紡織品結構生色印花技術

布料品結構生色印花技術 麵料品結構生色印花技術 自然界色彩繽紛、絢麗多彩，從藍天、彩虹，到五顏六色的花草、礦物和動物，顏色豐富多彩，真是萬紫千紅。 顏色是可見完對我們視覺神經刺激的反映。即肯定波長的可見完，產生肯定的顏色反映，顏色隻是人的一種視覺感覺。 產生或發射可見完有多種多樣的起源，因此顏色的起因也就有多種多樣。Nassau將顏色的起因大致分為以下五種類型： （1）電子的振動和簡單激發：例如火焰、閃電、極完以及碘等的顏色效應，其中部分屬高溫等離子體發射； （2）電子配位場效應的躍遷：紅寶石、祖母綠、綠鬆石以及各種金屬絡合染料（或顏色）中的金屬絡合顏色效應都屬這類； （3）電子在分子軌道問的躍遷：絕大數有機染料（或顏料）和一些無機物（藍寶石）的顏色效應屬這類； （4）電子在能帶中的躍遷：有色金屬（金、銀、銅和鐵）、半導體以及色心（紫晶、煙水晶）的顏色效應屬這類； （5）幾何和物理完學效應：色散折射、散射、幹涉和衍射顏色效應。 在這五種起因中，至少可進一步細分為十五種。 其中三種是物理作用，一種是化學作用，還有一種是和化學共同作用。 物理作用，產生顏色的方式包含完反射、折射和幹涉等三種，化學作用主要是染料和顏色料等色素和完的作用，而一些物質，例如寶石的顏色則是物理和化學共同作用的結果。例如紅寶石的組成是Al2O3晶體，但含有少量Cr2O3·Al2O3晶體是無色的，Cr2O3則是綠色的，少量Cr2O3存在於Al2O3晶格中則呈現紅色。這是由於相鄰分子的距離受到微擾（壓縮）的原因，Cr-O鍵長微小的縮短，造成激化能量變化，汲取不同波長，使顏色由綠變紅。所以說是物理和化學共同作用的結果。 布料品顯色（包含上色和其它方式著色）屬於完和大塊固體物質的相互作用。使布料品產生顏色也有多種途徑，目前主要是通過施加有色物質（吸附染料或粘著上顏料）來產生顏色，但是除此以外，還有其它一些途徑。即使是用染料上色或顏料著色，產生的顏色也受其它因素而改變，本文主要商量物體通過幾何和物理完學產生顏色及其對布料品顏色的影響，非常所謂結構生色及其影響。當一束完和麵料品發生相互作用時，至少會發生如圖1所示的幾種作用方式。 圖1可見完和纖維的作用方式 如圖l所示，完和麵料品的作用也是存在物理和化學作用，這些作用都可產生或影響顏色。物理作用包含（1）反射和漫射；（2）散射和透射；（3）折射或偏轉等化學作用則是對完的汲取。 1、自然界的一些結構生色現象 物體顏色繽紛多彩。產生顏色是基於所含色素對完的汲取和對完的色散、散射、幹涉和衍射等作用。色素產生顏色是對完產生選擇汲取作用的結果，即選擇汲取後互補完的顏色；而由色散、散射、幹涉和衍射引起的是選擇反射產生的顏色，後者稱為結構色或組織色。這兩種方式產生的顏色，性能有顯著不同，有關選擇汲取產生的顏色，大家已很熟悉，因為通過染料上色，塗料著色產生的顏色就屬這種，本文不再重複。結構色和它有所不同，它不改變強度，結構色和它有所不同，它不改變完強度，結構色大致有以下幾種情況：（1）色彩豔麗，且隨方向強烈變化，色彩僅在直射完中看到，主要是由衍射完柵產生的顏色；（2）色彩豔麗，且隨方向適度變化，主要是由薄膜幹涉產生的顏色；（3）色彩較豔麗，且不隨方向而變化，主要由散射和色散產生的顏色。 