聚酯灰色系原配色丝制备及色度表征

2021-08-13甘学辉汤方明

纺织科学与工程学报 2021年3期

廖壑，张伟，甘学辉，汤方明

(1.东华大学机械工程学院，上海201620；2.江苏恒力化纤股份有限公司，江苏苏州215228)

随着生活质量的不断提高，人们在服装方面也越来越追求色彩上的新颖和搭配，绚丽的色彩在很大程度上提高了化纤产品的附加值。现有的化纤长丝的增色方法包括混纤、染色以及原液着色。其中，长丝混纤是通过纺纱工艺将不同颜色的丝束复合，具有较好的并丝效果。但由于无法实现单丝的混合，因此混纤产品在强力、收缩和色泽方面仍有较大的不稳定性。纱线染色是当前最为常见的增色工艺，但染色过程会产生大量的工业污水，不符合当前的环境友好型社会理念。原液着色作为一种新兴的无水染色纺丝工艺，不仅解决了传统染色的污染问题，还使纤维获得了更高的色牢度以及更稳定的色差，近年来发展迅速且极具潜力[1－2]。

原配色丝是指熔融纺丝成形的一束复丝中包含两种或两种以上颜色的原色纤维。利用三原色的原液着色纤维集束而成的原配色丝，通过调节原色纤维的比例，即可获取全色系的复丝，有效降低了品种繁多的色母粒研发与制造成本[3]。皮凤东等[4]基于配色原理，设计了原配色丝纺丝组件并制得丙纶DOY多色丝，发现单丝纤度的减小有利于提高原配色丝在视觉上的一致性。曹欣阳等[5]基于色母粒三原色电脑测配色技术，通过熔融纺丝纺制166.7dtex/48f和333.3dtex/72f等规格的涤纶原配色丝，实现了多色系无限彩配色的效果。王玉娟等[6]则基于Stearns－Noeche模型开发了改进的计算机配色系统，进一步降低配色结果的色差。然而，现有原配色丝研究虽然能在较大范围内改变丝束的颜色，却难以控制所得丝束颜色的准确性。袁理等[7]的研究结果表明，原色纤维的质量配比差异和纤维形状差异均会导致其色纺织物色度学指标的改变。Chae等[8]则基于混色的效果提出了用于预测织物亮度，色彩和色调的颜色外观模型。为进一步细化研究原配色丝的制备与色度控制，本文以敏感色系(色彩差异容易被人眼识别)灰色为对象，设计纺丝组件，利用黑色色母粒和白色聚酯切片结合配色原理，通过熔融纺丝制备灰色原配色丝，并进行色度学表征与分析。

1 纺丝组件设计研究

纺丝组件是熔融纺丝装备的核心。灰色原配色丝纺丝组件需使得两种单色熔体通过两个单独的计量泵进入组件，随后在纺丝组件内各自的独立流道内流动，直至挤出。此外，聚酯熔体是假塑性非牛顿流体，具有剪切变稀特性，因而熔体在组件内的流变行为同样不可忽视。组件几何模型如图1所示，本文基于Ansys Polyflow软件，对聚酯熔体在纺丝组件内的流动进行数值模拟，进而指导组件的设计与加工。

图1 熔体流道几何模型

1.1 纺丝动力学模型

假设两种熔体为不可压缩流体，流动为三维稳态层流。两相熔体位于孔道内时，由纺丝箱根据设定温度来加热、保温，故假设孔道内流动为等温流动。由于惯性力和质量力相对于粘性力很小，故忽略不计。在此假设下，流动的控制方程为:

连续性方程:

动量方程:

式中:ρ为熔体密度，kg/m3；▽为哈密顿算子；v为速度矢量，m/s；p为压力，Pa；σ为应力张量，Pa。

为了能反映高剪切速率下聚合物熔体假塑性行为，数值模拟时选用四参数Bird－Carreau模型:

式中:η0为零剪切粘度，Pa·s；η∞为极限剪切粘度，Pa·s；n为非牛顿指数；λ为自然时间，s；γ˙为剪切速率，s－1。

1.2 边界条件及模拟参数设定

入口条件设为体积流量Q＝2×10－7m3/s，内外圈熔体入口流量一致。假设熔体在组件内流动时熔体与壁面无滑移，因此设定在壁面处熔体的法向速度与切向速度为零(vn＝vs＝0)。出口法向压力、切向压力均为零。迭代算法方面，为保证计算的稳定性，粘度采用Picard迭代，应力采用线性插值，速度采用二次插值。

