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    如圖l所示，光與紡織品的作用也是存在物理和化學作用，這些作用都可產生或影響顏色。物理作用包括（1）反射和漫射；（2）散射和透射；（3）折射或偏轉等化學作用則是對光的吸收。

    1 、自然界的一些結構生色現象

    物體顏色繽紛多彩。產生顏色是基于所含色素對光的吸收和對光的色散、散射、干涉和衍射等作用。色素產生顏色是對光產生選擇吸收作用的結果，即選擇吸收后互補光的顏色；而由色散、散射、干涉和衍射引起的是選擇反射產生的顏色，后者稱為結構色或組織色。這兩種方式產生的顏色，性能有顯著不同，有關選擇吸收產生的顏色，大家已很熟悉，因為通過染料染色，涂料著色產生的顏色就屬這種，本文不再重復。結構色和它有所不同，它不改變強度，結構色和它有所不同，它不改變光強度，結構色大致有以下幾種情況：（1）色彩艷麗，且隨方向強烈變化，色彩僅在直射光中看到，主要是由衍射光柵產生的顏色；（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生的顏色。

    色散產生顏色在普通物理學中都有介紹，這是牛頓使用一塊棱鏡觀察光譜時發現的，他解釋這是因為不同顏色光的折射率不同的關系，因而光通過棱鏡后可呈現紅、橙、黃、綠、藍、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。但和材料對光的吸收無關，所以是一種最典型的結構生色的例子，光通過棱鏡發生色散，光波長愈短，色散偏離角愈大，色散后可呈現一連續的彩虹顏色。

    發生色散的物質很多，最常見的是空氣中的小水滴，在雨后或噴水池旁容易見到，這時太陽光線以一次內反射形式通過球形小水滴發生色散。事實上，光線在小水滴中發生二次內反射時，還可以看到二次彩虹。

    寶石和一些其它材料，在反光時會發生色散，例如金剛石有極高的色散值，當金剛石旋轉時，有炫耀的彩色閃光出現。一些材料以細小顆粒施加到紡織品E也可以通過色散產生彩虹一樣的顏色。色散是結構生色最簡單的一種，自然界結構生色往往和色素生色同時出現。有關生物色素生色我們已有綜述文章發表。本文重點討論物體通過散射、干涉和衍射產生的結構色。

    （1）光散射產生結構色

    波長愈短，散射愈強，1-300nm粒子發生瑞利散射（小于可是光波長），較大粒子發生米氏散射（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。可是光照射后，光散射局限于羽支上。在羽支的外層上有一層無色透明，厚度約為10um的角質，而在角質下面則是一層箱狀細胞或稱蜂窩狀細胞，在箱狀細胞下面又有含有黑色素的黑色細胞層。箱狀細胞含有大量無規則的氣囊，大小在30到300nto范圍，它對光有很強的散射能力。羽支對光發生瑞利散射后產生藍色。試驗發現，如果使氣囊充滿液體，例如將藍色羽毛在酒精中浸湮一定時間，使氣囊充滿酒精，則藍色會消失，看到的是呈黑色的黑色素，而當酒精蒸發后，又會發生散射顯露出藍色。如果用槌敲打羽毛以破壞散射結構，也會使藍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，藍色也會消失，然而在羽支背部涂上黑色，則又會使藍色恢復。  

    （2）光干涉產生結構色

    波長相同，傳播方向相近的兩束光會互相作用產生相長增強或相消刪除的作用，例如在薄膜光干涉中，導致皂泡、水上油膜、雙折散材料和一些動物顏色中產生彩虹色彩。這種光干涉色彩的色調是純粹的，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。對光干涉產生顏色長期以來進行了大量研究，而且可以進行精確的測定和控制。

    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光發生散射，產生藍色或綠色等外，還會通過干涉產生絢麗色彩，例如孔雀的羽毛，因為羽毛羽支上的小倒刺表面上，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構。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，因此對可見光會產生多重反射干涉，產生顏色，不同蜂鳥產生的顏色也都不同。

圖3 一種蜂鳥羽翼小倒刺的表面結構     圖4 熱帶閃蝶照片

    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光發生干涉分不開。

   由圖5A可看出，翅瓣鱗粉的結構很復雜，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光發生干涉作用，當入射光以相當窄的角度入射到這些平行排列的薄片將產生干涉作用，并產生干涉結構色。圖6為翼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）光衍射產生結構色