色散產生顏色在一般物理學中都有介紹，這是牛頓使用一塊棱鏡觀看完譜時發覺的，他解釋這是因為不同顏色完的折射率不同的關係，因而完通過棱鏡後可呈現紅、橙、黃、綠、藍、青、紫等色的完譜。這種色譜的分布決策於棱鏡的折射率和棱鏡頂角大小，不同材料有不同的色散值，不同頂角大小色散分別程度也不同。但和材料對完的汲取無關，所以是一種典型的結構生色的例子，完通過棱鏡發生色散，完波長愈短，色散偏離角愈大，色散後可呈現一連續的彩虹顏色。 發生色散的物質很多，常見的是空氣中的小水滴，在雨後或噴水池旁簡單見到，這時太陽完線以一次內反射形式通過球形小水滴發生色散。事實上，完線在小水滴中發生二次內反射時，還可以看到二次彩虹。 寶石和一些其它材料，在反完時會發生色散，例如金剛石有極高的色散值，當金剛石旋轉時，有炫耀的彩色閃完出現。一些材料以細小顆粒施加到布料品E也可以通過色散產生彩虹一樣的顏色。色散是結構生色簡單的一種，自然界結構生色往往和色素生色同時出現。有關生物色素生色我們已有綜述文章發表。本文重點商量物體通過散射、幹涉和衍射產生的結構色。 （1）完散射產生結構色 波長愈短，散射愈強，1-300nm粒子發生瑞利散射（小於可是完波長），較大粒子發生米氏散射（等於或大於可見完波長）。 典型例子是鳥羽的散射生色。如圖2所示。可是完照耀後，完散射局限於羽支上。在羽支的外層上有一層無色透明，厚度約為10um的角質，而在角質下麵則是一層箱狀細胞或稱蜂窩狀細胞，在箱狀細胞下麵又有含有黑色素的黑色細胞層。箱狀細胞含有大量無規則的氣囊，大小在30到300nto範圍，它對完有很強的散射能力。羽支對完發生瑞利散射後產生藍色。試驗發覺，如果使氣囊充滿液體，例如將藍色羽毛在酒精中浸湮肯定時間，使氣囊充滿酒精，則藍色會消逝，看到的是呈黑色的黑色素，而當酒精蒸發後，又會發生散射顯露出藍色。如果用槌敲打羽毛以破壞散射結構，也會使藍色消逝而暴露出黑色素。如果用稀過氧化氫溶液漂白黑色素，藍色也會消逝，然而在羽支背部塗上黑色，則又會使藍色恢複。 （2）完幹涉產生結構色 波長相同，傳播方向相近的兩束完會互相作用產生相長增強或相消刪除的作用，例如在薄膜完幹涉中，導致皂泡、水上油膜、雙折散材料和一些動物顏色中產生彩虹色彩。這種完幹涉色彩的色調是純粹的，有金屬完澤和透明性，不能采納上色方法獲得，而且隨著觀看者的角度變化而改變顏色。對完幹涉產生顏色長期以來進行了大量研究，而且可以進行精確的測定和操縱。 天然存在的幾種幹涉生色例子如下： 鳥類羽毛幹涉生色：鳥類存在幹涉產生顏色，包含它的眼睛和皮膚等部位。即使是鳥類的羽毛，除了前述通過羽毛的羽支，非常是其上麵的小倒刺表麵組織對完發生散射，產生藍色或綠色等外，還會通過幹涉產生絢麗色彩，例如孔雀的羽毛，因為羽毛羽支上的小倒刺表麵上，存在大小不一的許多薄片。小倒刺表麵約為2×100p.1m大小，它被大小約為1×2.5¨m的百片形狀為橢圓形的薄片組織組成的薄膜所覆蓋，而且組成若幹相互平行的層狀結構。每層厚度隨蜂鳥種類不同而異，約為200～350nto，它們的大小都約為可見完波長一半左右，因此對可見完會產生多重反射幹涉，產生顏色，不同蜂鳥產生的顏色也都不同。 圖3一種蜂鳥羽翼小倒刺的表麵結構　　圖4熱帶閃蝶照片 蝴蝶幹涉生色：昆蟲的幹涉色例子很多，為典型的是蝴蝶的幹涉色。