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国内外染料强度评价标准与方法

时间：2021年12月27日 分类：推荐论文 次数：

摘要:为了提高染料强度评价的精准性，对国内外染料强度评价的相关标准和方法进行了系统的研究。区分了中外关于染料强度的相关术语，剖析了中外标准推荐的各种方法的实质，并给予简洁的名称以方便描述，如主观法、仪器法、K/S法，简化Integ法、SWL法、SUM法、WSUM法(双

　　摘要:为了提高染料强度评价的精准性，对国内外染料强度评价的相关标准和方法进行了系统的研究。区分了中外关于染料强度的相关术语，剖析了中外标准推荐的各种方法的实质，并给予简洁的名称以方便描述，如主观法、仪器法、K/S法，简化Integ法、SWL法、SUM法、WSUM法(双简Integ法)，以及仅能作为补充方法的简便快捷的吸光度法，分析了各种方法的异同、适用性、难点和问题，以及可能的解决方案，为探求更精准的染料强度评价方法和标准提供参考。

　　关键词:染料;染料强度;颜色深度;标准深度;K/S

印染纺织论文

　　染料强度是指染料对其他材料的赋色能力，通常用某一染料相对于其标准品的赋色能力表征，又称染料的相对强度(relativestrengthofdye/colorant，或relativecolorstrength)，俗称染料力份。染料强度是染料的重要评价指标之一，在染料的染色、印花效果研究[1-2]，纤维、织物的染色性能研究[3-4]以及染整工艺研究[5]等方面均需要染料强度。因此，只有准确地测定染料强度，才能生产高质量的染料以及高效率地利用染料。根据《GB/T6687-2006染料名词术语》[6]，染料的相对强度，通称染料的强度，表示某染料赋予被染物颜色的能力相对于染料标样赋色能力的比例;通常用染得相等深度颜色时，染料标样与试样的用量之比，以百分数形式表示。

　　可见，染料强度可通过染色深度和染料用量来评价。关于染料强度的评价，国内外标准和方法有所不同。1国内染料强度的评价标准和方法国内评价染料强度的标准主要有两个:一是《GB/T6688-2008染料相对强度和色差的测定仪器法》，适用于仪器法评价所有非荧光染料的强度[7];二是《GB/T2374-2017染料染色测定的一般条件规定》[8]，除采用GB/T6688的仪器法之外，亦提供了一种主观评价法。

　　1.1GB/T6688的仪器法

　　首先采用样品染料和标准染料按照标准要求制备色样并进行测定，将试样和标样的染色深度根据GB/T4841.3-2006中的1/3标准深度进行调控，使两者的颜色深度尽量接近，其差别不应大于10%，否则，应调整试样或标样的染色浓度重新制备染样，使其颜色深度尽可能地接近。然后按照下述两种方法计算染料强度。

　　1.1.1K/S的计算方法

　　K/S的计算方法，本文简称K/S法，其实质是将试样与标样的颜色深度调节到1/3标准深度附近，且相差不大于10%，然后测试、计算试样与标样的单位浓度K/S之比，用分(或%)表示，如公式(1)～(3)所示。ST=100f2/f1(1)f=(K/S)max/C(2)K/S=(1-R∞)2/2R∞(3)式中:ST———染料相对强度，分(或%);f2———单位染色浓度的试样在最大吸收波长下的Kubelka-Munk函数值;f1———单位染色浓度的标样在最大吸收波长下的Kubelka-Munk函数值;(K/S)max———染样在最大吸收波长下的Kubelka-Munk函数值;C———染色浓度;R∞———完全不透明体的反射率。

　　K/S法适用于试样与标样之间目测具有相同或接近色光且最大吸收波长相同的情况，不适用于拼混染料、具有两个以上吸收峰或没有明显的吸收峰的染料、以及试样与标样之间虽目测具有相同的色光但反射曲线具有不同最大吸收波长的情况(同色异谱)。

　　1.1.2基于积分的K/S和伪三刺激值的计算方法

　　该方法的实质是通过调节染色浓度，使试样和标样的伪三刺激值之和I(K/S的权重和，又称得色深度)相等(I1=I2)，然后求标样与试样的染色浓度之比，如公式(4)～(6)所示。F(λ)=(1-R∞(λ))22R∞(λ)-(1-R∞(λ))22R∞(λ)(4)I=∑700λ=400SD65(λ)F(λ)(x10(λ)+y10(λ)+z10(λ))Δλ(5)ST=C1C2×100(6)式中:F(λ)———试样在某一波长下的KubelkaMunk函数值;R∞(λ)———染样在波长λ下的反射率;R∞(λ)———空白样在波长下的反射率。