    光衍射產生結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。

    結構生色的現象很多，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 、紡織品的結構及仿生著色

    結構色是一種無需用染料．顏料著色就產生的顏色，即一種清潔無污染的發色途徑，還可節水、節能，結構生色是一種生態仿生著色途徑。

    2.1結構生色纖維和薄膜

    仿照自然界蝴蝶等生物結構生色原理，目前已設計和研制了結構生色纖維，這是一種多層結構的纖維。通過嚴格選擇一定折射率的高聚物和計算各層的厚度，使纖維薄層對光干涉時，各層纖維薄層使發光發生相長增強作用，反射出很強的一定波長的彩色光。

    從前述蝴蝶翅瓣表面對光的干涉生色可知，只要其表面的薄片重復尺寸與可見光的波長相當，翅瓣表面的薄片起多層薄膜對光干涉作用，入射光在兩種不同層面的每一界面上都發生反射，只要薄層厚度和兩種薄層的折射率適當，就可使光發生干涉生色。

    表1為干涉生色光波長與薄膜厚度的關系。

    （入射角=0，  折射率=1.55）

    顏色 波長,nm 層厚度，μm

    紫    430    0.069

    藍    480    0.076

    綠    520    0.083

    紅    630    0.101

    表2為Motphotex絲的物理特性這種多層結構生色絲是扁平截面，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

   目前利用結構生色的薄膜和涂層產品已很多，并得到廣泛的應用。

    2.2結構色對顏料和涂層顏色的影響

    紡織品加工經常要用涂料（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，對紡織品，特別是對紡織品的底色會發生影響。在這些影響中，結構起了一定的影響。

    （1）顏料和結構色

    涂料（或顏料）著色性能不僅決定于它們的分子結構，還和它們的物理結構有關。顏料的顏色同時由對可見光的選擇吸收產生的顏色對光的散射、干涉和衍射引起的結構色兩種顏色構成，即分子結構變化會改變顏色，顏色的物理結構不同也會改變顏色。分子結構和顏色的關系和染料類似。本節僅簡要分析一下其物理結構的關系，即結構色和其物理結構的關系。

    同一化學結構的顏料，由于晶型、顆粒大小和形狀不同，它們的折射率、反射率等性能會不同，從而引起不同的結構色和色強度。事實上，這些物理結構也會影響其吸收光譜。圖9是散射強度和顏色強度與顏料顆粒大小的關系。

    由圖可看出，大多數白色顏料（曲線A）的散射率隨顆粒大小增加而增加，達到一定大小后（約λ2）達到最大，然后隨顆粒增大，反而減小。另一類顏料（曲線c），它們的散射強度雖然也隨顆粒增大而增強，超過一定大小后，也減小，但它們的散射強度比曲線A類小，達到散射最大值的顆粒也較大，這通常是一些有機有色顏料。

    由前述可知，當散射顆粒大小比光波波長小時，產生瑞利散射，主要產生波長短的藍色光，而且波長愈短散射愈強。比光波長的粒子通常產生白色的米氏散射，但其強度較低。散射強的顏料遮蓋好，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顏料，大多數折射率大于2（例如各類別的TiO2、鉛白、鋅白粉等），此外，它們的顆粒大小對遮蓋能力影響很大，當顆粒大小大約為可見光波長一半（即0.2～0.4um）時，光散射最有效，所以白色顏料的顆粒大小應控制在此范圍，如圖中曲線A所示。對有色顏料來說，要求有較強的顏色強度，因此對發色濃艷的無機顏料，例如鎘黃或鈷藍，有很高的折射率，反射能力很強，這些顏料顆粒可控制較大，以減少散射。對折射率較低的有機顏料，雖然最高散射是在較大的顆粒范圍，為了有很好的顏色強度，顆粒大小應較小。

    近年來，納米技術在染整中正在開發應用，一些研究者正在開發納米級的涂料著色用顏料，研究表明，有機顏料顆粒達到或接近納米級后，顏料色強度大為提高，對紡織品的滲透性也較好，特別適合涂料染色，因為雖然它們的遮蓋性不是很好，但并不會影響涂料染色產品質量，相反由于顏色強度高，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，顆粒團聚較嚴重，要求有很好的分散技術。