蝴蝶有特別漂亮的彩色，重要起因是能夠呈現絢麗的幹涉色。圖4為某種蝴蝶的照片，在它的翅膀的薄片對完發生幹涉分不開。 由圖5A可看出，翅瓣鱗粉的結構很複雜，它大致由兩部分，即翼鱗粉和支條組成。鱗粉大小為150×100μm，厚度約為0.54μm，它上麵平行排列著許多薄片（又稱隆線，厚度約為0.08μm）。薄片問距離約為0.14～0.16μm，翼鱗粉高約為1.8μm，相互間距離約為0.70um支撐的支條高約為1.7μm。翅瓣的站體模型見圖5B薄片處在翼鱗粉的峻峭斜邊上，相互平行排列，類似於多層的薄膜可對完發生幹涉作用，當入射完以相當窄的角度入射到這些平行排列的薄片將產生幹涉作用，並產生幹涉結構色。圖6為翼鱗粉表麵平行薄片的幹涉作用示意圖。 自然界這種幹涉作用產生顏色的例子很多，還包含甲殼蟲外殼、魚鱗和眼睛、蛇皮以及一些礦石的幹涉生色。 （3）完衍射產生結構色 完衍射產生結耕色取決於物體各層間的距離，並隨觀看角度而改變顏色，典型的例子是液晶生色。 結構生色的現象很多，它的顏色和色素生色有很大不同。它非常明亮，顏色鮮豔，而且往往隨觀看角度而不同。這是一種無汙染的生色途徑。 2、麵料品的結構及仿生著色 結構色是一種無需用染料．顏料著色就產生的顏色，即一種清潔無汙染的發色途徑，還可節水、節能，結構生色是一種生態仿生著色途徑。 2.1結構生色纖維和薄膜 仿照自然界蝴蝶等生物結構生色原理，目前已設計和研製了結構生色纖維，這是一種多層結構的纖維。通過嚴格選擇肯定折射率的高聚物和計算各層的厚度，使纖維薄層對完幹涉時，各層纖維薄層使發完發生相長增強作用，反射出很強的肯定波長的彩色完。 從前述蝴蝶翅瓣表麵對完的幹涉生色可知，隻要其表麵的薄片重複尺寸和可見完的波長相當，翅瓣表麵的薄片起多層薄膜對完幹涉作用，入射完在兩種不同層麵的每一界麵上都發生反射，隻要薄層厚度和兩種薄層的折射率適當，就可使完發生幹涉生色。 表1為幹涉生色完波長和薄膜厚度的關係。（入射角=0，　折射率=1.55） 顏色波長,nm層厚度，μm 紫　430　　0.069 藍　480　　0.076 綠　520　　0.083 紅　630　　0.101 表2為Motphotex絲的物理特性這種多層結構生色絲是扁平截麵，截麵見圖7。如果在電鏡下觀看，其截麵是由許多層PET/PA交替疊合組成的，其截麵電鏡圖見圖8。由圖7可看出，這種纖維中心是空的，截麵由數量特別多的薄層緊密疊合而成。 表2　Morphotex絲的物理特性 顏色　　波長nm單纖線密度dtex強度dtex延伸度CN/dtex幹熱收縮% 紫　　　430　　10　　　　　　3.2　　　35　　　　　　3 藍　　　480　　10　　　　　　3.4　　　40　　　　　　3 綠　　　520　　10　　　　　　3.5　　　50　　　　　　3 紅　　　6930　10　　　　　　3.5　　　50　　　　　　3 紅外　　1000　10　　　　　　3.5　　　50　　　　　　3 紫（細）430　　4.0　　　　　　4.2　　　25　　　　　　4 綠（細）520　　4.0　　　　　　4.1　　　30　　　　　　4 目前利用結構生色的薄膜和PU塗層產品已很多，並得到廣泛的應用。 2.2結構色對顏料和PU塗層顏色的影響 麵料品整理常常要用塗料（或顏料）著色，從紡製有色纖維到麵料品的上色和印花都可能用塗料（或顏料）來著色。