活性染料三原色泡沫染色配色体系

张晓云, 冒晓东, 赵文杰, 钟 毅, 徐 红, 毛志平

(东华大学 a. 化学化工与生物工程学院; b. 生态纺织教育部重点实验室, 上海 201620)

活性染料三原色泡沫染色配色体系

张晓云a, b, 冒晓东a, b, 赵文杰a, b, 钟 毅a, b, 徐 红a, b, 毛志平a, b

(东华大学 a. 化学化工与生物工程学院; b. 生态纺织教育部重点实验室, 上海 201620)

为探讨活性染料三原色泡沫染色配色体系, 采用配伍性良好的雷马素深红RGB、金黄RGB、藏青RGB对棉织物进行泡沫染色, 建立了泡沫染色配色基础数据库, 研究了泡沫染色配色算法.结果表明, Kubelka-Munk单常数理论方程适合活性染料三原色泡沫染色配色体系研究.由于泡沫拼色染色时染料之间相互会有影响, 在Kubelka-Munk单常数理论方程中引入纠正系数, 可以减小理论K/S值和实测K/S值的偏差.

三原色; 泡沫染色; 活性染料; 测色; 配色; 染色基础数据库

泡沫染色是一种新型的低给液、高节能的染色技术.相对于传统高带液率(56%～100%)的浸轧方式, 泡沫染整的带液率为20%～40%.低带液率加工不仅能显著降低用水量、化学品耗用量和后期烘燥能源, 而且能够避免大量的染料水解, 以及在后续烘燥环节由于高带液率产生的染料“泳移”现象[1-2].因此, 泡沫染色技术的产业化应用对于推动整个染整行业的清洁生产和节能减排具有重要意义[3]. 目前关于泡沫染色的研究大多为单色染色, 棉织物泡沫染色配色研究少有报道[4].研究泡沫染色的配色算法, 并将其应用到计算机配色技术中, 可以节省打样时间, 提高生产效率, 对于推动泡沫染色技术的产业化应用具有现实意义.Kubelka-Munk函数理论是目前大多数配色软件的理论基础, 其单常数理论形式简单, 易于应用, 常用于纺织印染、皮革染色、印刷油墨拼色配色中[5-6].

在对泡沫染色液体系的发泡性和稳定性以及泡沫染色工艺系统研究[6-9]的基础上, 本文采用配伍性能良好的雷马素深红RGB、金黄RGB和藏青RGB三原色活性染料对棉织物进行泡沫染色拼色, 研究了3支染料泡沫染色染棉织物的配色体系, 修正了泡沫染色配色算法, 为进一步研究泡沫染色计算机配色建立基础.

1 实验部分

1.1 实验材料

织物: 纯棉机织半漂布(华纺股份有限公司), 经、纬纱线密度均为25 tex, 经密: 520根/(10cm), 纬密: 280根/(10cm), 面密度为115 g/m2.

试剂: 雷马素深红RGB、金黄RGB、藏青RGB(上海德司达印染科技有限公司); 十二烷基硫酸钠(SDS)(上海精细化工材料研究所, 化学纯); 十二醇、无水碳酸钠(国药集团化学试剂有限公司, 化学纯); 瓜尔胶(郑州市中原区丰和化工商行, 工业级).

1.2 实验仪器

泡沫发生器和泡沫施加器(上海技楷机电设备有限公司); UPEI型连续式织物热定型机(中国台湾瑞比公司); Model P-BU型电动均匀轧车(中国台湾Rapid公司); Datacolor 650型测色仪(美国Datacolor公司); UV-1800型紫外分光光度仪(日本Shimadzu公司), SW-12AⅡ型皂洗机(温州大荣纺织仪器有限公司).

1.3 实验方法

1.3.1 泡沫染色方法

泡沫染色液的配方: 活性染料为Xg/L; SDS为2.0～8.0 g/L; Na2CO3为15～30 g/L; 十二醇和瓜尔胶用量总和为0.28～0.70 g/L, 其中十二醇和瓜尔胶质量比为3∶4.

设备参数设定: 发泡比为8.0; 液体密度为1.00 g/cm3; 幅宽为0.50 m; 带液率为35%; 车速为8.0 m/min; 搅拌速度为400 r/min.

泡沫染色工艺流程如图1所示.