    如上述，發生瑞利散射時，會產生結構色（主要為波長較短的藍色）這種散射對藍、紫、綠色顏料的色光影響相對較小，而對黃、橙、紅色顏料則會使其色光帶藍紫光而變得萎暗，所以應加以防止。散射的其它結構色也會影響顏料的色光，因為散射光的顏色總不會和吸收產生的顏色完全一致，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。許多顏料顯現出雙折射和二色性，這些顏料晶體具有較低的結構對稱性，光學上屬各向異性，具有一個以上的折射率值，具有兩個折射值的特性稱為雙折射，光通過這種結構對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會產生偏振光。

    此外，滿足一定條件的偏振光會發生干涉，產生顏色，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，發現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，開始時黃和紅色調不斷增強，達到一定程度后，黃色調非但不增強，反而快速減弱，即只增強紅色調，對慢光線來說，則隨晶粒厚度增加，黃色調快遞減弱，綠色調不斷增強。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度，并提高它們的顏色穩定性。生產顏料時，不僅要控制它們的顆粒大小和形狀，還要控制晶型。實際生產顏料時，不僅要控制它們的顆粒大小和形狀，還要控制晶型。在實際生產顏料時，要經過嚴格的后加工，加入一定的添加劑，特別是分散劑和分散介質。

    2.3 反光、閃光和珠光印花及整理

    對紡織品施加一些特殊物質，可以改變紡織品對光的反射、折射和散射，并產生干涉和衍射，獲得一些特殊的光學效應，特別是獲得光澤很強的花紋，例如反光、閃光和珠光花紋。這種產品很多，現簡要介紹其中主要的幾種印花和整理加工工藝。

    （1）反光印花和整理

    自然界有許多反光性極好的物體。包括一些細小的球珠和水滴，它們可以產生同方向反射，即反射光可以沿入射方向反射回來，而且強度基本不變，根據這種作用方式，選用一些透明微珠，用粘著劑或涂層劑均勻地固定在紡織品表面，使紡織品有極強的反光能力。因為當入射光照到微珠，進入內部并折射后，在微珠的另一面發生內反射，再從入射方向折射和反射出來，反射光與入射光基本保持平行，只是方向不同而已。這種反射不存在明顯的散射，反射效率很高，每一微珠是一個反射單元，眾多的微珠產生許多的平行光反射點，形成一個反射面，可以清晰反映出反射體的形狀和位置。這種反射又稱回歸反射。

    微珠一般是透明、均勻、反射能力強的玻璃或塑料材料，它通過粘著劑或涂層劑粘著在紡織品上。粘著狀態不同，效果也不同，粘著點很小，粘著不牢，粘著面太大，甚至涂層劑將微珠完全包復時，會大大降低反射效果。粘著劑或涂層劑結膜后形成膜的性質對反射也有影響，所結的膜應有好的透射和反射能力，不發生散射和干涉。

    通常紡織品的底色愈深，吸收光愈多，反射光就愈弱，因此銀白色和檸黃色底色有很好的反光效果。反射光愈強，顯示愈清楚醒目。這種紡織品一般用于警服和鐵路、公路人員的工作服。也可用于其它對光反射要求高的產品。

    （2）閃光印花和整理

    閃光印花和整理也有人稱為鉆石印花和整理。通過印花或涂層整理獲得有鉆石閃光特性的紡織品。

    天然鉆石具有極好的反光和閃光性能，光彩奪目，它不僅由于折射率很高（2.42），反射性強，而會發生色散，導致產生彩虹般閃光。隨著鉆石轉動，還可以看到顏色的晃動。鉆石的色散值極高，有炫耀的彩色閃光，這些都屬結構生色。一些含鉛量高的玻璃也有很高的折射率（1.75）和色散值，所以常用來作枝形吊燈等反光材料。事實上，天然反光和閃光材料還有許多，例如一些月長石，這些月長石也稱寶石，它和鉆石不同，它是由多種組分混合而成，它們的閃光是由于其中的小顆粒散射所致。一種性能良好的人工仿制品是一種富鋁尖晶石晶體，主要化學組成為MgAl10O16，閃光是其中的AL2O3粒子。此外，使用不同組分，例如氟化物、磷酸鹽形成的玻璃體顆粒也有良好的閃光性。  