此外，布料品PU塗層整理，在布料品表麵施加一層高聚物薄膜，薄膜中也可以加入顏料來著色，即使不加人顏料，在麵料品表麵施加薄膜後，對麵料品，非常是對麵料品的底色會發生影響。在這些影響中，結構起了肯定的影響。 （1）顏料和結構色 塗料（或顏料）著色性能不僅決策於它們的分子結構，還和它們的物理結構有關。顏料的顏色同時由對可見完的選擇汲取產生的顏色對完的散射、幹涉和衍射引起的結構色兩種顏色構成，即分子結構變化會改變顏色，顏色的物理結構不同也會改變顏色。分子結構和顏色的關係和染料類似。本節僅簡要分析一下其物理結構的關係，即結構色和其物理結構的關係。 同一化學結構的顏料，由於晶型、顆粒大小和形狀不同，它們的折射率、反射率等性能會不同，從而引起不同的結構色和色強度。事實上，這些物理結構也會影響其汲取完譜。圖9是散射強度和顏色強度和顏料顆粒大小的關係。 由圖可看出，大多數白色顏料（曲線A）的散射率隨顆粒大小增加而增加，達到肯定大小後（約λ2）達到大，然後隨顆粒增大，反而減小。另一類顏料（曲線c），它們的散射強度雖然也隨顆粒增大而增強，超過肯定大小後，也減小，但它們的散射強度比曲線A類小，達到散射大值的顆粒也較大，這通常是一些有機有色顏料。 由前述可知，當散射顆粒大小比完波波長小時，產生瑞利散射，主要產生波長短的藍色完，而且波長愈短散射愈強。比完波長的粒子通常產生白色的米氏散射，但其強度較低。散射強的顏料遮蓋好，白色顏料要求顏色雪白，而且遮蓋性要好，通常是一些折射率很大的無機顏料，大多數折射率大於2（例如各類別的TiO2、鉛白、鋅白粉等），此外，它們的顆粒大小對遮蓋能力影響很大，當顆粒大小大約為可見完波長一半（即0.2～0.4um）時，完散射有效，所以白色顏料的顆粒大小應操縱在此範圍，如圖中曲線A所示。對有色顏料來說，要求有較強的顏色強度，因此對發色濃豔的無機顏料，例如鎘黃或鈷藍，有很高的折射率，反射能力很強，這些顏料顆粒可操縱較大，以減少散射。對折射率較低的有機顏料，雖然高散射是在較大的顆粒範圍，為了有很好的顏色強度，顆粒大小應較小。 近年來，納米技術在染整中正在開發應用，一些研究者正在開發納米級的塗料著色用顏料，研究表明，有機顏料顆粒達到或接近納米級後，顏料色強度大為提高，對布料品的滲透性也較好，非常適合塗料上色，因為雖然它們的遮蓋性不是很好，但並不會影響塗料上色產品質量，相反由於顏色強度高，滲透性好，故顏料用量可降低（可降低一半左右），而且均勻性好。不過，隨著顏料顆粒變小，比表麵積大，顆粒團聚較嚴峻，要求有很好的分散技術。 如上述，發生瑞利散射時，會產生結構色（主要為波長較短的藍色）這種散射對藍、紫、綠色顏料的色完影響相對較小，而對黃、橙、紅色顏料則會使其色完帶藍紫完而變得萎暗，所以應加以預防。散射的其它結構色也會影響顏料的色完，因為散射完的顏色總不會和汲取產生的顏色完全一致，這是顏料著色通常比染料上色顏色鮮豔度和強度低的原因之一。 顏料還可能通過幹涉和衍射影響布料品的色完。許多顏料顯現出雙折射和二色性，這些顏料晶體具有較低的結構對稱性，完學上屬各向異性，具有一個以上的折射率值，具有兩個折射值的特性稱為雙折射，完通過這種結構對稱性差的顏料晶體後，透射完是偏振的。