纺丝温度设为295℃，聚酯材料参数与流变特性参数见表1。

表1 聚酯材料与流变参数

1.3 计算结果分析

1.3.1 速度分布

为纺得内外圈纤度均一的纤维，需要对熔体在组件内的流动速度进行分析。图2所示为内外圈流道熔体速度分布以及出口处速度放大图，反映从组件入口至最后一块分配板出口的流速变化。可见，两组分熔体在内外圈流道内流动，外圈熔体的最大速度为8.31×10－3m/s，内圈熔体的最大速度为8.40×10－3m/s，最大速度相差1%。此外，内圈组分熔体在出口处的最大速度为5.04×10－3m/s，外圈组分熔体在出口处的最大速度为4.99×10－3m/s，可见熔体在出口处的最大速度差不超过1%。因此从熔体的速度一致性而言，该组件的设计能够满足需求。

图2 内外圈流道熔体速度分布图

1.3.2 剪切速率分布

聚酯熔体的平均分子量较大，粘度较高，因而流动性差。但是在纺丝过程的剪切作用下，随着剪切速率的增大，熔体粘度从零切粘度开始下降，表现出剪切力变稀效应。

图3所示为组件熔体在内外圈流道中的剪切速率分布。可知外圈组分熔体的最大剪切速率为7.261s－1，内圈组分熔体的最大剪切速率为12.81s－1。但是在出口处，内圈熔体的剪切速率为7.68s－1，外圈熔体的剪切速率为7.26s－1，相差仅5.47%，内外圈熔体流动特性相差较小，满足剪切速率一致性的要求。因此从内外圈熔体到达出口处的剪切速率分布可知，设计的流道满足原配色丝均匀制备的需求。

图3 内外圈流道熔体剪切速率分布图

2 试验

2.1 试验原料与设备:

试验原料:聚酯半消光切片，特性粘度为0.81dL/g，中国石化仪征化纤有限责任公司。黑色色母粒，苏州宝丽迪材料科技股份有限公司，以3%的添加量纺丝。

试验设备:CZHDD－50型除湿干燥仪(上海晨臻机械有限公司)；DHG－9070A型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)；ABEφ25×2型复合纺丝机(日本ABE公司)；Datacolor 850型分光光度测色仪(德塔颜色有限公司)。

2.2 纺丝工艺流程与参数

将干燥好的切片和添加了黑色聚酯色母粒的切片分别加入1号和2号螺杆，使用自行设计的纺丝组件进行熔融纺丝，制得初生纤维。聚酯灰色原配色丝的纺丝工艺流程如图4所示。工艺参数见表2。

图4 原配色丝纺丝工艺流程图

表2 灰色原配色丝的纺丝工艺参数

2.3 色度测试

通过手缠的方式将不同单丝纤度和不同黑白纤维数量比的灰色原配色丝以一定厚度缠绕在8cm×8cm的白色硬纸板上，制样表见表3。样品名称表示为黑色纤维与白色纤维数量比—单丝纤度。测试样品反射率所对应的波长范围为380nm～700nm，间隔为10nm。在每个样品正反面的不同区域进行多次测色，保证最后一次测试颜色参数值与前几次测量偏差小于0.1，由此得到测试样品区域内的平均色度值。

表3 测色制样表

3 结果与讨论

在色度学上，一般采用反射率、K/S值、CIELAB色差式等参数来表征纺织品颜色及其差异。其中，反射率R是在测色过程中测试样品表面反射率与标准白板反射率的比值。K/S值表征物体表面色浓度的深浅，K和S分别指的是纤维的吸收和散射系数。CIELAB色差式所对应的色彩空间如下页图5所示，其中L代表颜色的亮度，a表示颜色偏红偏绿的程度，b表示颜色偏黄偏蓝的程度。

图5 CIE1976L∗a∗b∗颜色空间

由于灰色原配色丝的复丝颜色是黑色纤维和白色纤维的配比调色得到的，因此复丝的色度值是黑、白色纤维颜色共同作用的结果。常见灰色的色彩值如表4所示。由表4可知，由于灰色和黑、白都属于无彩色，其色度值变化主要体现在明亮程度L值上，而a、b值仅在0附近小幅波动。

