【集萃網(wǎng)觀察】自然界色彩繽紛、絢麗多彩，從藍(lán)天、彩虹，到五顏六色的花草、礦物和動(dòng)物，顏色豐富多彩，真是萬紫千紅。
顏色是可見光對(duì)我們視覺神經(jīng)刺激的反映。即一定波長的可見光，產(chǎn)生一定的顏色反映，顏色只是人的一種視覺感覺。
產(chǎn)生或發(fā)射可見光有多種多樣的起源，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(dòng)和簡單激發(fā)：例如火焰、閃電、極光以及碘等的顏色效應(yīng)，其中部分屬高溫等離子體發(fā)射；
�。�2）電子配位場(chǎng)效應(yīng)的躍遷：紅寶石、祖母綠、綠松石以及各種金屬絡(luò)合染料（或顏色）中的金屬絡(luò)合顏色效應(yīng)都屬這類；
（3）電子在分子軌道問的躍遷：絕大數(shù)有機(jī)染料（或顏料）和一些無機(jī)物（藍(lán)寶石）的顏色效應(yīng)屬這類；
�。�4）電子在能帶中的躍遷：有色金屬（金、銀、銅和鐵）、半導(dǎo)體以及色心（紫晶、煙水晶）的顏色效應(yīng)屬這類；
�。�5）幾何和物理光學(xué)效應(yīng)：色散折射、散射、干涉和衍射顏色效應(yīng)。
在這五種起因中，至少可進(jìn)一步細(xì)分為十五種。其中三種是物理作用，一種是化學(xué)作用，還有一種是和化學(xué)共同作用。
物理作用，產(chǎn)生顏色的方式包括光反射、折射和干涉等三種，化學(xué)作用主要是染料和顏色料等色素與光的作用，而一些物質(zhì)，例如寶石的顏色則是物理和化學(xué)共同作用的結(jié)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存在于Al2O3晶格中則呈現(xiàn)紅色。這是由于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，吸收不同波長，使顏色由綠變紅。所以說是物理和化學(xué)共同作用的結(jié)果。
紡織品顯色（包括染色和其它方式著色）屬于光與大塊固體物質(zhì)的相互作用。使紡織品產(chǎn)生顏色也有多種途徑，目前主要是通過施加有色物質(zhì)（吸附染料或粘著上顏料）來產(chǎn)生顏色，但是除此以外，還有其它一些途徑。即使是用染料染色或顏料著色，產(chǎn)生的顏色也受其它因素而改變，本文主要討論物體通過幾何與物理光學(xué)產(chǎn)生顏色及其對(duì)紡織品顏色的影響，特別所謂結(jié)構(gòu)生色及其影響。當(dāng)一束光與紡織品發(fā)生相互作用時(shí)，至少會(huì)發(fā)生如圖1所示的幾種作用方式。
如圖l所示，光與紡織品的作用也是存在物理和化學(xué)作用，這些作用都可產(chǎn)生或影響顏色。物理作用包括（1）反射和漫射；（2）散射和透射；（3）折射或偏轉(zhuǎn)等化學(xué)作用則是對(duì)光的吸收。
1、自然界的一些結(jié)構(gòu)生色現(xiàn)象
物體顏色繽紛多彩。產(chǎn)生顏色是基于所含色素對(duì)光的吸收和對(duì)光的色散、散射、干涉和衍射等作用。色素產(chǎn)生顏色是對(duì)光產(chǎn)生選擇吸收作用的結(jié)果，即選擇吸收后互補(bǔ)光的顏色；而由色散、散射、干涉和衍射引起的是選擇反射產(chǎn)生的顏色，后者稱為結(jié)構(gòu)色或組織色。這兩種方式產(chǎn)生的顏色，性能有顯著不同，有關(guān)選擇吸收產(chǎn)生的顏色，大家已很熟悉，因?yàn)橥ㄟ^染料染色，涂料著色產(chǎn)生的顏色就屬這種，本文不再重復(fù)。結(jié)構(gòu)色和它有所不同，它不改變強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)色和它有所不同，它不改變光強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)色大致有以下幾種情況：（1）色彩艷麗，且隨方向強(qiáng)烈變化，色彩僅在直射光中看到，主要是由衍射光柵產(chǎn)生的顏色；（2）色彩艷麗，且隨方向適度變化，主要是由薄膜干涉產(chǎn)生的顏色；（3）色彩較艷麗，且不隨方向而變化，主要由散射和色散產(chǎn)生的顏色。
