活性染料上染纯棉过程中的颜色预测模型
目前,大部分印染企业均采用间歇式的染色方式,以适应小批量、多品种的市场需求。但是间歇式的染色方式存在无法在线测色的问题,当前纺织印染行业大多采用离线测色法,检验人员使用色差计等仪器对产品进行检测。在生产线上,更是由经验丰富的工人目视测色。显然,这样不仅不能满足生产高质量产品的要求,而且会造成低效高耗的后果。如何在线准确测量出布样的颜色是决定印染产品质量、成本和水资源消耗的关键技术,也是印染行业的重大共性技术难题。对于间歇式染色存在的这一难题,国内外至今仍无相关的解决方法的研究报道。
本文针对间歇式的染色方式无法在线测色的问题,以单一活性染料上染纯棉为研究对象,基于Kubelka-Munk理论和染色理论,结合大量实验数据,运用线性回归建模方法,建立活性染料上染纯棉过程中的颜色预测模型,通过测定染色残液中的染料浓度来预测染浴中织物表面的颜色,为间歇式染色在线测色的研究提供一定的理论基础和经验。
1.试验
1.1材料与药品
织物32s棉织物(18.45tex)
染料活性染料RR-红(有德司达染料化工有限公司)
助剂元明粉(四川省芒硝有限公司)、纯碱(山东海化股份有限公司)
1.2仪器
H-24SE打样机(厦门瑞比精密机械有限公司)、X752A型分光光度计(SDLATLAX公司)、SF600型测色仪(瑞士data color公司)等。
1.3染色工艺
1.3.1配方
染料(%owf)x
元明粉(%)20
纯碱(%)10
浴比1:10
1.3.2工艺曲线
60℃恒温染色:
1.4实验内容
(1)将活性染料RR-红配制成一定浓度的染液,分为12份,均对32s棉织物进行染色,当染色时间为5、10、13、15、20、30、40、45、50、55、60、70分钟时,依次将织物自12个烧杯中取出,同时吸取残液各5ml,测出各自的吸光度,计算染料在染色过程中不同时间的上染率。同时,将各自取出的织物烘干测量其表面反射率。
(2)将活性染料RR-红配制成0.01%owf、0.05%owf、0.10%owf、0.15%owf、0.20%owf、0.25%owf、0.28%owf、0.30%owf、0.35%owf、0.40%owf、0.45%owf、0.50%owf的染液,按步骤(1)分别对32s棉织物进行染色,测出各自的吸光度,计算对应的上染率。同时,将各自取出的织物烘干测量其表面反射率。
1.5测试方法
1.5.1样品反射率的测试
采用DATACOLOR分光测配色仪(型号SF600X)、D65光源、及10度视场标准观察者,在400~700nm范围内以Δλ=20nm测试样品的反射率。
1.5.2染料上染率的测定
染料在织物上的上染百分率采用残液法测定,按式(1)求出上染率:
式(1)中,A0表示染色前染浴在最大吸收波长处的吸光度;A1表示染色残液在最大吸收波长处的吸光度。
2.颜色预测模型
2.1模型推导
根据Kubelka-Munk单常数理论[1-3],有
式(2)中,(K/S)s为标准色的K/S值;(K/S)t为基底的K/S值;(k/s)1、(k/s)2、…、(k/s)n为n种染料对应的单位浓度K/S值;c1、c2、…、cn为组成膜层的n种染料的浓度。因为对于每个波长只需一个参数(k/s)即可表征色料,而不是用两个参数k和s,所以称此为Kubelka-Munk单常数理论。取波长λ为400-700nm,令
2.1.1三刺激值与(K/S)值的关系推导
针对不透明样品的Kubelka-Munk方程[4]为
式(4)中,K和S为膜层总的吸收和散射系数;r为样品某波长处的光谱反射率。
根据式(4),可得光谱反射率r与标准色(K/S)s的关系
再根据色度系统三刺激值计算公式,即可得颜色三刺激值。
其中,三刺激值计算公式[5-6]可写为
取波长间距Δλ为20nm;x10,y10,z 10为CIE规定的标准色度观察者的光谱三刺激值,其被测物体要求人眼观察的视角在4°~10°之间;p(λ)采用CIE规定的标准照明体D65;k10为归化系数;r(λ)为样品的光谱反射率。
将式(5)代入式(6),得
2.1.2染料上染率与(K/S)值的关系推导
根据染色理论[7-8],可知
式(8)中,A0为染色前染浴在最大吸收波长处的吸光度;A1为染浴在最大吸收波长处的吸光度;c0为染料的初始浓度。
令,即染料的上染率,则
c=Mt c0(9)
将式(9)代入式(2),得
2.1.3三刺激值与染料上染率的模型推导
2.2回归建模
以活性染料RR-红对18.45tex纯棉进行染色为研究对象。根据式(10)可知,(K/S)s值与上染率Mt以及初始浓度c0的关系,符合线性回归模型的形式[9]。本文只针对单一染料的染色过程,因此,其回归模型如下:
即
(13)Qs=A[c10M 1t]+B
式(13)中,A为回归系数矩阵;B为常数项矩阵。
结合实验数据进行回归建模,可得矩阵A和B分别为
用于检验回归模型的统计量[9],主要有两个数值,第一个是相关系数R2,R2越接近于1,说明回归模型拟合效果越好;第二个是F值,当F>Fa(k,n-kk1)时,认为模型具有显著的线性关系,F值越大,说明回归模型线性关系越显著。表1列出该回归模型的检验系数。
表1回归模型的检验系数
从表1可以看出,模型的相关系数R2值都较高且F值都大于F0.05(其中,F0.05=
2.23),说明模型的拟合优度较高,总体模型的线性关系显著。
2.3.模型的验证
表2列出采用本文颜色预测模型得到的颜色三刺激值的预测值与实际值的对比。
表2颜色的预测值与实测值的对比及色差评估
注:△ED65是指在D65光源照明下产生的色差,色差单位为CIE LAB颜色的预测值与实测值的色差值是评价颜色预测模型准确程度的基本依据。从表2可看出,染浴中织物颜色预测值,均与实测值较为接近。文献[10]认为CIE 1976 L*a*b*色差公式计算得到的色差小于0.
3(CIE LAB)时可认为两个颜色相同;当色差小于0.5(CIELAB)时几乎辨认不出色差;当色差大于1.0(CIE LAB)时除高彩度、高亮度的颜色外色差明显;
而对于高彩度、高亮度的颜色即使色差大于2.0(CIE LAB)也可能看起来仍非常接近。表2中颜色预测值与实测值的色差△ED65均在1.0(CIE LAB)之内,色差不明显,表明颜色预测值准确可靠。因此,本文的颜色预测模型得到的预测值,可以正确反映实际染色过程织物表面的颜色三刺激值,该颜色预测模型是有效可行的。
3.结论
以活性染料RR-红上染18.45tex棉织物为研究对象,通过回归建模方法,利用大量试验数据,建立颜色预测模型,以实现对间歇染色过程染样表面颜色的预测,所建模型的相关系数R2值均大于0.8。采用未参与建模的样本数据验证,其预测值与实测值之间的色差值均在1.0(CIE LAB)之内,两者色差不明显。可见,该颜色预测模型是有效可行的。该颜色预测模型虽然只针对单一染料上染过程,但是其可行性为建立多种染料混染过程的颜色预测模型提供经验和方法。同时,由于可以预测间歇染色过程织物颜色,因此该颜色预测模型将为实现间歇式染色过程颜色的在线测量与控制奠定基础。