СПЕКТРАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕКСТИЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО ОТБЕЛИВАТЕЛЯ И ОРГАНИЧЕСКОГО КРАСИТЕЛЯ

Спектрометрия как одно из направлений фотометрии представляет огромный интерес для различных областей науки и техники, таких как химия и химические производства, текстильная промышленность, пищевые технологии и производства, экология, медицина и биология [1]. Помимо лабораторных спектральных приборов различного применения, все большую востребованность приобретают промышленные спектрометры, устанавливаемые непосредственно в технологический поток и обеспечивающие online мониторинг технологического процесса по оптическим параметрам. В качестве примеров таких систем здесь можно привести спектральные приборы для нефтехимической, пищевой (производство сока) и медицинской областей [2].

Большинство используемых в современной практике спектральных приборов и систем основываются на измерениях оптических спектров пропускания или (и) отражения в области длин волн λ = 380–760 нм [3]. Совместное применение спектрального прибора с колориметрическим датчиком усложняет их конструкцию, увеличивает массогабаритные характеристики прибора или системы, а также приводит к возрастанию общей стоимости, которая порой становится недоступной отечественному потребителю [4].

Поэтому может представлять интерес разработанная экспериментальная установка, в состав которой входит спектрометр и колориметр с интегрирующей фотометрической сферой. В настоящее время на рынке появились отечественные оптоэлектронные компоненты, которые по своим техническим характеристикам обеспечивают измерения параметров цвета с высокой точностью. Особое внимание заслуживают RGB-компоненты, имеющие три фотоприемные площадки с оптическими фильтрами для выделения красной, зеленой и синей составляющей в регистрируемом излучении.

Цель работы — применение разработанной экспериментальной оптико-электронной системы для измерения оптических параметров текстильных отбеливателей и красителей.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Важным является практическое применение спектрофотометрии (в диапазоне длин волн 380– 760 нм) и колориметрии (контроль параметров белизны (яркости) В и цветности) для текстильной промышленности, которая использует различные оптические отбеливатели и химические красители [6–11]. Одними из основных поставщиков в отечественную текстильную промышленность химических

Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки:

1 — RGB-светодиод; 2 — исследуемый образец; 3 — светофильтр СС6; 4 — оптическое волокно; 5 — дифракционная решетка; 6 — полихроматор; 7 — круг Роуланда; 8 — ПЗС-линейка; 9 — электронный блок; ПК — компьютер

реагентов, необходимых для производств, являются компания ПАО "Пигмент" и "Белатекс Сполка зоо". Данные компании для выходного контроля оптических параметров рекомендуют один из спектрометров — спектрометр YS-3060. Этот прибор имеет достаточно хорошую точность измерений 10 нм, обеспечен техническим сопровождением и поддержкой, но имеет высокую стоимость. Поэтому некоторые текстильные компании вынуждены были отказаться от его использования. А это означает, что заменяющая его разработка может представлять интерес для данной отрасли.

СПЕКТРОФОТОМЕТР

Структурная схема спектрофотометра показана на рис. 1.

В устройстве использован полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой классического типа ( r = 125 мм; N = 600 штр./мм). Входная щель полихроматора (выходной торец полимерного оптоволокна диаметром d = 0.6 мм), дифракционная решетка и фотоприемник (линейка ПЗС) располагаются на круге Роуланда (диаметр d = 125 мм). При этом линейный размер на фотоприемнике участка спектра λ = 380–760 нм составляет 26.2 мм, что позволяет применять ПЗС линейку SONY ILX511.

В спектрофотометре можно устанавливать разные источники света (RGB-светодиоды с разными техническими характеристиками) для исследования коэффициента пропускания T (λ) прозрачных или рассеивающих объектов с индикатрисой в пределах угла 120 ° ; для исследования спектров диффузного отражения твердотельных образцов. RGB-светодиоды используют одно и то же оптоволокно для подключения к полихроматору, так что какой-либо дополнительной настройки при замене одного на другой не требуется.

Электронный блок сбора и обработки данных и специально разработанная программа обеспечивают вывод и хранение результатов измерений в виде графиков и числовых массивов в области длин волн 380–760 нм с шагом λ = 2 нм.

Для выравнивания распределения потока излучения по длинам волн, а также снижения уровня рассеянного излучения в полихроматоре в разных RGB-светодиодах устройства использован оптический фильтр на основе цветного стекла СС6, существенно подавляющий длинноволновую составляющую светового потока при λ ≥ 600 нм.

