装饰材料表面形貌与颜色关系的研究∗

伟乐斯 张峻华 苏润洲

（东北林业大学理学院物理系，黑龙江 哈尔滨 150040）

装饰材料是室内装饰装修的重要材料[1-3]，对美化环境[4]、提升人们幸福指数具有重要的作用。对其表面涂饰（涂层）材料色彩的形成及其变化的研究，特别是光致变色现象的研究，已成为行业研究的重要内容[5]。苏润洲在研究装饰用材——PVC贴面光致变色机理时发现，涂饰表面形貌的改变会引起颜色的变化，并运用衍射光栅的理论进行了解释[6]。为进一步探究装饰用材表面形貌与颜色的关系及光致变色机理，本文选用了比较典型的三大类装饰材料，即较常用的PVC贴面、聚氨酯漆[7]板材及木塑复合材中较常用的聚丙烯（Polypropylene，简称PP）[8-10]五个系列的样品作为试验材料，采用人工打磨的办法获得不同表面粗糙度试样，然后利用色度学测量仪测定试样的色度学参数；从物质表面呈现的颜色本质出发，综合各个领域的研究成果[9]，寻求相对合理的理论解释，并提出了运用结构色的概念，以期为提高室内装饰材料的装饰效果提供有益参考[11-13]。

1 材料与方法

1.1 材料

5种试验材料：自带聚氨酯漆涂层的五层胶合板（文中简称“聚氨酯漆板材”），涂层由天津市德实化工涂料有限公司生产；涂层覆盖部分为天然刨切薄木；深色与浅色PP，为东莞市聚强塑胶材料有限公司生产的文件夹；深色与浅色PVC贴面材料，巧妹装饰有限公司。

1.2 设备

WGS-9型色度学试验仪，由天津港东科技发展有限公司生产，并附带同厂家开发的配套软件；尼康（Nikon）DXM1200F型荧光显微镜，日本尼康公司产品。

1.3 试验方法

试验中将5种不同材料裁剪成矩形，然后在尽可能力度一致的基础上使用80、240、400、800、1 200目不同型号的砂纸对其进行米字型打磨3 min，水洗晾干后用于测量。用WGS-9型色度学试验仪测量其反射光谱，并利用仪器所带的系统软件计算各项色度指数，表征颜色变化的色度参数主要为主波长、色度纯度、饱和纯度以及3个色度坐标x、y、z。使用Nikon DXM1200F型荧光显微镜观察材料表面形貌，选用普通光学显微镜模式，放大200倍，进行表面形貌的测量。

2 结果与分析

2.1 聚氨酯漆板材

图1为聚氨酯漆板材试样处理前后的视觉效果。图2为测得的反射光谱图。

图1 聚氨酯漆板材试样处理前后视觉效果Fig. 1 Visual effects of polyurethane paint sheet samples before and after treatment

图2 聚氨酯漆板材的反射光谱图Fig. 2 Reflection spectrum of polyurethane paint

利用色品计算功能得到各项色度参数的测量结果如表1所示。

表1 聚氨酯漆板材的主要色度参数随砂纸目数的变化Tab.1 The major chromaticity parameters of polyurethane paint sheets change with the number of sandpaper meshes

选取主波长、饱和纯度、色度坐标x、色度坐标y主要参数制图，获得参数变化曲线，如图3所示。

图3 聚氨酯漆板材主要色度参数变化曲线Fig. 3 Change curve of major chromaticity parameters of polyurethane paint

由表1数据可见，试样在打磨前后，其主波长并未发生明显变化。但是试样的饱和纯度与色度坐标x都随着砂纸目数的减少而减少；其中，经过80目砂纸的打磨，试样的色度纯度比未处理表面减少了6.63%，而其饱和纯度更是比未处理表面减少了11.8%。由此表现出如图1所示的较大视觉改变。

图4所示为200倍显微镜下不同型号砂纸打磨的试样表面。由图可见其表面粗糙度因不同号的砂纸打磨而不同。

图4 聚氨酯漆板材表面的200倍照片Fig. 4 200 times photo of the surface of polyurethane paint sheet

2.2 PVC贴面

采用相同的方法处理PVC贴面材料，图5和图6所示分别为PVC深浅两个系列试样的主要色度参数随砂纸目数的变化曲线。打磨前后试样形貌变化与聚氨酯漆板材类似，故此处不再赘述。

图5 PVC深色贴面主要色度参数变化曲线Fig. 5 Major chromaticity parameter change curve of PVC dark-colored veneer

图6 PVC浅色贴面主要色度参数变化曲线Fig. 6 Major chromaticity parameter change curve of PVC light-colored veneer

