统计分析Tab.4 Spectral characteristic distance and statistical analysis table between polyester sliver and dyed yarn samples

表5 不同捻系数色纺纱样本类间光谱特征距离及统计分析Tab.5 Spectral characteristic distance and statistical analysis among colored spinning samples with different twist coefficients

结果表明，对具有相同配色方案的涤纶条以及色纺纱线样本之间，光谱特征存在显著差异。具体而言，涤纶条与色纺纱线样本间的光谱特征距离远远大于色纺纱线样本间的特征距离(相差1个数量级以上)，说明染色纤维混配物形态的变化会导致其呈色特性的显著改变，而且这种改变具有普遍性；此外，统计分析结果表明，涤纶条样本的光谱更接近于低捻系数色纺纱线样本，即样本间光谱特征距离更小；同时，色纺纱线间的光谱特征差异趋于稳定，统计方差显著下降。

利用光谱特征的“类内距离”对样本呈色的均匀性进行提取与分析，结果如表6所示。其中：d11表示涤纶条样本的类内光谱特征距离；d12、d13、d14和d15分别表示为300、350、400、450这4种捻系数色纺纱样本的类内光谱特征距离。

表6 涤纶条与色纺纱样本类内光谱特征距离及统计分析Tab.6 Spectral characteristic distance and statistical analysis of polyester sliver and dyed yarn samples

结果表明，对于涤纶条以及色纺纱线样本，其自身颜色的均匀性存在差异。总体而言，涤纶条样本不同区域间的光谱特征差异度高于色纺纱样本，说明染色纤维混配物的形态变化会影响其自身颜色的一致性，而且这种影响具有普遍性；同时，捻系数的差异会影响色纺纱线呈色的均匀性和稳定性，即随着捻系数的增大，色纺纱线样本的类内光谱特征均值和方差都发生改变，但均值处于同一数量级。

在此基础上，结合样本光谱的“类间”与“类内”特征距离，采用“类间可分比”公式对样本的整体呈色差异进行定量与统计分析，结果如表7、8所示。其中:C1、C2、C3和C4分别表示涤纶条样本与300、350、400、450这4种捻系数色纺纱线样本之间的光谱特征类别可分比值；C5、C6、C7则表示捻系数为300的样本分别与捻系数为350、400、450的色纺纱线样本间的光谱特征类别可分比值；C8和C9分别表示捻系数为350的样本分别与捻系数为400、450的色纺纱线样本之间的光谱特征类别可分比值；C10则表示捻系数为400的样本与捻系数为450的色纺纱线样本间的光谱特征类别可分比值。

表7 涤纶条与色纺纱样本间光谱特征 类别可分比值及统计分析Tab.7 Category separable ratio and statistical analysis of spectral feature between polyester sliver and dyed yarn samples

结果表明:涤纶条与色纺纱线之间的光谱特征类别可分比值均大于1，说明其呈色特性存在显著差异；但对于色纺纱线样本而言，由于染色纤维配比参数与捻系数均存在差异，其类别可分比值变化范围较大，区间为0.12～89.91,说明色纺纱线样本的光谱差异性不仅与配比参数相关，而且还与纺纱工艺紧密相连。此外，统计分析表明，由于在类别可分比中同时包含了样本的“类间”与“类内”特征，所以度量更为准确、稳定，能够有效克服色纺产品自身呈色的随机波动性，涤纶条与色纺纱线间的差异性与捻系数的线性度更高。

表8 不同捻系数色纺纱样本间光谱 特征类别可分比值及统计分析Tab.8 Category separable ratio and statistical analysis of spectral feature among dyed yarn samples with different twist coefficients

2.4 基于CMC2∶1色差的颜色传递规律分析

与光谱特征分析过程类似，首先对样本进行色差计算与统计分析，结果如表9、10所示。其中：D1、D2、D3和D4分别表示涤纶条样本与4种捻系数色纺纱样本之间色差值；而D5、D6和D7则表示捻系数为300的样本分别与捻系数为350、400、450的色纺纱样本间的色差值；D8和D9分别表示捻系数为350的样本分别与捻系数为400、450的色纺纱样本之间色差值；D10则表示捻系数为400的样本与捻系数为450的色纺纱样本间的色差值。

表9 涤纶条与色纺纱样本的类间色差值及统计分析Tab.9 Color difference value and statistical analysis between polyester sliver and thedyed yarn samples

表10 不同捻系数色纺纱样本类间色差值及统计分析Tab.10 Color difference value and statistical analysis of dyed yarn samples with different twist coefficients

结果表明，对具有相同配色方案的涤纶条以及色纺纱线样本之间，色差变化范围较大且存在显著差异。总体而言，涤纶条与色纺纱线间的色差大于色纺纱线样本间的色差值，说明染色纤维混配物的形态变化会导致其颜色的显著改变，而且这种改变具有普遍性；此外，涤纶条样本与低捻系数色纺纱线样本间的色差更小，与样本的光谱特征变化趋势一致。