色散產(chǎn)生顏色在普通物理學(xué)中都有介紹，這是牛頓使用一塊棱鏡觀察光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)的，他解釋這是因?yàn)椴煌伾獾恼凵渎什煌年P(guān)系，因而光通過棱鏡后可呈現(xiàn)紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫等色的光譜。這種色譜的分布決定于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離程度也不同。但和材料對(duì)光的吸收無關(guān)，所以是一種最典型的結(jié)構(gòu)生色的例子，光通過棱鏡發(fā)生色散，光波長愈短，色散偏離角愈大，色散后可呈現(xiàn)一連續(xù)的彩虹顏色。
發(fā)生色散的物質(zhì)很多，最常見的是空氣中的小水滴，在雨后或噴水池旁容易見到，這時(shí)太陽光線以一次內(nèi)反射形式通過球形小水滴發(fā)生色散。事實(shí)上，光線在小水滴中發(fā)生二次內(nèi)反射時(shí)，還可以看到二次彩虹。
寶石和一些其它材料，在反光時(shí)會(huì)發(fā)生色散，例如金剛石有極高的色散值，當(dāng)金剛石旋轉(zhuǎn)時(shí)，有炫耀的彩色閃光出現(xiàn)。一些材料以細(xì)小顆粒施加到紡織品E也可以通過色散產(chǎn)生彩虹一樣的顏色。色散是結(jié)構(gòu)生色最簡單的一種，自然界結(jié)構(gòu)生色往往和色素生色同時(shí)出現(xiàn)。有關(guān)生物色素生色我們已有綜述文章發(fā)表。本文重點(diǎn)討論物體通過散射、干涉和衍射產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色。
�。�1）光散射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色
波長愈短，散射愈強(qiáng)，1-300nm粒子發(fā)生瑞利散射（小于可是光波長），較大粒子發(fā)生米氏散射（等于或大于可見光波長）。
典型例子是鳥羽的散射生色。如圖2所示�？墒枪庹丈浜螅馍⑸渚窒抻谟鹬�。在羽支的外層上有一層無色透明，厚度約為10um的角質(zhì)，而在角質(zhì)下面則是一層箱狀細(xì)胞或稱蜂窩狀細(xì)胞，在箱狀細(xì)胞下面又有含有黑色素的黑色細(xì)胞層。箱狀細(xì)胞含有大量無規(guī)則的氣囊，大小在30到300nto范圍，它對(duì)光有很強(qiáng)的散射能力。羽支對(duì)光發(fā)生瑞利散射后產(chǎn)生藍(lán)色。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果使氣囊充滿液體，例如將藍(lán)色羽毛在酒精中浸湮一定時(shí)間，使氣囊充滿酒精，則藍(lán)色會(huì)消失，看到的是呈黑色的黑色素，而當(dāng)酒精蒸發(fā)后，又會(huì)發(fā)生散射顯露出藍(lán)色。如果用槌敲打羽毛以破壞散射結(jié)構(gòu)，也會(huì)使藍(lán)色消失而暴露出黑色素。如果用稀過氧化氫溶液漂白黑色素，藍(lán)色也會(huì)消失，然而在羽支背部涂上黑色，則又會(huì)使藍(lán)色恢復(fù)。
（2）光干涉產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色
