Тема 26. оптические свойства материалов

Оптическими свойствами материалов называют свойства, характеризующие их способность количественно и качественно изменять световой поток. При воздействии светового потока на материал проявляются такие свойства, как цвет, блеск, прозрачность, белизна и др. Оптические свойства материалов имеют существенное значение при оценке внешнего вида, эстетическом восприятии одежды. Они позволяют выявлять, подчеркивать или, наоборот, скрывать фактуру материала, конструктивные особенности изделия, объем фигуры человека.

Световой поток представляет собой видимую часть спектра электромагнитных излучений с длиной волн 400…700 нм. Световой поток Р (рис. 28), падающий на материал, претерпевает ряд изменений: часть его отражается от поверхности, часть поглощается и часть проходит через мaтериал. Основными характеристиками световых свойств материалов служат коэффициенты отражения , поглощения и пропускания . Эти коэффициенты представляют собой отношения соответственно отраженного , поглощенного и пропущенного потоков излучения к падающему потоку:

; ; . (76)

Рис. 28 Прохождение светового потока через

текстильный материал

На показатели характеристик оптических свойств существенное влияние оказывают такие факторы, как природа волокон и нитей, структура волокон, нитей и материалов. Отражение светового потока

может быть зеркальным и рассеянным в разных направлениях. Это зависит от характера поверхности волокон и их расположения в материале. Так, волокна с гладкой, ровной поверхностью (шелк, капрон) в большей степени обладают зеркальным отражением, чем волокна, имеющие шероховатую неровную поверхность (шерсть, профилированные волокна). Материалы, в которых волокна в нитях расположены параллельно (комплексные нити пологой крутки), а переплетения имеют длинные перекрытия нитей (сатиновое, атласное переплетения в тканях, переплетения сукно, шарме в трикотажных полотнах), преимущественно зеркально отражают световой поток. Материалы, имеющие в своей структуре сильно изогнутые волокна и нити (например, текстурированные нити, пряжу аппаратного прядения, нити креповой крутки), а переплетения отличаются большим числом изгибов нитей, отражают световой поток рассеянно. Необходимо отметить анизотропию в ха­рактере отражения светового потока текстильными материалами: когда плоскость падения светового потока совпадает с продольным направлением волокон и нитей, преобладает зеркальное отражение, когда же она совпадает с поперечным направлением волокон и нитей – рассеянное. По изменению коэффициента отражения можно обнаружить дефекты внешнего вида материала.

Световой поток, проходящий через волокно, изменяется качественно и количественно: часть поглощается веществом волокна, и диффузионно рассеиваются и частично проходят через волокно. Диффузионное рассеивание светового потока обусловлено неравномерностью строения волокна, которое, как известно, имеет структурные элементы различной плотности, часто неравномерно и неплотно расположенные по толщине волокна.

Поглощение светового потока может быть равномерным (волны всех длин спектра поглощаются в одинаковой степени) и избирательным (преимущественно поглощаются волны определенных длин, непоглощенная часть светового спектра в этом случае отражается). Поглощающая способность волокон и нитей определяется химическим составом и молекулярным строением вещества волокон и красителя (или пигмента). Красители и пигменты проявляют наибольшую способность к избирательному поглощению светового потока. Величина избирательного поглощения зависит, кроме того, от количества и характера распределе­ния частиц красителя в волокнах, прозрачности и равномерности структуры волокон.

В материалах разреженной структуры часть светового потока проходит через промежутки между волокнами и нитями (сквозные поры), не изменяясь качественно и количественно.

Цвет

Человек, рассматривающий материал, воспринимает световой поток как отраженный и диффузионно-рассеянный, что вызывает у него ощущение цвета. Если материал равномерно поглощает поток излучений, то воспринимаемый световой поток вызывает у человека ощущение того или иного ахроматического цвета (от белого до черного) в зависимости от степени поглощения падающего светового потока. При полном отражении возникает ощущение белого цвета, при неполном поглощении – серого цвета (различных оттенков), а при полном поглощении – черного.

