（纺织工程专业论文）基于图像处理技术检测羊绒羊毛混纺比.pdf

摘要 摘要 羊绒是取自山羊身上的一层细绒毛，纤维细长、手感柔润被誉为“纤维之王”。我 国是毛绒制品生产、加工、出口大国，在世界贸易中占有重要份额。随着各种毛绒混纺 织物的大量出口，羊绒、羊毛织物的成份含量鉴定工作已成为维护企业、商家与消费者 权益，增加我国国际市场竞争力以及打击假冒劣伪的重要一环。产品质量的把关、商标 标识的真实性和准确性已越来越受到业界人士的广泛重视，如何有效规范毛制品行业， 快速准确的检测羊绒羊毛混纺纱线成分含量对当今贸易交易检测有着相当重要的意义。 论文对比分析了羊绒、羊毛纤维结构差异，主要从纤维细度、鳞片结构等物理因素 以及等电点角度进行比较分析，并选用了三种不同颜色的染料对羊绒、羊毛纤维进行染 色实验，通过测定羊绒、羊毛染色后染液残液的吸光度值验证两者在上染率方面的差异。 最后使用h i 一1 号纤维鉴别着色剂对羊绒羊毛混纺纱线着色，着色后羊绒显紫色4 r 、羊 毛显桃红色5 b ，制作着色后混纺纱线横截面切片并摄取切片图，根据图片中纤维得色 的差异，应用图像处理技术通过色彩的识别来分离羊绒、羊毛纤维并计算测试羊绒、羊 毛成分含量。 研究表明，羊绒与羊毛纤维在染色性能方面的存在着较大的差别，使用计算机图像 处理技术与着色法相结合的方法，通过设置二参数颜色和等效直径进行判别，可较为 精确的鉴别并测试出羊绒、羊毛混纺纱线的成分含量。测试结果对照试样原始羊绒羊毛 成分含量数值，具有较高的精确度，该方法是对羊绒羊毛混纺纱线成分鉴别，含量测试 的一种探讨。 关键词：羊毛，羊绒，上染率，混纺比，图像处理技术 a b s t r a c t a b s t r a c t c a s h m e r ei st a k e nf r o mt h ef i n el a y e ro fv i l l ao f g o a t s i ti su n i f o r ma n ds o f t r e p u t e dt o b et h ek i n go ft h ef i b e r o u rc o u n t r yh o l d st h ei m p o r t a n ts h a r ei nt h ew o r l dt r a d eo fc a s h m e r e a n dw o o li nt h ep r o d u c t i o n ，p r o c e s s i n ga n de x p e r t w i t hm o r ea n dm o r ec a s h m e r e w o o lb l e n d f a b r i c se x p o r t ，t h em e a s u r eo fb l e n dr a t i ob e c o m e sm o r ei m p o r t a n tf o rt h er i g h t sa n di n t e r e s t s o ft h em a i n t e n a n c ee n t e r p r i s e ，t h eb u s i n e s sa n dt h ec o n s u m e r w ep a ym o r ea t t e n t i o no ft h e p r o d u c t s q u a l i t y , t h et r a d e m a r km a r k i n ga u t h e n t i c i t ya n da c c u r a c y , h o wt oi d e n t i f ya n d m e a s u r i n ge f f e c t i v e ，f a s ta n da c c u r a t eh a st h eq u i t ev i t a ls i g n i f i c a n c et ot h et r a d et r a n s a c t i o n e x a m i n a t i o n t h ea r t i c l eg i v e st h ed e t a i ld i f f e r e n c eo ft h ew o o la n dc a s h m e r ef i b e r , i n c l u d i n gt h e f i n e n e s s ，s c a l ea n di s o e l e c t r i cp o i n t a n a l y s i st h ev a r i a n c eo ft h ec a s h m e r ea n dw o o l sd y e i n g r a t eb yu s i n gt h r e ed i f f e r e n tc o l o u r sd y e st ot h ec a s h m e r ea n dw o o lf i b e r s a f t e ru s i n gh i 1 d y et os t a i ni n t ot h eb l e n dy a