传统染色方法对丝绸色度的影响

传统染色方法对丝绸色度的影响

0丝绸之路纺织品传统染色工艺的现状中国是丝绸之路的起源地。自古以来，丝绸之路产品丰富。漫长的历史岁月留下了巨大而多样的丝绸文化遗产。对其制作工艺的科学研究以及保护研究,是今天面临的艰巨任务。我国的丝绸文物,大多采用天然有机染料染色,其稳定性随其保存环境不同而差别极大。颜色是纺织品最为重要的外貌特征。在丝绸类文物的保护和修复的工作实践中,色度参数测量、色彩还原、配色等技术都是非常重要的。而目前我国在这些领域的研究工作还处于起步阶段,各项研究还没有全面展开,研究深度也不够。各类相关的技术标准、数据库、标准方法等也未建立。因此,对丝绸纺织品的传统染色工艺研究具有非常重要的意义。本研究分为两个部分。第一部分是传统染色工艺的实现,其中包含植物染料、染色工艺和纺织材料三个方面。在对丝绸纺织品的多种不同类型的染色工艺(包括直接染色、媒染染色、还原染色、阳离子染色等)的研究基础上,使用11种不同的植物染料对5种不同的丝绸纺织品材料进行染色。第二部分的研究是利用光纤光谱测量系统测量光谱和色度参数,并总结染色工艺的技术特点。这一部分的技术包括三个方面:硬件设备、方法、数据分析。其中硬件和方法都没有相关的行业标准。光路设计主要以国外相关研究为参考依据,测量方法主要参考国际照明委员会(CIE)推荐的标准,并由研究人员自行设计了测量探头。数据处理包括两种方法,一种是直接使用色度参数,做直观的分析比较;另一种是利用大量的光谱数据和色度数据进行统计分析和数据的深度发掘。由于目前相关分析技术的行业标准尚未建立,后者还难以实现。前者涉及的统计算法比较简单,其结论也比较直观。使用色度参数分布图,分析各个参数分布的范围和分布规律,是本研究的重点。1实验方法1.1传统染色1.1.1以程度和用量、染色方法、试剂和仪器中药店购买的茜草(根)、紫草(叶)、炒槐花、姜黄(根)、炒栀子(花)、苏木(木)、五倍子、青黛、黄柏(木)、红花共十种染料。从食品店购买炒栗子取壳。丝绸商店购买的不同品种的白色丝绸:单经单纬薄丝织品,2种;双经双纬厚丝织品,1种;双绉丝织品,1种;缎子,1种。每次染色约5g丝绸,其中厚丝0.05m×1m,重3g;薄丝0.05m×1m,重2g。其他样品均小于0.1m×0.1m。染色用试剂主要是调节染液酸碱度的家用醋酸和纯碱(Na2CO3);媒染剂为分析纯KAl(SO4)2·12H2O、FeSO4·7H2O和CuSO4·5H2O;靛蓝染色用分析纯氢氧化钠和连二亚硫酸钠。1.1.2以丝为原料的还原-染色根据明代宋应星《天工开物·彰施第七》等古代文献记载与当代《丝绸织染》、《中国科学技术史纺织卷》等对古代文献的整理研究,结合现代茜草、紫草、苏木、槐花、姜黄、栀子、黄柏、五倍子、靛蓝、红花模拟染色实验参数染色。染色步骤为:丝绸预处理-色素提取-(前媒)-染色-(后媒)-(套染)。染料色素在碱中溶解度高于酸,故提取色素时调溶液为碱性,染色时调酸性。预处理:为了去掉丝绸表面可能存在的工业添加物质,染色前先将丝绸在75～90℃、pH8～9(碳酸钠调)的碱水中煮20min并经常搅拌,用蒸馏水清洗晾干。色素提取:从染料提取色素两次。将染料植物在1000mL清水中浸泡20min,煮沸后文火煎煮0.5h,过滤。再加1000mL水,用碳酸钠调pH至碱性(8～9),沸腾后文火煎煮0.5h,过滤。将两次溶液混合均匀后作染液。