При избирательном поглощении диффузионно-рассеянный световой поток состоит, в основном, из излучений, имеющих определенную длину волн. В этом случае воспринимаемый световой поток дает ощущение хроматического цвета.При этом излучения различных длин волн вызывают разные цветовые ощущения. Зрительное восприятие цвета – сложный психофизический процесс, представляющий собой логическую обработку качественной и количественной информации, получаемой в результате преобразования видимого излучения зрительным аппаратом человека. Возникающее ощущение цвета имеет несколько качественных и количественных характеристик.

Цветовой тон – основная качественная характеристика ощущения цвета, которая позволяет устанавливать общее между цве­товыми ощущениями образца материала и цветом спектрального излучения. Различие цветовых тонов оценивается цветовыми по­рогами. В видимом спектре различают около 130 порогов цветового тона, в пурпурных цветах – 20–30 порогов.

Насыщенность — качественная характеристика ощущения цвета, позволяющая различать два ощущения цвета, имеющих один и тот же цветовой тон, но разную степень хроматичности. Эта xapактеристика оценивается порогами насыщенности. Наибольший порог насыщенности у спектральных цветов: порог насыщенности ахроматического цвета равен нулю.

Светлота – количественная характеристика ощущения цвета, показывающая степень общего между данным цветом и белым. Светлота несамосветящихся тел зависит от их световых свойств, вчастности от отражательной способности.

Восприятие цвета – сложный процесс, на который влияет ряд факторов физического, физиологического и психологического характера. Эти факторы необходимо учитывать как в производстве текстильных материалов (при paзработке рисунков, подборе цветов, крашении и печатании), так и в производстве швейных изделий (при моделировании, конструировании и выборе материала для конкретных изделий). Цвета красные, оранжевые, желтые, желто-зеленые считаются теплыми; они в восприятии человека ассоциируются с представлениями о солнечном свете, теплых, нагретых телах. Цвета зелено-голубые, голубые, синие, фиолетовые называют холодными, так как они ассоциируются с цветом льда, металла. Белые и теплые цвета яркие, выступающие; они хорошо выявляют поверхность материала, его фактуру, конструктивные элементы изделия, подчеркивают объемность фигуры, придают ей полноту. Темные и холодные цвета, наоборот, скрывают поверхность, объемность материала. Изделия, изготовляемые из материалов светлых и теплых цветов, требуют более тщательной обработки, так как малейшие ее неточности будут выглядеть как дефекты внешнего вида изделия.

Понятия теплых и холодных цветов не совпадают с физическими понятиями теплых и холодных окрасок. Теплота солнечного света или нагретого тела обусловливается инфракрасным излучением. Поэтому окраски, отражающие в большей степени инфракрасные лучи, меньше нагревают материал и носят названия холодных, а окраски, поглощающие инфракрасные лучи, в большей мере нагревают материал и поэтому называются теплыми. В этой связи для летнего сезона рекомендуют материалы с холодной окраской, а для осенне-зимнего – с теплой.

На восприятие цвета существенно влияют характер освещения, его спектральный состав и мощность. При смене источника освещения возможно изменение восприятия светлоты, насыщенности и тона цвета. При солнечном освещении теплые цвета воспринимаются менее насыщенными и менее светлыми, а холодные – более светлыми, чем при вечернем освещении. Поэтому для изделий, надеваемых в яркий, солнечный день весенне-летнего сезона, рекомендуются материалы насыщенных цветов и рисунков. При смене источника освещения или увеличении его мощности без изменения спектрального состава изменяется цветовой тон, что необходимо учитывать при определении назначения материала (напримep, для дневных или вечерних платьев). Влияние источников освещения учитывается также при определении оптических свойств материалов, когда используются источники с определенными, стандартизированными характеристиками излучения.