即雙折射晶體中的雙折射效應會產生偏振完。 此外，滿足肯定條件的偏振完會發生幹涉，產生顏色，或影響原來的顏色，不同方向的偏振完，隨晶粒厚度增加色完變化是不同的，例如研究C．I．顏料紅1，發覺它有兩種偏振透射完，一種為快完線，一種為慢完線，快完線隨晶粒厚度增加，開始時黃和紅色調不斷增強，達到肯定程度後，黃色調非但不增強，反而快速減弱，即隻增強紅色調，對慢完線來說，則隨晶粒厚度增加，黃色調快遞減弱，綠色調不斷增強。以上表明，顏料如果具有雙折射和偏振完特性的話，隨著晶粒增大，其色完會變化，而且不同方向的顏色變化是不同的。 為了得到良好的遮蓋性和顏色強度，並提高它們的顏色穩定性。生產顏料時，不僅要操縱它們的顆粒大小和形狀，還要操縱晶型。實際生產顏料時，不僅要操縱它們的顆粒大小和形狀，還要操縱晶型。在實際生產顏料時，要經過嚴格的後整理，加入肯定的添加劑，非常是分散劑和分散介質。 2.3反完、閃完和珠完印花及後整理 對布料品施加一些非常物質，可以改變布料品對完的反射、折射和散射，並產生幹涉和衍射，獲得一些非常的完學效應，非常是獲得完澤很強的花紋，例如反完、閃完和珠完花紋。這種產品很多，現簡要介紹其中主要的幾種印花和後整理整理工藝。 （1）反完印花和後整理 自然界有許多反完性極好的物體。包含一些細小的球珠和水滴，它們可以產生同方向反射，即反射完可以沿入射方向反射回來，而且強度基本不變，根據這種作用方式，選用一些透明微珠，用粘著劑或PU塗層劑均勻地固定在麵料品表麵，使麵料品有極強的反完能力。因為當入射完照到微珠，進入內部並折射後，在微珠的另一麵發生內反射，再從入射方向折射和反射出來，反射完和入射完基本保持平行，隻是方向不同而已。這種反射不存在明顯的散射，反射效率很高，每一微珠是一個反射單元，眾多的微珠產生許多的平行完反射點，形成一個反射麵，可以清楚反映出反射體的形狀和位置。這種反射又稱回回反射。 微珠一般是透明、均勻、反射能力強的玻璃或塑料材料，它通過粘著劑或PU塗層劑粘著在麵料品上。粘著狀態不同，效果也不同，粘著點很小，粘著不牢，粘著麵太大，甚至PU塗層劑將微珠完全包複時，會大大降低反射效果。粘著劑或PU塗層劑結膜後形成膜的性質對反射也有影響，所結的膜應有好的透射和反射能力，不發生散射和幹涉。 通常麵料品的底色愈深，汲取完愈多，反射完就愈弱，因此銀白色和檸黃色底色有很好的反完效果。反射完愈強，顯示愈清楚醒目。這種麵料品一般用於警服和鐵路、公路人員的工作裝。也可用於其它對完反射要求高的產品。 （2）閃完印花和後整理 閃完印花和後整理也有人稱為鑽石印花和後整理。通過印花或PU塗層後整理獲得有鑽石閃完特性的麵料品。 天然鑽石具有極好的反完和閃完性能，完彩奪目，它不僅由於折射率很高（2.42），反射性強，而會發生色散，導致產生彩虹般閃完。隨著鑽石轉動，還可以看到顏色的晃動。鑽石的色散值極高，有炫耀的彩色閃完，這些都屬結構生色。一些含鉛量高的玻璃也有很高的折射率（1.75）和色散值，所以常用來作枝形吊燈等反完材料。事實上，天然反完和閃完材料還有許多，例如一些月長石，這些月長石也稱寶石，它和鑽石不同，它是由多種組分混合而成，它們的閃完是由於其中的小顆粒散射所致。一種性能良好的人工仿製品是一種富鋁尖晶石晶體，主要化學組成為MgAl10O16，閃完是其中的AL2O3粒子。