染色:染色两次。第一次染色用醋酸将一半染液调至中性,浸入丝绸,于60～90℃染色20min,经常搅拌,水洗晾干。第二次染色时,调节合适的酸碱性后再染一次。具体见下面表2中的说明。媒染:媒染的时机有染色前和染色后两种,分别称为前媒和后媒。媒染温度为40～50℃,时间20min,水洗晾干。媒染两次。第二次在原有媒染液中再加1倍媒染剂。用量为明矾(KAl(SO4)2·12H2O)溶液2g/L(调pH=6);青矾(FeSO4·7H2O)溶液0.5g/L;胆矾(CuSO4·5H2O)溶液0.3g/L。各种染料的染色方法和染色效果如表2中所示。由于靛蓝的古代还原法发酵时间长、控制困难,于是用烧碱保险粉还原法染色。称取5g青黛用乙醇调匀。称取10g保险粉和4g烧碱,用其中2/3配400mL溶液,在60℃下还原15min,冷却至40℃时将另外1/3配成600mL溶液倒入。将丝绸浸入溶液,在30℃下染色1min,取出于空气中氧化3～5min至全部变蓝,再次浸入溶液。如此还原-氧化共10次。与靛蓝套染的样品均为染成黄色后用上述方法上染靛蓝,得绿色。红花同时含有红色的红花素和黄色素,其中红花素为弱酸性,溶于碱性、热中性溶液。因而称取红花10g,浸入pH值5～6酸性水溶液,放置2h,经常搅拌,黄色素溶出。反复10次溶出黄色素。第一次提取的溶液呈橙色,后几次均为黄色。用pH=10热碱水浸泡使红色素溶出,得黄褐色溶液,滤去红花,加醋酸至pH值1～2,到艳红的染液。常温下将湿润的丝织物浸入染液中,染色10min,染后将其浸入pH=4溶液中发色10min,水洗晾干。1.2avalisa公司的维符合使用的测量条件为自行设计的漫反射光路照明与0度角测量。光谱测量使用荷兰Avantes公司生产的AvaSpec2048FT光纤光谱仪,测量范围为176～1100nm,分辨率为0.6nm。光源为荷兰Avantes公司的AvaLight卤钨灯。色度参数测量使用的条件为D65光源,10度视场,d/0测量几何条件,不包括镜面反射。使用96%反射率的陶瓷白板作为标准白板。每个样本取三处测量点,每个点测量9～11次,取平均值。测量时,使用反射率4%的黑色陶瓷板作为垫底,可以认为测量的光谱和色度数据只表达纺织品的特性。数据处理使用与光谱仪一同配备的Avasoft软件。该软件在指定测试条件后,直接根据测量得到的光谱数据,计算出RGB、XYZ、Lab、LCh参数。数据处理作图所使用的软件为OriginPro8.0。2染色效果的分析2.1色度参数分布范围与规律分析首先考察RGB参数的特点。在染色丝绸的R-G数据图上,各类不同染料所染丝绸的R-G参数,呈现明显的线性相关的特点。线性相关系数R2=0.96711,非常接近直线(图1)。其物理意义是明晰的,即各种染料呈现的颜色虽然不同,但是其中所包含的R-红色和G-绿色比例稳定,大约是R∶G=1∶0.9。这个现象涉及在本研究使用的所有11种植物染料,也涉及染色过程的所有操作程序。为了解释R-G参数的相关现象,测量了11种染料的紫外-可见光谱(图2)。各个染料的乙醇溶液的紫外-可见光谱(图2),该图为光谱罗列图,纵坐标A为相对光谱强度累加值,呈现出比较明显的规律性特征。即各类染料在红色的波段,都几乎没有什么吸收,而在蓝紫的波段都有很活跃明显的吸收,中间的绿色波段,有些弱于蓝紫波段的吸收。结合CIE的标准观察者的匹配函数,就可以定性的解释R-G参数的关系。