表4 常见灰色的色度值

3.1 黑色丝比例对灰色原配色丝的色彩影响

为探究复丝中黑色丝比例对灰色原配色丝色度的影响，对表3中01－04的4个样品进行测试。表5所示为不同黑色丝比例下的色度值参数。其中，样品01－04的L值从27.58增加到48.59，说明灰色原配色丝的亮度随着复丝中黑色丝的减少而增大。a、b值几乎都在黑色纤维和白色纤维的a、b值的范围内，与常见灰色的色彩值相似，说明黑色纤维和白色纤维集束所得的复丝无其他彩色。

表5 不同黑色丝比例的试样色彩表征

K/S值随着灰色原配色丝中黑色纤维数量的减少而减小。这是由于相比于白色纤维，黑色丝的吸光能力更强。由此可知复丝的吸光能力会随黑色丝比例的减小逐渐衰减。

试样的反射率如图6所示。由图6可知，黑色丝比例不同的复丝反射率曲线形状接近，随波长变化平缓，可见对各个波长的可见光的吸收和反射较为均匀，与灰色的反射率曲线形状相符。而随着黑色丝比例的下降，复丝的反射率呈上升趋势，呈现出不同的灰度。04号样品(含20%黑色丝)相较于其他三组反射率明显不同，反射的光更多，因而表面更为光亮。

图6 不同黑色丝比例的灰色原配色丝反射率

综上所述，复丝的反射率、K/S值皆与灰色原配色丝中的黑色丝比例呈负相关。在计算机测配色中往往根据测定样品的反射率、K/S值和样品中染料浓度关系进行样品的配色，即通过测定样品的反射率、K/S值计算得到所需染料浓度。同理，灰色原配色丝中黑色丝的比例可类比色样中的染料浓度，通过样品的反射率和K/S值推算出样品的黑色丝比例，为原配色丝的计算机配色研究提供参考。

3.2 不同纤度对灰色原配色丝的色彩影响

为研究丝条纤度对灰色原配色丝色度的影响，对上页表3中04－07号样品进行色彩测试。下页图7示出不同纤度试样的反射率，可见各样品的反射率曲线形状基本相同，整体而言对各个波长的可见光的吸收和反射较为均匀，与灰色的反射率曲线形状相符。而650nm～700nm处的反射率曲线变化体现出复丝灰色略偏红色。随着复丝纤度由大到小，反射率逐渐增大，呈现出不同的灰度。尤其当单丝纤度达到1.0d时，复丝的反射率明显升高。可见，灰色原配色丝的黑色丝比例一定时，随着单丝纤度的减小，反射率的值增大。这是由于单丝纤度的减小，导致丝条的表面积减小，同样数量下黑色丝的吸光能力有所减弱。

图7 不同纤度的灰色原配色丝反射率

通过测色得到的色度值如表6所示。由表6可知，相对1.0d的试样，前三组纤度较大的样品的K/S值仅有微小的差别。这是由于单丝纤度足够小时(1.0d)，纤维直径不到10μm，纤维之间几乎成并列排布而无过多的相互遮盖和交叠，对可见光的反射率明显增加，因而K/S值显著减小，试样表面色深度变浅。

表6 不同纤度下的试样色彩表征

此外，单丝纤度较大时，视觉上仍能观察到复丝中存在黑色与白色。当单丝纤度足够小，灰色原配色丝的整体颜色将产生融合，复丝呈现为纯灰色。以04试样为标准样，05－07试样为批次样，从色差值DE分析发现试样06与04的色差值小于0.2，从视觉角度也观察不到色差。只有07试样能清楚分辨与其他三个试样的区别。因此，可利用单丝纤度作为灰色原配色丝的色泽临界指标，单丝纤度大于1d时，为混色麻灰，反之为纯灰色。

根据上述灰色原配色丝中单丝纤度对混色纤维的色彩呈现的影响，可对所制备灰色原配色丝进行品种的划分。从单丝纤度角度划分，以单丝纤度1.0d为临界值，1.0d及以下的灰色原配色丝称为混色纯灰，而1.0d以上的灰色原配色丝由于黑色纤维和白色纤维在视觉感官下可清晰分辨，得到的混色纤维的效果与纺纱工艺得到的麻灰纱较相似，因此称为混色麻灰。