图1 泡沫染色工艺流程

Fig.1 Foam dyeing process

1.3.2 基础数据库的建立

基础数据库建立的方法: 按照表1中3种活性染料(雷马素深红RGB、金黄RGB、藏青RGB)单色样分档质量浓度分别对棉织物进行泡沫染色, 染色完成后利用测色仪对棉织物进行测色, 记录各测色数据.为保证测量精确度, 测量时应注意: 采用大孔测量(大孔径为30 mm); 布样折叠4层以上, 排除背景影响; 每块布样取着色均匀的8个不同位置进行测色.

表1 3种活性染料单色样分档质量浓度

1.3.3 基础数据库的检验

完成基础数据库后, 需要对数据库进行检验以确保其正确性.在染制不同色样的过程中, 由于称料、配液、时间等操作误差, 可能会造成打样偏差.因此, 需要检验数据库的正确性, 对有偏差的色样进行修正, 对于偏差较大的布样, 应重新进行打样加以修正[10-11].

(1) 反射率R值与波长λ的曲线图

在不同单色染料质量浓度下, 染色样的反射率R值曲线应是有规律的平行分布.染料质量浓度越小, 反射率R值越高; 染料质量浓度越大, 反射率R值越低.若曲线有不规则现象或出现交叉, 则应加以修正.

(2) 表面色深K/S值与波长λ的曲线图

在不同单色染料质量浓度下, 染色样的表面色深K/S值曲线应是有规律的平行分布.染料质量浓度越小, 表面色深K/S值越小; 染料质量浓度越大, 表面色深K/S值越大.若曲线有不规则现象或出现交叉, 则应加以修正.

(3) 表面色深K/S值与染料质量浓度C的曲线图

在低染料质量浓度时, 随着染料质量浓度的增加, 表面色深K/S值增加; 在高染料质量浓度时, 表面色深K/S值增加速度变慢, 直到纤维达到染色饱和, 表面色深K/S值不再随染料质量浓度C的增加而增加, 染色达到平衡.若不符合这一规律, 则必须进行修正.

1.3.4 单常数配色算法

计算机配色的基础理论是Kubelka-Munk函数理论[12-14], 其表达式为

(K/S)=(1-R)2/(2R)

(1)

其中: K为光在不透明介质中的吸收系数; S为光在不透明介质中的散射系数; (K/S)为Kubelka-Munk函数; R为不透明介质的反射率.

假设每个染料分子对光的吸收和散射的程度相同, 则表面色深K/S值应与染料质量浓度成正比.对于染色织物而言, 染料的相对数量较少, 可认为其散射作用由纺织材料所致, 与染料无关, 故仅考虑吸收系数K的变化[15-16], 式(1)可简化为

(K/S)j=(K/S)t, j+∑iCi·(k/s)t, j

(2)

其中: (K/S)t, j为基底在j波长下的表面色深; (k/s)i, j单常数为质量浓度为Ci的i染料在j波长下的单位浓度表面色深; 在染单色样时, 即仅存在一种染料, 式(2)可简化为

(K/S)j=(K/S)t, j+C·(k/s)j

(3)

对于每种染料, 在不同染料质量浓度下染制色样, 可绘制K/S对C的曲线, 如图2所示, 以作配色计算使用[10, 14].

图2 理论K/S-C曲线Fig.2 The curve of theoretical K/S value and concentration of dyes

由于配色的结果要求配制样品的(K/S)m值等于标样的(K/S)s(m代表配制样品,s代表标样), 故

(K/S)m=(K/S)s

(4)

2 结果与讨论

2.1 单色样颜色检验

2.1.1R-λ曲线

3种活性染料在不同染料质量浓度下的反射率R值随波长的曲线图如图3所示.由图3可知, 染料质量浓度越大, 反射值R越小; 染料质量浓度越小, 反射值R越高.各单色染料在不同质量浓度下染色样的反射值曲线呈有规律的平行分布, 无明显不规则现象或出现交叉.

(a) 雷马素深红RGB

(b) 雷马素金黄RGB

(c) 雷马素藏青RGB图3 3种雷马素RGB活性染料R值与波长λ曲线图Fig.3 The curve of reflected value and wavelength of three kinds of Remazal RGB® dyes

2.1.2K/S-λ曲线

3种活性染料在不同染料质量浓度下的表面色深K/S值随波长λ的曲线图如图4所示.由图4可知, 染料质量浓度越大, 表面色深K/S值越大; 染料质量浓度越小, 表面色深K/S值越小.各单色染料在不同质量浓度下染色样的K/S值与波长λ的曲线呈有规律的平行分布, 无明显不规则现象或出现交叉.