因为R和G的匹配函数的主要积分范围在480～700nm之间,而这个区间,多数染料的光谱都是比较稳定平直,其数值比例也就比较稳定了。由R-G的线性关系,引出的一个疑问就是,如果各类染料的色度参数的比例如此稳定,是否其染色效果会比较单调?考察L-h(图3)发现,表示色相的h参数,基本上覆盖了从0到360度的大部分范围。其中,在130～220度之间,以及250～300度之间存在空档,参见图4。从其对应的颜色看,130～220度对应的是Lab色度坐标中,纯绿色附近的范围;250～300度是纯蓝色附近的范围。由样品数量对h分布的图4可以看到,选择的染料染色效果,大部分样品的色相,分布在0至120度的h值区间。230～260度的蓝色区间,只有靛蓝一种染料,而300～360度的蓝紫色区间也只有紫草一种染料。植物染料中,可以染成蓝色、蓝紫色的材料,本来就比较少。实验中染色无法达到的130～220度和250～300度,其原因可能在于所使用的植物染料不是非常纯的,因为使用的色素提取方法还是比较传统,比较简单的。靛蓝和紫草的染料中,很可能混有红色和黄色色素。这样纯的蓝色(h值270度)和纯的绿色(h值180度),就难以得到了。在图3上还可以看到,L数值的分布比较宽,覆盖了30到75的范围。这是一个比较宽的范围。植物染料染色效果不仅色相丰富,亮度范围也很宽。其亮度(L参数表示)之所以有比较宽的分布范围和所染的丝绸本身特点有关。对厚白色丝绸测色的结果显示,白丝的L值达到74,而色度参数a小于0.9,b小于2,这是非常接近中性色、亮度较高的白色。在这样的白丝上面染色,能够非常好地呈现染料的色彩特点。前面提到的R-G参数成稳定的线性关系,而染色效果丰富,其原因在于颜色的色相取决于RGB三个参数,后面分析Lab参数时就会得到更直观的认识。考察X-Y参数的关系,发现与R-G线性相关类似的现象(图5)。X-Y的线性相关系数达到0.97675,比R-G线性相关性还强。RGB与XYZ的换算公式:X=2.7689R+1.7517G+1.1302BY=1.0000R+4.5907G+0.0601BZ=0+0.0565G+5.5943B事实上,由上述变换公式无法由R-G的线性相关直接推导出X-Y的线性相关。说明X-Y的线性相关包含独立于R-G线性相关的信息。Y参数代表样本的亮度,公式中Y的三个系数实际上就是RGB三原色亮度的比例,其中G的成分非常高,因为人眼对绿色非常敏感。Z参数只含有G和B的信息,不含有R的信息。而X参数同时具有RGB的信息,并包含有比较多的R的信息。因此X-Y的线性关系,也表明了亮度和“色彩”之间的关系,后面分析C-L参数的关系,对这一点有更细致的讨论。在Lab空间的a-b参数图上(图6),可以看到染色样本的色相分布。其中a坐标轴的正向代表红色,负值方向代表绿色,b坐标轴的正向代表黄色,负值方向代表蓝色。在Lab色度空间中,a-b参数表示没有亮度信息的纯粹色彩信息。而L值只代表亮度,没有色彩信息。可以看到与前面份额分析相一致,在a-b坐标系的第一象限中的点最多。a的最大值为22,最小值为-12;b的最大值为64,最小值-15。这代表选定的这些植物染料在给定条件下的最大色度参数范围。这对未来的配色研究很有参考价值。LCh色度参数中,L表示亮度,C表示色饱和度,h表示色相。其中h以角度表示,C-h平面以及坐标表示,实际上和a-b平面完全重合,其上的点也重合,且完全一一对