Hoá học thuốc nhuộm

Biên soạn cuốn sách này chúng tôi có ý định đáp ứng phần nào những kiến thức cơ bản nhất cho số đông bạn đọc về lý thuyết màu sắc, về nguyên tắc tổng hợp thuốc nhuộm; về tên gọi, cấu tạ

LỜI NÓI ĐẦU

Nền kinh tế nước ta đang trên đà đổi mới và phát triền, nhu cầu thuốc nhuộm và chất màu hữu cơ dùng để nhuộm và in hoa hàng dệt kể cả các mặt hàng hiếm như lụa tơ tằm, len và các mặt hàng từ nhiều loại sơ sợi tổng hợp tăng lên nhanh chóng Thuốc nhuộm và chất màu còn được sử dụng nhiều trong các ngành mà trước đây chưa có nhu cầu cao như: pha chế sơn, màu, nhuộm, nhựa hoá học và cao su, nhuộm giấy, in văn hoá phẩm và bao bì, nhuộm da thuộc và lông thú; chúng cũng được dùng đề nhuộm chiếu cói, mây tre, nhuộm thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm v.v Thuốc nhuộm và chất màu đang được sử dụng để tạo dáng đẹp cho các mặt hàng tiêu dùng, phục vụ cho mốt thời trang rất

đa dạng của hàng may mặc và trang trí màu sắc trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Song nước ta chưa chế tạo được thuốc nhuộm, dường như toàn bộ thuốc nhuộm dùng cho các lĩnh vực kể trên đều phải nhập khẩu Một số viện và trường đại học đang nghiên cứu chế tạo nhưng vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm Thuốc nhuộm và chất màu lại là loại vật tư khá đắt, việc nắm vững tính năng của mỗi chủng loại, lựa chọn cho đúng mặt hàng để chế tạo hay sử dụng bảo đảm đạt chất lượng và hiệu quả màu sắc cao nhất mà lại tiết kiệm nhất là việc làm không dễ dàng

Biên soạn cuốn sách này chúng tôi có ý định đáp ứng phần nào những kiến thức cơ bản nhất cho số đông bạn đọc về lý thuyết màu sắc, về nguyên tắc tổng hợp thuốc nhuộm;

về tên gọi, cấu tạo hoá học, tính chất và phạm vi sử dụng của các lớp thuốc nhuộm kỹ thuật; về các phương pháp kiểm tra, đánh giá và phân tích thuốc nhuộm

Chương I và chương III do PGS, TS Cao Hữu Trượng biên soạn, Chương II và IV do PGS, TS Hoàng Thị Lĩnh biên soạn Phần bổ sung do PGS, TS Hoàng Thị Lĩnh biên soạn Nội dung trình bày trong tập sách không những là những kiến thức và hiểu biết chung được lựa chọn trong các tài liệu mà còn là những kinh nghiệm chuyên môn đã tích lũy được sau nhiều năm công tác, giảng dạy

Chúng tôi hy vọng cuốn sách này sẽ là tài liệu tham khảo bổ ích cho nhiều cán bộ khoa học, kỹ sư, cán bộ kỹ thuật đang dành thời gian cho việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng thuốc nhuộm; nó cũng giúp các nhà doanh nghiệp, các cán bộ làm công tác giao dịch xuất nhập khẩu Đặc biệt cuốn sách này còn giúp ích cho nhiều sinh viên, học sinh các trường đại học, cao đẳng và trung học chuyên nghiệp đang theo học các ngành hoá, cũng như nhiều bạn đọc đang quan tâm về vấn đề này

Mặc dù chúng tôi đã hết sức cố gắng, song cuốn sách không tránh khỏi còn có những thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến phê bình góp ý của các bạn đồng nghiệp và bạn đọc gần xa đề các tác giả có dịp rút kinh nghiệm và bổ khuyết Chúng tôi rất hân hạnh được trao đổi trực tiếp hoặc bằng thư từ với bạn đọc theo địa chỉ:

Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Hoá dệt,

Khoa Công nghệ Dệt - May và Thời trang,

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

hoặc Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội

Chúng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật và chị Kim Anh đã hết sức giúp đỡ chúng tôi xuất bản cuốn sách này

MỞ ĐẦU

1 SƠ LƯỢC VỀ THUỐC NHUỘM

Trong cuộc sống muôn màu của con người thuốc nhuộm được sử dụng rất đa dạng trong nhiều lĩnh vực và nhiều ngành kinh tế khác nhau Trong kỹ thuật và trong sinh hoạt chúng ta thường gặp các thuật ngữ như: thuốc nhuộm, pigment, bột màu v.v chúng đều là các hợp chất có màu nhưng bản chất, cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng thì khác nhau, cần phân biệt cho đúng

Thuốc nhuộm là tên chỉ chung những hợp chất hữu cơ có màu (gốc thiên nhiên và tổng hợp) rất đa dạng về màu sắc và chủng loại, chúng có khả năng nhuộm màu, nghĩa là bắt màu hay gắn màu trực tiếp cho các vật liệu khác Tùy theo cấu tạo, tính chất và phạm

vi sử dụng của chúng mà người ta chia thuốc nhuộm thành các nhóm, họ, loại, lớp khác nhau Pigment là tên chỉ một số thuốc nhuộm hữu cơ không hoà tan trong nước và một số hợp chất vô cơ có màu như các oxit và muối kim loại Đặc điểm chung của pigment là không hoà tan trong nước, không có ái lực với các vật liệu khác, nó được dùng để nhuộm màu cho các vật liệu khác bằng cách gián tiếp hoặc nhờ màng liên kết hoặc bằng cách phân phối sâu trong khối vật liệu Bột màu là thuật ngữ chủ yếu chỉ các hợp chất vô cơ có màu được dùng trong lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng

Thuốc nhuộm được dùng chủ yếu để nhuộm vật liệu dệt từ xơ thiên nhiên (bông, lanh, gai, len, tơ tằm ), xơ nhân tạo (vixco, axetat, polyno, ) và xơ tổng hợp (polyamit, polyeste, polyacrylonitrin, polyvinylic, polyolefin ) Ngoài ra chúng còn được dùng để nhuộm cao su, chất dẻo, chất béo, sáp, xà phòng; để chế tạo mực in trong công nghiệp ấn loát, để chế tạo văn phòng phẩm, vật liệu làm ảnh màu dùng làm chất tăng và giảm độ nhạy với ánh sáng

Để nhuộm các loại vật liệu dệt ưa nước người ta dùng những lớp thuốc nhuộm hoà tan trong nước, chúng khuếch tán và gắn màu vào xơ sợi nhờ các lực liên kết hoá lý, liên kết ion hoặc liên kết đồng hoá trị với thuốc nhuộm hoạt tính Để nhuộm các loại vật liệu dệt ghét nước và nhiệt dẻo (xơ axetat và xơ tổng hợp) người ta dùng loại thuốc nhuộm không tan trong nước, sản xuất ở dạng bột mịn phân tán cao gọi là thuốc nhuộm phân tán,

nó bắt màu vào xơ sợi theo cơ chế hoà tan (xơ sợi là dung dịch rắn) hoặc phân bố sâu trong hệ thống mao quản của xơ

Để nhuộm cao su, chất dẻo, chỉ màu, mực in, sơn màu, người ta dùng pigment và những loại thuốc nhuộm không tan trong nước Trong trường hợp này pigment hay thuốc nhuộm được gắn vào vật liệu hoặc là nhờ chất tạo màng (khi nhuộm bề mặt) hoặc là trộn với khối vật liệu để phân bố chúng sâu trong đó Khi nhuộm chất béo, dầu, mỡ, xăng, vecni nitro người ta dùng loại thuốc nhuộm hoà tan trong các vật liệu này

2 THUỐC NHUỘM THIÊN NHIÊN

Từ thời thượng cổ loài người đã biết sử dụng thuốc nhuộm thiên nhiên lấy từ thực vật và động vật: Bằng các mẫu vật khai quật được ở Kim Tự Tháp Ai Cập, ở Trung Quốc

và Ấn Độ người ta xác định rằng trước công nguyên 1500 năm người Ai Cập đã biết dùng inđigo (màu xanh chàm) để nhuộm vải và sử dụng phổ biến alizarin lấy từ rễ cây marena

để nhuộm màu đỏ, sử dụng campec chiết xuất từ gỗ sồi để nhuộm màu đen cho len và lụa

tơ tằm Ngoài ra người ta còn chiết xuất được các màu vàng, tím và đỏ - tím từ một số loại cây khác nhau

Trừ màu xanh chàm và màu đỏ alizarin là có độ bền màu cao, nhìn chung thuốc

nhuộm thiên nhiên có độ bền màu thấp, nhất là với ánh sáng, cường lực màu nhỏ do chứa

trong phân tử hệ thống mang màu kém bền Hơn nữa hiệu suất khai thác thuốc nhuộm từ

thực vật rất thấp, phải dùng nhiều tấn nguyên liệu mới thu được một kilôgam thuốc

nhuộm, nên giá thành rất cao Vì vậy đến nay hầu hết thuốc nhuộm thiên nhiên đã bị thay

thế bằng thuốc nhuộm tổng hợp, số còn lại chủ yếu được dùng để nhuộm thực phẩm hoặc

nhuộm vải của các dân tộc ít người theo phong tục cổ truyền

Đến nay người ta đã xác định được công thức cấu tạo của một số thuốc nhuộm thiên

nhiên theo từng loại màu, từ đó đã đánh giá được tính chất sử dụng của chúng

2.1 Thuốc nhuộm thiên nhiên màu vàng

Tất cả thuốc nhuộm thiên nhiên màu vàng đều có nguồn gốc thực vật Màu vàng

quan trọng hơn cả được dùng trong nhiều thế kỷ qua là rezeđa Khi phối nó với màu xanh

chàm sẽ nhận được màu xanh lục gọi là màu Lincon tuyệt đẹp

2.2 Thuốc nhuộm thiên nhiên màu đỏ

Khác với các màu vàng, ba trong số bốn thuốc nhuộm màu đỏ thiên nhiên (cecmec,

cosenil, lac) có nguồn gốc động vật, song màu đỏ quan trọng nhất vẫn là marena hay còn

gọi là alizarin thu được từ thực vật Tất cả các thuốc nhuộm màu đỏ kể trên đều là dẫn

xuất hiđroxy của antraquinon Các dẫn xuất khác nhau của chúng còn có ứng dụng đến

ngày nay do chúng có màu tươi ánh, có độ bền màu rất cao với ánh sáng Vì vậy có thể

nói rằng thuốc nhuộm thiên nhiên màu đỏ có độ bền màu với các chỉ tiêu cao hơn nhiều so

với các màu vàng

2.3 Thuốc nhuộm thiên nhiên màu đỏ tía

Cấu tạo của thuốc nhuộm thiên nhiên màu đỏ tía đã được Fridlender tìm ra vào năm

1909, đó chính là 6,6’-đibrominđigo (4)

Gần đây từ thân lá của cây Dacathais orbita người ta đã xác định được quá trình tạo

thành màu đỏ tía này Hợp chất ban đầu là tirinđocxysunfat (1) có màu ghi, khi thủy phân

bằng men nó sẽ chuyển thành tirinđocxyl (2), một phần bị oxy hoá bằng oxy của không

khí đến 6-brom-2-metyl-tioinđoleninon (3) Đến lượt mình hợp chất (3) này lại kết hợp

với (2) để thành phức 1: 1 kiểu quihiđron (tiriverđin), dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời

nó biến thành 6,6’-đibrominđigo (4) là gốc của màu đỏ tía Quá trình đó như sau:

NH

OS3Me+

Br

SMe

NH

OH

Br

SMe

NH

2.4 Thuốc nhuộm thiên nhiên màu xanh chàm

Trong các màu xanh thiên nhiên có màu xanh lam vaiđa và màu xanh chàm được dùng đến ngày nay Lúc đầu người ta cho rằng đó là hai màu khác nhau, về sau mới biết chúng giống nhau về cấu tạo hoá học và chính là inđigo tách được từ cây họ chàm có tên

khoa học là Indigofera tinctoria L, có công thức hoá học như sau:

NH

O

N

OH

Hiện nay inđigo là một trong hai thuốc nhuộm thiên nhiên vẫn còn có ý nghĩa thực

tế tuy nó đã được tổng hợp và chế tạo ở phạm vi công nghiệp

2.5 Thuốc nhuộm thiên nhiên màu đen

Thuốc nhuộm thiên nhiên màu đen có ý nghĩa thực tế duy nhất là màu đen campec,

nó đã được biết từ năm 1500, nhưng đến năm 1812 mới thực sự có ý nghĩa thực tế khi một nhà hoá học Pháp đã tìm thấy nó có khả năng tạo thành phức không tan với muối kim loại

có màu đen Khi mới tách từ gỗ campec ra, hợp chất ban đầu có màu đỏ gọi là hematein, khi kết hợp với muối crôm nó chuyển thành màu đen vì thế mà gỗ campec trở nên có giá trị Hematein có công thức như sau:

O

OH

OHHO

HO

O

Mặc dù chưa biết cụ thể cấu tạo của phức kim loại này nhưng người ta cho rằng nó

có cấu trúc đại phân tử, trong đó ion crôm liên kết với các phân tử hematein để tạo thành phức Cần nhấn mạnh rằng đa số thuốc nhuộm tổng hợp màu đen dùng trong ngành dệt và một số ngành khác đều là hỗn hợp của hai hoặc nhiều hơn nữa các thuốc nhuộm thành phần, vì thuốc nhuộm tổng hợp màu đen có màu không tươi khi dùng riêng Màu đen campec được dùng như là một thuốc nhuộm đơn, riêng biệt, để nhuộm tơ tằm, da và một vài vật liệu khác, vẫn có ý nghĩa đến bây giờ

2.6 Sử dụng thuốc nhuộm thiên nhiên ở Việt Nam

Chưa có tài liệu nào cho biết cụ thể niên đại người Việt Nam biết dùng các màu thiên nhiên, chỉ biết rằng cộng đồng các dân tộc Việt Nam từ thời thượng cổ đã dùng thuốc nhuộm thiên nhiên trong đời sống Kinh nghiệm dùng thuốc nhuộm lấy từ thảo mộc

đã truyền từ đời này sang đời khác ở các miền, các vùng có các loại cây này

Đến nay đồng bào thiểu số ở các tỉnh miền núi phía Bắc vẫn còn dùng lá chàm để nhuộm màu xanh lam Những thập kỷ đầu của thế kỷ này một số vùng ở Bắc Bộ đã dùng

nước chiết từ củ nâu để nhuộm màu nâu tươi, khi nhúng vào bùn ao thì màu nâu này chuyển thành màu đen rất bền và đẹp (đây cũng là một dạng phức của thuốc nhuộm với ion kim loại nặng có trong bùn) Ngoài ra để nhuộm nâu và đen người ta còn dùng lá bàng, vỏ sú, vỏ vẹt và một số vỏ và lá cây khác nữa Để nhuộm đen một số vùng ở Nam

Bộ còn dùng nước chiết từ quả mặc nưa để nhuộm lót sau đó nhúng vào bùn sông Hậu sẽ tạo thành màu đen bền và đẹp

Một số loại lá và quả được dùng để nhuộm thực phẩm như: quả giành giành, bột nghệ để nhuộm màu vàng, lá cơm sôi để nhuộm xôi màu đỏ v.v Đến nay vẫn chưa có cơ

sở tổ chức chiết tách thuốc nhuộm thiên nhiên để dùng vào mục đích kỹ thuật và dân sinh; việc sử dụng chúng ở nước ta vẫn dựa vào kinh nghiệm dân gian của từng miền

3 THUỐC NHUỘM TỔNG HỢP

Đến nay việc nghiên cứu và chế tạo thuốc nhuộm tổng hợp đạt đến đỉnh cao cả về mặt khoa học và công nghệ Các hãng chế tạo đã sản xuất và bán ra trên thị trường thế giới hàng trăm mẫu của trên mười lớp thuốc nhuộm khác nhau; chúng khôngnhững có màu sắc đẹp và rất đa dạng mà còn có độ bền màu cao hoặc rất cao với nhiều chỉ tiêu cơ

lý và hoá lý Để đạt được những thành tựu như vậy, việc nghiên cứu và sản xuất chúng cũng phải trải qua các thời kỳ phát triển từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp

3.1 Các giai đoạn phát triển

Người có vinh dự phát minh ra thuốc nhuộm tổng hợp đầu tiên pararoalinin từ anilin (1855) là I A Natason, giáo sư Trường Đại học tổng hợp Vacsava Sau đó một năm (1856) nhà hoá học trẻ người Anh là V G Pekin đã tổng hợp được thuốc nhuộm màu đỏ tím tên gọi là movein thuộc lớp thuốc nhuộm azin và là thuốc nhuộm tổng hợp đầu tiên được sản xuất ở phạm vi công nghiệp Ít năm sau, ở Lyon, một trung tâm tơ lụa của Pháp,

F E Vergen đã tổng hợp được thuốc nhuộm bazơ đầu tiên có gốc triphenylmetan, đó là thuốc nhuộm fucxin

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu và chế tạo thuốc nhuộm tổng hợp, trong đó việc phát triển ngành hoá học hữu cơ và việc ra đời xơ sợi tổng hợp là những yếu tố có tầm quan trọng hàng đầu Quá trình phát triển của thuốc nhuộm tổng hợp

có thể chia làm ba giai đoạn

Giai đoạn thứ nhất (1855 - 1876)

Giai đoạn này được đánh dấu bằng các phát minh và ứng dụng vào sản xuất thuốc nhuộm lớp azin và triphenylmetan (movein, fucxin, tím metyl, inđulin, xanh metylen); một số thuốc nhuộm azo (vàng anilin, nâu bismac, crizoiđin) v.v

Đa số những thuốc nhuộm kể trên thuộc về lớp thuốc nhuộm bazơ, chúng chỉ nhuộm màu cho tơ tằm và len; còn khi dùng để nhuộm vải từ xơ xellulo thì phải dùng hỗn hợp tanin - antimoin làm chất hãm màu (cầm màu) Tất cả những thuốc nhuộm này đều được sản xuất từ anilin và các dẫn xuất của nó nên còn có tên gọi lịch sử là thuốc nhuộm anilin Xuất phát từ ý định tạo nên thuốc nhuộm có độ bền màu cao trên xơ bông, năm 1863,

J Laifut đã tìm ra quy trình tổng hợp thuốc nhuộm anilin đen bằng cách oxy hoá trực tiếp anilin trên vải

Phát minh ra phản ứng điazo hoá của P Griss năm 1858 đã đóng vai trò mở đường

và đặt nền móng cho việc sản xuất thuốc nhuộm azo là lớp thuốc nhuộm có phạm vi ứng

dụng rất rộng, với đặc điểm chung là chứa nhóm azo trong phân tử mà các thuốc nhuộm khác không có

Trong thời kỳ này nhiều nhà khoa học đã chú ý nghiên cứu bản chất của màu sắc và

sự liên quan giữa cấu tạo của thuốc nhuộm và màu sắc Năm 1876, O Witt đã đề ra thuyết mang màu và trợ màu, là thuyết màu đầu tiên, tuy nó chưa đi sâu vào bản chất mà chỉ dựa vào hiện tượng và đến nay nó chỉ có giá trị lịch sử nhưng nó đã mở đường cho sự phát triển của lý thuyết màu

Những thuốc nhuộm tổng hợp được phát minh và chế tạo ở giai đoạn thứ nhất không giống những thuốc nhuộm thiên nhiên đang dùng thời bấy giờ, vì vậy đã nảy sinh ý định nghiên cứu và chế tạo những thuốc nhuộm tổng hợp có tính chất tương tự như các thuốc nhuộm thiên nhiên được trọng dụng nhất Theo hướng đó, năm 1868 K Grebe và K Libecman đã chế tạo được thuốc nhuộm alizarin từ 1,2-đibromantraquinon Cũng năm ấy,

A F Bayer đã bắt đầu nghiên cứu tổng hợp inđigo và năm 1878 ông đã thành công trong việc chế tạo thuốc nhuộm này từ izatin

Giai đoạn thứ hai (1876 - 1893)

Giai đoạn này được đánh dấu bằng việc bắt đầu sản xuất thuốc nhuộm azo Những thuốc nhuộm azo được sản xuất loạt đầu tiên hầu hết là thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm cầm màu (alizarin vàng GG) và một số thuốc nhuộm để nhuộm tơ tằm và len, chưa có thuốc nhuộm nào có khả năng bắt màu trực tiếp vào xơ bông Đến đây lịch sử phát triển thuốc nhuộm ghi nhận một phát kiến tuyệt vời nữa, đó là việc tìm ra thuốc nhuộm côngô,

mở đầu cho việc nghiên cứu và sản xuất loại thuốc nhuộm hoà tan trong nước có khả năng

tự bắt màu vào xơ xenlulo, và cũng mở đầu cho việc hình thành và hoàn chỉnh dần lớp thuốc nhuộm trực tiếp hay còn gọi là thuốc nhuộm supstantip

Vào những năm tám mươi của thế kỷ qua R Holiday đã tìm ra phương pháp tổng hợp thuốc nhuộm azo không tan (azoid) trên vải Lúc đầu người ta dùng β-naphtol cho kết

hợp với p-nitroanilin đã điazo hoá để nhận được màu đỏ dùng vào việc nhuộm và in hoa,

về sau đã thay thế β-naphtol bằng các arylit của axit β-oxynaphtoic và gọi là naphtol AS Phương pháp tổng hợp thuốc nhuộm azo không tan trên vải được coi là cơ bản hoàn thiện vào năm 1911

Giai đoạn thứ ba (1893 - 1902)

Giai đoạn này được đánh dấu bằng sự phát triển sản xuất thuốc nhuộm lưu huỳnh và hoàn thiện công nghệ tổng hợp inđigo Năm 1893 lần đầu tiên trên thị trường thế giới đã xuất hiện thuốc nhuộm lưu huỳnh màu đen có tên gọi thương phẩm là Viđal đen, sau đó lần lượt đã ra đời các màu khác của lớp thuốc nhuộm này

Năm 1897 A F Bayer đã hoàn thiện công nghệ sản xuất inđigo ở phạm vi công nghiệp, sau đó R Bon đã tổng hợp được thuốc nhuộm hoàn nguyên có màu xanh lam giống như inđigo gọi là inđantren xanh lam, tiêu biểu cho thuốc nhuộm hoàn nguyên dãy antraquinon có độ bền màu và độ ánh rất cao

Để giảm bớt khó khăn khi chuẩn bị dung dịch nhuộm từ thuốc nhuộm hoàn nguyên không tan, đầu thế kỷ XX người ta đã thành công trong việc chế tạo thuốc nhuộm hoàn nguyên tan (inđigosol, cubozol ) Còn để nâng cao độ bền màu của thuốc nhuộm trực tiếp, năm 1883 người ta đã dùng muối đồng, và dùng muối crôm để tăng độ bền màu cho một số thuốc nhuộm axit Đến năm 1893 các nhà hoá học đã chế tạo được thuốc nhuộm axit cầm màu hay thuốc nhuộm axit crôm có độ bền màu rất cao với giặt và ánh sáng Mặt khác khi cầm màu bằng muối kim loại thì màu ban đầu sẽ biến đổi khó khăn cho việc thiết

kế công nghệ nhuộm Để khắc phục hiện tượng này năm 1915 người ta đã tìm ra qui trình công nghệ tổng hợp thuốc nhuộm axit chứa kim loại 1 : 1 và đến năm 1951 thì tìm ra thuốc nhuộm chứa kim loại 1 : 2 để nhuộm len trong môi trường trung tính

Vấn đề nhuộm lụa axetat (loại xơ nhiệt dẻo, ghét nước) đã được nghiên cứu và giải quyết từ năm 1921 - 1924, lúc đầu người ta dùng các chế phẩm để nhuộm azo không tan, sau đó dùng các dẫn xuất của nitrođiphenylamin và đơn giản hơn là dùng dẫn xuất của antraquinon gọi là thuốc nhuộm acet Khi nhu cầu nhuộm xơ tổng hợp đã cao thì ra đời lớp thuốc nhuộm phân tán trên cơ sở này

Pigment ftaloxianin được sản xuất từ năm 1934, do có độ ánh và độ bền màu rất cao nên trên cơ sở gốc màu này người ta đã sản xuất được pigment xanh da trời và xanh lục,

về sau đã dùng gốc màu này để sản xuất một số thuốc nhuộm trực tiếp bền màu và thuốc nhuộm hoạt tính