mo fw o o la n dc a s h m e r e t h ec a s h m e r ei sp u r p l e4 ra n dt h ew o o l i sc h e r r yr e d5 b t h e ns l i c ea n di m a g e ，i m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u ei sf i n a l l yu s e dt oi d e n t i f y a n dm e a s u r et h eb l e n dr a t i o t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a ti ti sv e r yd i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec a s h m e r ea n dt h ew o o li n t h ed y e i n gp r o p e r t ya s p e c t ，u s i n gt h em e t h o dw h i c ht h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h e s t a i n i n gm e t h o dt om e a s u r et h eb l e n dr a t i ot h r o u g hs e tu pt w oc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s e f f e c t i v e l y i ti n d i c a t e st h a tt e s t i n gt h er a t i oo fc a s h m e r e w o o lb l e n dy a mt h r o u g hi m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sf e a s i b l ew i t hh i g h e rp r e c i s i o nd i s t i n c t i o n k e y w o r d s ：w o o l ，c a s h m e r e ，d y e i n gr a t e ，b l e n dr a t i o ，i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： i 型盏 日 期 盘翌：之：2 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：型拖一一一 导师签名- 乏麴缉 勘矿7 日 期：反旧夕匆 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 1 1 1 现有羊毛羊绒含量测试方法 在毛绒纤维标准与检验、纺织纤维鉴别试验方法、羊毛混纺织物中纤维的定 性及定量分析方法等书及国家纺织品检验检疫方法规定中介绍了有关羊绒羊毛定性、 定量分析的常规检测方法。传统的鉴别检测羊绒羊毛混纺制品成分及其含量的主要方法 有溶液法、染液消光度法、光学微镜法、扫描电子显微镜法等i l a j 。 ( 1 ) 溶液法 溶液法( 4 j 【6 1 主要是根据羊绒本身皮质结构及其分布与羊毛的有明显的差异来区分鉴 别羊绒与羊毛纤维的，常态下羊绒纤维是蜷缩状而不是卷曲，热湿和化学作用会加剧或 消除这种蜷缩性，因此可以通过浸润处理的方法，从宏观形态上对羊绒和羊毛加以区别。 1 9 9 0 年，英国的s a g a ra j g 等人采用化学方法分析了各种角蛋白质纤维的特性。 羊绒的鳞片层较细羊毛薄，溶液容易渗透到纤维皮质层，加之纤维细度较细，溶液能够 渗透整根纤维。故经同一鉴别液处理后，两种纤维的卷曲变化不同。处理后羊绒纤维卷 曲伸展，沿整根纤维方向曲率变得很小且均匀；而细羊毛几乎仍保持着原卷曲形态，且 曲率不均匀。有实验表明，试样剪切长度为3m m 、在浓度为o 1 十二烷基硫酸钠水溶 液中处理1 h ，两种纤维的伸展差异最明显。借助光学显微镜可观察到此伸展差异。但由 于对试样剪切长度及处理时间有严格的要求，因而该方法未被广泛应用。该方法适合于 纤维宏观形念差异的鉴别，但相对特征和精度有限。 ( 2 ) 染液消光度法【5 j 通过选用合适的染料，找出羊绒与羊毛上色程度差异的最大条件，将两种纤维按不 同的混纺比进行混纺试样染色处理，用分光光度计分别测出各种已知混纺比试样的染色 残液的消光度e 值，根据实验数据建立混纺比与消光度的关系曲线或回归方程。根据所 测得未知混纺比的混纺纱染色残液的e 值( 在同样条件下) ，利用以上曲线或回归方程， 便可确定其混纺比值。这个方法目i i i 也仅限于人工操作，检测的准确性和检测效率都有 待提高【2 1 。 ( 3 ) 光学投影显微镜法【4 j 主要是根据羊绒与羊毛纤维的表面鳞片特征、细度等，在光学投影显微镜下分辨出 各类纤维( 放大5 0 0 倍) 。