东华大学宋心远：纺织品结构生色印花技术（一）

　　自然界色彩缤纷、绚丽多彩，从蓝天、彩虹，到五颜六色的花草、矿物和动物，颜色丰富多彩，真是万紫千红。

　　颜色是可见光对我们视觉神经刺激的反映。即一定波长的可见光，产生一定的颜色反映，颜色只是人的一种视觉感觉。

　　产生或发射可见光有多种多样的起源，因此颜色的起因也就有多种多样。Nassau将颜色的起因大致分为以下五种类型：

　　（1）电子的振动和简单激发：例如火焰、闪电、极光以及碘等的颜色效应，其中部分属高温等离子体发射；

　　（2）电子配位场效应的跃迁：红宝石、祖母绿、绿松石以及各种金属络合染料（或颜色）中的金属络合颜色效应都属这类；

　　（3）电子在分子轨道问的跃迁：绝大数有机染料（或颜料）和一些无机物（蓝宝石）的颜色效应属这类；

　　（4）电子在能带中的跃迁：有色金属（金、银、铜和铁）、半导体以及色心（紫晶、烟水晶）的颜色效应属这类；

　　（5）几何和物理光学效应：色散折射、散射、干涉和衍射颜色效应。

　　在这五种起因中，至少可进一步细分为十五种。

　　其中三种是物理作用，一种是化学作用，还有一种是和化学共同作用。

　　物理作用，产生颜色的方式包括光反射、折射和干涉等三种，化学作用主要是染料和颜色料等色素与光的作用，而一些物质，例如宝石的颜色则是物理和化学共同作用的结果。例如红宝石的组成是Al2O3晶体，但含有少量Cr2O3•Al2O3晶体是无色的，Cr2O3则是绿色的，少量Cr2O3存在于Al2O3晶格中则呈现红色。这是由于相邻分子的距离受到微扰（压缩）的原因，Cr-O键长微小的缩短，造成激化能量变化，吸收不同波长，使颜色由绿变红。所以说是物理和化学共同作用的结果。

　　纺织品显色（包括染色和其它方式着色）属于光与大块固体物质的相互作用。使纺织品产生颜色也有多种途径，目前主要是通过施加有色物质（吸附染料或粘着上颜料）来产生颜色，但是除此以外，还有其它一些途径。即使是用染料染色或颜料着色，产生的颜色也受其它因素而改变，本文主要讨论物体通过几何与物理光学产生颜色及其对纺织品颜色的影响，特别所谓结构生色及其影响。当一束光与纺织品发生相互作用时，至少会发生如图1所示的几种作用方式。

　　图1 可见光与纤维的作用方式

　　如图l所示，光与纺织品的作用也是存在物理和化学作用，这些作用都可产生或影响颜色。物理作用包括（1）反射和漫射；（2）散射和透射；（3）折射或偏转等化学作用则是对光的吸收。
1 、自然界的一些结构生色现象

　　物体颜色缤纷多彩。产生颜色是基于所含色素对光的吸收和对光的色散、散射、干涉和衍射等作用。色素产生颜色是对光产生选择吸收作用的结果，即选择吸收后互补光的颜色；而由色散、散射、干涉和衍射引起的是选择反射产生的颜色，后者称为结构色或组织色。这两种方式产生的颜色，性能有显著不同，有关选择吸收产生的颜色，大家已很熟悉，因为通过染料染色，涂料着色产生的颜色就属这种，本文不再重复。结构色和它有所不同，它不改变强度，结构色和它有所不同，它不改变光强度，结构色大致有以下几种情况：（1）色彩艳丽，且随方向强烈变化，色彩仅在直射光中看到，主要是由衍射光栅产生的颜色；（2）色彩艳丽，且随方向适度变化，主要是由薄膜干涉产生的颜色；（3）色彩较艳丽，且不随方向而变化，主要由散射和色散产生的颜色。

　　色散产生颜色在普通物理学中都有介绍，这是牛顿使用一块棱镜观察光谱时发现的，他解释这是因为不同颜色光的折射率不同的关系，因而光通过棱镜后可呈现红、橙、黄、绿、蓝、青、紫等色的光谱。这种色谱的分布决定于棱镜的折射率和棱镜顶角大小，不同材料有不同的色散值，不同顶角大小色散分离程度也不同。但和材料对光的吸收无关，所以是一种最典型的结构生色的例子，光通过棱镜发生色散，光波长愈短，色散偏离角愈大，色散后可呈现一连续的彩虹颜色。

　　发生色散的物质很多，最常见的是空气中的小水滴，在雨后或喷水池旁容易见到，这时太阳光线以一次内反射形式通过球形小水滴发生色散。事实上，光线在小水滴中发生二次内反射时，还可以看到二次彩虹。