Sau đại chiến thế giới lần thứ hai công nghiệp sản xuất xơ sợi tổng hợp đã chuyển sang giai đoạn bùng nổ phát triển, nhiều loại xơ sợi mới ra đời dẫn đến yêu cầu chế tạo những thuốc nhuộm thích hợp cho các loại xơ này Trong quá trình tìm kiếm ngoài việc hoàn chỉnh dần lớp thuốc nhuộm phân tán, một trường hợp không mong đợi đã được giải quyết, đó là những thuốc nhuộm thuộc lớp bazơ không bền màu với ánh sáng khi nhuộm các loại xơ khác nhưng lại bắt màu rất tốt và có độ bền màu với ánh sáng khá cao trên xơ polyacrylonitrin (PAN), điều này đã dẫn đến việc nghiên cứu và sản xuất loại thuốc nhuộm bazơ riêng cho yêu cầu này gọi là thuốc nhuộm cation

Một trong những thành quả tuyệt vời trong 40 năm gần đây của hoá học thuốc nhuộm là việc phát minh ra thuốc nhuộm hoạt tính, chúng có khả năng tạo thành mối liên kết hoá trị với xơ nên có độ bền màu cao với gia công ướt Năm 1965 hãng ICI (Anh) đã sản xuất ra thuốc nhuộm hoạt tính đầu tiên có tên gọi là procion, tiếp theo năm 1957 hãng Ciba (Thụy Sĩ) đã sản xuất ra thuốc nhuộm hoạt tính gọi là Cibacron Từ đó nhiều nước và nhiều hãng có công nghiệp hoá học phát triển đã nghiên cứu và sản xuất thuốc nhuộm hoạt tính với chất lượng ngày càng nâng cao, chủng loại ngày càng mở rộng để bảo đảm tỷ lệ liên kết hoá học với xơ cao, ít bị thủy phân, bền màu, tươi màu và công nghệ nhuộm đơn giản

Chương I

LÝ THUYẾT VỀ MÀU SẮC

1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC THUYẾT MÀU

Từ lâu các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm cách giải thích câu hỏi: tại sao thế giới xung quanh ta lại có màu và màu của chúng lại khác nhau? Đây là vấn đề rất hay nhưng cũng rất khó, đã trải qua nhiều thế kỷ cho đến khi các ngành khoa học về vật lý và hoá học phát triển đến mức cao mới tìm được những lời giải đáp tương đối thoả đáng và xây dựng được lý thuyết màu hiện nay

Giải đáp vấn đề màu sắc của mọi vật theo quan điểm của hoá hữu cơ có nghĩa là xác định sự phụ thuộc chung giữa sự hấp thụ các tia sáng trong miền thấy được của quang phổ ánh sáng mặt trời và cấu tạo hoá học của hợp chất hữu cơ nói chung và thuốc nhuộm nói riêng Đến nay nhờ dựa vào lý thuyết màu người ta đã định hướng cho việc tổng hợp nên những chất màu và thuốc nhuộm mới rất phong phú và đa dạng Dưới đây là tóm tắt nội dung của các thuyết màu được sử dụng nhiều hơn cả

1.1 Thuyết mang màu

Dựa trên các quan điểm của Butlerov và Alektsev năm 1876 O Witt đã lập nên thuyết mang màu của hợp chất hữu cơ, được coi là thuyết màu đầu tiên Theo thuyết này thì hợp chất hữu cơ có màu do chúng chứa các nhóm mang màu trong phân tử, đó

là những nhóm nguyên tử chưa bão hoà hoá trị Những nhóm mang màu quan trọng hơn

cả là: −OH, −NH2, −N(CH3)2, −N(C2H5)2 Dựa vào thuyết mang màu người ta đã rút ra một số kết luận có tính chất quy luật như sau:

- khi liên kết nối đôi cách trong phân tử của hợp chất hữu cơ được kéo dài thêm thì màu sẽ sâu hơn;

- tăng số nhân thơm trong hợp chất từ cấu trúc đơn giản thành cấu trúc đa nhân phức tạp thì màu sẽ sâu hơn;

- tăng số nhóm cacbonyl liên kết trực tiếp với nhau trong hợp chất cũng dẫn đến sâu màu;

- việc tạo thành mối liên kết mới giữa các nguyên tử cacbon trong từng phần phân tử

và không phá vỡ hệ thống mối liên kết nối đôi cách cũng làm cho màu sâu hơn;

- việc chuyển nhóm trợ màu thành dạng muối và alkyl hoá nhóm amin sẽ dẫn đến sâu màu;

- khi alkyl hoá nhóm hiđroxyl trong nhân thơm hoặc chuyển nhóm trợ màu vào liên kết vòng thì màu của hợp chất sẽ nhạt đi

Tuy chưa có những giải thích thoả mãn về bản chất màu của hợp chất hữu cơ, những kết luận rút ra chỉ dựa vào hiện tượng và kinh nghiệm, song thuyết mang màu đã làm cơ

sở cho các thuyết màu sau này tiếp tục nghiên cứu sâu hơn, nó đã góp phần không nhỏ vào việc tổng hợp chất màu và thuốc nhuộm, một số khái niệm đến nay vẫn còn được sử dụng

1.2 Thuyết màu quinoit

Thuyết màu này được R Nesaki đề xuất năm 1888, theo ông thì các hợp chất hữu cơ

có màu là do trong phân tử của chúng có chứa nhân thơm ở dạng quinoit Để minh hoạ cho thuyết này người ta đã dẫn ra thí dụ sau đây: parabenzoquinon (1) có màu vàng do có cấu tạo quinoit; khi bị khử đến 1,4-xyclohexanđion (2) thì bị mất màu dù vẫn chứa hai nhóm cacbonyl là hai nhóm mang màu; khi bị khử đến hiđroquinon (3) cũng mất màu Hiện tượng này được giải thích rằng các hợp chất (2) và (3) mất màu là do không còn tồn tại cấu tạo quinoit

Thuyết mang màu đã được sử dụng để giải thích hiện tượng màu của thuốc nhuộm dựa vào cấu tạo phân tử của chúng; tuy nhiên thuyết này chưa tìm được các quy luật chung, một số trường hợp ngoại lệ (hợp chất có màu nhưng không viết được cấu tạo quinoit) dùng thuyết này không giải đáp được hiện tượng màu

1.3 Thuyết nguyên tử chưa bão hoà và thuyết tạo màu khi chuyển hợp chất hữu

cơ về dạng muối

Năm 1902 Bayer đã tìm ra hiện tượng gọi là “Galocromy”, thể hiện ở các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm cacbonyl ( C=O), màu của chúng sẽ sâu hơn dưới tác dụng của axit hay muối kim loại Để làm rõ hơn hiện tượng này năm 1910 Pfeifer đã tìm thấy rằng các axit hay muối kim loại có khả năng kết hợp với oxy của nhóm cacbonyl là do nguyên tử oxy chứa trong các hợp chất này có cặp điện tử chưa chia nên chúng có thể liên kết với axit hay muối của kim loại làm cho màu sâu hơn, và có cấu tạo muối có thể viết tổng quát như sau:

ở đây R là các gốc hữu cơ; HX là axit khoáng

Năm 1928 Đinte - Vixinge còn nhận thấy rằng các nhóm mang màu là những nhóm nguyên tử chưa bão hoà hoá trị, khi chuyển sang dạng ion thì màu sẽ sâu hơn

1.4 Thuyết dao động màu

Để giải thích bản chất của hiện tượng màu, năm 1910 Porai - Cosix (nhà bác học người Nga) lần đầu tiên đã nghiên cứu sâu về thực chất của hiện tượng màu, đã gắn khả năng hấp thụ các tia sáng với quá trình thay đổi các mối liên kết giữa các nguyên tử trong các hợp chất màu Theo ông thì trong phân tử của hợp chất hữu cơ chưa bão hoà liên tục xảy ra biến đổi hoặc dao động các liên kết, và giả thiết rằng sự hấp thụ chọn lọc các tia sáng là kết quả của sự giao thoa giữa dao động của các tia sáng đồng bộ với dao động của các liên kết nội phân tử trong các hợp chất chưa bão hoà Nếu như tốc độ dao động của các liên kết của hợp chất hữu cơ ở mức đồng bộ với dao động của các tia sáng trong miền quang phổ nhìn thấy thì điểm hấp thụ cực đại của các hợp chất sẽ chuyển đến miền này làm cho hợp chất có màu Thuyết dao động màu đã tiến thêm một bước nữa trong việc giải thích bản chất của màu sắc

1.5 Thuyết nhiễm sắc

Khi nghiên cứu về bản chất của màu sắc, năm 1915 nhà bác học người Nga là V A Izmanski đã đề ra thuyết nhiễm sắc Theo ông thì khả năng hấp thụ chọn lọc ánh sáng của thuốc nhuộm hữu cơ không chỉ do chúng chứa các nhóm mang màu mà còn do chúng có thay đổi cấu tạo trong phân tử nhờ sự liên hợp của các nhóm mang màu riêng biệt và sự tương tác của các điện tử trong hệ thống liên hợp Ông gọi trạng thái của phân tử lúc này

là trạng thái nhiễm sắc

Trạng thái nhiễm sắc của một hợp chất sẽ xuất hiện khi ở một đầu của hệ thống mối liên kết nối đôi cách chứa nhóm nhường điện tử như: −NH2, −NR2, −OH, −OR, −CH3,

−Cl; và ở đầu kia chứa một trong các nhóm thu điện tử như: −NO2, −SO3H, −COOH,

−CN Do kết quả tương tác của các nhóm này qua hệ thống mối liên kết nối đôi cách làm phát sinh ra trạng thái đặc biệt của phân tử đó là sự cạnh tranh điện tích của các nhóm ở hai đầu hệ thống mối liên kết nối đôi cách, chuyển hợp chất sang trạng thái có màu Thuyết nhiễm sắc đã góp phần giải thích bản chất màu của một số thuốc nhuộm hữu cơ Các thuyết màu kể trên đã đóng vai trò nhất định trong việc nghiên cứu và giải thích hiện tượng màu, song do những hạn chế về điều kiện và phương tiện nghiên cứu, chưa có thuyết nào được coi là hoàn hảo, nhất là chưa giải thích được đầy đủ bản chất của màu sắc Bản chất của màu sắc gần đây đã được nghiên cứu và giải thích đầy đủ hơn bằng thuyết điện tử

2 LÝ THUYẾT MÀU HIỆN ĐẠI

2.1 Bản chất của màu sắc trong tự nhiên

Màu sắc là một hiện tượng phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau đây:

1- Cấu tạo của vật thể có màu;

2- Thành phần của ánh sáng chiếu vào vật thể và góc quan sát;

3- Tình trạng của mắt người quan sát

Màu sắc của mọi vật trong thế giới tự nhiên xung quanh chúng ta rất phong phú và

đa dạng Trước tiên nó phụ thuộc vào cấu tạo hoá học của vật thể Do có cấu tạo hoá học khác nhau nên dưới tác dụng của ánh sáng mọi vật sẽ hấp thụ và phản xạ lại các phần tia tới với tỷ lệ và cường độ khác nhau Những tia phản xạ này sẽ tác động vào hệ thống cảm thụ thị giác và truyền thông tin về hệ thống thần kinh trung ương để hợp thành cảm giác màu Màu của mỗi vật chính là màu hợp thành của các tia phản xạ

Do phụ thuộc vào mắt người quan sát nên màu sắc phụ thuộc vào yếu tố chủ quan của con người Để đánh giá và phân biệt màu sắc một cách khách quan người ta đã chế tạo

ra những dụng cụ và thiết bị đo màu dựa vào bước sóng và các thông số khác nữa của các tia phản xạ Hiện nay môn khoa học về màu sắc đã ra đời cùng với các hệ thống đo màu, các phương pháp tính toán màu Khi nghiên cứu về màu sắc người ta dùng các khái niệm sau đây

Màu quang phổ là những màu nhận được khi phân tích ánh sáng trắng ra thành

những tia màu hợp thành nhờ các dụng cụ quang học, mỗi màu được đặc trưng bằng một bước sóng nhất định từ 380 đến 760 nm và gọi là màu đơn sắc, đặc điểm của các màu này

là tươi và thuần sắc

Màu vô sắc (hay còn gọi là màu tiên sắc, màu trung hoà) là những màu được đặc

trưng bằng cường độ màu như nhau của tất cả các bước sóng Do được phản xạ hỗn hợp các tia sáng có bước sóng khác nhau với cùng một cường độ, không có tia nào trội hẳn nên chúng trung hoà lẫn nhau, nên mắt con người không cảm thụ được sắc thái riêng của màu Thí dụ, trong tự nhiên chúng ta vẫn cảm thụ được các màu vô sắc như: màu trắng, màu ghi, màu đen

