亮布的结构分析及色彩成因yd20918

王岩1，秦修远1，沈蓓2，施昌勇3，龚羹1 1、北京服装学院材料科学与工程学院，北京 100029；2.广西工艺美术研究所，广西南宁 530012；3、北京服装学院基础部，北京100029

收稿日期：2016-07-20 修回日期：2017-04-11

基金项目：国家自然科学基金项目(51573211)；广西科技厅基金项目(桂科转1355099-7)；北京市教委面上项目(KM2015100120095)

作者简介：王岩(1990-)，男，硕士生。主要研究方向为拉曼光谱。龚莫，通信作者，E-mail：2205206742@qq.com。

原载：纺织学报2017/7;85-89

【摘要】为拓展纺织品环保设计思路，从民族传统手工纺织品中挖掘工艺效果借鉴点，并合理地建立理论支撑和研究方法，采用扫描电镜、拉曼光谱、紫外一可见光谱等仪器与检测方法对亮布的显微结构和光学与光谱学特征进行分析。针对亮布的色彩来源问题，进行科学剖析和理论解释。结果表明，亮布表面泛着金属光泽的绛紫色，是靛蓝染料的化学色和亮布结构色的综合作用结果。绛紫色的结构生色部分来源于2个方面：一方面源于亮布表面覆盖的膜层结构所导致的薄膜干涉作用；另一方面则源于表面规律的微观凸起结构所导致的衍射作用。亮布金属光泽则源于薄膜反射和多级干涉。

【关键词】亮布；结构生色；拉曼光谱；民族纺织品

【中图分类号】TS 10 文献标志码：A DOI：10.13475／j.fzxb.20160706105

亮布[1]是一种传统民族手工纺织品，主要存在于黔桂湘三省交界地带的苗族、侗族地区的民族服饰中。亮布历史悠久，具有较好的服用价值、艺术价值和文化价值，其泛着光泽的绛紫色散发着神秘感和高贵气质。目前的研究主要集中在亮布的服用性能，针对其生色原因的研究鲜有报道。物质生色可分为化学生色和结构生色[2-3]，结构生色可产生鲜艳的色彩和明亮的色泽，其产生原因基于微结构的规律和尺寸，大致有薄膜干涉、衍射、散射和光子晶体[4-5]。目前纺织品结构生色应用研究较少见，比较新颖的如织物光子晶体可控颜色纺织面料[6-7]、光子品体石墨[8]印花。本文从结构生色角度对亮布色彩进行研究，为纺织品环保设计[9]中结构生色面料的设计提供理论参考和新思路。相对于传统印染成色，结构生色闪其属于物理生色，不需要化工染料处理，具有很大的环保优势，不仅可满足消费者健康、时尚的服饰材料需求。还有利于减少纺织品生产过程中的环境污染。

1 实验材料与仪器

实验材料取自广西侗族村落手工生产的绛紫色亮布。实验仪器包括：Tu-I901型双光束紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；DXR型显微拉曼光谱仪(赛默飞世尔科技公司)；JSM-6360型扫描电子显微镜(日本电子株式会社)；VK型激光共聚焦显微镜(基恩士(中国)有限公司)；RM 200型测色配色仪(PANTONE X-Rite公司)等。

2 结果与分析

2.1 光学性能

广西亮布是在靛蓝染布的基础上经过表面特殊处理后的绛紫色面料，具有金属光泽，显微镜下观察到的照片如图1所示。

(a)正面 (b)反面

图1 亮布的表面形态照片(×l 50)

亮布的传统染整工艺可分为2部分：一是上色工艺，即将自纺自织的棉布依次经过天然靛蓝染液浸染、漂洗和晾晒过程上色，面料每染漂1次，晾晒1次，颜色就加深l层，从浅蓝色到蓝黑色；二是生色工艺，即将上染好的蓝色系面料依次经过多次重复的上浆、熏蒸、复染、捶打过程，让面料表面更平整，色牢度更高，发出金属光泽，透出绛紫色。从生色工艺来看，推测上浆的成分、熏蒸捶打过程导致的可能的结构特性与亮布生色有直接关系。根据色相组合原理，亮布绛紫色是由红色和蓝色混合而成，而根据色彩互补理论，亮布若能呈现红色则应是吸收可见光中绿光部分的结果。根据减色混合原理，亮布中蓝色染料部分吸收红光、反射绿光和蓝光，亮布的绛紫色则是源于亮布中其他成分对绿光大量吸收从而表现出红色或结构所致，从样品的紫外-可见光漫反射光谱，如图2所示，