此外，使用不同組分，例如氟化物、磷酸鹽形成的玻璃體顆粒也有良好的閃完性。 無論是天然的或是人造的Al2O3。寶石，它們的顏色是含有著色雜質，它們的閃完性能則是由於含有細小的TiO2針狀物所致，這些針狀物以肯定的角度排列成許多組，它們對肯定方向人射的完發生交叉反射，並使寶石中的顏色發生晃動，星紅寶石的著色介質是氧化鉻，星藍寶石則是FeTi的化合物。 閃完印花或PU塗層後整理就是選用具有類似天然鑽石或寶石的閃完非常強的細小顆粒物質，通過塗料印花或PU塗層後整理工藝，施加到麵料品上，獲得閃完印花或PU塗層布料品。這些閃完材料不僅有很好的反完能力，還可以發生色散產生彩虹色，這些彩虹色會隨觀看角度變化而變化。 廉價的閃完粉是鋁粉，但它反完性不非常好，而且不具備色散性，一些人工製造的微形粉末反完物質（它們實際上是一些薄狀反完物），包含鍍鋁薄膜或彩色聚酯薄膜，這些閃完片又稱彩蔥片。可以切割成條形、正方形、六角形、星形等。它們的閃完性能和粘著劑成膜性能關係很緊密。如果應用前述的幹涉生色絲粉（長度僅為75u）作閃完印花或PU塗層粉，則不僅有閃完，還會呈現結構色，顏色明亮和持久，這種產品已用作車衣等產品。 (3）珠完印花和後整理 珍珠自古以來就被視為貴重物品，它具有漂亮的“珍珠完澤”，不僅反完性好，還具有閃完和彩虹色，完澤也較柔和。 珠完粉雖然可以將珍珠磨碎而得到，但發覺這種珠完體在其它物體中可獲得，例如魚鱗，它的主要成分是2-氨基-6-羥基脲環，又稱鳥嘌呤，結構如下： 它的晶體屬長方晶型，大小約為0.1×0.02×0.00lmm3，表麵積很大，是片狀物體對完有很強的反射能力，並對完產生很強的幹涉，有幹涉彩虹色。它本身無色，所以還可以和彩色塗料拚混，不影響塗料的顏色，但會呈顯較強的幹涉色。 除了應用天然的珠粉外，也有人工合成的珠粉，這包含堿式碳酸鉛、氧氯化鉍、磷酸鉛等無機化合物，它們的細粉也能產生類似珍珠粉的完澤，但效果稍差。 珠完印花或PU塗層後整理工藝和常規的類似。但要注意粘著劑或PU塗層劑和珍珠粉的完學性能和整理性能的相容性。 結構生色印花應屬特種印花，由於它獨特的印花效果和良好的生態性質，在今後將會有快速進展，非常是用於一些具有非常功能的功能印花產品。 結構生色在自然界廣為存在，但在布料染整整理利用它還是剛開始，人們對自然界的結構生色認識還很不夠，例如前述的蝴蝶翅膀的顏色就是色素生色和結構生色的協同生色結果，特別漂亮動人，而且又耐久無毒，屬生態生色途徑。事實上，蝴蝶翅膀中的色素是一種寶貴的天然顏料，稱為蝶啶素，大部分都是黃蝶呤衍生物，其結構如下： 黃蝶啶染料核黃素又稱維生素B2，其結構如上所示，也呈黃綠色的熒完，它是人類和動物的生長因子，黃蝶呤或維生素B2和肯定的組織結構可以使色素生色和結物生色發生協同生色作用。許多具有藥理或其它功能的物質在肯定條件下也可以有這種效果，這為我們提供了一條功能性生色印染的思路，即藥物功能染整整理。 又如本文前述的鳥類羽毛、甲殼蟲外殼的色素也是一類結構生色和色素生色，同理，人類含有天然顏料黑色素，其結構如下式所示。為多巴一黑素和多巴胺一黑素。 這些色素是動物的生理組成之一，它們形成不同顏色的原理和方式對麵料品著色也是很有啟發的。因為這些色素具有多種生理功能性。bLLMu2lFjD