波長相同，傳播方向相近的兩束光會(huì)互相作用產(chǎn)生相長增強(qiáng)或相消刪除的作用，例如在薄膜光干涉中，導(dǎo)致皂泡、水上油膜、雙折散材料和一些動(dòng)物顏色中產(chǎn)生彩虹色彩。這種光干涉色彩的色調(diào)是純粹的，有金屬光澤和透明性，不能采用染色方法獲得，而且隨著觀察者的角度變化而改變顏色。對(duì)光干涉產(chǎn)生顏色長期以來進(jìn)行了大量研究，而且可以進(jìn)行精確的測(cè)定和控制。
天然存在的幾種干涉生色例子如下：
鳥類羽毛干涉生色：鳥類存在干涉產(chǎn)生顏色，包括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，特別是其上面的小倒刺表面組織對(duì)光發(fā)生散射，產(chǎn)生藍(lán)色或綠色等外，還會(huì)通過干涉產(chǎn)生絢麗色彩，例如孔雀的羽毛，因?yàn)橛鹈鹬系男〉勾瘫砻嫔�，存在大小不一的許多薄片。小倒刺表面約為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，而且組成若干相互平行的層狀結(jié)構(gòu)。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光波長一半左右，因此對(duì)可見光會(huì)產(chǎn)生多重反射干涉，產(chǎn)生顏色，不同蜂鳥產(chǎn)生的顏色也都不同。
蝴蝶干涉生色：昆蟲的干涉色例子很多，最為典型的是蝴蝶的干涉色。蝴蝶有非常美麗的彩色，重要起因是能夠呈現(xiàn)絢麗的干涉色。圖4為某種蝴蝶的照片，在它的翅膀的薄片對(duì)光發(fā)生干涉分不開。
由圖5A可看出，翅瓣鱗粉的結(jié)構(gòu)很復(fù)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，它上面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。翅瓣的立體模型見圖5B薄片處在翼鱗粉的陡峭斜邊上，相互平行排列，類似于多層的薄膜可對(duì)光發(fā)生干涉作用，當(dāng)入射光以相當(dāng)窄的角度入射到這些平行排列的薄片將產(chǎn)生干涉作用，并產(chǎn)生干涉結(jié)構(gòu)色。圖6為鱗粉表面平行薄片的干涉作用示意圖。
自然界這種干涉作用產(chǎn)生顏色的例子很多，還包括甲殼蟲外殼、魚鱗和眼睛、蛇皮以及一些礦石的干涉生色。
（3）光衍射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色
光衍射產(chǎn)生結(jié)耕色取決于物體各層間的距離，并隨觀察角度而改變顏色，最典型的例子是液晶生色。
結(jié)構(gòu)生色的現(xiàn)象很多，它的顏色和色素生色有很大不同。它特別明亮，顏色鮮艷，而且往往隨觀察角度而不同。這是一種無污染的生色途徑。
2、紡織品的結(jié)構(gòu)及仿生著色
結(jié)構(gòu)色是一種無需用染料.顏料著色就產(chǎn)生的顏色，即一種清潔無污染的發(fā)色途徑，還可節(jié)水、節(jié)能，結(jié)構(gòu)生色是一種生態(tài)仿生著色途徑。
2.1結(jié)構(gòu)生色纖維和薄膜
仿照自然界蝴蝶等生物結(jié)構(gòu)生色原理，目前已設(shè)計(jì)和研制了結(jié)構(gòu)生色纖維，這是一種多層結(jié)構(gòu)的纖維。通過嚴(yán)格選擇一定折射率的高聚物和計(jì)算各層的厚度，使纖維薄層對(duì)光干涉時(shí)，各層纖維薄層使發(fā)光發(fā)生相長增強(qiáng)作用，反射出很強(qiáng)的一定波長的彩色光。