Технико-эксплуатационные характеристики системы:

– рабочий спектральный диапазон —

380–760 нм;

– предел спектрального разрешения — не хуже 2 нм;

– погрешность калибровки шкалы длин волн — не хуже 0.2 нм;

– погрешность измерения коэффициента отражения — не хуже 0.05 %;

– время регистрации одного спектра — 20 мс;

– при автоматической регистрации спектра —

30 мс;

– питание от сети —             220 В, 50 Гц;

– передача данных через порт — RS 232; – габаритные размеры —  400 × 250 × 180 мм.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследовались текстильные изделия из хлопка 70 % и полиэфира 30 %; вискозы 70 % и полиэфира 30 %; льна 70 % и полиэфира 30 %. Данные объекты исследования подвергались обработке оптическим отбеливателем "Белатекс ЕС" с разной концентрацией. Образцы окрашивались органическим красителем — хризофенином также разной концентрации.

Объекты исследования были предоставлены компанией "Промткань", г. Иваново, вместе с информацией по координатам цвета X, Y, Z и параметру В , полученной на спектрофотометре YS-3060. Предоставленные значения были приняты за референтные.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Отбеливание

Оптический отбеливатель в исследуемых образцах ("Белатекс ЕС") придает высокую степень белизны, что улучшает эстетическое восприятие качества текстильных изделий. Для исследования спектров диффузного отражения использовались образцы белых тканей, предоставленные компанией "Промткань", г. Иваново, и аттестованные на спектрофотометре YS-3060 по параметру белизны B и координатам цвета в колориметрической системе X, Y, Z . В качестве отбеливателя применялся "Белатекс ЕС" с концентрацией в исходной массе 0.2 и 0.6 %.

Измеренные спектры диффузного отражения для девяти образцов, предоставленных в наше распоряжение, показаны на рис. 2. Результаты измерений координат цвета и параметра яркости, полученные на спектрофотометре YS-3060 и разработанном, сопоставлены в табл. 1.

Спектры диффузного отражения воспроизводят особенности, обусловленные отбеливанием тканей. Оптический отбеливатель формирует коротковолновую полосу поглощения при λ ≤ 420 нм и дает люминесцентную добавку к отраженному

Рис. 2. Спектры диффузного отражения образцов белой ткани.

а — хлопок 70 % и полиэфир 30 %; б — вискоза 70 % и полиэфир 30 %; в — лен 70 % и полиэфир 30 %;

1 — без оптического отбеливателя; 2 — с концентрацией 0.2 %; 3 — с концентрацией 0.6 % потоку излучения в синей области спектра λ ≈ ≈ 430–480 нм. Далее идет снижение коэффициента отражения в средней области видимого диапазона при λ ≈ 500–640 нм. Количественное сопоставление параметра яркости B, определенного из спектров R (λ) (рис. 2), а также на разработанном

Табл. 1. Сопоставление результатов измерений координат цвета X , Y , Z и яркости B на YS-3060 и на разработанном спектрофотометре

Оптический отбеливатель	Референтные данные спектрофотометра YS-3060				Данные экспериментального спектрофотометра
	X	Y	Z	B	X	Y	Z	B
Белатекс ЕС, 0 % (лен 70 %, полиэфир 30 %)	87.23	91.94	93.88	87.8	86.9	91.1	92.3	86.15
Белатекс ЕС, 0.2 % (лен 70 %, полиэфир 30 %)	91.73	94.57	117.03	107.8	91.5	93.7	118.2	106.1
Белатекс ЕС, 0.6 % (лен 70 %, полиэфир 30 %)	92.38	95.08	120.17	110.9	91.9	94.1	119.0	109.5
Белатекс ЕС, 0 % (вискоза 70 %, полиэфир 30 %)	81.16	85.24	92.54	86.6	81.0	85.0	93.1	87.75
Белатекс ЕС, 0.2 % (вискоза 70 %, полиэфир 30 %)	85.74	87.82	115.37	106.2	86.0	88.7	116.0	105.2
Белатекс ЕС, 0.6 % (вискоза 70 %, полиэфир 30 %)	86.20	88.31	118.44	109.3	86.9	89.0	119.0	110.5
Белатекс ЕС, 0 % (хлопок 70 %, полиэфир 30 %)	77.90	81.47	91.67	85.10	78.7	81.0	92.2	84.6
Белатекс ЕС, 0.2 % (хлопок 70 %, полиэфир 30 %)	82.24	83.96	113.44	104.4	81.5	84.6	114.0	105.0
Белатекс ЕС, 0.6 % (хлопок 70 %, полиэфир 30 %)	82.89	84.37	117.07	107.9	83.5	85.7	118.0	107.0

80      84      88     92      96     100     104     108 B e, %

105 -

100 -

95 -

90 -

85 -

B r, %

ПО -

Рис. 3. Сходимость измеренного параметра белизны B _e и его референтного значения B _r .