Восприятие цвета зависит от состава воспринимаемого светового потока, соотношения хроматического и ахроматического излучений, что связано с характером поверхности материала и оптическими свойствами волокон. На прозрачных волокнах цвет ощущается более насыщенным, так как они в большей мере по сравнению с непрозрачными избирательно поглощают световой поток. На гладкой блестящей поверхности цвет воспринимается более ярким, светлым, на неровной, шероховатой – более матовым. Цвет материалов, имеющих большую толщину или ворсовую поверхность, способствующую многократ­ному отражению излучений волокнами, воспринимается более насыщенным, менее светлым. Изменение длины или наклона ворса меняет условия отражения потока излучений, а вместе с этим и восприятие цвета материала. По этой же причине отличается цвет более изношенных участков одежды от цвета менее изношенных.

На ощущение цвета влияет расположение цветов – так называемый одновременный контраст, который приводит к изменению как светлоты, насыщенности, так и цветового тона. При расположении рядом двух разноярких участков ахроматических цветов изменяется их светлота: у границы раздела менее светлый участок становится светлее и, наоборот, более темный участок – темнее. Серый рисунок на черном фоне повышает свою светлоту. Аналогичная картина наблюдается при соприкосновении хроматических цветов с ахроматическими. Чем больше различие в светлоте, тем сильнее световой контраст.

При соприкосновении хроматических цветов воспринимаемый световой поток как бы суммируется и ощущается как новый цвет. Например, на красном фоне оранжевый цвет желтеет, желтый зеленеет, зеленый голубеет. Эффект одновременного контраста широко используется в текстильном производстве при выполнении рисунков на материалах, а также в швейном производстве при подборе комплектов одежды, деталей изделий, фурнитуры и т. п. При использовании одновременного контраста во внимание принимают не только соотношение цветов, но и размеры участков цветов. При этом учитываются законы гармонии цвета, т. е. такое сочетание цветов, которое вызывает положительную эстетическую реакцию.

Существенное значение имеет точная оценка цветового paзличия по тону, насыщенности и светлоте. Необходимость оценки цветового различия возникает в разных ситуациях. Во-первых, при воспроизведении цвета стандартного образца в процессе окрашивания текстильных материалов, когда необходимо подобрать красители таким образом, чтобы цвет окрашенного образца был тождествен цвету эталона. Во-вторых, такая оценка нужна при ycтановлении разнооттеночности материала, которая выражается в наличии участков материала, различающихся по цвету, и связана с изменениями условий или нарушениями технологических режимов крашения и отделки.

Цветовое различие выявляется и при оценке устойчивости окраски материала к различным факторам воздействия: свету, влажности, повышенным температурам, химическим веществам, находящимся в атмосфере, моющим препаратам, потовыделениям и т. д. Изменение цвета под действием этих факторов происходит в результате изменения состояния молекул красителя и химических процессов, приводящих к его деструкции. Степень протекания этих процессов зависит от интенсивности и продолжительности действия факторов, а также устойчивости красителя.

При эксплуатации изделий имеет значение прочность связи красителя с полимерным веществом материала, которая может снижаться под действием влаги, химических препаратов, механических факторов. Следствием этого может являться частичное удаление красителя из структуры полимера, что приводит к изменению цвета и окрашиванию соприкасающихся поверхностей. Устойчивость окраски материалов оценивается по комплексу физико-механических и химических воздействий – света, светопогоды, увлажнения, сухого и мокрого трения, пота, мыльного раствора, химической чистки, утюжильной обработки. Комплекс физико-механических и химических воздействий для конкретных материалов устанавливается в зависимости от их назначения, условий, в которых они находятся при изготовлении и эксплуатации.