(a) 雷马素深红RGB

(b) 雷马素金黄RGB

(c) 雷马素藏青RGB

2.2 单常数配色算法改进

2.2.1K/S-C曲线线性拟合

通过课题组前期实验可知, 雷马素深红RGB、金黄RGB和藏青RGB各自最大吸收波长分别是430, 530和620 nm.由3种活性染料在不同波长下的K/S值, 可得K/S-C曲线, 即不同染料质量浓度下各染色样在最大吸收波长(即反射值最小)处的表面色深K/S值与染料质量浓度C的关系, 分别如图5～7所示. 利用线性拟合的方法, 可以得到K/S-C的拟合曲线, 得到拟合方程.

(a) 雷马素深红RGB

(b) 雷马素金黄RGB

(c) 雷马素藏青RGB

由图5可得, 在430 nm下,K/S-C线性拟合方程为

(5)

(a) 雷马素深红RGB

(b)雷马素金黄RGB

(c) 雷马素藏青RGB

由图6可得, 在530 nm下,K/S-C线性拟合方程为

(6)

(a) 雷马素深红RGB

(b) 雷马素金黄RGB

(c) 雷马素藏青RGB

由图7可得, 在620 nm下,K/S-C线性拟合方程为

(7)

在前期课题组实验基础上, 随机选取不同染色布样, 根据式(2)和式(5)～(7), 分别计算出在430, 530和620 nm处的理论K/S值, 与实测K/S值作比较, 结果如表2～4所示.

表2 430 nm下不同染料质量浓度染色K/S值的理论值与实测值

(续 表)

表3 530 nm下不同染料质量浓度染色K/S值的理论值与实测值

表4 620 nm下不同染料质量浓度染色K/S值的理论值与实测值

由表2～4可知, 利用单常数配色算法的理论方程式得到的理论K/S值和实测K/S值的偏差较大.造成误差的两个主要原因: 一是纤维存在表面反射; 二是染色时染料没有完全上染到纤维上, 即随着染料浓度的增大, 纤维已达到染色饱和.因此, 活性染料泡沫染色染棉并不完全符合Kubelka-Munk单常数理论, 可通过对K/S值与质量浓度C的关系曲线进行适当的数学处理, 以减小偏差.

2.2.2 引进调整系数

从理论上来讲, 染色样品的K/S值与染料质量浓度C之间关系, 其图形应是一条直线, 即

Φ=[K/S-(K/S)t]/C

(8)

由于拼色上染时, 混合染料之间相互产生影响.实际上, 从图5～7知雷马素深红RGB、金黄RGB、藏青RGB在各自最大吸收波长处的提升力曲线并不呈直线关系, 往往是凹向下方的曲线.为提高准确度, 可采用引进调整系数的方法来调整曲线凹凸.采用多项式拟合的方法对K/S-C关系曲线进行修正[14], 如式(9)所示.

K/S=a0+a1·C+a2·C2+a3·C3

(9)

其中: 常量a0为基质的(K/S)t; a1近似地代表单位染料质量浓度的表面色深K/S值; 常量a2和a3用来修正曲线的凹陷.考虑到可修正的幅度大小, 一般不需要使用高于三阶的多项式进行修正.

在Matlab中采用最小二乘拟合得到, 雷马素深红RGB、金黄RGB、藏青RGB在波长430 nm下K/S值与染料质量浓度C的方程为

(10)

其中: (K/S)R, (K/S)Y, (K/S)B分别表示雷马素深红RGB、金黄RGB、藏青RGB的K/S值; CR, CY, CB分别表示雷马素深红RGB、金黄RGB、藏青RGB的质量浓度.

由式(2)和(10)可以计算得到波长430 nm时的理论K/S值, 与实测K/S值作比较, 如表5所示.

表5 430 nm下不同染料浓度染色调整K/S值的理论值与实测值

同理, 利用Matlab可以得到530 nm下的K/S值与染料质量浓度C的方程为

(11)

由式(2)和(11)可以计算得到波长530 nm时的理论K/S值, 与实测K/S值作比较, 如表6所示.