由图5和图6明显可见，PVC贴面材料无论是深色还是浅色，颜色均发生了较为明显的变化，且深色PVC贴面材料的颜色改变明显大于浅色PVC贴面材料。在经过最粗糙的80目砂纸打磨后，试样的主波长与未打磨表面相比分别减少了0.63%和0.05%；饱和纯度比未打磨表面分别减少了11.1%和3.23%；色度坐标x比未打磨表面分别减少了5.9%和0.93%。

根据图5和图6的变化趋势可以预测，在使用小于400目的砂纸打磨深浅两类PVC贴面样品后，各指标变化都较为明显；但是与未处理试样相比，在使用更细腻的1 200目砂纸打磨后，深色PVC贴面饱和纯度、色度坐标x和色度坐标y三个指标的变化率（-0.16%、0和+0.15%；负号代表减少，正号表示增加，下同）均小于浅色PVC贴面各个对应指标的变化率（-0.54%、-0.21%和-0.46%）。

2.3 PP材料

PP材料色度参数变化曲线如图7和图8所示，深浅两个系列的试样均表现出较为明显的颜色变化。

图7 深色PP主要色度参数变化曲线Fig. 7 Change curve of main chromaticityparameters of dark-colored PP

图8 浅色PP主要色度参数变化曲线Fig. 8 Change curve of main chromaticity parameters of light-colored PP

其中，深色PP材料的主要色度参数大致随砂纸目数的增加而减少；其中主波长随材料表面粗糙度的增大而增大，出现了红移现象（即波长向红色方向移动），这与苏润洲[5]提出的变色机理分析中的衍射理论相吻合。值得注意的是，在240目砂纸处理后样品的主波长、饱和纯度与色度坐标x出现了数据“谷值”，色度坐标y却出现了“峰值”。与未打磨者相比，其主波长最大增加了约0.81%（400目砂纸打磨样品）；饱和纯度最大增加了62.9%（400目砂纸打磨样品）；色度坐标x最大增加了1.9%（400目砂纸打磨样品）。另外，经1 200目砂纸打磨样品的主波长比未处理者减少了0.07%，色度坐标x减少了0.06%。

而浅色PP材料的色度指标随砂纸目数的增加而下降，这一趋势相较于深色PP材料更为明显。值得注意的是，这四个指标在800目砂纸位置上出现了较小的波动，均表现为“谷值”，但不影响整体变化趋势。另外，在使用大于400目的砂纸后，这四项色度指标相较于未处理者有所减少，而使用小于400目砂纸会让色度指标较未打磨者有所增加。

在显微镜下观察上述样品发现，其形貌从400目处理开始就出现了略有周期性排列的特征，800目出现了岛状结构。图9显微镜图片分别呈现了深色与浅色PP材料用400、600、800目砂纸处理后的表面状况。

图9 200倍显微镜下PP试样表面照片（上深下浅）Fig. 9 Surface photo of PP sample under 200 times microscope (upper depth, lower light)

3 表面形貌与颜色关系的理论分析

3.1 表观颜色形成的基本理论

有关非发光体物体表面颜色呈现的经典理论认为，表观颜色主要由材料表面对光存在选择吸收决定。就颜色本质而言，颜色并不存在，它只是人类视觉神经对可见光产生的反映。 即某种波长的可见光，会产生一定视觉刺激，从而使人产生某种视觉感受。因此表观颜色由反射光的光谱成分决定，包括直接的表面反射（含漫反射）、散射，甚至于反射后可能存在的干涉和衍射的结果，即总反射光。现代理论认为[6]，除了自发光的颜色，生活中的颜色主要包括色素颜色（比如花的颜色），以及结构色（比如孔雀羽毛的颜色）。色素色也称为化学色，即通过色素产生的颜色。这种颜色主要是由电子在分子轨道间的能级跃迁对不同波长能量吸收产生[15]，此为经典的选择吸收理论。结构色也称为物理色，主要是由于物理结构不同，通过光学现象产生的颜色，包括光的干涉、衍射、色散、散射及其共同作用[15]。

3.2 结构生色的表现形式

就目前研究来看，结构生色的产生形式主要有如下几种：

1）光衍射产生结构色。光衍射产生结构色主要符合了衍射光栅的原理，衍射产生结构色取决于各层间隔距离，且随着观察者观察角度的变化而变化。

2）光色散产生结构色。色散是由于光的不同波长其对应的折射率不同而产生，光通过棱镜后会呈现彩虹色。现实生活中色散现象较多，是结构生色中最简单的一种。

3）光干涉产生结构色。通常指因薄膜干涉而导致光干涉生色。其特点是：颜色色调较纯，有金属般光泽和透明性，一般不太容易通过染色方法获得；而且随着观察者角度的改变颜色也会发生相应变化[16-17]。