中国标准汇编已将此方法写入标准g b t 1 6 9 8 8 一1 9 9 7 特种动 物纤维与绵羊毛混合物含量的测定中。光学投影显微镜法易操作，且测试成本低，但 在实际操作过程中其测试的准确性主要依赖于测试人员的水平与经验。 ( 4 ) 扫描电子显微镜法1 4 j 扫描电子显微镜法测试的原理是基于大量对羊绒与羊毛类纤维的表面鳞片边缘高 度的测试结果【6 1 ，羊绒：0 3 3 - 0 4 1 u m ，羊毛：0 7 l u m ，从上面的测试结果可以看出 羊绒与羊类纤维的表面鳞片边缘高度之间有着明显的差异，依据这种鳞片结构特征的差 异来鉴别羊绒与羊毛纤维。首先用真空喷镀仪或溅射仪在样品上镀上一层约2 5 n m 厚的 金膜，再利用二次电子像，依据羊绒、羊毛鳞片结构特征进行鉴别。在鉴别基础上，通 江南大学硕十学位论文 过荧光屏准确的测取羊绒、羊毛纤维的直径和根数，根据相应标准计算出其各自的成份 含量。此检测方法测试的准确性较好，已被写入我国有关于羊绒与羊毛、特种动物纤维 混合物鉴别分析的标准g b t 1 4 5 9 3 1 9 9 3 山羊绒、绵羊毛及混合纤维定量分析方法 中，但由于其式样准备比较麻烦，测试速度较慢，操作较难，且设备价格昂贵( 目前一 台电子显微镜的市场价格需要几十万元) 绝大多数企业、质检机构都无法配备，因此影 响了它的推广应用。 ( 5 ) 国标定量检测方法l 7 j 在g b t 1 4 5 9 3 - 9 3 山羊绒、绵羊毛及其混合纤维定量分析方法及g b t 1 6 9 8 8 1 9 9 7 特种动物纤维与绵羊毛混合物含量的测定分别规定并介绍了使用扫描电子显微镜和 使用投影显微镜对羊绒、羊毛及其混合纤维与混纺产品中各类纤维含量进行定量分析的 方法。其方法主要是首先进行被检试样的制作，借助扫描电子显微镜或投影显微镜的人 工观测来判断并对羊绒或羊毛纤维进行定性分析，同时测量各类纤维的直径，并分别记 录各类纤维的根数，最后根据纤维的直径、根数、比重依据国家规定测算出最后的混纺 含量。在g b t 1 4 5 9 3 9 3 中规定在检测过程中每个片子沿水平方向上至少鉴别2 0 0 根， 总数不少于1 0 0 0 根，在g b t 1 6 9 8 8 1 9 9 7 中规定每个试样所测纤维根数不少于1 5 0 0 根， 可见每检测一份试样的工作量是相当大的。由于羊绒与羊毛的定性鉴别一环主要以鳞片 结构特征( 即鳞片形状、密度和鳞片厚度) 作为羊绒羊毛的区分依据，而这些依据并没 有一个量化的标准，往往主要依赖于检测者的主观感性理解。因此在实际检测过程中还 存在着许多诸如检测工作主要依赖检测人员的主观认识，每检一个试样工作量大且存在 着最终测量结果客观真实性等问题。因此目前国内大部分检验检疫机构对羊绒羊毛等同 种类纤维混纺制品的检测只能进行组成成分的定性分析而无法满足市场上对羊绒羊毛 等同种类纤维混纺制品的定量检测需求。 光学投影显微镜法与扫描电子显微镜法这两种方法都是通过观察羊绒与羊毛鳞片 特征，并根据鳞片结构的差异来对羊毛、羊绒进行鉴别的。前者主要依赖于人工主观判 断实测结果误差较大；后者试样制备难，判断较为精确。这两种方法的速度都较慢，且 其各自测试的精确程度尚有待考证，依据羊绒及骆驼绒制造协会( c c m i ) 的数据【8 】：1 9 9 5 年，最初使用扫描电子显微镜的实验室取得了骄人成绩：山羊绒准确率是9 5 ，而光 学显微镜仅为4 6 。1 9 9 7 年扫描电子显微镜测试山羊绒准确率为6 6 6 ，光学显微镜 为7 0 2 。但是到了1 9 9 8 年，电子显微镜却为5 8 3 ，而光学显微镜还是7 0 。以上 的调查数据说明，使用光学显微镜的实验室测试水平开始保持稳定，而使用扫描电子显 微镜的实验室出于观测量少、操作人员经验不足和一些尚不清楚的原因，测试的准确率 逐渐下降。但可以看出，光学显微镜和扫描电子显微镜鉴别的准确率都不高。 1 1 2 课题的目的与意义 羊绒与羊毛同属蛋白质纤维，他们的基本组成为角蛋白质【9 】，都是由许多细胞聚集 而成的，由于他们的化学组成和组织结构非常相近，因此对羊绒与羊毛混纺制品的定性 鉴别与定量分析存在着一定的难度。 通过上面的分析可以看出虽然科研工作者归纳总结了许多有效鉴别羊绒、羊毛的方 2 第一章绪论 法，国家标准中也规定并介绍了羊绒与羊毛混纺制品的成分含量测试方法，但往往在实 际的检测操作过程中还存在着实践操作难、工作量大、送检周期长、测试结果客观准确 性不高等问题。如何快速准确的鉴别并测试出羊绒与羊毛混纺织物的成分含量已成为国 内外许多商家与纺织品检验检疫部门亟待解决的难题之一，近年来国内外一些学者也致 力于寻找新的方法对羊绒与羊毛混纺制品的成分进行定性定量的分析，本科题主要着眼 点是通过羊绒与羊毛纤维的结构差异，结合纤维着色方法并利用m a t l a b 图像处理， 研究探讨并寻找出一个羊绒与羊毛同种类纤维混纺制品成分含量的快速鉴别检测方法。 1 2 国内外的研究现状 目前国内外许多学者都在探索能否采用自动或半自动的计算机图像识别技术来代 替传统的人工检测。