    無論是天然的或是人造的Al2O3。寶石，它們的顏色是含有著色雜質，它們的閃光性能則是由于含有細小的TiO2針狀物所致，這些針狀物以一定的角度排列成許多組，它們對一定方向人射的光發生交叉反射，并使寶石中的顏色發生晃動，星紅寶石的著色介質是氧化鉻，星藍寶石則是FeTi的化合物。

    閃光印花或涂層整理就是選用具有類似天然鉆石或寶石的閃光特別強的細小顆粒物質，通過涂料印花或涂層整理工藝，施加到紡織品上，獲得閃光印花或涂層紡織品。這些閃光材料不僅有很好的反光能力，還可以發生色散產生彩虹色，這些彩虹色會隨觀察角度變化而變化。

    最廉價的閃光粉是鋁粉，但它反光性不十分好，而且不具備色散性，一些人工制造的微形粉末反光物質（它們實際上是一些薄狀反光物），包括鍍鋁薄膜或彩色聚酯薄膜，這些閃光片又稱彩蔥片。可以切割成條形、正方形、六角形、星形等。它們的閃光性能和粘著劑成膜性能關系很密切。如果應用前述的干涉生色絲粉（長度僅為75u）作閃光印花或涂層粉，則不僅有閃光，還會呈現結構色，顏色明亮和持久，這種產品已用作車衣等產品。

   （3）珠光印花和整理

    珍珠自古以來就被視為貴重物品，它具有美麗的“珍珠光澤”，不僅反光性好，還具有閃光和彩虹色，光澤也較柔和。

    珠光粉雖然可以將珍珠磨碎而得到，但發現這種珠光體在其它物體中可獲得，例如魚鱗，它的主要成分是2-氨基-6-羥基脲環，又稱鳥嘌呤，結構如下：

    它的晶體屬長方晶型，大小約為0.1×0.02×0.00lmm3，表面積很大，是片狀物體對光有很強的反射能力，并對光產生很強的干涉，有干涉彩虹色。它本身無色，所以還可以和彩色涂料拼混，不影響涂料的顏色，但會呈顯較強的干涉色。

    除了應用天然的珠粉外，也有人工合成的珠粉，這包括堿式碳酸鉛、氧氯化鉍、磷酸鉛等無機化合物，它們的細粉也能產生類似珍珠粉的光澤，但效果稍差。

    珠光印花或涂層整理工藝和常規的類似。但要注意粘著劑或涂層劑與珍珠粉的光學性能和加工性能的相容性。

    結構生色印花應屬特種印花，由于它獨特的印花效果和良好的生態性質，在今后將會有快速發展，特別是用于一些具有特殊功能的功能印花產品。

    結構生色在自然界廣為存在，但在紡織染整加工利用它還是剛開始，人們對自然界的結構生色認識還很不夠，例如前述的蝴蝶翅膀的顏色就是色素生色和結構生色的協同生色結果，非常美麗動人，而且又耐久無毒，屬生態生色途徑。事實上，蝴蝶翅膀中的色素是一種珍貴的天然顏料，稱為蝶啶素，大部分都是黃蝶呤衍生物，其結構如下：

    黃蝶啶染料核黃素又稱維生素B2，其結構如上所示，也呈黃綠色的熒光，它是人類和動物的生長因子，黃蝶呤或維生素B2和一定的組織結構可以使色素生色和結物生色發生協同生色作用。許多具有藥理或其它功能的物質在一定條件下也可以有這種效果，這為我們提供了一條功能性生色印染的思路，即藥物功能染整加工。

    又如本文前述的鳥類羽毛、甲殼蟲外殼的色素也是一類結構生色和色素生色，同理，人類含有天然顏料黑色素，其結構如下式所示。為多巴一黑素和多巴胺一黑素。

    這些色素是動物的生理組成之一，它們形成不同顏色的原理和方式對紡織品著色也是很有啟發的。因為這些色素具有多種生理功能性。

    參考文獻：

    備注：本文收錄于《2006全國特種印花和特種整理學術交流論文集》