图2 样品的紫外-可见光漫反射光谱

图中4条数据线为样品上随机选取的4个区域的检测结果)可看出，亮布在绿色光波段内吸收显著，而在紫色和红色区域有2个明显的反射峰，红色区域反射峰很强，且整个样品表面数据结果一致。为确定面料特殊处理后的成分是否对其颜色有显著影响，首先进行了拉曼光谱测定，结果如图3所示。

图3 亮布的拉曼谱图

1800 cm-1 处附近为蛋白质C-H伸缩振动的指纹峰，1 573 cm-1 处有明显强特征峰，应为色氨酸残基的特征振动峰，该峰区别于动物胶，是蛋类组分独有的特征[10]，此外759 cm-1处为蛋氨酸残基中C-S键伸缩振动峰，l 456cm-1处为脂类中CH3／CH2变形振动，870、1 003、1 2l0、1 630 cm-1 处的峰归属于芳香类氨基酸如酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，特别是l 003 cm-1处丙氨酸残基振动峰为蛋白类胶料共有的常规振动峰[11]。由此可知，实验所用亮布中存在蛋类蛋白物质。

亮布的传统工艺里，上浆过程根据不同地区的习惯大都会使用蛋清或牛胶中的一种，二者最终呈现出来的亮布在外观和色泽上一致，因此进一步以本次蛋清处理过的样品进行研究。由于蛋清蛋白质在可见光范同内无明显吸收[12]，所以其成分与亮布的色彩本身并无显著关联。由此可推测，亮布的紫色并非完全由染料颜色等化学色形成，而是由基底的蓝色和因结构生色而致的红色混合而成。为进一步探索亮布表面可能存在的可形成结构色的结构，对其显微结构做了进一步研究。

2.2 微观结构

亮布表面显微形貌如图4所示

（a）正面	（b）反面	（c）二维微观形貌
图4 亮布表面显微形貌照片

可看到亮布正面有明显壳层结构，且发生皲裂(见图4(a))，亮布反面可看到纤维结构(见图4(b))，纤维表面亦覆盖有较明显的膜层结构，结合拉曼光谱，2种层状结构应为蛋白质为主的成分。

由于存在正面壳层和背面膜层，因此应考虑其存在薄膜干涉作用，从亮布正面壳层皲裂程度较大的表面壳层三维微观形貌(图4(c)可看出，壳层有明显的厚度分布，结合显微镜厚度识别功能，可粗略测算出壳层厚度约为2.5 µm 这是因为在亮布的制作工艺中是从亮布正面单侧上浆进行捶打，并且上浆的过程中还会重复几次复染和漂洗步骤，故正面壳层实际上是多次上浆层和染料层叠加后捶打复合的结果，无法直接确定起生色作用的蛋白质层厚度，而亮布反面的膜层是上浆后蛋白质成分通过捶打工艺渗透到背面纤维上的，无多层复合的染料上浆混合叠加层 此外染料分子会对红光产生吸收，即无论壳层还是膜层本身不会因对可见光的吸收导致红光的反射叠加，另一方面参考单层薄膜干涉生色原理[13]，入射光照射到亮布表面时，未被纤维及染料吸收的光发生折射和干涉，从 4(b)中纱线表面膜层断裂的部分可粗略看出，其厚度约为0.8µm，薄膜干涉所产生的光波长的计算根据如下薄膜反射干涉公式进行。

式中：d为实际起中色作用的膜层的厚度；n1、n2 分别为空气、蛋白质的折射率；i1 为光线入射角度；j为干涉级数；λ为出射光波长。假定光线(白光)以30°～75°入射，空气折射率约为1.00，蛋清白蛋白质折射率约为1.35，因薄膜厚度约为0.8 µm，根据入射角度变化范围可通过薄膜折射反射光程差公式[14]计算， 得到光程差范闹为1 403.1～l 549.3 nm，属于三级干涉的光程差范围 (1100～l 650 nm)，故 j=2，由此可计算出在既定条件下，由于薄膜干涉所产生的光的波长范围为623.6～802.5 nm，即随着观察角度(视线与亮布平面夹角)的增加，紫红色越发明显。此外，当光线入射角度为30°时，理论计算波长已经达到人眼对光线颜色感知的极限，所以起到薄膜干涉作用的膜层实际厚度应略小于0.8µm，结合紫外-可见漫反射谱网所对应的700nm波长、光线从30°入射，可计算得到膜层厚度约为0.7 µm。当以极限条件即光线垂直入射时，可计算出膜层厚度约为0.65µm，所以可推测膜层的实际厚度存0.65～0.7µm之间，此外，因二级干涉后面的所有等级干涉均为相同颜色，并且颜色逐渐减弱，在区域性光的加强和减弱出现明显的层次感和对比，同时捶打工艺也导致了因表面平整而光反射能力增强的亮度增强效果，与纺织轧光工艺有异曲同工之处，所以亮布的表现为感官光泽度的提升。由此可推测，亮布的色泽一部分来源于可见光照射后亮布表面折射反射后相干光作用的结果。