对于羊绒与羊毛混纺制品的鉴别研究主要包含两个方面：一是羊绒 与羊毛的定性鉴别；二是羊绒与羊毛各自含量的定量分析。可见羊绒与羊毛的成分含量 测试主要是建立在羊绒与羊毛定性鉴别基础之上的。 1 2 1 国内目前的研究状况 近年来国内外的许多研究机构和研究人员都在尝试用各种物理、化学、生物的方法 来比较准确的鉴别羊绒和羊毛纤维及测试羊绒羊毛混纺织品的成分含量，目前国内主要 研究动态有： ( 1 ) 原北京商检局从1 9 9 5 年开始致力于利用图像识别技术对羊绒和其他纤维鉴别的 方法研究。通过大量研究羊绒和其他动物纤维的形态结构，开发和建立扫描电子显微镜 和光学显微镜c a t ( 计算机辅助测试) 系统，利用图像处理和模式识别技术提取图像中 的纤维目标。通过对采集的代表性羊绒和其他动物纤维样本的测试分析，对纤维表面形 态和鳞片结构的特征差异进行准确的定性描述和定量分析i l 。 ( 2 ) 碱溶度差异法 碱对蛋白质纤维有明显的破坏作用，能使蛋白质纤维大分子中的盐式键断开( 特别 是和羟基起化合作用) ，并使胱胺酸发生水解。碱溶度是指试样损失的重量对原试样重 量的比值百分率。利用蛋白质纤维表面结构差异以及胱胺酸含量的不同( 山羊绒的胱胺 酸质量分数为1 5 8 9 ，羊毛为1 0 8 4 1 2 2 8 ) ，不同毛绒纤维与不同浓度的氢氧化 钠作用时，损失质量的百分率会有所不同来鉴别羊绒羊毛纤维j 。在初始的处理过程中 ( 低温、低浓度、短时间) ，羊绒与羊毛的碱溶度差异不大，羊绒的碱溶度略高于羊毛， 但随着作用的加剧，羊绒的溶解速度低于羊毛而使羊毛溶解度逐步高于羊绒，且差异越 来越大，到达一定程度后差异又丌始基本不变。在温度为6 5 c 、浓度( 质量分数) 为0 7 5 的碱溶液中处理3 0 m i n 时，羊绒与羊毛的碱溶度差异最大，分别为3 3 3 和1 6 6 5 。 此条件可作为羊绒、羊毛含量定量分析的条件。但该方法需要在特定的试验条件下进行， 并且耗费时问较长。 ( 3 ) 近e _ l 夕l - 光谱法( n i r ) 近红外光谱技术是一种间接分析技术，是羊绒、羊毛组成光谱分析方法中的一种。 主要是利用v i s i o n 软件提供的标准正规变差( s n v ) 功能对原始谱图进行分析处理，再对 原始谱图求取二阶导数，以降低基线的漂移，强化光谱信号。国内目前在这方面有所研 江南人学硕十学位论文 究，北京服装学院的赵国揉老师与皆能( 亚洲) 有限公司的徐静将近红外光谱技术应用到 了羊绒、羊毛鉴别工作方面【l2 】：主要是利用常规分析手段获得所选校f 样品集中目标组 份或性质的基本数据，再运用化学计量学方法建立较正模型，最终实现对未知样本的定 性或定量分析。在试样鉴别过程中，采用s n v 和二阶导数光谱处理方法及波长空间最 大距离的运算法则，将待测光谱与试样光谱相减，并在每个波长处计算出标准偏差，当 最大值小于某一阈值时，即认定待测物为该种产品( 羊绒或羊毛) 。这种方法免除了样品 前处理的工作，可实现对样品的无破坏检测，但其准确性、可靠性很大程度上取决于建 立模型数据库的代表性。如欲将n i r 技术真j 下应用于海关、商检等质量检验领域，有必 要逐步积累样品，建立更为完善的数据库和模型，这需要很长的时间。 1 2 2 国外目前的研究状况 ( 1 ) 扫描电镜法【l 4 j 1 9 8 3 年，k u d c h p 等人采用扫描电镜对大量的绵羊毛纤维试样及特种动物纤维试样 进行了分析、测试，结果表明羊毛纤维表面鳞片的边缘高度值在0 7 1 9 m 之间，羊绒 纤维在0 3 3 一0 4 1 “m 之间【6 】。此后在1 9 8 6 年，w o r t m a n nf j 等人建议采用扫描电镜 方法，以纤维表面鳞片的边缘高度值标准鉴别这两种纤维。其界限确定为羊毛表面鳞片 的边缘高度值大于0 6 9 m ，羊绒表面鳞片的边缘高度值小于0 5 9 m 。1 9 9 4 年我国规定采 用此种方法并将其写入测试标准。 ( 2 ) d n a 分析法 国际著名检测机构i n t e r t e k 在其技刊上介绍了d n a 分析法【1 3 】【1 5 】，由于d n a 的存在 使后代表现出来亲代相似的遗传性状，因此可以根据不同品种具有各自不同的d n a 特 性来区分羊绒和羊毛纤维，在提出这一构想之初人们普遍认为这或许是一个较为客观准 确的方法，使羊绒和羊毛的鉴别技术有一个实质性的飞跃，但是经过国外几年来的研究 表明，这一方法不能达到预期的设想，具有很大的局限性，而且对于经过染色后整理加 工的产品是无法鉴别的，并且它的成本和速度还没有达到普通实验室和送检者可以接受 的水平。 ( 3 ) 生物芯片法 不同有机物对不同的物质具有敏感性，若能记录下这些有机物产生的反应，并转化 成一定的信息，就可以达到探测目的。生物芯片法【8 j 就是根据这一原理设计的，根据羊 毛和羊绒纤维在d n a 链段上的不同的结构特征，利用d n a 特征来开发设计d n a 探头 和d n a 芯片。这种生物芯片采用微凝胶技术，在一块大小如显微镜载玻片的玻璃表面 上设计了多达1 万个作用如同微型测试管的微机构。