Màu hữu sắc là những màu thiên nhiên thể hiện ở mọi vật trong thế giới xung quanh

chúng ta với các từ: xanh lam, xanh lục, đỏ, tím, vàng, da cam v.v Màu hữu sắc là kết quả của sự hấp thụ chọn lọc và phản xạ một số tia sáng có bước sóng nhất định Màu của vật thể là hiệu ứng màu phối hợp của các tia phản xạ mà mắt người cảm thụ được Màu hữu sắc chia làm hai loại: màu đơn sắc và màu đa sắc Màu đơn sắc chính là màu quang phổ, gặp ở những trường hợp vật thể chỉ phản xạ một tia của quang phổ ánh sáng trắng, còn các tia khác thì hấp thụ hết Màu đa sắc là màu của tập hợp các tia phản xạ của một vật nào đó

có bước sóng khác nhau nhưng cường độ và tỷ lệ các tia này không như nhau Màu chủ đạo của vật thể sẽ là màu của tia phản xạ nào chiếm tỷ lệ lớn nhất được hoà với màu của các tia còn lại theo quy luật phối màu

Trong tự nhiên để chỉ màu đa sắc người ta dùng các tính từ kép như: màu tím đỏ, lam ánh đỏ, lục ánh vàng hoặc dùng các màu có sẵn trong tự nhiên để gọi như: vàng chanh, vàng kim, xanh da trời, xanh nước biển v.v Theo lý thuyết màu và các phép tính màu, các đồ thị màu thì màu hữu sắc là một đại lượng ba chiều được xác định bằng: tông màu, độ thuần sắc hay độ bão hoà và độ sáng hay độ ánh

Tông màu là một khái niệm tương đối trừu tượng nhưng cũng thường gặp Trong

ngôn ngữ thông thường nó được hiểu là sắc điệu của màu và được biểu thị bằng các từ: sắc, sắc thái, hoặc ánh màu, thí dụ như: sắc xanh, sắc vàng hay ánh vàng Trong kỹ thuật người ta hiểu tông màu là sự khác biệt về cảm giác màu của một màu hữu sắc nào đó so với màu ghi có cùng độ sáng Sắc hay tông màu được biểu thị bằng bước sóng trội của màu Những màu giống nhau về sắc thường được xếp vào loại có chung một tông màu

Độ thuần sắc hay độ bão hoà là chỉ tiêu xác định mức độ của sắc thái trong màu

Những màu thuần sắc phải chứa đựng một tỷ lệ lớn tia đơn sắc thuần khiết, còn ở những màu kém thuần sắc thì tỷ lệ của tập hợp các tia khác sẽ trội hơn Độ thuần sắc của màu được đánh giá bằng tỷ lệ của độ ánh thành phần đơn sắc so với độ ánh chung của màu (tính ra phần trăm) như vậy độ thuần sắc của các màu đơn sắc hay màu quang phổ sẽ là 100%

Độ sáng cũng là một khái niệm thường dùng khi đánh giá và phân tích màu sắc

Trong phép so màu người ta dùng độ sáng hay độ ánh đồng nghĩa với độ phản chiếu, được

đánh giá bằng phần trăm các tia phản chiếu so với tổng của chùm tia tới Trong thực tế thường gặp các màu huỳnh quang có độ sáng hay độ ánh cao hơn các màu thông thường

2.2 Tính chất của ánh sáng và sự hấp thụ ánh sáng của vật thể

Như trên đã trình bày, màu sắc của mỗi vật xung quanh ta có liên quan chặt chẽ đến nguồn sáng chiếu vào nó và khả năng hấp thụ ánh sáng của mỗi vật

2.2.1 Đặc điểm của ánh sáng mặt trời

Ánh sáng là yếu tố trực tiếp tạo cho cơ quan thị giác của mắt cảm thụ được màu sắc Trong bóng tối mọi vật sẽ không thể hiện được màu sắc của mình và mắt người cũng không cảm thụ được gì cả Các nguồn sáng có cấu tạo khác nhau khi chiếu vào một vật sẽ làm cho vật đó thể hiện màu sắc khác nhau Dưới ánh sáng ban ngày khi trời đẹp thì màu sắc của mọi vật trong thiên nhiên rõ ràng, rực rỡ và tươi đẹp, còn trong ánh sáng nhân tạo thì màu sắc của chúng không thể hiện đầy đủ, thường là tối sẫm, biến màu hoặc mờ nhạt

Có sự sai khác màu như vậy là do cấu tạo của ánh sáng nhân tạo khác với ánh sáng thiên nhiên hay ánh sáng mặt trời

Trong số các tia sáng chiếu từ mặt trời đến trái đất chúng ta, mắt của con người chỉ cảm thụ được phần ánh sáng trắng, còn gọi là miền thấy được của quang phổ ánh sáng mặt trời Cũng giống như các loại sóng phát thanh và truyền hình, các tia sáng cũng có dao động sóng điện từ và cũng được đo bằng đơn vị nanomet (theo quy ước quốc tế 1 nm =

10−9 m) Dao động sóng của ánh sáng được gọi là bước sóng và ký hiệu là λ Bước sóng của các tia trong quang phổ ánh sáng mặt trời có vị trí như trong bảng 1.1

Bảng 1.1

Bước sóng Tên tia sáng

Sóng ngắn ra đa, radio, sóng truyền hình 106 − 3.1012

Như vậy thì phần thấy được chỉ chiếm một giải rất hẹp trong toàn bộ quang phổ ánh sáng mặt trời Phần thấy được hay ánh sáng trắng này được hợp thành từ một số tia sáng

có bước sóng khác nhau ứng với các màu của cầu vồng mà ta vẫn gặp trong tự nhiên Từ lâu chúng ta đã biết trong các thí nghiệm của Newton rằng khi cho một chùm tia sáng trắng song song đi qua một lăng kính thì sẽ nhận được bảy màu trên màn ảnh đặt sau lăng kính, đó là: tím, xanh lam, xanh da trời, xanh lục, vàng, da cam và đỏ Bảy màu này chính

là màu đơn sắc hay màu quang phổ, chúng có độ thuần sắc rất cao Giữa bảy màu chính này là các màu trung gian do kết quả phối ghép của hai màu lân cận, sắc màu của chúng như thế nào là do tỷ lệ thành phần của các tia hỗn hợp và bước sóng của chúng Như vậy

sẽ có vô số màu trung gian, nhưng những màu chính được trình bày trong bảng 1.2

2.2.2 Năng lượng của ánh sáng

Theo thuyết photon thì ánh sáng là kết quả của hiện tượng bức xạ sóng được truyền

đi kèm theo năng lượng của chúng được tính bằng kilôcalo Còn theo các thuyết cấu tạo

hoá học thì nguyên tử của các nguyên tố có một nhân ở giữa và một đám mây điện tử phân

bố thành nhiều lớp quay vời những quỹ đạo khác nhau xung quanh nhân Song chỉ có

những điện tử của lớp ngoài cùng hay còn gọi là điện tử hoá trị mới có khả năng tham gia

vào phản ứng hoá học Những điện tử hoá trị này cũng tạo nên hiện tượng phát sóng và

được gọi là điện tử quang học

Khi một nguyên tử nào đó được cấp năng lượng thì các điện tử của nó sẽ chuyển

sang trạng thái bị kích động và có thể nhảy sang những quỹ đạo khác xa nhân hơn, khi

ngừng kích động thì chúng có thể lại trở về quỹ đạo cũ của nó Từ sau các công trình

nghiên cứu của Einstein, người ta thừa nhận rằng sự phát ra và hấp thụ áng sáng có liên

quan đến sự chuyển dịch các điện tử kể trên Sự chuyển dịch này sẽ tạo ra hay làm biến đi

những hạt không có khối lượng (trái với các điện tử) gọi là photon lượng tử, chúng như

thể là vật chất hoá ánh sáng, làm cho ánh sáng có hạt và có sóng

Một photon được sinh ra khi một điện tử vòng ngoài nhảy sang quỹ đạo khác gần

nhân hơn Photon này thoát ra với tốc độ 300.000 km/s và tải đi một năng lượng mà

nguyên tử bị mất dưới dạng tia sáng mà bước sóng tỷ lệ nghịch với năng lượng được

truyền đi Trái lại một photon biến mất khi nó va vào và đẩy một điện tử ngoại vi sang

một quỹ đạo xa nhân hơn Khi này năng lượng của photon được thu lấy và tạo nên trạng

thái kích thích có khả năng làm sinh ra một photon khác Nếu như những dịch chuyển điện

tử này xảy ra ở những tần số tương ứng với tần số của các bức xạ màu của ánh sáng trong

miền thấy được của quang phổ ánh sáng mặt trời thì sẽ có màu Theo thuyết này, một vật

muốn có màu thì nó phải có khả năng hấp thụ được bức xạ trong miền thấy được để

chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái kích động, hai trạng thái này khác nhau

bởi một năng lượng nằm trong khoảng 35 kcal (của tia đỏ) và 70 kcal (của tia tím) tính

cho mỗi phân tử lượng

Theo định luật lượng tử, khi vật thể hấp thụ một tia sáng, năng lượng chuyển tới vật

thể được tính theo phương trình:

λ

c.h

trong đó γ - tần số dao động; h - hằng số Planck, bằng 6,626.10−27 erg/s (hay 6,626.10−34

j.s); c - tốc độ ánh sáng, bằng 300000 km/s; λ - bước sóng

Như vậy những tia sáng có bước sóng càng nhỏ càng có tần số dao động lớn hơn và chúng càng mang năng lượng lớn hơn

2.2.3 Ánh sáng nhân tạo

Khi quan sát màu bằng ánh sáng nhân tạo người ta nhận thấy có sự sai khác với màu quan sát hoặc đo trong ánh sáng ban ngày Khác với quang phổ liên tục của ánh sáng mặt trời, ánh sáng nhân tạo có quang phổ đứt quãng, đó là nguyên nhân gây nên sự sai lệch màu khi quan sát Để khắc phục hiện tượng này và nhằm chuyển các tia bức xạ cực tím thành các bức xạ nhìn thấy được có quang phổ liên tục, người ta đã phủ lên bên trong các loại đèn ống một lớp chất huỳnh quang có thành phần khác nhau nhằm tạo ra nguồn sáng gần với ánh sáng trắng Các tia bức xạ của loại đèn này đã phối hợp quang phổ vạch của hơi thủy ngân với quang phổ liên tục của lớp phủ để tạo thành quang phổ liên tục của ánh sáng phát ra

Trên cơ sở này người ta đã chế tạo ra những loại đèn chuyên dùng cho việc đánh giá màu, trong số này có đèn xenon được coi là nguồn ánh sáng nhân tạo tiêu chuẩn dùng để quan sát, đánh giá và đo màu

2.2.4 Sự hấp thụ chọn lọc ánh sáng của vật thể

Nhờ những thành tựu nghiên cứu về ánh sáng và màu sắc, vấn đề tại sao mọi vật của thế giới xung quanh ta lại có màu khác nhau đã tìm được lời giải đáp khoa học và đầy đủ Trong tự nhiên mỗi vật có một màu với sắc thái, ánh màu và cường độ màu khác nhau chủ yếu là do chúng có cấu tạo hoá học riêng nên có khả năng hấp thụ chọn lọc các tia sáng chiếu vào chúng Kết quả là nhũng vật không có khả năng hấp thụ các tia tới, phản xạ lại hoàn toàn các tia này thì chúng sẽ có màu trắng hoặc không màu Ngược lại khi chúng hấp thụ hoàn toàn các tia sáng chiếu vào chúng thì chúng sẽ có màu đen Giữa những vật có khả năng hấp thụ hoàn toàn và phản xạ hoàn toán các tia tới, có vô số những vật chỉ có khả năng hấp thụ một phần và phản xạ lại một phần các tia tới, những vật này có màu Chúng ta cảm thụ được màu của những vật này nhờ tác dụng của các tia phản xạ vào cơ quan thị giác của mắt Như vậy màu của một vật là do các tia phản xạ tạo nên Mọi vật muôn màu là do chúng có khả năng hấp thụ chọn lọc những phần nhất định của ánh sáng

số lượng và tỷ lệ của các tia phản xạ

Trong thực tế người ta thấy rằng khi một vật hấp thụ các tia đỏ thì những tia phản xạ

sẽ có màu xanh lam - lục, ngược lại nếu một vật hấp thụ các tia xanh lam - lục thì các tia phản xạ sẽ có màu đỏ Cũng như vậy khi một vật hấp thụ các tia vàng thì nó sẽ có màu lam và ngược lại Mặt khác trong thực nghiệm về vật lý, bằng cách phối hợp các tia hấp thụ và các tia phản xạ người ta có thể tái tạo lại được ánh sáng trắng Như vậy là các tia phản xạ và các tia hấp thụ có tác dụng bổ sung cho nhau nên chúng được gọi là các tia màu bổ trợ