Для оценки отраженного от материала светового потока, егоспектрального состава используют систему цветовых характеристик, включающих в себя доминирующую длину волны , чистоту цвета и яркость . Хроматический цвет представляет собой смешивание монохроматического излучения с ахроматическим. Доминирующая длина волны показывает длину волны монохроматического излучения, которое нужно смешать с ахроматическим, чтобы получить цветность данного образца. В табл. 18 приведены дли­ны волн цветов, составляющих белый дневной свет.

Таблица 18 Монохроматические составляющие белого

дневного света и длины их волн

Монохроматический цвет	Длина волны, нм
Красный Оранжевый Желтый Зеленый Голубой Синий Фиолетовый	620–760 590–620 530–590 490–530 470–490 430–470 390–430

Соотношение монохроматического и ахроматического излучений определяет чистоту цвета, которая оценивается отношением яркости монохроматического излучения к яркости всего воспринимаемого излучения , %:

. (77)

Яркость представляет собой интенсивность излучения , приходящегося на единицу площади , расположенной перпендикулярно направлению света:

(78)

Несамосветящиеся тела, к которым относятся и текстильные материалы, характеризуются коэффициентом яркости, который определяется путем сравнения яркости данной поверхности c яркостью идеально белой поверхности ,коэффициент отраже­ния которой равен единице:

. (79)

Любой цвет может быть также выражен через три линейно независимых цвета. Независимость этих цветов состоит в том, что каждый из них не может быть получен смешиванием двух других цветов. Согласно закону смешивания цветов, цвет можно получить, смешивая основные цвета , и соответственно в количестве , и :

. (80)

При колориметрических измерениях синтезируют цвет, тождественный с цветом образца, из трех эталонных (единичных) цветов и составляют уравнение цвета. Результаты измерений представляют в виде координат цвета или цветности образца. В зависимости от выбора единичных цветов получают разные системы измерений. Наибольшее распространение из этих систем получили система RGB Международной осветительной комиссии (МКО) и система ХУZ (MKO), принятые как стандартные. Основные цвета системы RGB задаются как монохроматические излучения с длинами волн 700 (R),546 (G) и 435,8 (В) нм, которые ощущаются как красный, зеленый и синий цвета. Уравнение цвета в этой системе имеет вид

Ц = RR + GG + ВВ ,(81)

а уравнение цветности

Ц = rR + gG + bВ , (82)

где R, G, В и r, g, b–координаты цвета и цветности.

Система XYZ задается через систему RGB спомощью ряда векторных уравнений.

Положенные в основу колориметрии уравнения цвета позволяют объективно и с достаточной точностью описывать и измерять цвет, определять цветовые различия при воспроизведении цвета в процессе крашения, при оценке разнооттеночности и устойчивости окраски.

Белизна

Для несамосветяшихся тел, к которым относятся и текстильные материалы, понятие «светлота» часто заменяется понятием «белизна», которая показывает общее в ощущениях цвета данной и идеальной белой поверхности. В понятие «белый материал»вкладывается представление о поверхности, хорошо рассеивающей световой поток, т. е. имеющей малую степень избирательного поглощения. Белизну текстильных материалов повышают путем химического и физического воздействий (беление, мытье, чистка), подцветкой синими красителями и пигментами, с помощью оптических отбеливающих веществ. Она является одной из важнейших характеристик качества неокрашенных текстильных материалов.

Белизна текстильных материалов оценивается коэффициентом яркости , измеренным при длине волны 540 нм, и коэффициентом подцветки , рассчитанным как отношение коэффициентов яркости, измеренных при длине волн 540 и 410 нм:

. (83)

Материалы считаются тождественными по белизне, если коэффициенты их яркости отличаются не более чем на 1 %, а коэффициенты подцветки – не более чем на 0,03.

Кроме того, белизна текстильных материалов оценивается по отражательной способности их поверхности:

, (84)

где – белизна материала, %; –коэффициент отражения образца материала; — коэффициент отражения эталонной белой пластины.