在测试时通过每个微凝胶结构中的 化学物质与被测生物对象发生反应，便可以测出遗传物质脱氧核糖核( d n a ) 的序列、 基因变异、蛋白质相互作用和免疫反应等，从而鉴别羊绒与羊毛纤维。目前国外一些科 研机构主要致力于生物芯片技术的开发应用，主要有：美国a f f y m e t r i x 公司和国立阿贡 实验室。根据羊毛和羊绒纤维在d n a 链段上的不同的结构特征，利用d n a 特性来开 发设计d n a 探头和d n a 芯片。此外早在1 9 9 2 年，美国的h a m l y np f 等人首次制作 了具有绵羊特性的d n a 探头，可区别出从羊毛、羊绒分离出的d n a ，但目前尚未实现 4 第一章绪论 广泛应用。同本纺织检查协会( j s i f ) 目前也采用d n a 定量分析法检测羊毛、羊绒混纺 制品。j s i f 正在研究开发三组分动物纤维混纺d n a 定量分析法技术。但英国的b e m d t h r 等人指出了该方法在鉴别动物纤维类别时的局限性，该方法仅仅适用于未经过热处理 或化学处理的原状态纤维。 除以上方法外，目前国外正在研制的方法还有生物免疫反应。以上所介绍的国外研 究状况在技术理论上都具有相当大的难度和深度，即使其技术得以实现但由于其实际操 作平台要求高，很难的到普遍的推广与应用。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题主要是根据羊绒与羊毛纤维纤维结构及纤维本身特性的差异对染色性能的 影响，导致两种纤维在同种着色条件下短时间着色后的得色效果差异，并同时结合应用 计算机图像处理技术，自动区分鉴别羊绒羊毛纤维，最后结合数理统计知识再迸一步计 算出羊绒羊毛纤维混纺成分含量，以探讨一种快速准确的鉴别羊绒、羊毛纤维并测试两 者混纺制品各自成分含量的方法。课题主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对比分析羊绒、羊毛纤维结构差异，主要从羊绒、羊毛纤维的纤维细度、鳞片结构 等物理因素角度进行比较分析。测试在同种条件下羊绒与羊毛纤维各自对染料的上染 率，根据羊绒、羊毛纤维结构、染料性能及染色工艺条件分析这种上染率的差异，得出 同种条件下羊绒羊毛纤维着色后纤维得色存在明显差异。 ( 2 ) 使用h i 1 号纤维鉴别着色剂对羊绒、羊毛混纺纱线进行着色，再使用哈氏切片器 进行切片试验。采用视频显微镜对羊绒、羊毛混纺纱线切片进行图像采集。 ( 3 )以着色后羊绒羊毛纤维显色的不同为主要依据，使用m a t l a b 图像处理软件编写 语言程序，对采集图片进行滤波、去噪等图像预处理，在h s v 色彩模型下应用支持向 量机提取法鉴别区分羊绒羊毛纤维。最后再测试图像分离后的羊绒、羊毛纤维的各自纤 维直径，并依据国家羊绒、羊毛混纺纱线检验检疫检测标准来计算羊绒、羊毛混纺成分 含量，同时与已知混纺含量值进行比较分析，讨论采用图像处理技术检测羊绒、羊毛混 纺纱线成分含量这一方法的可行性。 5 江南人学硕+ 学位论文 第二章羊绒与羊毛的纤维结构对染色的影响 羊绒是从山羊身上梳取下来的绒毛，其中以绒山羊所产的绒毛质量晟好。羊绒与羊 毛纤维属于吲一类纤维，都是纺织工业的重要原料之一，它们的基本组成为角蛋白质， 都是由许多细胞聚集而成由于它们的组成和组织结构相衙，因此在吸湿、卷曲、摩擦、 拉伸等性能方面有着共同的特征。 羊绒与羊毛虽属同一类纤维，但他们在纤维结构上还是存在着一定的差异的，这些 结构的差异主要体现在羊绒与羊毛纤维的细度、长度、鳞片结构、卷曲等方面，也币是 山于羊绒与羊毛组成成分以及纤维组织结构的差异使羊绒和羊毛纤维在吸湿、染色等方 面存在着显著的不同之处。 2 1 羊绒与羊毛组成结构对染色的影响 羊绒与羊毛属同一类纤维，其化学组成含量非常相近下面主要从羊绒、羊毛纤维 的细度、鳞片结构形态和等电点因素讨论其对羊绒、羊毛纤维染色的影响。 2 1 1 细度对羊绒、羊毛染色的影响 毛纤维截面近似圆形，一般用直径大小来表示它的粗细，称之为细度单位为微米。 纤维细度是决定纤维品质和纤维使用价值的最重要的物理性质指标之一尤其是羊毛纤 维的细度，在各种物理特性中占首要地位。通常羊绒和羊毛纤维的细度，随着羊的品种， 年龄、性别、绒或毛的生长部位和饲养条件的不同，有相当大的差别。 一般我固规定羊绒细度范围为5 2 5 1 a m ，羊毛包括细支羊毛其细度范围为1 0 8 0 l t m l 9 ；从羊绒与羊毛的细度范围数据我们可以很直观地看出羊绒与羊毛的纤维细度差 异。在羊绒、羊毛纤维染色过程中染料被羊绒、羊毛纤维吸附，并向纤维内部扩散 由f 羊绒纤维细度明显小于羊毛纤维，因此在染色初始阶段染液更易渗透细度较细的羊 绒纤维。 2 1 2 鳞片结构对羊绒羊毛染色的影响 羊绒与羊毛纤维截面分布可划分为2 或3 个层次，即外表面的鳞片层、内部的皮质 层和中心的髓质层。细的毛绒纤维一般只有鳞片层和皮质层，没有髓质层，租的毛绒纤 维一般3 层兼具陋”】。 i | 鬻 围2 - i 羊毛鳞片结构 f i g2 - it h es i r u t c t u r eo fw o o l ss c a t e 鳞片表层是对化学药剂侵蚀作用抵抗力极强的拒水薄膜，也是阻止染、化科向毛纤 维内部扩散的表面屏障。