　　I———染样的伪三刺激值之和;SD65(λ)———CIE推荐D65标准照明体光谱能量分布;x10(λ)，y10(λ)，z10(λ)———CIE1964标准色度观察者配色函数;Δλ———波长间隔。ST———染料相对强度，分(或%);C1———标样的染色浓度;C2———试样的染色浓度。这里的I值类似于Integ颜色深度，Integ计算公式中F比I的F多考虑了表面反射率R0，如公式(7)所示。因此，本文简称该方法为简化Integ法。F(λ)=[1-(R∞(λ)-R0)]22(R∞(λ)-R0)-[1-(R∞(λ)-R0)]22(R∞(λ)-R0)(7)计算时，如果试样与标样的伪三刺激值之和不等，即I1≠I2，那么必须通过逼近法迭代计算，利用理论上改变样品的染色浓度，使试样和标样的伪三刺激值之和最终达到相等(I1=I2)，然后再用方程(6)求出染料样品的相对强度。简化Integ法适用于求取染料相对强度的一切情况，但也需要将试样和标样调整至1/3标准深度，制样相对困难。

　　1.2GB/T2374的主观法

　　GB/T2387-2013、GB/T2378-2012、GB/T2394-2013等约20项染料(如反应染料、酸性染料、分散染料、还原染料等)的色光和强度测定标准，均采用GB/T6688和GB/T2374，表1给出部分示例。GB/T2374-2007已被GB/T2374-2017标准取代，其中，7.1.1.4染料强度目视评定中以目视染得相等颜色深度时，试样和标样用量的百分比表示，计算方法同公式(6)。

　　此外，该标准建议，测定染料强度时，染色深度既要满足分档清晰易于评定，又要适当降低操作误差，因此颜色深度一般在 SANDCOLORATION第58卷第6期GB/T2374-2007已被GB/T2374-2017标准取代，其中，7.1.1.4染料强度目视评定中以目视染得相等颜色深度时，试样和标样用量的百分比表示，计算方法同公式(6)。此外，该标准建议，测定染料强度时，染色深度既要满足分档清晰易于评定，又要适当降低操作误差，因此颜色深度一般在GB/T4841.1和GB/T4841.3规定的1/3～1/1标准深度之间为宜。对于藏青色和黑色染料，选择染色深度时还应考虑保证能反映出染料的真实颜色。

　　1.3国标三种方法的比较

　　将国家标准推荐的主观法、K/S法与简化Integ法进行对比，并分析其难点和评价精度。此外，还有一些问题，其中GB/T2387-2013规定染色浓度为2%～4%(o.w.f.)，若1/3标准深度在此范围之外该如何处理;GB/T6688的1/3标准深度无疑是增加了制样的难度，为什么要染至1/3标准深度;想了解其他深度时染料的相对强度是否也可以采用此方法。

　　2国外染料强度的测试标准与方法

　　国外定义colorstrength为染料对其他材料的赋色能力[15]，以colorstrengthvalue(颜色强度值)表征，类似于中国标准的得色深度，相当于染料的绝对强度。定义染料的相对强度(relativecolorstrength，或者relativestrengthofdye)为标样和试样颜色强度值的比值，其中，将标准染料的相对强度视为100%。

　　2.1K/S权重和的方法

　　与中国标准类似，最初，国外在计算相对染料强度时，也是先将试样和标样调至相同的颜色深度，再通过计算试样和标样染料用量的比值得出相对染料强度，如公式(6)所示。WernerBaumann等人认为将试样和标样调至相同的深度存在一定的困难，因此他们推荐借助Kubelka-Munk方程的K/S(见公式(3))作为颜色强度值(colorstrengthvalue，类似颜色深度)计算染料的相对强度[15]。然而由于直接采用K/S计算时，在光谱区域两端会出现与视觉评判的冲突，因此，他们推荐采用以标准色度观察者光谱三刺激值为权重的K/S和作为颜色强度值，提出了公式(8)，染料强度即可通过计算试样和标样的单位浓度的颜色强度值得到。

　　2.2美国AATCC标准方法

　　美国AATCCEP-62008InstrumentalColorMeasurement标准推荐了4种方法计算颜色强度值，即:SWL、SUM、WSUM和TSVSTR[16]，然后利用公式(9)计算染料的相对强度。为方便描述，本文称之为SWL法、SUM法、WSUM法和TSVSTR法。SWL、SUM、WSUM可通过反射率或透射率计算，公式(10)～公式(12)所示为利用反射率计算，透射率的计算方法类似。TSVSTR是以三刺激值(X、Y、Z)的Y值直接表征颜色强度值，该方法仅在一些纺织工厂粗略使用，不适合于科学研究。 可见，不管采用国际标准还是国内标准，评价染料强度都非常繁琐，并且不同方法所得结果不一致甚至相互矛盾。为此，有人创新出不用染色的溶液法，但是溶液法仅适用于部分染料，不适用于明显不同吸收曲线和光致变色的染料，仅能作为染料强度评价的补充方法。

　　3染料强度评价的补充方法———溶液法(吸光度法)

　　溶液法，也叫吸光度法，它通过测定染液的吸光度计算染料强度，省去了染色过程，更为快速和便捷。但是此方法仅适用于透明、无颗粒、不散光、符合朗伯-比尔定律且染色过程结构稳定的染液[18]，如分散染料、活性染料和阳离子染料等[19-20];并且要求测试样品和标准品在光谱可见区应具有相同或相似的吸收曲线[18]。