进一步增加扫描电镜放大倍数，探究亮布表面可能存在的其他结构生色因素。考虑到样品表面在做扫描电镜前制样的过程中进行了喷金处理，表面的喷金可能影响微观结构的观察，因此，在经过喷金处理后，将亮布表面使用刀片进行划刻，使同样绛紫色的纤维暴露出来进行观察。将扫描电镜放大到1万倍观察微观结构，如图5所示，

图5 亮布表面纤维显微形貌照片

图中右上角显微照片为纤维上红色圆周区域局部放大到2.2万倍后的表面形貌，可看到所选择的纤维刚好存在膜层脱落的情况，纤维下侧膜层脱落后较为光滑，纤维上侧仍存在膜层，膜层表面有密集排列类似沟壑的微观结构。通过局部放大图可看到，纤维表面膜层上是一个个凸起的密排结构，每个凸起的平均距离约为270 nm，与孔雀羽毛结构生色的研究[15]中，纤维加蛋白质圆柱形棒状物所形成的二维晶体结构类似，通过适用于二维晶体生色的修正的布拉格衍射方程[16]进行验证：

其中：λmax， 为最大衍射峰波长；m为布拉格衍射规整度(在这里结构较为规整，m=1)；d为2个凸起间的平均间距，约为270 nm，n2为凸起结构材料的折射率，与之前的研究相同，为1.35；θ为观察角(此处为视线与法线的夹角)，通过计算可确定，在亮布纤维表面膜层上的微观密排凸起结构在尺寸参数下，可观测到红光(600 nm波长以上)的观察角度范围约为0°～60°。这说明，亮布纤维表面膜层上的微观结构也具有生色效果，并对亮布的绛紫色有贡献。另外值得思考的是，在上述角度范同内刚好属于可形成红色衍射光的条件，并与薄膜颜色所得到的红光在观察角度范围上具有叠加，这部分叠加的光也可能通过相干作用得到区域性的增强效果，宏观上表现则是明度的增加和颜色的艳丽。

2.3 颜色分析

为确定表面膜层结构对亮布色泽的影响，对亮布不同视角和水洗处理后的样品进行了测色，结果如表1所示。

表1 亮布的测色结果

注：观察亮布色泽随水洗时间变化时，观测角为60°

由表可看到，不同视角L值存在小范围波动，即明度变化，而随着光泽的增加，a值向红色偏移，亮面呈紫红色光泽视觉效果，随着光泽的减弱，b值向蓝色偏移，说明色彩更趋于蓝紫色。多角度的色彩混合呈现组成了亮布所特有的绛紫色金属光泽，这也与微观结构研究中薄膜干涉计算结果一致。水洗过后，L值出现显著下降，即亮布表面光泽消失，而b值向蓝色偏移，颜色变蓝色，在随着L值下降到很低的过程中，b值又向0偏移，与亮布壳层及纤维膜层近乎完全洗脱后的蓝黑色相符合，说明薄膜干涉和二维晶体生色结构受到了破坏，而得到的红色叠加消失，亮布恢复到由染料本身所成的颜色，也就是说亮布的绛紫色与蛋白质膜层结构有直接关系。

3 结 论

以侗族传统手工艺品亮布为例，结合亮布染色及上浆工艺过程，通过光学及光谱学手段剖析其薄膜干涉、反射以及微观结构与亮布色泽的关系。结果发现，亮布表面泛着金属光泽的绛紫色，属于靛蓝染料的化学生色和亮布表面结构生色的综合作用，绛紫色部分源于亮布上浆工艺所形成的表面膜层结构的薄膜干涉作用，另一部分则源于表面规律的沟壑结构，其金属光泽则源于薄膜反射和多级干涉。

在应用层面，纤维和面料是纺织品的基本构成单元，随着纺织印染行业环保要求的不断提高，通过类似亮布生色现象的研究，可利用科学的方法，从传统手工艺中最自然的部分探索环保纺织品的设计灵感和思路。

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