鳞片外层主要为角质化蛋白质，位于鳞片表层下面约占整个角 第二章羊绒与羊毛的纤维结构对染色的影响 质细胞的6 0 ，其中光氨酸含量很高，大约每五个氨基酸残基就有一个光氨酸残基，较 难被膨化。皮质层位于鳞片层的罩面，由淀状的角质化细胞所构成，细胞在皮质层中与 纤维呈平行纵向排列并紧紧的挤在一起，由原始细胞膜诱导出来的结合剂物质的薄膜一 细胞问质( c m c ) 将其彼此分隔。而细胞问质( c m c ) 在作为组成毛纤维的最基本的物质 的同时，也是决定毛纤维的化学，物理和机械性质的主要部分，这主要是因为他是羊毛 内部唯一连续的组织，对羊毛纤维的物理化学性能有着不可低估的作用。 在无髓毛中皮质层与鳞片层构成了毛纤维的全体结构，是毛纤维的主体部分。髓质 层是髓毛自外向内的第三层，为海绵状的角质，是松软的多孔性结构，内含有大量的空 气。髓层是纤维在形成过程中没有充分角质化及在髓层部位缺硫的结果，故髓层发达的 纤维机械性能较差，纤维易于拉断，不易伸长而且难于染色。 鳞片的存在是毛纤维所独有的表面特征，鳞片层主要出角质化了的扁平状角蛋白细 胞组成，这些薄片状细胞以鱼鳞状重迭覆盖，包覆在毛干的外部，根部附着于毛干，梢 部伸出毛干表面并且指向毛尖，按不同程度突出于纤维表面并向外张丌形成一个陡面阶 梯结构，其主要作用是保护羊绒、羊毛纤维不受外界条件的影响。它的存在使毛纤维具 有独特的摩擦性、缩绒性、吸湿滞后性等以及不同于其它纤维的光泽和手感。 鳞片在羊毛表面上覆盖的形态基本上有三种：环状覆盖、瓦状覆盖和龟裂状覆盖。 鳞片的表面，不是完全光滑的，多少存在一些平行于纤维轴的纵向辉纹。鳞片排列的疏 密和附着程度，对羊毛的光泽和表面性质有很大的影响。 羊绒鳞片结构特征为：其纤维横截面多为规则的圆形，绒毛上被l 2 个环状鳞片 紧紧围绕，鳞片边缘细而清晰，与毛干的倾斜角度小；鳞片表面平而光滑，辉纹不明显： 鳞片暴露部分大；因而鳞片密度小，单位纤维长度( 1 m m ) 的鳞片数目约为6 0 - - 8 0 个【5 】， 鳞片较薄，厚度约0 4 9 m 。 羊毛鳞片结构特征为：羊毛分为粗、中、细三种。鳞片密度大，单位纤维长度( 1 m m ) 的鳞片数目约为8 0 - - 1 1 0 个左右【5 j ，粗毛在5 0 个m m 左右；鳞片厚度约为0 8 9 m 。粗羊 毛的鳞片呈扁形、不规则形或近似方形，暴露面积更大或全部暴露，鳞片仅是相互衔接： 鳞片表面粗造、不光滑，辉纹明显：鳞片边缘粗而不清晰。中i n j 型羊毛鳞片形状成片断 状或近似长方形鳞片，鳞片互相覆盖或互相衔接；鳞片暴露面比细羊毛大，鳞片表面粗 糙、不光滑，辉纹明显；鳞片边缘线粗而不清晰。细羊毛其绒毛上大部分由一个环状鳞 片所围绕：鳞片边缘不太清晰，与毛干形成较大倾斜，侧面有教多锯齿向外突出：鳞片 表面粗糙、不光滑，辉纹较明显；鳞片暴露部分比山羊绒小。 图2 3 、图2 4 为使用u n i o n 公司的d z 3 型视频显微镜摄取的羊绒羊毛纤维鳞片结 构图，实验所用羊绒、羊毛纤维均由无锡协新毛纺厂提供。 7 江南人学硕十学位论文 毛纤维的鳞片在染色过程中起着壁障的作用，染料分子被纤维表面吸附后向纤维内 部的扩散尚先要通过鳞片层。其与鳞片壁障之问的关系为【”l ： j h = - d b ( c o - c 。) 8s j n 一为进入纤维内部的染料量，6 一为壁障厚度 由此可见，染料扩散进入纤维内部受到纤维表面壁障厚度6 的影响，6 越大，染料向 纤维内部扩散越困难，纤维越不易上染。这主要是因为染料在上染的过程中分为吸附， 渗透、固着三部分。由于纤维和染料的分子或离子问的亲和力作用，染料向纤维转移被 吸附在纤维的表面，当染料吸附到纤维表面后便逐步向纤维内部渗透，首先是透过毛纤 维表面的过程，特别是致密的鳞片层。因此鳞片层是决定纤维上染率高低的一个很重要 的因素，羊毛和羊绒鳞片层结构的不同就决定了两者上染率的不同。 从以r 分析和图片可以看出羊毛鳞片厚度大、密度较密且问距很小，而羊绒的鳞片 较滓、密度较小且鳞片之问的间距也比羊毛大。因此染料在相同的时间，温度，p h 值的 情况下，更容易透过鳞片层较薄的羊绒纤维从而较快地渗透到纤维的内部。 2 1 3 等电点差异时羊绒羊毛染色的影响 毛纤维在不同的p h 值溶液中呈现出三种状态【”】： 。啦“导。睾。也一 p l 表示毛纤维等电点 在染液罩，染料( d s 0 3 n a ) 离解为： d s 0 3 n a = 圭n a + t d s o ； w h 1 ” ( 1 ) 当p h p i 时。毛纤维呈现、一状态，即羧基的电离使毛纤维带负电荷，不 能与染料所电离的负电荷( d s 0 3 ) 产生静电吸附，仅仅靠亲和力的作用，甚至还存在着 离子问的反作用，使吸附量降低。其过程为： 第二章羊绒与羊毛的纤维结构对染色的影响 采和力 f 一。一。1 w 也n + ；一喜 啦n 土 c o o 一 、c o o 一i _ + 一0 3 s d 斥力 h ，n ( 2 ) 当p h p i 时。毛纤维呈现。状态，即纤维带正电荷，能与染料负离子间 产生静电吸附，使吸附量增加。其过程为： 亲和力 ，1 。