* — эксперимент, линия — расчет

По сравнению с референтными данными B r результаты проведенных измерений B _e занижены, что связано с различием ультрафиолетовой составляющей в спектре использованного здесь RGB-светодиода по сравнению с импульсным ксеноновым источником спектрофотометра YS-3060. Это подтверждается также измерениями цветовых параметров, т.к. координаты X, Y, Z получены с погрешностью не более 1 %.

Как показывают данные на рис. 3 по параметру яркости B белых тканей, результаты измерений B e могут быть приведены к референтному значению B r линейной интерполяцией. Интерполяционное выражение выглядит следующим образом:

B r = 1.7452 ·B e – 60.287.

Погрешность интерполяции не превышает δB ≤ ≤ 1 %, что удовлетворяет требованиям контроля технологических процессов отбеливания.

спектрофотометре, и его референтное значение, измеренное на спектрофотометре YS-3060, представлено на рис. 3.

Окрашение

При окрашивании использовались те же материалы, что и при отбеливании. Спектры диффузного отражения окрашенных образцов даны на рис. 4. Применялся органический краситель —

Рис. 4. Спектры диффузного отражения образцов окрашенной ткани.

а — хлопок 70 % и полиэфир 30 %; б — вискоза 70 % и полиэфир 30 %; в — лен 70 % и полиэфир 30 %;

1 — без красителя; 2 — с концентрацией 0.12 %; 3 — с концентрацией 0.75 %; 4 — с концентрацией 1.5 %

Табл. 2. Сравнение колометрических измерений на YS-3060 и на разработанном спектрофотометре

Краситель Концентрация (k, %) Референтные данные спектрофотометра YS-3060 Данные экспериментального спектрофотометра X Y Z X Y Z Хризофенин 0.12 75.0 79.0 54.8 74.8 78.9 54.6 (лен 70 %, поли- 0.75 72.0 75.5 43.1 71.9 75.4 43.1 эфир 30 %) 1.5 64.9 67.7 31.1 64.9 67.9 31.1 Хризофенин 0.12 74.7 79.0 53.0 74.7 79.0 53.5 (вискоза 70 %, 0.75 71.8 77.2 42.5 71.9 77.5 42.4 полиэфир 30 %) 1.5 71.0 75.4 33.6 71.5 75.2 33.5 Хризофенин 0.12 71.8 66.0 52.3 71.8 66.5 52.1 (хлопок 70 %, 0.75 66.4 58.2 40.7 66.6 58.4 40.4 полиэфир 30 %) 1.5 63.0 52.6 31.9 63.0 51.6 31.7 хризофенин с концентрацией 0.12, 0.75 и 1.5 %. Референтные данные по координатам цвета X, Y, Z были получены на спектрофотометре YS-3060. Для поверки прибора использовались образцы, также предоставленные компанией "Промткань", г. Иваново, вместе с референтными координатами цвета. Результаты измерений колориметрических координат сведены в табл. 2.

Зависимости этих координат от концентрации красителя, полученные в настоящей работе, практически

а

б

в

Рис. 5. Зависимость координат цвета от концентрации красителя.

а — хлопок 70 % и полиэфир 30 %;

б — вискоза 70 % и полиэфир 30 %; в — лен 70 % и полиэфир 30 %

точно соответствовали референтным данным. Для образцов, окрашенных хризофенином, эти зависимости приведены на рис. 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разработанный экспериментальный спектрофотометр полностью удовлетворяет требованиям текстильной промышленности при контроле процессов окрашивания ткани. Он может быть также использован для контроля оптического отбеливания белых образцов тканей.

Представляет интерес разработка на основе представляемого экспериментального спектрофотометра промышленного спектрофотометра, устанавливаемого непосредственно в технологический цикл для обеспечения мониторинга процессов отбелки и окрашивания тканей.