聚酯灰色系原配色絲制備及色度表征

廖 壑，張 偉，甘學(xué)輝，湯方明

(1.東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海201620；2.江蘇恒力化纖股份有限公司，江蘇 蘇州215228)

隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們在服裝方面也越來越追求色彩上的新穎和搭配，絢麗的色彩在很大程度上提高了化纖產(chǎn)品的附加值?，F(xiàn)有的化纖長絲的增色方法包括混纖、染色以及原液著色。其中，長絲混纖是通過紡紗工藝將不同顏色的絲束復(fù)合，具有較好的并絲效果。但由于無法實現(xiàn)單絲的混合，因此混纖產(chǎn)品在強力、收縮和色澤方面仍有較大的不穩(wěn)定性。紗線染色是當前最為常見的增色工藝，但染色過程會產(chǎn)生大量的工業(yè)污水，不符合當前的環(huán)境友好型社會理念。原液著色作為一種新興的無水染色紡絲工藝，不僅解決了傳統(tǒng)染色的污染問題，還使纖維獲得了更高的色牢度以及更穩(wěn)定的色差，近年來發(fā)展迅速且極具潛力[1－2]。

原配色絲是指熔融紡絲成形的一束復(fù)絲中包含兩種或兩種以上顏色的原色纖維。利用三原色的原液著色纖維集束而成的原配色絲，通過調(diào)節(jié)原色纖維的比例，即可獲取全色系的復(fù)絲，有效降低了品種繁多的色母粒研發(fā)與制造成本[3]。皮鳳東等[4]基于配色原理，設(shè)計了原配色絲紡絲組件并制得丙綸DOY多色絲，發(fā)現(xiàn)單絲纖度的減小有利于提高原配色絲在視覺上的一致性。曹欣陽等[5]基于色母粒三原色電腦測配色技術(shù)，通過熔融紡絲紡制166.7dtex/48f和333.3dtex/72f等規(guī)格的滌綸原配色絲，實現(xiàn)了多色系無限彩配色的效果。王玉娟等[6]則基于Stearns－Noeche模型開發(fā)了改進的計算機配色系統(tǒng)，進一步降低配色結(jié)果的色差。然而，現(xiàn)有原配色絲研究雖然能在較大范圍內(nèi)改變絲束的顏色，卻難以控制所得絲束顏色的準確性。袁理等[7]的研究結(jié)果表明，原色纖維的質(zhì)量配比差異和纖維形狀差異均會導(dǎo)致其色紡織物色度學(xué)指標的改變。Chae等[8]則基于混色的效果提出了用于預(yù)測織物亮度，色彩和色調(diào)的顏色外觀模型。為進一步細化研究原配色絲的制備與色度控制，本文以敏感色系(色彩差異容易被人眼識別)灰色為對象，設(shè)計紡絲組件，利用黑色色母粒和白色聚酯切片結(jié)合配色原理，通過熔融紡絲制備灰色原配色絲，并進行色度學(xué)表征與分析。

1 紡絲組件設(shè)計研究

紡絲組件是熔融紡絲裝備的核心?；疑渖z紡絲組件需使得兩種單色熔體通過兩個單獨的計量泵進入組件，隨后在紡絲組件內(nèi)各自的獨立流道內(nèi)流動，直至擠出。此外，聚酯熔體是假塑性非牛頓流體，具有剪切變稀特性，因而熔體在組件內(nèi)的流變行為同樣不可忽視。組件幾何模型如圖1所示，本文基于Ansys Polyflow軟件，對聚酯熔體在紡絲組件內(nèi)的流動進行數(shù)值模擬，進而指導(dǎo)組件的設(shè)計與加工。

圖1 熔體流道幾何模型

1.1 紡絲動力學(xué)模型

假設(shè)兩種熔體為不可壓縮流體，流動為三維穩(wěn)態(tài)層流。兩相熔體位于孔道內(nèi)時，由紡絲箱根據(jù)設(shè)定溫度來加熱、保溫，故假設(shè)孔道內(nèi)流動為等溫流動。由于慣性力和質(zhì)量力相對于粘性力很小，故忽略不計。在此假設(shè)下，流動的控制方程為:

連續(xù)性方程:

動量方程:

式中:ρ為熔體密度，kg/m3；▽為哈密頓算子；v為速度矢量，m/s；p為壓力，Pa；σ為應(yīng)力張量，Pa。

為了能反映高剪切速率下聚合物熔體假塑性行為，數(shù)值模擬時選用四參數(shù)Bird－Carreau模型:

式中:η0為零剪切粘度，Pa·s；η∞為極限剪切粘度，Pa·s；n為非牛頓指數(shù)；λ為自然時間，s；γ˙為剪切速率，s－1。

1.2 邊界條件及模擬參數(shù)設(shè)定

入口條件設(shè)為體積流量Q＝2×10－7m3/s，內(nèi)外圈熔體入口流量一致。假設(shè)熔體在組件內(nèi)流動時熔體與壁面無滑移，因此設(shè)定在壁面處熔體的法向速度與切向速度為零(vn＝vs＝0)。出口法向壓力、切向壓力均為零。迭代算法方面，為保證計算的穩(wěn)定性，粘度采用Picard迭代，應(yīng)力采用線性插值，速度采用二次插值。

紡絲溫度設(shè)為295℃，聚酯材料參數(shù)與流變特性參數(shù)見表1。

表1 聚酯材料與流變參數(shù)

1.3 計算結(jié)果分析

1.3.1 速度分布

為紡得內(nèi)外圈纖度均一的纖維，需要對熔體在組件內(nèi)的流動速度進行分析。圖2所示為內(nèi)外圈流道熔體速度分布以及出口處速度放大圖，反映從組件入口至最后一塊分配板出口的流速變化?？梢姡瑑山M分熔體在內(nèi)外圈流道內(nèi)流動，外圈熔體的最大速度為8.31×10－3m/s，內(nèi)圈熔體的最大速度為8.40×10－3m/s，最大速度相差1%。此外，內(nèi)圈組分熔體在出口處的最大速度為5.04×10－3m/s，外圈組分熔體在出口處的最大速度為4.99×10－3m/s，可見熔體在出口處的最大速度差不超過1%。因此從熔體的速度一致性而言，該組件的設(shè)計能夠滿足需求。

圖2 內(nèi)外圈流道熔體速度分布圖

1.3.2 剪切速率分布

聚酯熔體的平均分子量較大，粘度較高，因而流動性差。但是在紡絲過程的剪切作用下，隨著剪切速率的增大，熔體粘度從零切粘度開始下降，表現(xiàn)出剪切力變稀效應(yīng)。

圖3所示為組件熔體在內(nèi)外圈流道中的剪切速率分布。可知外圈組分熔體的最大剪切速率為7.261s－1，內(nèi)圈組分熔體的最大剪切速率為12.81s－1。但是在出口處，內(nèi)圈熔體的剪切速率為7.68s－1，外圈熔體的剪切速率為7.26s－1，相差僅5.47%，內(nèi)外圈熔體流動特性相差較小，滿足剪切速率一致性的要求。因此從內(nèi)外圈熔體到達出口處的剪切速率分布可知，設(shè)計的流道滿足原配色絲均勻制備的需求。

圖3 內(nèi)外圈流道熔體剪切速率分布圖

2 試驗

2.1 試驗原料與設(shè)備:

試驗原料:聚酯半消光切片，特性粘度為0.81dL/g，中國石化儀征化纖有限責任公司。黑色色母粒，蘇州寶麗迪材料科技股份有限公司，以3%的添加量紡絲。

試驗設(shè)備:CZHDD－50型除濕干燥儀(上海晨臻機械有限公司)；DHG－9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司)；ABEφ25×2型復(fù)合紡絲機(日本ABE公司)；Datacolor 850型分光光度測色儀(德塔顏色有限公司)。

