Utilizing UV-Visible Spectroscopy for Color Analysis of Fabrics

Shrnutí: Využití UV-Vis spektroskopie pro analýzu barvy textilií

Význam tématu

Barva materiálu je klíčovým kritériem v QA/QC v textilním průmyslu, při vývoji maskovacích oděvů a při hodnocení stálosti barvy. Subjektivní vizuální posouzení je proměnné mezi pozorovateli, proto je potřeba kvantitativní, reprodukovatelné metody pro popis barvy, sledování změn vlivem prostředí a porovnání vzorků.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem application note bylo demonstrovat použití UV-Vis reflektance spektroskopie a výpočtu CIE L*a*b* (a odvozených veličin C*ab, h*ab, ΔE*ab) pro kvantifikaci barvy textilií a srovnání barev u odlišných materiálů (100 % bavlna versus 100 % polyester). Dále byla ověřena chemická povaha vláken pomocí FTIR. Studie ukazuje, že spektrofotometrie dokáže odhalit jemné rozdíly, které nemusí být zřetelné okem.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• UV-Vis absorpční spektra barviv v roztoku a reflektanční spektra textilií (reflexní režim s integrovanou koulí).
• Výpočet CIE tristimulus X, Y, Z a transformace do CIE L*a*b* podle norem (USP <1061>, ASTM E308) s použitím D65 jako iluminantu a pozorovatele 10°.
• Výpočet ΔE*ab pro kvantifikaci barevných rozdílů; jako referenční bod bylo použito bílé spektrální referenční úložiště (Spectralon).
• FTIR-ATR pro identifikaci materiálu vláken.

Klíčné parametry měření UV-Vis:

• Rozsah: 780–380 nm.
• Šířka pásma: 1 nm, interval dat: 1 nm.
• Integrační čas: 0,30 s.
• Režim výstupu: % reflektance (%R) relativně k Spectralon standardu.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific Evolution One Plus UV-Vis spektrometr vybavený integrační koulí (ISA-220) pro reflektanci.
• Thermo Scientific Insight Pro software pro výpočet CIE L*a*b* hodnot.
• Thermo Scientific Nicolet iS20 FTIR spektrometr s iTX diamantovým ATR příslušenstvím pro identifikaci vláken.
• Spectralon bílý disk jako referenční standard pro reflektanční měření.

Materiály a vzorky

Analýza provedena na třech přímých barvivech vhodných pro bavlnu: Direct Blue 71, Direct Red 81 a Direct Yellow 27 (připravené v aqueózních roztocích tak, aby absorbance <1). Dále šest barevných vzorků komerčních tkanin pro každou skupinu: 100 % bavlna (označení 1c–6c) a 100 % polyester (1p–6p) ve vizuálně odpovídajících barvách (bílá, černá, červená, modrá, žlutá, zelená). FTIR potvrdil materiální složení tkanin.

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky pro barviva (CIE L*a*b*):

• Direct Red 81: L* 78.69, a* 42.38, b* −3.16 (silně pozitivní a* = červená složka).
• Direct Yellow 27: L* 99.69, a* −12.18, b* 32.44 (pozitivní b* = žlutá složka, velmi světlé).
• Direct Blue 71: L* 77.27, a* 0.06, b* −24.43 (negativní b* = modrá složka).

Reflektanční spektra tkanin ukázala podobné průběhy, ale vizuálně nerozlišitelné nuance byly kvantifikovány pomocí CIE L*a*b*. Pro porovnání bavlna vs. polyester byly spočteny ΔE*ab hodnoty (cotton vs polyester):

• Vzorek 1 (bílá): ΔE*ab = 10.58
• Vzorek 2 (černá): ΔE*ab = 1.20
• Vzorek 3 (červená): ΔE*ab = 2.47
• Vzorek 4 (modrá): ΔE*ab = 6.70
• Vzorek 5 (žlutá): ΔE*ab = 6.66
• Vzorek 6 (zelená): ΔE*ab = 30.20 (největší rozdíl)

Interpretace:

• ΔE*ab < 3 obvykle znamená, že dva vzorky jsou lidským okem nerozeznatelné; podle tohoto kritéria byly nejvíce shodné vzorky 2 (černá) a 3 (červená).
• Velké ΔE u vzorku 6 indikuje skutečně vizuálně patrný rozdíl mezi bavlnou a polyesterovou variantou zelené.
• U některých párů (vzorky 4 a 5) se rozdíly projevily spíše v L* (jas/shade) než v samotném a*/b* chromatismu, tedy rozdíl v tónu/odstínu spíše než v barevnosti.

Přínosy a praktické využití metody

UV-Vis reflektanční spektroskopie s výpočtem CIE L*a*b*:

• umožňuje objektivní, opakovatelné porovnání barev mezi vzorky a mezi různými materiály;
• podporuje kontrolu kvality (shoda šarží, kontrola stálosti barvy, změny po expozici světlu/oxidaci/vlhkosti);
• je praktická při vývoji a testování kamuflážních textilií, kdy je požadováno přesné sladění s prostředím;
• v kombinaci s FTIR poskytuje informaci o příčinách rozdílů (chemické složení vláken, které může ovlivnit adsorpci/retenci barviv a tím i výslednou barvu).

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření aplikace o modernější barevné metriky (např. CIEDE2000) pro přesnější korelaci s vizuálním vnímáním.
• Integrace spektrálních dat s multivariačními metodami a strojovým učením pro rozpoznávání barviv, predikci blednutí a identifikaci příčin rozdílů (substrát, formulace barviva, fixace).
• Přenositelné spektrometry a multispektrální/spektrální zobrazování pro kontrolu přímo ve výrobní lince nebo v terénu (maskovací aplikace).
• Standardizace měřicích postupů a databází referenčních spekter pro snadnější mezi-laboratorní srovnávání.

Závěr

Studie ukazuje, že UV-Vis spektroskopie vybavená integrační koulí a následná transformace spektrálních dat do CIE L*a*b* poskytuje robustní a kvantitativní přístup k analýze barev textilií. Metoda dokáže detekovat jemné rozdíly mezi látkami, které se jeví jako obdobné lidským okem, a společně s FTIR umožňuje komplexnější interpretaci příčin rozdílů. To je cenné pro QA/QC v textilním průmyslu, při vývoji funkčních oděvů a v aplikacích, kde je přesné barevné sladění kritické.

Reference

1. Hossain MA. UV–Visible–NIR Camouflage Textiles with Natural Plant Based Natural Dyes on Natural Fibre against Woodland Combat Background for Defence Protection. Sci Rep. 2023;13(1).
2. Čorak I, Brlek I, Sutlović A, Tarbuk A. Natural Dyeing of Modified Cotton Fabric with Cochineal Dye. Molecules. 2022;27(3).
3. ASTM International. Standard Practice for Computing the Color of Objects by Using the CIE System; West Conshohocken, PA.
4. Goodpaster JV, Liszewski EA. Forensic Analysis of Dyed Textile Fibers. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2009.
5. United States Pharmacopeia and National Formulary. <1061> Color—Instrumental Measurement. Rockville, MD.