從前述蝴蝶翅瓣表面對(duì)光的干涉生色可知，只要其表面的薄片重復(fù)尺寸與可見光的波長相當(dāng)，翅瓣表面的薄片起多層薄膜對(duì)光干涉作用，入射光在兩種不同層面的每一界面上都發(fā)生反射，只要薄層厚度和兩種薄層的折射率適當(dāng)，就可使光發(fā)生干涉生色。
表1為干涉生色光波長與薄膜厚度的關(guān)系。
（入射角=0， 折射率=1.55）
表2為Motphotex絲的物理特性這種多層結(jié)構(gòu)生色絲是扁平截面，截面見圖7。如果在電鏡下觀察，其截面是由許多層PET/PA交替疊合組成的，其截面電鏡圖見圖8。由圖7可看出，這種纖維中心是空的，截面由數(shù)量非常多的薄層緊密疊合而成。
表2 Morphotex 絲的物理特性
目前利用結(jié)構(gòu)生色的薄膜和涂層產(chǎn)品已很多.并得到廣泛的應(yīng)用。
2.2結(jié)構(gòu)色對(duì)顏料和涂層顏色的影響
紡織品加工經(jīng)常要用涂料（或顏料）著色，從紡制有色纖維到紡織品的染色和印花都可能用涂料（或顏料）來著色。此外，紡織品涂層加工，在紡織品表面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，在紡織品表面施加薄膜后，對(duì)紡織品，特別是對(duì)紡織品的底色會(huì)發(fā)生影響。在這些影響中，結(jié)構(gòu)起了一定的影響。
�。�1）顏料和結(jié)構(gòu)色
涂料（或顏料）著色性能不僅決定于它們的分子結(jié)構(gòu)，還和它們的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。顏料的顏色同時(shí)由對(duì)可見光的選擇吸收產(chǎn)生的顏色對(duì)光的散射、干涉和衍射引起的結(jié)構(gòu)色兩種顏色構(gòu)成，即分子結(jié)構(gòu)變化會(huì)改變顏色，顏色的物理結(jié)構(gòu)不同也會(huì)改變顏色。分子結(jié)構(gòu)和顏色的關(guān)系和染料類似。本節(jié)僅簡要分析一下其物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系，即結(jié)構(gòu)色和其物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
同一化學(xué)結(jié)構(gòu)的顏料，由于晶型、顆粒大小和形狀不同，它們的折射率、反射率等性能會(huì)不同，從而引起不同的結(jié)構(gòu)色和色強(qiáng)度。事實(shí)上，這些物理結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其吸收光譜。圖9是散射強(qiáng)度和顏色強(qiáng)度與顏料顆粒大小的關(guān)系。
由圖可看出，大多數(shù)白色顏料（曲線A）的散射率隨顆粒大小增加而增加，達(dá)到一定大小后（約λ2）達(dá)到最大，然后隨顆粒增大，反而減小。另一類顏料（曲線c），它們的散射強(qiáng)度雖然也隨顆粒增大而增強(qiáng)，超過一定大小后，也減小，但它們的散射強(qiáng)度比曲線A類小，達(dá)到散射最大值的顆粒也較大，這通常是一些有機(jī)有色顏料。
由前述可知，當(dāng)散射顆粒大小比光波波長小時(shí)，產(chǎn)生瑞利散射，主要產(chǎn)生波長短的藍(lán)色光，而且波長愈短散射愈強(qiáng)。比光波長的粒子通常產(chǎn)生白色的米氏散射，但其強(qiáng)度較低。散射強(qiáng)的顏料遮蓋好，白色顏料要求顏色潔白，而且遮蓋性要好，通常是一些折射率很大的無機(jī)顏料，大多數(shù)折射率大于2（例如各類別的TiO2、鉛白、鋅白粉等），此外，它們的顆粒大小對(duì)遮蓋能力影響很大，當(dāng)顆粒大小大約為可見光波長一半（即0.2～0.4um）時(shí)，光散射最有效，所以白色顏料的顆粒大小應(yīng)控制在此范圍，如圖中曲線A所示。對(duì)有色顏料來說，要求有較強(qiáng)的顏色強(qiáng)度，因此對(duì)發(fā)色濃艷的無機(jī)顏料，例如鎘黃或鈷藍(lán)，有很高的折射率，反射能力很強(qiáng)，這些顏料顆�？煽刂戚^大，以減少散射。對(duì)折射率較低的有機(jī)顏料，雖然最高散射是在較大的顆粒范圍，為了有很好的顏色強(qiáng)度，顆粒大小應(yīng)較小。