Khi nghiên cứu về tính chất của màu sắc, dựa vào kết quả khi phối hay hợp nhất quang học các tia màu với nhau theo quy luật phối cộng màu và phối trừ màu, người ta đã

lập nên vòng tròn màu (hình 1.1) Trong vòng tròn màu này, theo chu vi của nó, mỗi màu

có thể xem là kết quả phối cộng của hai màu bên cạnh để tạo thành màu trung gian, thí dụ, màu da cam là kết quả phối hợp của màu vàng và màu đỏ v.v Bên cạnh hiệu ứng phối cộng để tạo nên màu hữu sắc, khi phối hai tia màu nằm đối diện với nhau trong vòng tròn màu thì sẽ nhận được màu trung hoà (màu trắng) Những cặp màu như vậy gọi là màu bổ trợ, tập hợp tất cả các màu này lại cũng tạo thành màu trắng ở tâm vòng tròn Theo vòng tròn màu, có năm cặp màu bổ trợ chính là: xanh lam - vàng, tím - vàng lục, đỏ tím - xanh lục, đỏ - xanh lục - lam, và da cam - xanh da trời

xanh lam xanh

vàng lục xanh lục

xanh lục - lam

Hình 1.1 Vị trí của các cặp màu bổ trợ trong vòng tròn màu

Trong thực tế còn gặp những trường hợp tuy vật thể không hấp thụ phần nào trong miền thấy được của quang phổ ánh sáng mặt trời, nhưng lại hấp thụ và phản xạ những tia nằm Ở miền tử ngoại hoặc hồng ngoại của quang phổ, nên chúng không có màu, thực ra là chúng có màu nhưng màu đó ngoài phạm vi cảm thụ của mắt

Khi vận dụng tác dụng bổ trợ của các tia màu cần chú ý rằng hỗn hợp của hai thuốc nhuộm với nhau sẽ không cho màu như khi phối hai tia đơn sắc Chẳng hạn như khi phối hai thuốc nhuộm màu vàng và màu lam (cùng lớp) sẽ không nhận được màu trắng như khi phối hai tia màu này, mà sẽ nhận được các màu trung gian từ xanh lục đến vàng lục Có hiện tượng như vậy vì thuốc nhuộm thường không có khả năng phản xạ các tia đơn sắc mà phản xạ tập hợp các tia lân cận, nên hiệu quả bổ trợ màu không hoàn toàn theo quy luật của phối màu quang học

2.2.5 Thuyết điện từ về hợp chất hữu cơ có màu

Nhờ những thành tựu của các ngành vật lý và hoá học người ta đã xác định rằng chỉ

có những điện tử vòng ngoài (điện tử hoá trị) của chất màu mới tham gia vào quá trình hấp thụ ánh sáng kèm theo sự chuyển động của chúng Khi hấp thụ ánh sáng thì hợp chất màu sẽ tiếp nhận năng lượng của các hạt photon, làm cho các điện tử vòng ngoài bị chuyển sang trạng thái kích động, sau đó phần năng lượng này có thể chuyển sang các dạng: quang năng, hoá năng, nhiệt năng v.v và hợp chất màu lại trở về trạng thái ban đầu như vậy sự hấp thụ ánh sáng là kết quả của sự tương tác của các điện tử vòng ngoài của các nguyên tử và phân tử các hợp chất hữu cơ với photon ánh sáng

Những hợp chất hữu cơ nào có liên kết các điện tử vòng ngoài với nhân yếu thì chỉ cần năng lượng của các tia có bước sóng lớn trong miền thấy được của quang phổ cũng đủ làm chuyển dịch và hấp thụ một phần các tia này làm cho nó có màu Hợp chất nào có

điện tử vòng ngoài liên kết với nhân càng yếu thì càng cần ít năng lượng để kích động chúng, càng dễ hấp thụ các tia có bước sóng dài hơn và cho màu sâu hơn Bởi vậy cấu tạo phân tử của hợp chất màu hay thuốc nhuộm phải như thế nào để năng lượng của các tia sáng trong miền thấy được của quang phổ cũng đủ làm thay đổi chuyển động các điện tử vòng ngoài của chúng, làm cho chúng có màu Nguyên nhân làm cho các điện tử vòng ngoài liên kết với nhân yếu là: trong phân tử chứa hệ thống mối liên kết nối đôi cách dài; trong hệ thống này ngoài nguyên tử cacbon còn có các nguyên tử khác như oxy, nitơ, lưu huỳnh v.v.; do ảnh hưởng của các nhóm thế; do hiện tượng ion hoá phân tử và cấu tạo phẳng của phân tử

a Ảnh hưởng của hệ thống liên kết nối đôi cách

Trong các hợp chất hữu cơ thường gặp hai loại liên kết cơ bản: liên kết đơn và liên kết đôi Để kích động các điện tử trong mối liên kết đơn cần có một năng lượng lớn, tương ứng với năng lượng của các tia sóng ngắn nên những hợp chất chỉ chứa một loại liên kết nối đơn thường không có màu Ngược lại, các điện tử vòng ngoài của mối liên kết nối đôi

do liên kết với nhân yếu, chúng linh động, nên chỉ cần một năng lượng nhỏ cũng đủ kích động, nên chúng có khả năng hấp thụ các tia sáng có bước sóng lớn hơn trong miền thấy được của quang phổ và chúng có màu

Nếu như các mối liên kết nối đơn và nối đôi trong một hợp chất hữu cơ được xếp liên tục thành một hệ thống “một cách một” hay còn gọi là “nối đôi cách”, “nối đôi liên hợp” thì các điện tử vòng ngoài sẽ linh động hơn Độ linh động của các điện tử vòng ngoài trong hệ thống này phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:

- độ dài của hệ thống;

- bản chất các nguyên tử chứa trong hệ thống;

- cấu tạo của hợp chất (mạch thẳng hay mạch vòng)

Hợp chất hữu cơ chứa trong hệ thống mối liên kết nối đôi cách càng dài thì hệ thống điện tử vòng ngoài càng linh động, nó càng dễ hấp thụ các tia sáng có bước sóng lớn nên màu càng sâu Mặt khác dù có cấu tạo mạch vòng hay mạch thẳng, hợp chất hữu cơ phải chứa đựng các mối liên kết nối đôi cách lập thành một hệ thống liên tục thì nó mới có khả năng sâu màu Trong bảng 1.3 là một vài thí dụ minh hoạ ảnh hưởng của độ dài của hệ thống liên kết nối đôi cách đến năng lượng kích động và khả năng hấp thụ ánh sáng của một số chất

Nếu như tổng số mối liên kết nối đôi khá lớn, nhưng chúng không nằm thành một hệ thống nối đôi cách liên tục trong phân tử của hợp chất hữu cơ thì độ linh động của các điện tử vòng ngoài cũng không tăng lên và hợp chất không có màu hoặc màu không sâu Cao su là một thí dụ điển hình, phân tử của nó chứa trên một trăm mối liên kết nối đôi nhưng chỉ hấp thụ được các tia sáng có bước sóng trong khoảng 200 nm nên có không có màu

b Ảnh hưởng của các nguyên tử khác ngoài cacbon

Khi trong hệ thống mối liên kết nối đôi cách của một hợp chất hữu cơ nào đó ngoài cacbon còn chứa các nguyên tố khác như: O, N, S v.v.; do các nguyên tử này có điện tích hạt nhân và khoảng cách từ nhân đến các điện tử vòng ngoài khác nhau, khi nằm chung trong hệ thống mối liên kết nối đôi cách thì các điện tử vòng ngoài này dễ dàng chuyển dịch từ nguyên từ này sang nguyên tử khác, nghĩa là chúng linh động hơn, nên các hợp chất này sẽ hấp thụ được các tia sáng có bước sóng lớn hơn và có màu sâu hơn

da cam pentaxen 48 580

màu tím

c Ảnh hưởng của các nhóm thế

Các phân tử của hợp chất hữu cơ khi ở trạng thái kích động luôn luôn khác với trạng

thái bình thường của chúng Khi hấp thụ năng lượng của các tia sáng thì sự phân bố mật

độ điện tử vòng ngoài của chúng sẽ thay đổi, mật độ điện tử sẽ tăng lên hoặc giảm đi ở

những vị trí nhất định của phân tử Trong phân tử sẽ có những vị trí tích điện dương và

những vị trí tích điện âm, nói khác đi ánh sáng đã làm phân cực hoá chúng, đây là tính

chất chung của tất cả các hợp chất hữu cơ có màu Những hợp chất hữu cơ chứa trong

phân tử hệ thống mối liên kết nối đôi cách sẽ có khả năng phân cực dễ hơn các hợp chất

khác; khả năng này sẽ tăng lên mạnh mẽ khi ở đầu mạch và cuối mạch có chứa các nhóm

thế có khả năng thu và nhường điện tử Điều này sẽ làm cho các điện tử vòng ngoài linh

động hơn và kết quả là hợp chất sẽ có thể hấp thụ được các tia sáng có bước sóng lớn hơn

và màu sẽ sâu hơn

d Ảnh hưởng của sự ion hoá phân tử

Khi trong phân tử của hợp chất hữu cơ có mặt đồng thời các nhóm thế thu và

nhường điện tử, ngoài khả năng bị phân cực nó còn có khả năng bị ion hoá Khi này có thể

chuyển miền hấp thụ về phía các tia sáng có bước sóng ngắn hơn hoặc dài hơn, nghĩa là có

thể làm cho hợp chất có màu nhạt đi hoặc sâu màu thêm Khả năng này có tuỳ thuộc vào

bản chất của các nhóm thế và vị trí của nó trong hệ thống mối liên kết nối đôi cách Trong

lĩnh vực hoá học thuốc nhuộm, sự ion hoá xảy ra do tác dụng của môi trường đối với các

nhóm nhường điện tử như: −OH, −NH2 và các nhóm thu điện tử như: C=O, C=NH có ý

nghĩa hơn cả, mỗi trường hợp có một hiệu ứng màu riêng

Đối với hợp chất hữu cơ chỉ chứa nhóm thế có khả năng thu điện tử, khi tăng độ axit

thì ion H+ sẽ liên kết với nguyên tử oxy hay nguyên tử nitơ và sẽ chuyển hợp chất về dạng

tích điện dương như sau:

C=O + H+ C=OH +

C=NH + H+ C=NH2

+

Sự xuất hiện các tâm tích điện dương làm cho tính ái điện tử tăng lên dẫn đến tăng cường độ màu của hợp chất và màu sâu hơn Thí dụ, benzaurin sunfoaxit có màu vàng, trong môi trường axit có màu đỏ do bị ion hoá như sau:

màu vàng màu đỏ

Trường hợp hợp chất hữu cơ chỉ chứa nhóm thế có khả năng thu điện tử, trong môi trường kiềm nhóm −OH (có trong nhân thơm) sẽ tách ion H+ ra làm cho oxy có ba cặp điện tử chưa chia và mang điện tích âm, chúng có khả năng nhường điện tử; kết quả là trị

số hấp thụ cực đại của hợp chất sẽ chuyển về phía có bước sóng dài hơn, hợp chất sẽ có màu sâu hơn Điển hình là alizarin có màu vàng, trong môi trường kiềm sẽ tích điện âm và

có màu tím:

alizarin có màu vàng dạng anion của alizarin có màu tím

Nhưng khi nhóm amin bị ion hoá thì kết quả sẽ ngược lại, trong môi trường axit cặp điện tử thừa của nitơ sẽ liên kết với H+ và làm giảm khả năng nhường điện tử của nitơ do