一1 !二 h 3 n +；岛n + - 一0 3 s d w c o o h + 。s 。3 础w c 。h c u ( ) h p h 与p i 的差值约大，纤维吸酸越多，因此在p h 值一定时，毛纤维的等电点与吸附 染料量之间有一定关系，纤维等电点越大，吸附染料就越多。但是p h 值过小时，染料与 纤维之间作用力就越大，染料向纤维内部的扩散速度就越慢。 经测试实验选用的由无锡协新毛纺厂提供的羊毛纤维的等电点为4 8 ，羊绒纤维的等 电点为6 5 左右。由上面的分析可知，等电点的差异会致使在定p h 指染液中染色时， 羊绒和羊毛吸附染料量的差异，直至上染率的差异。 2 2 小结 羊绒纤维较羊毛纤维鳞片密度、鳞片重叠小且鳞片较薄，在染色时，染料向纤维内 部扩散所受到的阻力小，纤维上染率高。 羊绒与羊毛纤维之间等电点的差异，也会导致在相同染色工艺条件中纤维吸附染料 量的差异，直至上染率的差异。羊绒纤维的等电点为6 5 ，羊毛的等电点为4 8 。在一定 p h 值条件下，毛纤维的等电点越大，吸附染料就越多；但是p h 值过小会导致染料与纤 维之间的作用力增大，影响染料向纤维内部的扩散速度。 通过以上分析可以看出羊绒与羊毛纤维的鳞片结构以及它们各自的等电点是影响 羊绒、羊毛纤维在染色过程中颜色上染的重要因素。但除了羊绒、羊毛的自身结构条件 与性能外，还应当考虑染色时所选择的染料的种类以及染色过程中温度、p h 值等工艺参 数的设定对羊绒、羊毛染色的影响。 9 江南人学硕十学位论文 第三章染料及染色条件对染色的影响 纤维在染色过程中，染料种类的选择及染色工艺参数的确定对纤维最终的染色效果 有着十分重要的影响。染料从染浴进入纤维之中，并与纤维结合是一个十分复杂的过程。 一般我们将染料在染浴中上染纤维并与之结合的过程分为三个阶段：染料被纤维吸附； 被吸附的染料向纤维内部扩散；染料与纤维结合而被固着。这三个阶段既不相同，又相 互制约，不是截然分开的。 3 1 染料上染纤维过程 根据羊毛、羊绒的化学特性和纤维结构特性，一般在上染羊绒、羊毛纤维时，可以 使用酸性染料、酸性媒介染料和金属络合染料等。染色时染料的上染是一个十分复杂的 过程，一般可概述为以下三个阶段【2 0 】： 染料吸附阶段：当纤维进入染料溶液上染时，在一定温度、浴比、p h 值、助剂、 电解质等条件下，由于纤维和染料的分子或离子间的亲和力作用，染料逐渐有向纤维转 移趋势，染料首先被吸附在纤维的表面，称为染料的吸附过程。不同的纤维对不同的染 料，其吸附能力也不同，如纤维素纤维对直接染料的吸附能力大，对酸性染料则吸附能 力小；羊毛对于酸性染料的吸附能力较大，对一些直接染料的吸附能力较小。 染料的扩散阶段：染料从纤维表面扩散到纤维内部，主要以分子状态在无定形区进 行扩散。将纤维染透称为染料的渗透过程，也是一个浓度平衡的过程。一方面由于纤维 在染液中逐渐膨化，分子间空隙增大；另一方面被吸附在纤维表面的染料量逐渐增大， 纤维表面的染料浓度比纤维内部的染料浓度大，致使染料逐渐由外部扩散到内部，使纤 维内外部的染料浓度达到平衡。纤维表面为维持染料浓度的平衡，则染料仍继续扩散到 内部去。如此连续进行，直至达到染料吸附与解吸平衡为止，此时完成了染料的扩散渗 透作用，这主要取决于染料本身的溶解性能和纤维膨化。 染料的固着阶段：染料经过扩散渗透到纤维内部后，与纤维发生结合，称为固着作 用。由于染料与纤维物理性质和化学性质的不同，其固着在纤维上的形态也不一样。染 料的固着可分为化学结合与物理结合两种，化学结合如离子结合，共价键结合，金属络 合等；物理结合如范德华力，电荷相互作用，氢键结合等。在实际染色过程中，染料与 纤维的结合固着，往往是几种作用同时存在，只是在不同的染色条件下，某种结合形式 可能占主要地位。因此染料的种类和其自身的性能也决定了其在上染毛纤维时的上染性 能。 3 2 酸性染料对毛纤维上染性能影响 3 2 1 酸性染料染色 酸性染料的名称源于酸性浴的使用，含有负电荷基团，如磺酸基等阴离子性染料。 鉴于磺酸基的强酸性，它在水中实际上是完全电离的，染浴中使用酸的范围从硫酸至醋 酸铵盐，羊毛纤维吸收酸并使纤维的氨基质子化。因此，染色过程包括了离子的交换过 程，并在染浴中产生羊毛纤维上的铵离子与染料阴离子的结合。 酸性染料的色谱范围齐全，包括绿色和黑色。不论染料的化学结构如何，根据染色 1 0 第二章染料及染色条什对染色的影响 特性可以分为四个独特的类别：均匀染色或匀染型酸性染料，坚牢型酸性染料( f a s t a c i dd y e s ) ；耐缩绒酸性染料，高耐缩绒酸性染料( s u p e r m i l l i n ga c i dd y e s ) 。染色特 性决定于染料分子的分子量和磺化度，用匀染型酸性染色羊毛，染浴中需要硫酸或甲酸， 并与元明粉一起使用。这些染料分子并没有牢固地连结在纤维的染席位上，在沸煮中产 生移染。坚牢型酸性染料通常是单磺化的酸性染料，分子量较典型的匀染性酸性染料大。 它们只有在匀染助剂的存在下，在纤维表面移染。耐缩绒酸性染料是具有较高分子量的 阴离子性染料，它较匀染型或坚牢型酸性染料对羊毛有更高的直接性。