　　宝石和一些其它材料，在反光时会发生色散，例如金刚石有极高的色散值，当金刚石旋转时，有炫耀的彩色闪光出现。一些材料以细小颗粒施加到纺织品E也可以通过色散产生彩虹一样的颜色。色散是结构生色最简单的一种，自然界结构生色往往和色素生色同时出现。有关生物色素生色我们已有综述文章发表。本文重点讨论物体通过散射、干涉和衍射产生的结构色。

　　（1）光散射产生结构色

　　波长愈短，散射愈强，1-300nm粒子发生瑞利散射（小于可是光波长），较大粒子发生米氏散射（等于或大于可见光波长）。

　　典型例子是鸟羽的散射生色。如图2所示。可是光照射后，光散射局限于羽支上。在羽支的外层上有一层无色透明，厚度约为10um的角质，而在角质下面则是一层箱状细胞或称蜂窝状细胞，在箱状细胞下面又有含有黑色素的黑色细胞层。箱状细胞含有大量无规则的气囊，大小在30到300nto范围，它对光有很强的散射能力。羽支对光发生瑞利散射后产生蓝色。试验发现，如果使气囊充满液体，例如将蓝色羽毛在酒精中浸湮一定时间，使气囊充满酒精，则蓝色会消失，看到的是呈黑色的黑色素，而当酒精蒸发后，又会发生散射显露出蓝色。如果用槌敲打羽毛以破坏散射结构，也会使蓝色消失而暴露出黑色素。如果用稀过氧化氢溶液漂白黑色素，蓝色也会消失，然而在羽支背部涂上黑色，则又会使蓝色恢复。
　　

　　（2）光干涉产生结构色

　　波长相同，传播方向相近的两束光会互相作用产生相长增强或相消删除的作用，例如在薄膜光干涉中，导致皂泡、水上油膜、双折散材料和一些动物颜色中产生彩虹色彩。这种光干涉色彩的色调是纯粹的，有金属光泽和透明性，不能采用染色方法获得，而且随着观察者的角度变化而改变颜色。对光干涉产生颜色长期以来进行了大量研究，而且可以进行精确的测定和控制。
天然存在的几种干涉生色例子如下：

　　鸟类羽毛干涉生色：鸟类存在干涉产生颜色，包括它的眼睛和皮肤等部位。即使是鸟类的羽毛，除了前述通过羽毛的羽支，特别是其上面的小倒刺表面组织对光发生散射，产生蓝色或绿色等外，还会通过干涉产生绚丽色彩，例如孔雀的羽毛，因为羽毛羽支上的小倒刺表面上，存在大小不一的许多薄片。小倒刺表面约为2×100p.1m大小，它被大小约为1×2.5¨m的百片形状为椭圆形的薄片组织组成的薄膜所覆盖，而且组成若干相互平行的层状结构。每层厚度随蜂鸟种类不同而异，约为200～350nto，它们的大小都约为可见光波长一半左右，因此对可见光会产生多重反射干涉，产生颜色，不同蜂鸟产生的颜色也都不同。

　　图3 一种蜂鸟羽翼小倒刺的表面结构 　　 图4 热带闪蝶照片

　　
　　蝴蝶干涉生色：昆虫的干涉色例子很多，最为典型的是蝴蝶的干涉色。蝴蝶有非常美丽的彩色，重要起因是能够呈现绚丽的干涉色。图4为某种蝴蝶的照片，在它的翅膀的薄片对光发生干涉分不开。

　　由图5A可看出，翅瓣鳞粉的结构很复杂，它大致由两部分，即翼鳞粉和支条组成。鳞粉大小为150×100μm，厚度约为0.54μm，它上面平行排列着许多薄片（又称隆线，厚度约为0.08μm）。薄片问距离约为0.14～0.16μm，翼鳞粉高约为1.8μm，相互间距离约为0.70um支撑的支条高约为1.7μm。翅瓣的立体模型见图5B薄片处在翼鳞粉的陡峭斜边上，相互平行排列，类似于多层的薄膜可对光发生干涉作用，当入射光以相当窄的角度入射到这些平行排列的薄片将产生干涉作用，并产生干涉结构色。图6为翼鳞粉表面平行薄片的干涉作用示意图。

　　自然界这种干涉作用产生颜色的例子很多，还包括甲壳虫外壳、鱼鳞和眼睛、蛇皮以及一些矿石的干涉生色。
　　

　　（3）光衍射产生结构色

　　光衍射产生结耕色取决于物体各层间的距离，并随观察角度而改变颜色，最典型的例子是液晶生色。

　　结构生色的现象很多，它的颜色和色素生色有很大不同。它特别明亮，颜色鲜艳，而且往往随观察角度而不同。这是一种无污染的生色途径。

　　来源：东华大学