　　因此，文献[18]指出，溶剂法只能是一种补充方法(supplementarymethod)，并且必须经过传统染色法证明可行才能使用。这也容易理解，因为染料在溶液中的呈色性能与其对着色物的上染性能之间还存在一定的差异。中国标准推荐了GB/T27594-2011分散染料原染料相对强度的测定分光光度法，其实质是吸光度法，即通过配制标样悬浮液和试样悬浮液，测试两者的吸光度，然后以试样的单位浓度吸光度对标样的单位浓度吸光度的百分比表示(干品染料)。对于潮品染料，需要再乘以原染料含固量的质量分数。

　　该标准命名为分光光度法欠妥，因为前述第1和第2部分的染色法也都采用分光光度仪测试染品的分光反射率，因此，将这种方法命名为溶液法或者吸光度法更恰当。刚颁布的GB/T39824-2021溶液中染料相对强度的测定[21]，标准名字就更准确，它是对国际标准ISO105-Z10[22]做了稍许改进，两种方式的实质相同。相关研究认为此类方法虽便捷、快速，但测试结果不够精准，建议仅作为参考使用[23]。

　　4总结

　　染料强度对于染料研发生产及其着色加工极其重要，现有染料强度评价方法已不能满足高质量发展的需求，本文对国内外主要染料强度评价标准和方法进行系统地研究，为遴选、改进和创新发展染料强度评价方法和标准提供参考。

　　(1)关于概念:理论上，染料强度有绝对强度和相对强度，但绝对强度无法直接表征，实际应用中采用染料的相对强度即可解决问题。因此，在国内，为了简洁表达和方便使用，常将染料的相对强度简称为染料强度。在美国等英文国家，采用colorstrength表示染料的绝对强度，用colorstrengthvalue表征colorstrength，并间接地采用了具有染色深度含义的一些指标表征，如K/S、SWL、SUM、WSUM等;使用relativecolorstrength或者relativestrengthofdye表示染料的相对强度。因此，中英互译时要注意，中文的染料强度不能翻译成colorstrength。

　　(2)关于标准:中国标准评价染料强度有主观法和仪器法，本文分析仪器法中2种算法的实质，分别简称之为“K/S法”和“简化Integ法”。美国标准同时采用染料强度值和染料浓度计算染料的相对强度，为染料强度值的求解提供4种方法，本文分别简称之为SWL法、SUM法、WSUM法和TSVSTR法，其中WSUM法的实质是“双简化Integ法”。此外，中国标准、美国AATCC标准和ISO标准都提供了一种溶液法(吸光度法)，用于测定溶液中染料的相对强度;该方法不用染色，简便快捷，但仅能做参考使用。

　　(3)难点:中国标准的仪器法需要将颜色深度调整到1/3标准深度且标样与试样相差不超过10%，主观法需要将颜色深度调整到1/3～1/1标准深度，这在实际操作中很难执行而常被忽略，因为标准深度的主观评价缺乏标准色样，客观评价缺少标准数据，而在实际应用中又需要获知染料在更大浓度范围的强度。美国AATCC标准提供了4种方法，虽然它对浓度和染色深度没有明确的规定，但是相关文献亦说明其色样的反射率在10%～25%之间时效果最好，不在此范围可进行一些修正或制备多浓度梯度样品求平均值，以降低误差。

　　(4)问题:现行标准方法的测试精度不够高。染料强度是染料性能表征的重要指标，决定染料品质和价值，精准地计算和表征染料强度对染料和纺织染整行业具有重要的意义。国内外染料强度的计算方法虽多，但大都是基于KubelkaúMunk公式进行计算。K/S值仅在低浓度时与染料浓度呈线性关系，致使国内标准中试样和标样染至1/3标准深度存在困难。国外标准虽对染色深度没有要求，但仍有研究表明它对较浅的色样(反射率在10%～25%之间)的计算效果更好，这也许是国内标准规定染制1/3颜色深度色样的原因。

　　(5)解决方案:随着颜色科学的不断发展，一些计算结果精准、适用范围广泛的色深表征公式被提出，颜色科学领域的新成果、新技术或许能提供解决方案。本课题组也基于前期研究的Yangn公式尝试了一种新的染料强度评价方法，操作简单方便，精度也明显高于传统方法，后续将进行更多的应用检验。随着生态发展、环保要求和科技进步，越来越多的新型生物染料、改性的纤维和织物被研究出，与之密切相关的染料强度的评价方法和精度也亟待改进。

　　参考文献

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　　[6]中国石油和化学工业协会.染料名词术语:GB/T6687-2006[S].2006.

　　[7]中国石油和化学工业协会.染料相对强度和色差的测定仪器法:GB/T6688-2008[S].2008.

　　[8]中国石油和化学工业联合会.染料染色测定的一般条件规定:GB/T2374-2017[S].2017.

　　作者：张靖晶1杨红英1谢宛姿2杨志晖1齐梦园1冯诺亚1

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