它们通常每一个 染料分子只有一个磺酸基，因而溶解性较低。它们有很强的聚集性，甚至在沸水中能够 得到胶体状的溶液。高耐缩绒酸性染料与耐缩绒酸性染料有着非常相同的特性，但是更 加疏水性。它们的分子中有很长的疏水性烷基链，具有很好的水洗牢度和光牢度性能。 3 2 2 弱酸性染料染色 弱酸性染料分子量较大，分子结构较复杂，较易聚集。因此，弱酸性染料的起染温 度易选择在5 0 - - 一6 0 ，若低于5 0 ，染料聚集会影响染料的均匀涧湿和匀染性。弱酸性 染料移染性较强酸性染料差，亲和力高，若在较强的酸性染浴中上染，染料在羊毛表面 很快吸附，甚至会造成纤维表面染料分子聚集难以扩散到纤维内部。因此，用弱酸性染 料染色时，必须很好地控制染浴的p h 值，丌始上染时染液应保持着弱酸性，上染接近完 毕时，再追加一些酸，以促成上染。 从以上分析我们可以看出普拉( p o l a r ) 染料作为一种弱酸性染料，其起染温度不应 低于5 0 ( 2 ，起染的p h 值应控制在弱酸性浴( p h 5 6 ) 中，之所以会出现外深内浅的色花， 一方面是因为起染温度过低，易使染料聚集，影响匀染性，另一方面是由于有些工艺醋 酸用量过大，造成起染时染浴p h 值过低，酸性太强染料被纤维表面迅速吸附并发生聚集， 不易渗透到纤维内部，既影响匀染性又会影响最终产品的染色牢度。 基于以上分析，后续实验普拉( p o l a r ) 染料染色工艺起染温度提高到5 0 ，同时对 于较深的颜色采取起染浴控制在p h 5 - 6 ，染色保持在一定时间再追加1 醋酸l - - - 2 次确保 吸尽的方法。 3 3 染色工艺条件 除不同种类染料本身的性能特点对纤维染色的影响外，在染色过程中工艺参数条件 的不同如时间、温度、p h 值等对染料的上染也有着相当大的影响【1 9 。2 引。 3 3 1 时间对上染率的影响 在染色的初始阶段纤维的表面会吸附大量的染料，这使得染料分子在纤维中呈不均 匀分布状念，由于染料在纤维表面浓度很高，而纤维内部染料的浓度又很低，这样就出 现了浓度梯度即存在着扩散动力，从而使染料不断的向纤维内部扩散，而扩散的进行又 打破了原来的吸附平衡，从而促进了纤维对染料的吸附，促使染色的继续进行。因此在 纤维染色的起始阶段，染浴中染料的含量最大，纤维表面大量吸附染料后，其浓度梯度 就大，扩散动力也就大，则上染率差异就大。 在染色进行一定时间后，染浴中染料分子数量减少，纤维表面与内部的浓度梯度减 小，扩散动力减小，染料的上染接近平衡，上染率差异也相应减小，羊绒与羊毛的上染 江南人学硕十学位论文 率随着时间的延长趋于接近。 3 3 2 温度对上染率的影响 温度是用来表示物体冷热程度的物理量，它是反映物体内部大量分子无规则运动的 剧烈程度。温度的高低直接影响分子的热运动程度。一般温度越高，物体内分子做无规 则运动的速度越大，分子无规则运动的动能也越大；反之，温度越低，表示物体内分子 做无规则运动的速度越慢，分子无规则运动的动能也越小。 染浴的温度对纤维的染色起着很重要的作用，温度越高分子的热运动越剧烈，染料 与染色纤维的结合机会越大。但是也不能一味追求高温，在高温环境中虽然染料分子与 纤维结合的机会增加但同时由于分子热运动加剧染料脱离纤维的可能性也大大增高，同 时温度过高会对纤维造成某些永久性不可恢复的损伤，使之丧失某些优良特性。因此在 实际的染色过程中往往把染浴温度控制在某个范围内。 随着温度的升高，染浴中主要会出现以下几种情况：( 1 ) 染料分子的动能增加，染 料与纤维之问接触的机会增加、亲和力增加；( 2 ) 纤维膨化加剧，染料分子向纤维内部 扩散阻力减小；( 3 ) 染料分子的聚合度降低。 3 3 3p h 值对上染率影响 纤维在染色时，染浴中p h 值的大小会直接影响染料分子的上染与纤维对染料的吸 附、结合。一般p h 值降低，染料阴离子与羊绒、羊毛纤维正离子间静电引力增加，离 子间结合增多，上染速率加快。 通过实验可以更加清楚的验证染色时间、上染温度以及染浴p h 值等因素对相同条 件下羊毛、羊绒上染率的影响 3 4 羊绒、羊毛上染实验 3 4 1 实验材料与实验仪器 ( 1 ) 原料：羊绒、羊毛纤维( 无锡市协新毛纺厂) ( 2 ) 实验所用染料和试剂 t a b 3 1 d y ea n dr e a g e n t ( 3 ) 实验仪器 1 2 第三章染料及染色条什对染色的影响 设备制造厂家 u v 2 8 0 2 s 型紫外可见分光度计 电予天平 p h b 1 便携式p h 计 数显恒温水浴锅 2 5 m l 容量瓶6 1 5 0 m l 烧杯x 3 1 0 0 m l 餐筒 1 m l 移液管 尤尼柯( 上海) 仪器有限公司 上海精科天平厂 上海三信仪表厂 江苏省金坛市仪器制造有限公司 湖景玻璃仪器店 湖景玻璃仪器店 湖景玻璃仪器店 湖景玻璃仪器店 2 m l 移液管湖景玻璃仪器j 占 3 4 2 实验及测试方法 ( 1 ) 染色处方 蛋白质纤维在某一p h 值时，纤维中电离的氨基和羧基数目相等，纤维不带电荷， 这一p h 值称为纤维的等电点，一般羊毛的等电点为4 2 4 8 。强酸性染料结构简单， 分子量较小，染料与纤维的结合主要是离子键结合，纤