Блеск

Блеск – это специфическое восприятие человеком светового потока, состоящего из зеркально отраженных и диффузионно-рассеянных излучений. Чем выше составляющая зеркального отражения, тем сильнее блеск материала. Поэтому степень блеска текстильного материала определяется, прежде всего, характером поверхности волокон и нитей, их расположением в структуре материала. Блеск поверхности меняется в зависимости от угла наблюдения, расположения зеркально отражающих участков.

Блеск текстильных материалов может быть желательным или нежелательным явлением в зависимости от назначения материала. Для увеличения блеска при изготовлении материала используют волокна и нити с гладкой ровной поверхностью, переплетения с длинными перекрытиями, применяют специальные виды отделки (мерсеризацию, каландрирование). Уменьшение блеска материала обеспечивают увеличением рассеивания светового потока. Для этого, например, при формовании химических волокон в их структуру вводят частицы диоксида титана, которые увеличивают диффузионное рассеивание светового потока. Использование переплетений с частым изгибом нитей, применение операций начесывания и валки способствуют созданию шероховатости поверхности материала, пространственному расположению волокон, что приводит к увеличению рассеивания светового потока.

При утюжильной обработке и прессовании деталей одежды на отдельных их участках появляется повышенный блеск (ласы), что ухудшает внешний вид изделия. Причиной появления лас является неравномерность распределения давления прессования по поверхности детали из-за наличия на ней утолщенных участков (у швов, вытачек, карманов и др.). В результате значительного давления на этих участках нити сплющиваются, появляются плоские участки с сильным зеркальным отражением. При совместном действии влаги, теплоты и давления эти изменения поверхности материала могут быть достаточно устойчивыми. Для устранения появившихся лас изделие обрабатывают «острым» паром при одновременном воздействии щеток (отпаривание).

Местный блеск (лоск) появляется на участках текстильного материала, подвергающихся в процессе эксплуатации изделия сильному совместному действию давления и трения. Появление лоска связано со сплющиванием нитей, с разрушением в результате изнашивания выступающих на поверхности волокон, в результате чего образуются участки с повышенным зеркальным отражением светового потока.

Блеск материалов оценивается сравнением отражающих способностей поверхностей образца и эталона (например, стеклянной пластины) или сопоставлением показателей отражения светового потока поверхностью данного материала, оп­ределенных при разных углах наклона:

, (85)

где – число блеска; , –количество отраженного света, падающего на поверхность под углом соответственно 22,5 и 0 градуса.

Установлено соотношение между числом и ощущениемблеска человеком (табл.19).

Таблица 19 Значения числа при различном

восприятии блеска человеком

Зрительное ощущение поверхности	Число блеска
Глубокоматовая Матовая Полуматовая Блестящая Высокоблестящая	0,5–1 1–2 3–4 4–8 8–16

Прозрачность

Прозрачность связана с восприятием проходящего через материал светового потока и дает представление о толщине материала. При рассмотрении материала со стороны выхода светового потока в поле зрения наблюдателя попадает поток, состоящий из потока диффузионно-рассеянного вниз, потока направленного проникания и потока, проходящего между волокнами. Таким образом, прозрачность материала определяется как прозрачностью волокон, так и плотностью их расположения в структуре материала. Поток, проходящий между волокнами, в зависимости от плотности материала многократно рассеивается, отражаясь от поверхности волокон. В материалах разреженной структуры, в которых имеются крупные сквозные поры, часть светового потока может проходить, не изменяя своего направления. Коэффициент t пропускания светового потока материалом зависит от поглощательной и отражательной способностей волокон, толщины нитей, вида переплетения и толщины самого материала. С увеличением толщины материала коэффициент t стремится к нулю.

Прозрачность материала можно ощущать и со стороны падающего потока света, когда световой поток проходит через материал дважды, отражаясь от поверхности, на которой расположен материал. При этом в определенной мере воспринимаются оптические свойства материала и расположенной под ним поверхности.