đó trị số hấp thụ cực đại sẽ chuyển về phía các tia sáng có bước sóng ngắn hơn, hợp chất

sẽ có màu nhạt đi

e Ảnh hưởng của cấu tạo phân tử

Theo thuyết điện tử, để cho phân tử hợp chất hữu cơ có màu sâu thì yêu cầu quan trọng là phân tử của nó phải có cấu tạo phẳng nhờ đó mà sự tương tác của các điện tử không bị cản trở Bất kỳ yếu tố nào phá vỡ yêu cầu này cũng làm ảnh hưởng đến màu của hợp chất Nếu như cấu tạo phẳng của phân tử chưa bị phá vỡ hoàn toàn thì tác dụng tương

hỗ giữa các điện tử chưa bị mất hẳn mà chỉ gây ra sự gián cách từng phần của mạch liên hợp ở hai phía kể từ vị trí phá hủy trục song song của đám mây điện tử Điều này làm cho hợp chất hấp thụ các tia sáng có bước sóng ngắn hơn và màu sẽ nhạt đi

Ảnh hưởng của cấu tạo phân tử đến bản chất màu của nó đã được sử dụng khi nghiên cứu và tổng hợp các thuốc nhuộm với các gam màu khác nhau

Khi nghiên cứu về màu sắc và thuốc nhuộm người ta thống nhất một số quy ước như sau: Nếu vì một nguyên nhân nào đó mà màu của một vật thay đổi, chuyển từ vàng đến

đỏ, đỏ đến tím v.v nghĩa là chuyển miền hấp thụ cực đại về phía các tia màu có bước sóng lớn hơn thì người ta nói màu của vật đó sâu hơn; sự thay đổi theo hướng ngược lại thì gọi là sự nhạt màu Hai khái niệm này chỉ dùng với ý nghĩa kể trên, không nên nhầm

CHO

SO3H

O

CHO

O

O

OO

O

lẫn với khái niệm về cường độ màu (độ đậm, nhạt) Thí dụ khi nhuộm một vật liệu nào đó bằng thuốc nhuộm màu đỏ với nồng độ thấp sẽ nhận được màu đỏ nhạt hay màu hồng, nhưng khi tăng nồng độ lên sẽ nhận được màu đỏ đậm hay đỏ sẫm Trường hợp này không thể nói là sâu màu được

Quy ước về thứ tự sâu màu và nhạt màu như sau:

màu trắng màu vàng - lục màu vàng màu da cam màu đỏ màu tím màu xanh lam màu xanh da trời màu xanh lục

Hướng sâu màu

màu đen

Hướng nhạt màu

2.3 Nguyên lý phối ghép màu

Trong thực tế ít khi sẵn có màu phù hợp với màu của các mặt hàng theo thị hiếu hoặc mốt thời trang của người tiêu dùng, vì vậy phối ghép để tạo nên các màu mới là công việc thường xuyên của các nhà kỹ thuật nhuộm, in hoa, hội hoạ và nghiên cứu màu sắc

2.3.1 Khả năng cảm thụ màu của mắt

Màu là một hiện tượng phức tạp mang cả bản chất vật lý và tính chất tâm lý, cảm giác; hay nói cách khác màu mang đặc điểm của năng lượng sóng ánh sáng được cảm thụ bằng mắt, không có sự tham gia của mắt thì không có ý niệm về màu sắc Những người bị

mù hay loạn thị từ nhỏ sẽ không có khái niệm về màu sắc, những người có tật về mắt cũng không có khả năng nhận biết và đánh giá đúng về màu sắc

Mắt có thể xem như được cấu tạo bằng một hệ thống quang học rất tinh vi gồm có: một thấu kính chính là thủy tinh thể được che bởi giác mạc và thủy dịch để ngăn cản những tia cực tím có hại cho mắt; một màng ngăn là tròng đen giúp cho con ngươi hé mở rộng hay hẹp Giống như mọi thấu kính khác, thủy tinh thể tạo nên hình ảnh các vật ở tiêu điểm của nó Với mắt thường (mắt lành) tiêu điểm này ở cuối nhãn cầu, phía trên võng mạc tựa như kính hay phim ảnh Khi nhận được thông tin màu dưới dạng năng lượng sóng của ánh sáng thì hệ thống dây thần kinh thị giác sẽ truyền hình ảnh về não, ở đây não sẽ tập hợp và dựng lại các yếu tố của hình ảnh Như vậy nhìn là một cảm giác được sinh ra ở

vỏ não

Trên cơ sở của thuyết ba màu người ta giải thích rằng: mắt cảm thụ được màu, phân biệt được các sắc thái khác nhau trong thiên nhiên là do sự phối hợp của ba màu cơ bản Võng mạc của mắt được cấu tạo từ hai loại tế bào hình que và hình nón, chúng có khả năng cảm thụ các tia có bước sóng nhất định của ánh sáng trắng Những tế bào hình que làm nhiệm vụ phân biệt sự khác nhau về cường độ của hình ảnh sáng tạo ra trên võng mạc, không tham gia vào việc cảm nhận màu thị giác Các tế bào hình nón có ba miền nhạy cảm cực đại tương ứng với bước sóng của các màu: đỏ, xanh lục (đúng ra là vàng lục) và xanh lam, chúng có chức năng chính trong việc tạo nên cảm giác màu Mỗi khi nhận được

tín hiệu màu từ môi trường xung quanh, thông qua các nón nhận cảm ứng với ba màu trên, chúng hội tụ lại và truyền về thần kinh thị giác, sau đó về vỏ não Ở vỏ não màu sẽ được tái tạo và cho ta nhận biết đầy đủ về sắc thái của nó

Dựa trên nguyên tắc từ ba màu cơ bản có thể phối ghép thành các gam màu khác nhau của hệ thống thần kinh thị giác và vỏ não, người ta đã làm được ảnh màu, điện ảnh

và truyền hình màu Trong kỹ thuật nhuộm, in hoa, hội hoạ và ấn loát v.v nắm vững quy luật phối màu này người ta có thể tạo nên nhiều màu khác nhau

2.3.2 Sự tương phản màu và sự hài hoà màu

Trong in hoa cũng như trong may, đan và ghép các màu khác nhau để tạo ra các sản phẩm đa dạng về màu sắc, cần phải đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng qua lại giữa các màu khi chúng được sắp xếp gần nhau Sự ảnh hưởng đó sẽ biểu hiện ở sự thay đổi sắc thái, cường

độ và độ sáng của các màu Sự thay đổi này phụ thuộc vào sự xếp đặt về không gian và diện tích các màu

Sự thay đổi sắc thái màu phản ánh ảnh hưởng qua lại giữa màu này với màu khác khi

để chúng gần nhau, mà những màu đó lại có sắc thái khác nhau Trong trường hợp xếp các màu cách xa nhau thì sắc thái của các màu mạnh sẽ làm thay đổi sắc thái của các màu bên cạnh theo hướng màu bổ trợ của màu mạnh Thí dụ, màu xám trên nền đỏ sẽ có sắc thái của màu xanh lục, màu xám trên nền xanh lá cây sẽ có sắc đỏ, màu xám trên nền xanh lam

sẽ có sắc vàng Các sọc vàng trên nền đỏ sẽ có sắc lục vàng, các sọc vàng trên nền xanh lục sẽ có sắc đỏ vàng Khi xếp hai màu thuộc cặp màu bổ trợ tức là hai màu có sắc thái hoàn toàn khác nhau thì sự ảnh hưởng qua lại của chúng dường như không tồn tại hay có thể nói là sự tương phản giữa chúng trở nên bão hoà Thí dụ, màu vàng trên nền xanh lam hoặc màu đỏ trên nền xanh lục Sự thay đổi về độ tươi sáng của các màu xếp gần nhau sẽ xảy ra khi chúng có độ tươi sáng khác xa nhau Một hình vuông màu xám trên nền trắng

sẽ cho cảm giác như hình đó bị tối đi Còn khi nó ở trên nền đen thì lại sáng ra

Sự tương phản về sắc thái và độ tươi sáng của các màu thường xảy ra rõ nét ở ranh giới giữa chúng Để giảm bớt sự tương phản ranh giới đó người ta thường tách biệt các hình có màu sắc khác nhau bằng các đường vạch đen, trắng, xám hoặc tạo nền có màu cùng với ánh màu của màu tương phản Thí dụ, màu vàng lục trên nền xanh lục sẽ cho cảm giác như màu vàng thuần sắc

Diện tích của các hình màu cũng có quan hệ qua lại với sự ảnh hưởng của màu sắc, nếu diện tích của màu càng lớn thì ảnh hưởng của nó càng mạnh Đồng thời độ sáng và cường độ màu cũng có ảnh hưởng đến diện tích của các hình Thí dụ, diện tích hình màu

sẽ cho cảm giác nhỏ đi khi nó nằm trên nền sáng; hoặc diện tích hình màu tối trên nền sáng sẽ cho cảm giác nhỏ hơn hình cùng diện tích có màu sáng trên nền tối Điều này được giải thích như sau: những đường viền của các hình sáng qua võng mạc mắt người sẽ

bị chảy dài ra hơn là các đường viền quanh hình tối

Trong khái niệm về màu sắc, người ta còn chia chúng thành hai loại màu nóng và màu mát Màu nóng gồm các màu gần với màu của các vật phát nhiệt (như mặt trời, ngọn lửa) - đó là các màu đỏ màu da cam, màu vàng Màu mát là các màu gần màu của các vật thu nhiệt, cho cảm giác mát (như nước, bầu trời) - đó là các màu xanh Riêng màu tím là màu trung gian nó có thể là màu nóng hay màu mát là tùy thuộc vào ánh màu Người ta cũng thấy rằng một cặp màu bổ trợ trong vòng tròn màu đã thành quy luật: màu này là nóng thì màu bổ trợ là mát, chẳng hạn các cặp màu:

da cam − xanh da trời

đỏ − xanh lục

vàng − xanh lam

Các màu nóng lại có cường độ mạnh và độ sáng lớn thường gây ấn tượng mạnh được coi là màu trội Còn các màu mát cường độ màu nhỏ, độ sáng kém ít gây ấn tượng được coi là màu ẩn

Từ những đặc điểm và tính chất của màu sắc đã nêu, cần áp dụng trong thực tế để tạo ra các mặt hàng có màu sắc hài hoà hợp với thị hiếu người tiêu dùng Sự phối màu hài hoà là sự kết hợp đẹp đẽ nhất các tính chất của màu sắc sao cho phù hợp với thị hiếu của từng dân tộc, với điều kiện sử dụng mặt hàng và đôi khi còn phù hợp với mốt của từng nước, từng vùng Phương pháp phối màu hài hoà nói chung có những nguyên tắc cơ bản như sau: có thể kết hợp hài hoà giữa màu đa sắc với màu thuần sắc nếu như chúng có độ sáng như nhau Thí dụ, màu xám có độ sáng trung gian giữa màu đen và màu trắng nên nó

có thể kết hợp với hai màu đó một cách hài hoà Màu xám sáng có thể kết hợp hài hoà với các màu hồng sáng, xanh sáng hoặc bất kỳ màu đơn sắc nào đó có độ tươi sáng Màu xám sẫm thì phải kết hợp với các màu tối sẫm Đặc biệt những màu đơn sắc có độ bão hoà lớn lại là màu nóng như màu đỏ thì phải kết hợp với màu đen để làm giảm độ bão hoà của màu đỏ Cũng có thể kết hợp hài hoà từ các màu tương phản nhưng cần phải xem xét cụ thể một số yếu tố Từ ba màu tương phản, sự hài hoà sẽ đạt được nếu sử dụng một màu mát và hai màu nóng Những màu có cường độ bão hoà lớn sẽ được sử dụng với lượng càng ít đi Khi kết hợp các màu đồng sắc, có độ sáng và ánh màu gần nhau, tức là các màu nằm liền nhau trong vòng tròn màu thì sự hài hoà về màu sắc dễ dàng đạt được khi độ sáng của chúng dịch chuyển theo phân cấp Thí dụ, màu xanh da trời thuần sắc tươi sáng

có thể kết hợp hài hoà với màu xanh da trời và màu xanh lam

2.3.3 Phương pháp phối màu thuốc nhuộm

Phối hợp thuốc nhuộm cũng dựa trên nguyên lý ghép cộng và ghép trừ các tia màu quang phổ và nguyên lý ghép từ ba màu cơ bản Điều khác chủ yếu với ghép màu quang học là ở chỗ thuốc nhuộm không phải là các sản phẩm tinh khiết có màu đơn sắc, lại chứa các phụ gia nên màu tạo thành có sai lệch so với ghép quang học Phối ghép màu từ thuốc nhuộm kỹ thuật còn gọi là ghép màu cơ học có thể thực hiện bằng biện pháp thủ công hoặc thiết bị xử lý bằng máy tính điện tử Dù dùng phương pháp nào cũng phải dựa vào cặp nguyên tắc sau:

1- Phải dùng thuốc nhuộm cùng lớp theo phân lớp kỹ thuật và có các tính chất kỹ thuật tương tự nhau: cùng điều kiện nhuộm (nhiệt độ, trị số pH, xúc tác, phụ gia); cùng có tốc độ bắt màu; cùng có độ bền màu với các chỉ tiêu khác nhau, v.v

2- Khi phối thuốc nhuộm thuộc các lớp khác nhau để nhuộm vải pha cần chọn những loại không tích điện trái dấu, không chứa các phụ gia có tính chất kỵ nhau làm cho dung dịch nhuộm bị kết tủa, sa lắng hoặc biến màu, khó ghép đồng màu;

3- Có thể phối từ hai thuốc nhuộm kỹ thuật để tạo nên màu mới cần thiết nhưng số màu mới tạo thành sẽ bị hạn chế Để tạo nên nhiều gam màu khác nhau người ta dùng thuật phối ghép từ ba màu cơ bản: đỏ, vàng và xanh lam hoặc đỏ, vàng và xanh lục Đồ thị ghép màu được thiết lập theo hình tam giác đều, mỗi màu cơ bản được đặt ở một đỉnh của tam giác, tỷ lệ phối ghép được chia đều theo các cạnh, màu tạo thành sẽ theo quy luật sau:

- Theo mỗi cạnh của tam giác sẽ nhận được một dãy các màu trung gian do kết quả ghép từ hai màu;

- Theo các đường cao của tam giác sẽ là dãy màu do kết quả bổ trợ nhau của nhiều cặp màu tương ứng;

- Tâm của tam giác và vùng phụ cận sẽ là miền có màu vô sắc (ghi, xám) do hiệu quả trung hoà lẫn nhau của ba màu cơ bản có cường độ màu tương đương;

- Các điểm khác nằm ở bên trong tam giác sẽ là vô số các màu được phối ghép từ ba màu cơ bản với tỷ lệ khác nhau, màu và ánh màu của chúng tùy thuộc vào toạ độ trên tam giác

Tam giác màu được biểu diễn như sau: đỏ

xanh lục tím ghi da cam

Việc chọn ba thuốc nhuộm dùng làm ba màu cơ bản đúng với yêu cầu của lý thuyết rất khó thoả mãn, trong thực tế yêu cầu này chỉ là tương đối, nên màu và ánh màu thu được do hiệu quả phối ghép phụ thuộc nhiều vào ba màu ban đầu

Dưới đây là một số thí dụ về kết quả ghép những màu thường gặp:

Màu phối ghép: Màu nhận được:

Xanh lam + tím Xanh tím than

Xanh lam + xanh lục Cẩm thạch

Xanh lam + đen Ghi, xám

Xanh lam + đỏ + đen Nâu

Đen + vàng + xanh lục Màu ximăng

Vàng + da cam + xanh lục Màu ôliu

Xanh lục + tím Xanh lá mạ

Đỏ + vàng + nâu Vàng nâu da bò

3 TÍNH TOÁN MÀU VÀ CÔNG NGHỆ PHỐI GHÉP MÀU

3.1 Các hệ thống phân định màu sắc

3.1.1 Các đại lượng đặc trưng cho sự cảm thụ màu sắc

Để thuận lợi cho quá trình tính toán và so sánh các màu với nhau, người ta tìm cách thể hiện các màu bằng những con số và sắp xếp chúng một cách có hệ thống, trong đó mỗi

màu có một vị trí nhất định được xác định bởi ba đại lượng: tông màu hoặc ánh màu (H) (hue or metamerism); độ bão hoà hoặc độ thuần sắc (C) (saturation) và độ sáng (L) (lightness)

3.1.2 Các hệ thống biểu diễn màu sắc

a Bản màu CIE

Hàng nghìn tông màu mà mắt ta cảm nhận được từ ánh sáng màu và chất màu được sắp xếp trong một hệ thống chuẩn của Ủy ban Chiếu sáng Quốc tế còn gọi là bản màu CIE hay tam giác màu CIE

Cơ sở của sự thể hiện màu bằng số lượng trên bản màu CIE là mỗi màu được xem là hỗn hợp cộng của bộ ba màu cơ bản Bộ ba màu cơ bản được chọn dựa trên cơ sở thuyết

ba màu của Young cho rằng ánh sáng trắng là tổng hợp của ba màu cơ bản: đỏ (red), xanh lục (green) và xanh lam (blue) Bộ ba màu cơ bản đó với số lượng tương ứng là X, Y, Z,

có thể tái tạo vô số màu khác nhau Điều kiện đặt ra cho việc lựa chọn ba màu cơ bản là khi phối hai trong số chúng, ta không thể nhận được màu thứ ba Tỷ lệ thành phần của ba màu cơ bản x, y, z sẽ xác định vị trí của màu đó (toạ độ màu đó ) trên bản màu:

ZYX

X++ ; y = X Y Z

Y++ ; z = X Y Z

Z++

Hệ thống CIE được trình bày bằng đồ thị các vị trí màu trong tam giác cân hoặc tam giác vuông Diện tích bên trong phạm vi đồ thị có dạng móng ngựa là không gian màu của tất cả các màu thực (hình 1.2) Từ trái sang phải trên đường cong đó bắt đầu từ bước sóng

380 - 780 nm là các màu trên dãy phổ từ tím đến đỏ Giữa diện tích là điểm vô sắc (màu trắng) Đây là phổ dạng móng ngựa có 24 tông màu được xác định theo độ dài bước sóng Các tông màu trên đường cong đó có độ bão hoà lớn nhất và thấp dần tới điểm vô sắc (gồm 15 bậc) Bất kỳ màu nào nằm trên đường bão hoà đều có cùng tông với màu ghi gọi

b Không gian màu CIEXYZ

Tam giác màu chỉ cho phép biểu diễn màu sắc bằng hai đại lượng nên các toạ độ trên tam giác chỉ cho biết về độ bão hoà và tông màu nhưng lại không có độ sáng Nếu muốn quan tâm đến độ sáng thì phải đưa thêm toạ độ thứ ba, qua đó mặt phẳng màu sẽ mở rộng thành không gian màu bằng cách đặt thêm toạ độ - độ sáng Y thẳng góc với mặt phẳng màu Nếu điền vào các giá trị độ sáng với khả năng cực đại có thể có cho mỗi toạ độ màu trên mặt phẳng màu thì giá trị cực đại Y = 100 chỉ dành cho rất ít toạ độ màu Một màu nào đó càng kém bão hoà thì độ sáng của nó càng lớn

Để xác định một màu trong không gian màu CIEXYZ thì đầu tiên phải xác định số lượng màu X, Y, Z tham gia hỗn hợp cộng, sau đó là xác định toạ độ màu x, y và Y được coi là độ sáng Bằng cách đó người ta có thể so sánh sự giống nhau hay khác nhau giữa hai màu, tuy nhiên sự giống, khác nhau giữa hai màu đó lớn như thế nào thì cũng không thể đánh giá chính xác được Độ lớn khác nhau của các hình elip là sự khác biệt màu sắc giữa các vùng màu không bằng nhau trong tam giác màu CIEXYZ Cách trình bày khoảng cách màu không bằng nhau được Ađam lần đầu tiên nêu ra, nên nó được gọi là elip Ađam

Hình 1.3 Không gian màu CIEXYZ

Để có thể xác định được màu sắc khác nhau từ sự khác biệt về toạ độ màu thì cần phải biến đổi hệ thống sao cho khoảng cách giữa các toạ độ màu trong đó có ứng với sự cảm thụ thị giác bằng nhau Để có một bản màu với khoảng cách thị giác bằng nhau thì người ta tính toán làm lệch tam giác màu XYZ làm cho elip Ađam thành hình tròn có đường kính bằng nhau Tam giác màu bị làm méo đầu tiên vào năm 1960 là UCS (Uniform Chromaticity Scale: thang bằng nhau của các loại màu) Một trong những không gian màu tạo ra từ sơ đồ UCS là không gian màu CIELUV

c Hệ thống CIELAB

Để thuận lợi hơn nữa cho việc tính toán và so sánh các màu với nhau, năm 1976 CIE giới thiệu một hệ thống sắp xếp màu sắc, đó là hệ thống CIELAB Hệ thống CIELAB sử dụng ba trị số L*, a*, b*, trong đó: L* là độ sáng của màu; a* là toạ độ màu trên trục đỏ lục; b* là toạ độ màu trên trục vàng - lam

Giao điểm của hai trục a*, b* là điểm vô sắc (đen, ghi, trắng tùy thuộc vào độ sáng) Trục độ sáng L* có giá trị từ 0 - ứng với màu đen đến 100 - ứng với màu trắng Những

màu cùng một tông màu trong mặt phẳng a* b* nằm trên đoạn thẳng kéo dài từ điểm trung tâm ra phía ngoài

Thực chất, hệ thống CIELAB được cấu tạo thông qua sự biến đổi các giá trị X, Y, Z

từ hệ thống CIEXYZ Sự biến đổi này dựa trên thuyết màu đối lập nhau của Hering: một màu hỗn hợp không bao giờ là đỏ ánh lục hay vàng ánh lam, nhưng màu đỏ ánh vàng hay màu lục ánh vàng thì bao giờ cũng đúng Như vậy mỗi trị số màu cho phép đánh giá theo thành phần tham gia của đỏ hay lục, vàng hay lam, theo đó mỗi màu có thể chứa đựng những thành phần sau: đỏ và vàng, đỏ và lam, lục và vàng, lục và lam

Hình 1.4 Không gian màu CIELAB

Dựa vào thuyết màu đối nhau của Hering, người ta tạo ra các hiệu số từ các giá trị X,

Mục đích đặt ra là từ vị trí hai màu trong hệ thống màu có thể suy ra độ lớn của sự khác biệt cảm nhận Để làm được điều này trước hết phải định nghĩa đại lượng ΔE*, nó cho biết khoảng cách hình học của hai màu trong một hệ thống, ΔE* > 1 tương ứng với khoảng cách màu mà mắt có thể phân biệt được ngay Khoảng cách màu nhỏ hơn theo quy định nghĩa là mắt không thể nhận ra Song song với khoảng cách hình học của hai màu thì

sự biểu diễn còn nói lên hướng của sự dịch chuyển màu

Việc phát triển một hệ thống màu phù hợp chính xác với khả năng cảm nhận sự khác biệt màu sắc của mắt người là cực kỳ khó khăn Trong thực tế cho đến nay chưa tìm được một hệ thống màu nào như vậy

3.2.2 Sự sai lệch màu trong hệ thống CIELAB

Hệ thống màu có khoảng cách thị giác màu bằng nhau nối tiếng nhất, phổ biến rộng rãi nhất là hệ thống màu CIELAB Mỗi màu được thể hiện bởi ba giá trị: L*, a*, b*

Khi đã biết các giá trị hình học của hai màu trong không gian màu thì người ta tính được sự khác biệt của màu sắc thông qua các trị số Δa*, Δb*, ΔC*, ΔHo và ΔE Độ lớn của các trị số này sẽ phản ánh sự khác biệt giữa hai màu một cách rõ rệt

Sự khác nhau giữa hai màu 1 và 2 trong hệ thống CIELAB được xác định thông qua các hiệu số sau:

ΔL* = L*2 − L*1: Sự khác nhau về độ sáng giữa hai màu

Δa* = a*2 − a*1: Sự khác nhau về toạ độ trên trục đỏ - lục

Δb* = b*2 − b*1: Sự khác nhau về toạ độ trên trục vàng - lam

ΔC* = C*2 − C*1: Sự khác nhau về độ bão hoà

ΔHo: Sự khác nhau về tông màu

ΔE*: Khoảng cách hình học của hai màu (tổng giá trị sai lệch giữa hai màu)

Từ lý do đó mà người ta tiếp tục khảo sát để tìm ra cách tính khoảng cách màu mới phù hợp hơn với sự cảm nhận màu sắc của mắt người Một phương pháp đánh giá mới là sử dụng hệ thống CMC - đánh giá sự khác biệt màu sắc do Ủy ban Đo màu thuộc Hiệp hội các nhà Hoá nhuộm và Kỹ thuật màu Liên hợp Anh xác lập (Committee Measurement of Society Dyers and Colourists in Britain Great)