2.2 紡絲工藝流程與參數(shù)

將干燥好的切片和添加了黑色聚酯色母粒的切片分別加入1號和2號螺桿，使用自行設(shè)計的紡絲組件進行熔融紡絲，制得初生纖維。聚酯灰色原配色絲的紡絲工藝流程如圖4所示。工藝參數(shù)見表2。

圖4 原配色絲紡絲工藝流程圖

表2 灰色原配色絲的紡絲工藝參數(shù)

2.3 色度測試

通過手纏的方式將不同單絲纖度和不同黑白纖維數(shù)量比的灰色原配色絲以一定厚度纏繞在8cm×8cm的白色硬紙板上，制樣表見表3。樣品名稱表示為黑色纖維與白色纖維數(shù)量比—單絲纖度。測試樣品反射率所對應(yīng)的波長范圍為380nm～700nm，間隔為10nm。在每個樣品正反面的不同區(qū)域進行多次測色，保證最后一次測試顏色參數(shù)值與前幾次測量偏差小于0.1，由此得到測試樣品區(qū)域內(nèi)的平均色度值。

表3 測色制樣表

3 結(jié)果與討論

在色度學(xué)上，一般采用反射率、K/S值、CIELAB色差式等參數(shù)來表征紡織品顏色及其差異。其中，反射率R是在測色過程中測試樣品表面反射率與標準白板反射率的比值。K/S值表征物體表面色濃度的深淺，K和S分別指的是纖維的吸收和散射系數(shù)。CIELAB色差式所對應(yīng)的色彩空間如下頁圖5所示，其中L代表顏色的亮度，a表示顏色偏紅偏綠的程度，b表示顏色偏黃偏藍的程度。

圖5 CIE1976L?a?b?顏色空間

由于灰色原配色絲的復(fù)絲顏色是黑色纖維和白色纖維的配比調(diào)色得到的，因此復(fù)絲的色度值是黑、白色纖維顏色共同作用的結(jié)果。常見灰色的色彩值如表4所示。由表4可知，由于灰色和黑、白都屬于無彩色，其色度值變化主要體現(xiàn)在明亮程度L值上，而a、b值僅在0附近小幅波動。

表4 常見灰色的色度值

3.1 黑色絲比例對灰色原配色絲的色彩影響

為探究復(fù)絲中黑色絲比例對灰色原配色絲色度的影響，對表3中01－04的4個樣品進行測試。表5所示為不同黑色絲比例下的色度值參數(shù)。其中，樣品01－04的L值從27.58增加到48.59，說明灰色原配色絲的亮度隨著復(fù)絲中黑色絲的減少而增大。a、b值幾乎都在黑色纖維和白色纖維的a、b值的范圍內(nèi)，與常見灰色的色彩值相似，說明黑色纖維和白色纖維集束所得的復(fù)絲無其他彩色。

表5 不同黑色絲比例的試樣色彩表征

K/S值隨著灰色原配色絲中黑色纖維數(shù)量的減少而減小。這是由于相比于白色纖維，黑色絲的吸光能力更強。由此可知復(fù)絲的吸光能力會隨黑色絲比例的減小逐漸衰減。

試樣的反射率如圖6所示。由圖6可知，黑色絲比例不同的復(fù)絲反射率曲線形狀接近，隨波長變化平緩，可見對各個波長的可見光的吸收和反射較為均勻，與灰色的反射率曲線形狀相符。而隨著黑色絲比例的下降，復(fù)絲的反射率呈上升趨勢，呈現(xiàn)出不同的灰度。04號樣品(含20%黑色絲)相較于其他三組反射率明顯不同，反射的光更多，因而表面更為光亮。