同时，利用色差分析对样本自身呈色差异，即颜色的“类内距离”进行测量与分析，结果如表11所示。其中：D11表示涤纶条样本的类内色差值；D12、D13、D14、D15分别表示4种捻系数色纺纱样本的类内色差值。

表11 涤纶条与色纺纱样本类内色差值及统计分析Tab.11 Color difference value and statistical analysis of polyester sliver and dyed yarn sample class

结果表明:涤纶条与色纺纱线样本的颜色存在一定程度的波动，但变化范围有限，且色纺纱线样本的类内色差值均小于经验阈值1.0。总体而言，涤纶条样本的类内色差值均大于色纺纱样本的类内色差值，且方差较大，说明不同样本不同区域间色差变化更为剧烈；而当纤维聚集形态发生改变后，样本的颜色更趋于稳定和一致。

在此基础上，结合样本的“类间”与“类内”色差值，采用“类间可分比”公式对样本的整体呈色差异进行定量与统计分析，结果如表12、13所示。其中：C11、C12、C13和C14分别表示涤纶条样本与4种捻系数色纺纱线样本之间的色差特征类别可分比值；C15、C16、C17则表示捻系数为300的样本分别与捻系数为350、400、450的色纺纱线样本间的色差特征类别可分比值；C18和C19分别表示捻系数为350的样本分别与捻系数为400、450的色纺纱线样本之间的色差特征类别可分比值；C20则表示捻系数为400的样本与捻系数为450的色纺纱线样本间的色差特征类别可分比值。

表12 涤纶条与色纺纱样本色差特征 类别可分比值及统计分析Tab.12 Category separable ratio of color difference feature and statistical analysis between polyester sliver and dyed yarn samples

表13 不同捻系数色纺纱样本色差特征 类别可分比值及统计分析Tab.13 Category separable ratio of color difference feature and statistical analysis of dyed yarn samples with different twist coefficients

结果表明:涤纶条与色纺纱线样本间的色差特征类别可分比值均大于1，说明样本间的色差存在且显著差异；但色差特征类别可分比值的变化范围存在差异。总体而言，涤纶条与色纺纱线间样本间的色差特征类别可分比值变化范围以及均值都大于色纺纱线样本间的比值，说明染色纤维形态的改变会影响其呈色特性，与光谱特征变化规律保持一致。

综合以上分析可以看出，染色纤维在混配过程中，纤维的聚集状态以及彼此之间的孔隙率会直接影响其最终呈色效果。当纤维间的空隙较大时会增加光通量，并导致染色纤维对光的吸收减少，光谱反射率值以及L值、a值、b值会发生改变；当染色纤维加工成色纺纱线后，由于加捻处理，会导致纱线体积密度变化，改变纱线中染色纤维之间的接触面积，并影响光通路，因此，染色纤维于色纺纱线间的颜色传递不仅与染色纤维的混配参数有关，而且与纺纱工艺参数紧密相连。

3 结 论

1)色纺纱线加工过程中，当染色纤维混配物的形态发生改变时，无论是“谱差”还是“色差”，均会发生显著改变，涤纶条与色纺纱线间的颜色或呈色特性有明显差异，而且这种差异与配比参数无关，具有普遍性，即在设计加工过程中，相同配色方案下不同形态的色纺产品之间的呈色差异是客观存在的，并且随着成纱捻系数的增大，“谱差”与“色差”均增大。

2)对于染色纤维混配物及其色纺纱线样本，其自身均存在一定的“谱差”和“色差”，即颜色具有不均匀性；同时，对色纺纱线样本而言，当捻系数增大时，颜色的一致性会有所提升，在实际生产加工中采用固有的设计方式，虽然能够满足捻系数条件，但纱线的呈色与目标颜色存在差异。利用本文的颜色传递规律对原色纤维的配比进行适当增减，既可保证纱线的捻系数，又能够满足客户要求的产品颜色。

3)利用类别可分比的方法将“类内”与“类间”特征进行特征融合，涤纶条与色纺纱线样本间的类别可分比值变化范围以及均值都大于色纺纱线样本间的比值，说明染色纤维形态的改变会影响其呈色特性；但色纺纱线间的特征类别可分比值，不仅与纤维配比参数相关，而且与纱线加工工艺紧密相连，是样本间“谱差”和“色差”的主要影响因素。

4)光谱分析与色差分析对于色纺纱线的颜色表征能力有所不同，是2种不同颜色评价体系，虽然可以相互转换，但不存在必然联系，也是“同色异谱”现象存在的原因。其中“谱差”是在不同波长上对光线的吸收和反射进行差异化表征，特征维度在30左右；而“色差”仅在明度、饱和度、色相角上对颜色差异进行描述，因此，相较于“色差”分析，“谱差”特征信息量更为丰富；并且光谱特征比色差特征所呈现的颜色传递规律更加明显，但在实际应用中，针对颜色质量的评价与控制通常只采用色差评价。

5)针对其他种类纤维(如棉纤维)是否具有同样的规律，以及纱线线密度对呈色的影响，需要进一步建立多参数模型，是下一步研究工作的重点。