4）光散射产生结构色。光通过不均匀介质时，从侧面也可以看到光的轨迹，这种现象称为光的散射[6]。日落时的晚霞就是由散射中的瑞利散射造成的。光散射产生的结构色特点为色彩艳丽，且不随方向改变。常见的由光散射产生的结构色主要有蓝鹊的羽毛、猴子的面部以及外国人的蓝眼睛等[15]。

5）光子晶体结构生色。1987年，Yablnolovitch[17]、John[18]将能带的概念拓展到了电磁波中，提出了光子晶体的概念。这是一种具有光子带隙且结构有序的材料，主要通过按照一定周期顺序排列两种以上不同介电常数的介电材料形成。当带隙的范围落在可见光波段内（380～780 nm）时，某些特定频率的光将不能透过该晶体。这些不能传播的可见光将被光子晶体反射，在晶体表面形成相干与衍射，从而产生绚丽的结构色[20]。自然界中天然的光子晶体也较多，如孔雀羽枝表皮处的二维光子晶体结构[21]。图10是孔雀羽毛羽小枝横截面的电子显微镜图片，可以看到明显的周期结构，也就是光子晶体[15]。

图10 孔雀开屏电子显微镜下的羽毛截面Fig. 10 Feather cross section of peacock under open screen electron microscope

3.3 运用结构色理论分析试验结果

试验结果表明：当材料表面粗糙度改变时，视觉颜色发生了较为显著的变化。从其组成情况看，基本可以排除色素色（材料的选择吸收）生色；结合样品表面形貌观察结果，可以推断结构色生色起主要作用。

在本次试验所用的生物质装饰材料表面涂饰用料中，根据材料材质组成可以确定，多层介质膜的干涉和色散的可能性较低。从显微镜形貌观察结果看，基本上都出现了线条状或岛状结构，呈现了一定的周期性，如图9所示。因此可以推断，衍射是颜色改变的主要因素。而对比图10出现的略显周期性空间结构的表面，光子晶体成色可能也存在一定的影响，而散射的作用还不能有定论。

对于衍射的影响，PP材料颜色的变化中出现了比较显著的红移现象（即主波长随粗糙度变大而增加），如图7、8所示，这与苏润洲的纤维素颗粒试验结果相一致[5]。

对于光子晶体的影响，从显微镜图片可以看出，粗糙度适中（600目左右）时，基本形成了周期性的岛状或线状结构，PP材料较为显著。考虑到凸起部分边缘不够清晰，且在微小区域可能显现出的折射率不同（类似于金属钠蒸汽形成的三棱镜[22]），因此不能排除光子晶体成色的影响。

结构色本身是一个复杂的概念，且形成原因也较复杂。前文分类只是总体上的一个概括，仔细研究会发现，对同一类结构色的形成，干涉和衍射的因素是互相交织和包含的。如一维光子晶体成色跟薄膜干涉有相似之处，岛状的三维光子晶体也能看到布拉格衍射的影子[23]。从物体表面呈现颜色的机制上看，装饰材料表面粗糙度改变引起的视觉颜色变化的原因是结构色，并且可能是多种结构色综合成色的结果。材料属性不同，某种结构色成色的作用不同。

3.4 拓展装饰材料表面颜色生色的设想

通过本次研究发现，将结构色成色机制运用到装饰材料表面呈现颜色上，是一个新的研究思路。不需要染料等化学材料，单纯通过人为调控表面结构即可呈现所需要的颜色，这是一种非常绿色环保的方法，将该法应用于居家环境的装饰材料是一项较为重大的突破。

目前这种绿色环保生色方法，已经广泛应用于纺织印染业。已有学者在纺织品结构生色研究方面做了较为深入的研究[24-28]。最近，赖伟根等报道了利用光子晶体生色研制的光固化喷印墨水。结构生色应用领域将会更加广泛。

4 结论

装饰材料表面相貌的改变，在一定程度上会直接影响其视觉颜色，装饰材料材质不同变色规律不完全相同；其中粗糙度对深色PP和聚氨酯漆板材影响较大，且PP材质出现明显的红移现象；深色样品颜色改变较浅色样品改变显著，如PVC贴面材料主波长改变量深色的达3.7 nm，而浅色的仅为0.3 nm。

装饰用材表面粗糙度不同引起颜色的改变机理主要是结构色而不是色素色，结构生色中光的衍射影响和光子晶体占主要因素，且中等粗糙度（600目打磨）下光子晶体生色占比增大。

在装饰材料研究领域，追求表面颜色的完美与稳定，一直都是努力的目标。本次研究提出利用结构色来满足装饰材料颜色需求的新思路，有助于提供更加环保和有利于人类身心健康的装饰材料。