近年來，納米技術(shù)在染整中正在開發(fā)應(yīng)用，一些研究者正在開發(fā)納米級(jí)的涂料著色用顏料，研究表明，有機(jī)顏料顆粒達(dá)到或接近納米級(jí)后，顏料色強(qiáng)度大為提高，對(duì)紡織品的滲透性也較好，特別適合涂料染色，因?yàn)殡m然它們的遮蓋性不是很好，但并不會(huì)影響涂料染色產(chǎn)品質(zhì)量，相反由于顏色強(qiáng)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，比表面積大，顆粒團(tuán)聚較嚴(yán)重，要求有很好的分散技術(shù)。
如上述，發(fā)生瑞利散射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色（主要為波長較短的藍(lán)色）這種散射對(duì)藍(lán)、紫、綠色顏料的色光影響相對(duì)較小，而對(duì)黃、橙、紅色顏料則會(huì)使其色光帶藍(lán)紫光而變得萎暗，所以應(yīng)加以防止。散射的其它結(jié)構(gòu)色也會(huì)影響顏料的色光，因?yàn)樯⑸涔獾念伾偛粫?huì)和吸收產(chǎn)生的顏色完全一致，這是顏料著色通常比染料染色顏色鮮艷度和強(qiáng)度低的原因之一。
顏料還可能通過干涉和衍射影響紡織品的色光。許多顏料顯現(xiàn)出雙折射和二色性，這些顏料晶體具有較低的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，光學(xué)上屬各向異性，具有一個(gè)以上的折射率值，具有兩個(gè)折射值的特性稱為雙折射，光通過這種結(jié)構(gòu)對(duì)稱性差的顏料晶體后，透射光是偏振的。即雙折射晶體中的雙折射效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生偏振光。
此外，滿足一定條件的偏振光會(huì)發(fā)生干涉，產(chǎn)生顏色，或影響原來的顏色，不同方向的偏振光，隨晶粒厚度增加色光變化是不同的，例如研究C.I.顏料紅1，發(fā)現(xiàn)它有兩種偏振透射光，一種為快光線，一種為慢光線，快光線隨晶粒厚度增加，開始時(shí)黃和紅色調(diào)不斷增強(qiáng)，達(dá)到一定程度后，黃色調(diào)非但不增強(qiáng)，反而快速減弱，即只增強(qiáng)紅色調(diào)，對(duì)慢光線來說，則隨晶粒厚度增加，黃色調(diào)快遞減弱，綠色調(diào)不斷增強(qiáng)。以上表明，顏料如果具有雙折射和偏振光特性的話，隨著晶粒增大，其色光會(huì)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(qiáng)度，并提高它們的顏色穩(wěn)定性。生產(chǎn)顏料時(shí)，不僅要控制它們的顆粒大小和形狀，還要控制晶型。實(shí)際生產(chǎn)顏料時(shí)，不僅要控制它們的顆粒大小和形狀，還要控制晶型。在實(shí)際生產(chǎn)顏料時(shí)，要經(jīng)過嚴(yán)格的后加工，加入一定的添加劑，特別是分散劑和分散介質(zhì)。
（未完待續(xù)）
來源: 宋心遠(yuǎn)
手機(jī)版印花網(wǎng)
微信號(hào)：yinhuashijie