表6 530 nm下不同染料浓度染色调整K/S值的理论值与实测值

同理, 利用Matlab可以得到620 nm下的K/S值与染料质量浓度C的方程为

(12)

由式(2)和(12)可以计算得到波长530 nm时的理论K/S值, 与实测K/S值作比较, 如表7所示.

表7 620 nm下不同染料浓度染色调整K/S值的理论值与实测值

2.2.3 引入纠正系数

由于混合染料拼色上染时, 某一种染料在最大吸收波长处测得的K/S值会受到另外两种染料的影响, 为了纠正K/S理论值与实测值的偏差, 考虑引进纠正系数k, 以减小拼色染色时染料间的互相影响[17-19].雷马素深红RGB的纠正系数的计算方法为

(13)

同理, 雷马素金黄RGB和雷马素藏青RGB的纠正系数分别为

(14)

(15)

为确定纠正系数与另外两种染料用量间的关系, 考虑用Matlab软件做多元线性回归, 得到如下方程[17-19]:

kY=0.239 5+0.149 5·CR+0.097 8·CB

(16)

kR=0.957 5-0.044 5·CY+0.008 7·CB

(17)

kB=0.539 6+0.104 1·CR-0.068 8·CY

(18)

在Kubelka-Munk单常数理论方程中引入纠正系数, 则在三拼色染色过程中[9, 18-19]有

(K/S)m=(K/S)w+kY·(K/S)Y+

kB·(K/S)B+kR·(K/S)R

(19)

由式(16)～(19)可得各波长下的纠正理论K/S值, 与实测值对比, 如表8～10所示.

表8 430 nm下不同染料浓度染色纠正K/S值的理论值与实测值

表9 530 nm下不同染料浓度染色纠正K/S值的理论值与实测值

(续 表)

表10 620 nm下不同染料浓度染色纠正K/S值的理论值与实测值

由表8～10可知, 在Kubelka-Munk单常数方程中引入纠正系数得到的理论K/S值与实测K/S值的偏差较纠正前的偏差小, 且偏差基本可以降低到10%以下.考虑将得出的Kubelka-Munk纠正方程用于泡沫染色计算机配色数据库, 可以减小色差.

3 结 论

(1) 建立完成染料数据库之后进行测配色, 通过检验R值与波长λ的曲线图、K/S值与波长λ的曲线图和K/S值与质量浓度C曲线图确定染料基础数据库是否正确.如有偏差, 需对异常色样进行修正或重新打样.

(2) 活性染料混拼泡沫染色时, 由于染料之间相互有影响, Kubelka-Munk单常数理论方程计算出的理论K/S值与实测K/S值有较大偏差; 通过在Kubelka-Munk单常数理论方程中引进调整系数可以减小理论K/S值与实测K/S的偏差; 通过引进纠正系数可以将理论K/S值和实测K/S值的偏差降低到10%以下.

致谢

感谢上海技楷机电设备有限公司提供泡沫连续染色试样机.

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Color Matching System for Trichromatic Reactive Dyes in Foam Dyeing

ZHANGXiao-yuna, b,MAOXiao-donga, b,ZHAOWen-jiea, b,ZHONGYi*a, b,XUHonga, b,MAOZhi-pinga, b

(a. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology; b. Key Laboratory of Science &Technology of Eco-Textile, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to investigate the color matching system for trichromatic reactive dyes in foam dyeing, Remazal Red RGB, Remazal Yellow RGB and Remazal Navy RGB had been used to dye bleached cotton fabric. The establishment of basic database for trichromatic reactive dyes in foam dyeing and their verifying methods in color matching were detailed. The results show that the Kubelka-Munk theory with single constant can meet the requirement of foam dyeing color matching. Owing to the interactions among mixed dyes in foam dyeing, the introduction of corrective coefficient to revise Kubelka-Munk theory with single constant can reduce the deviation of theoreticalK/Svalue and measuredK/Svalue.

trichromatic; foam dyeing; reactive dyes; color measurement; color matching; dyeing database

1671-0444 (2016)06

2015-07-31

国家科技支撑计划资助项目(2014BAE01B01，2014BAC13B02)；上海市联盟计划资助项目(LM201439)

张晓云(1989—)，女，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为活性染料泡沫染色.E-mail：didi-elva@foxmail.com 钟 毅(联系人)，女，讲师， E-mail：zhongyi@dhu.edu.cn

TS 193.5

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