圖6 不同黑色絲比例的灰色原配色絲反射率

綜上所述，復(fù)絲的反射率、K/S值皆與灰色原配色絲中的黑色絲比例呈負相關(guān)。在計算機測配色中往往根據(jù)測定樣品的反射率、K/S值和樣品中染料濃度關(guān)系進行樣品的配色，即通過測定樣品的反射率、K/S值計算得到所需染料濃度。同理，灰色原配色絲中黑色絲的比例可類比色樣中的染料濃度，通過樣品的反射率和K/S值推算出樣品的黑色絲比例，為原配色絲的計算機配色研究提供參考。

3.2 不同纖度對灰色原配色絲的色彩影響

為研究絲條纖度對灰色原配色絲色度的影響，對上頁表3中04－07號樣品進行色彩測試。下頁圖7示出不同纖度試樣的反射率，可見各樣品的反射率曲線形狀基本相同，整體而言對各個波長的可見光的吸收和反射較為均勻，與灰色的反射率曲線形狀相符。而650nm～700nm處的反射率曲線變化體現(xiàn)出復(fù)絲灰色略偏紅色。隨著復(fù)絲纖度由大到小，反射率逐漸增大，呈現(xiàn)出不同的灰度。尤其當單絲纖度達到1.0d時，復(fù)絲的反射率明顯升高?？梢?，灰色原配色絲的黑色絲比例一定時，隨著單絲纖度的減小，反射率的值增大。這是由于單絲纖度的減小，導(dǎo)致絲條的表面積減小，同樣數(shù)量下黑色絲的吸光能力有所減弱。

圖7 不同纖度的灰色原配色絲反射率

通過測色得到的色度值如表6所示。由表6可知，相對1.0d的試樣，前三組纖度較大的樣品的K/S值僅有微小的差別。這是由于單絲纖度足夠小時(1.0d)，纖維直徑不到10μm，纖維之間幾乎成并列排布而無過多的相互遮蓋和交疊，對可見光的反射率明顯增加，因而K/S值顯著減小，試樣表面色深度變淺。

表6 不同纖度下的試樣色彩表征

此外，單絲纖度較大時，視覺上仍能觀察到復(fù)絲中存在黑色與白色。當單絲纖度足夠小，灰色原配色絲的整體顏色將產(chǎn)生融合，復(fù)絲呈現(xiàn)為純灰色。以04試樣為標準樣，05－07試樣為批次樣，從色差值DE分析發(fā)現(xiàn)試樣06與04的色差值小于0.2，從視覺角度也觀察不到色差。只有07試樣能清楚分辨與其他三個試樣的區(qū)別。因此，可利用單絲纖度作為灰色原配色絲的色澤臨界指標，單絲纖度大于1d時，為混色麻灰，反之為純灰色。

根據(jù)上述灰色原配色絲中單絲纖度對混色纖維的色彩呈現(xiàn)的影響，可對所制備灰色原配色絲進行品種的劃分。從單絲纖度角度劃分，以單絲纖度1.0d為臨界值，1.0d及以下的灰色原配色絲稱為混色純灰，而1.0d以上的灰色原配色絲由于黑色纖維和白色纖維在視覺感官下可清晰分辨，得到的混色纖維的效果與紡紗工藝得到的麻灰紗較相似，因此稱為混色麻灰。

4 結(jié)論

(1)基于Ansys Polyflow仿真優(yōu)化設(shè)計的紡絲組件經(jīng)實驗驗證，能夠滿足原配色絲的紡絲要求。以黑色聚酯色母粒和白色聚酯切片為原料，可實現(xiàn)灰色系原配色絲的制備。

(2)灰色原配色絲中黑色絲比例的影響主要體現(xiàn)在亮度上，黑色絲比例越低，亮度越大。所測得反射率與K/S值可作為灰色原配色絲計算機配色的參考。

(3)單絲纖度對亮度和色澤均存在影響。原配色絲的亮度隨單絲纖度的增大而減小。1.0d可作為灰色原配色絲色澤區(qū)分的臨界值，當單絲纖度大于1.0d，為純灰色，反之則為混色麻灰。