Sự khác nhau màu sắc trong CMC ký hiệu là ΔECMC:

ΔECMC =

2

H

o 2

C

2

HS

2

*CS

2

*L

*L040975,

0+ Nếu L* < 16 thì SL = 0,511

SC =

*C0131,01

*C0638,0

*)C(

Để có thể tính toán được các giá trị của màu trong các hệ thống phân định màu sắc, người ta phải sử dụng một thiết bị chuyên dùng để đo màu gọi là máy đo màu hay còn gọi

là đầu đo quang phổ

3.3 Đo màu

Mục đích của đo màu là tìm ra chỉ số màu độc lập với nhau, các giá trị này không khẳng định gì về cảm nhận màu, nhưng từ các giá trị này ta có thế tinh ra được các đặc trưng về sự cảm nhận màu nh ư: tông màu, độ bão hoà và độ sáng

Có hai phương pháp đo màu:

- Phương pháp đo phổ

- Phương pháp ba khu vực

3.3.1 Phương pháp đo phổ

a Nguyên lý đo màu và xử lý số liệu bằng phương pháp đo phổ

Phương pháp đo phổ là phương pháp chính xác nhất và phức tạp nhất bao gốm đo phổ và tính toán số liệu đo Đo phổ là quá trình thuần vật lý để xác định độ phản xạ theo

độ dài bước sóng

Độ phản xạ được tính theo tỷ lệ ánh sáng phản xạ từ mẫu đo so với mẫu trắng chuẩn Tập hợp các giá trị độ phản xạ theo độ dài bước sóng có thể biểu diễn thành đường cong phản xạ (hoặc hấp thụ) trong vùng ánh sáng thấy được Đường cong đó gọi là đường cong phản xạ của một màu (hình 1.5) Thông qua độ phản xạ ánh sáng theo độ dài bước sóng, người ta có thể tính toán được các toạ độ màu cụ thể trong các không gian màu

H ình 1.5 Đường cong phản xạ của vật có màu vàng

Như vậy, bước thứ nhất là đo đạc, bước thứ hai là từ giá trị độ phản xạ tính ra toạ độ màu đó trong hệ toạ độ xyY Quá trình tính toán diễn ra nhanh chóng nếu thiết bị có đặt một phần mềm thích hợp và có thể cho ra kết quả đo trên màn hình hoặc máy in Tính toán màu là công việc tốn nhiều thời gian và công việc này do một máy tính đảm nhiệm nhằm tìm ra các trị số X, Y, Z từ đó tính ra toạ độ màu x, y, z:

X = k ∫ λ λ λ

700 400

d.x.R.S

Y = k700∫ λ λ λ

400

d.y.R.S

Z = k700∫ λ λ λ

400

d.z.R.S

Để đơn giản hơn cho việc tính toán, việc lấy tích phân được thay bằng phép cộng lần lượt theo khoảng độ dài bước sóng:

700 400

.x.R.S

Y = k ∫ λ λ Δλ

700 400

.y.R.S

700 400

.z.R.S

trong đó: SA - phân bố năng lượng phổ theo độ dài bước sóng của ánh sáng chuẩn;

RA - hệ số phản xạ theo độ dài bước sóng;

Δλ - khoảng độ dài bước sóng;

k - hệ số chuẩn hoá phù hợp cho mỗi loại ánh sáng chuẩn

Từ các giá trị X, Y, Z, có thể xác định toạ độ màu trong các không gian màu theo các công thức sau:

• Trong không gian màu CIExyY:

ZYX

X++ ; y = X Y Z

Y++ ; Z = X Y Z

Z++

• Trong hệ thống CIELAB:

3 / 1

YX

ZY

Y

trong đó: Xn, Yn, Zn - các giá trị đo màu của vật trắng lý tưởng và thay đổi tùy thuộc vào loại ánh sáng chiếu tới

b Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy đo màu theo phương pháp đo phổ

Máy đo màu có thể chia làm hai phần: phần quang học và phần đo

• Phần quang học:

Nguồn sáng (L), khe ánh sáng vào điều chỉnh được (E), ống kính chuẩn trực (K), quang kế hệ tán sắc với một lăng kính hay hai lăng kính, kính lọc nhiễu xạ liên tục hay cách tử nhiễu xạ để tạo ra tia đơn sắc (P), thấu kính O, khe điều chỉnh ánh sáng thoát

ra (A)

• Phần đo:

Bộ thụ quang điện (F), khuếch đại (V), bộ vi xử lý và hiển thị kết quả đo nối với các thiết bị ngoại vi như màn hình, máy in

Tiến hành đo màu: Bức xạ xuất phát từ trong quang phổ kế thông qua khúc xạ, nhiễu

xạ tán xạ thành một dải ánh sáng toàn sắc ứng với góc xoay của lăng kính P, sẽ cho bức xạ đơn sắc có bước sóng xác định đi vào khe hẹp A Khe A cho ánh sáng thoát ra được điều chỉnh tương ứng với độ rộng Δλ Tia đơn sắc sẽ chiếu lên mẫu đo và mẫu trắng chuẩn Tỷ

lệ giữa phần ánh sáng đơn sắc trả lại từ mẫu đo so với ánh sáng đơn sắc trả lại từ mẫu trắng chuẩn gọi là độ phản xạ tại một bước sóng Rλ Độ phản xạ được dẫn vào bộ thu quang điện F, được xử lý cuối cùng cho ra số liệu và những đường cong phản xạ

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy đo màu

3.3.2 Phương pháp ba khu vực

Phương pháp ba khu vực (trước đây gọi là phương pháp ba kính lọc hay phương pháp Tristimulus) người ta dùng ba kính lọc khác nhau tương ứng với đường cong nhạy phổ của mắt (điều kiện Luther) sao cho có thể trực tiếp tìm ra các giá trị màu X, Y, Z, nếu như bộ thu bức xạ có tính nhạy phổ tương ứng

Tính nhạy phổ của bộ thu bức xạ cần phải phù hợp với đường cong nhạy phổ của người quan sát chuẩn khi các tia sáng xuyên qua các kính lọc Nếu kết quả đo thu được trực tiếp thì độ xuyên qua của các kính lọc phải thoả mãn điều kiện sau đây gọi là điều kiện Luther:

D1 =

λ

λ 1

x

S

xC

; D2 =

λ

λ 2

y

S

yC

; D3 =

λ

λ 3

z

S

zC

trong đó: D1, D2, D3 - đo thấu quang của ba kính lọc;

Cx, Cy, Cz - hằng số thiết bị không phụ thuộc vào chiều dài bước sóng;

Slλ, S 2λ, S 3λ - tính nhạy phổ của bộ thu bức xạ không dùng kính lọc

Kính lọc của các thiết bị được ghi các hệ số phản xạ:

3.3.3 Những điền kiện đo màu

Kết quả đo màu phụ thuộc vào các điều kiện sau: loại ánh sáng chiếu tới; góc đo hình học và góc nhìn của người quan sát chuẩn

a Điều kiện chiếu sáng

Sự khác nhau cơ bản của một nguồn sáng này so với nguồn sáng khác chính là sự phân bố năng lượng ánh sáng trên toàn bộ dải phổ Khi quan sát vật thể dưới các nguồn sáng khác nhau thì sự cảm nhận màu sắc sẽ khác nhau Thí dụ, dưới ánh sáng của đèn tròn thì vật có vẻ bị vàng hơn so với khi quan sát vật dưới ánh sáng mặt trời Nguyên nhân của hiện tượng này chính là sự phân bố năng lượng phổ khác nhau của các nguồn sáng khác nhau

b Góc nhìn của người quan sát chuẩn

Ngoài sự khác nhau về nguồn chiếu sáng, khả năng nhìn màu to nhỏ cũng làm cho cảm nhận thị giác biến đổi tức là màu sẽ được cảm nhận khác nhau ngay cả khi điều kiện chiếu sáng và tính chất bề mặt không thay đổi Thực tế này cần phải lưu ý khi đo màu, trong đó mỗi loại bộ thu đại diện cho cỡ lớn mẫu khác nhau và độ nhạy khác nhau Khi tiến hành đo với các mẫu nhỏ, người ta chọn góc đo 2o và với các mẫu có diện tích lớn thì góc 10o là quan sát chuẩn

10o (17,5 )

2o (3,5 )

thì có vẻ khác hẳn khi chiếu lên đó ánh sáng từ mọi hướng Vì vậy góc đo hình học đóng vai trò quan trọng trong đo màu

Góc đo hình học 45/0: Mẫu đo được rọi ở dưới góc 45o và quan sát dưới góc Oo so với phương thẳng đứng

Góc đo hình học 0/45: Mẫu đo được rọi ở dưới góc 0o và quan sát dưới góc 45o so với phương thẳng đứng

Nguồn sáng

Bộ thu

Hình 1.9 Bố trí góc đo d/0 trong quả cầu

Ngoài các góc đo hình học trên, các góc đo hình học khác là trong quả cầu Ulbeicht (quang kế quả cầu), mặt trong của nó được bôi trắng mờ Với quả cầu này có thể chiếu cũng như bức xạ lại bằng ánh sáng khuếch tán Phần lớn góc đo hình học trong quả cầu là d/0 (nghĩa là ánh sáng được chiếu từ mọi hướng và đo ở góc 0o) Các góc đo trong quả cầu còn quy định: d/0, 8/d và d/8

Góc đo hình học d/0: Mẫu đo được rọi bằng ánh sáng khuếch tán và quan sát dưới góc 0o so với phương thẳng đứng

Góc đo hình học d/8: Mẫu đo được rọi bằng ánh sáng khuếch tán và quan sát dưới góc 8o so với phương thẳng đứng

d Bề mặt mẫu đo

Bề mặt mẫu đo ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả đo Để kết quả đo được chính xác thì khi chuẩn bị mẫu đo cần thoả mãn một số yêu cầu sau:

- Kích thước của mẫu đo phải lớn hơn kích thước cửa sổ đo của thiết bị

- Mẫu đo phải gấp thành nhiều lớp để đảm bảo ánh sáng không xuyên qua

Bề mặt mẫu đo phải phẳng Trong trường hợp bề mặt không thể phẳng thì cần phải lấy kết quả trung bình ở một số điểm đo

Tùy theo loại ánh sáng, góc nhìn của người quan sát chuẩn và góc đo hình học khác nhau mà kết quả đo cho ra khác nhau Muốn biếu diễn một màu nào đó bằng số thì cần phải kèm theo các điều kiện đo màu và sự so sánh giữa các phép đo phải được thực hiện dưới các điều kiện đo màu như nhau

3.4 Thực hành phối màu thuốc nhuộm bằng máy đo màu

Trong thực tế, các màu thuốc nhuộm thường là hữu hạn trong khi đó nhu cầu về màu sắc của sản phẩm dệt luôn thay đổi theo thị hiếu hoặc mốt thời trang của người tiêu dùng

Vì vậy công việc phối ghép màu để tạo nên màu mới là công việc thường xuyên của nhà

kỹ thuật nhuộm

Nguyên tắc phối ghép màu từ thuốc nhuộm kỹ thuật đã được đề cập ở mục 2.3.3, chương 1 (trang 36)

3.4.1 Các bước phối ghép màu

Phối màu bằng phương pháp thủ công yêu cầu có rất nhiều kinh nghiệm và hiểu biết

về sự tương tác giữa vật liệu, chất trợ, thuốc nhuộm và quá trình nhuộm của các nhà kỹ thuật nhuộm màu

Ngày nay, cùng với sự phát triển tương đối hoàn thiện của máy đo màu và kết hợp với phần mềm tính toán nồng độ nhuộm cần thiết cũng như hiệu chỉnh đơn nhuộm một cách tự động đã làm giảm bớt rất nhiều khó khăn trong lĩnh vực phối màu Tính toán đơn nhuộm bằng máy đo màu và phần mềm phối màu được bắt đầu từ những năm bảy mươi của thế kỷ XX và ngày càng được phổ biến rộng rãi nhờ những ưu việt của nó Để có thể

sử dụng phần mềm phối màu thì công việc đầu tiên và không thể thiếu là người sử dụng phải xây dựng cơ sở dữ liệu màu

Tất cả những thông số về thuốc nhuộm, cụ thể là số liệu về độ phản xạ (hấp thụ), độ bền màu, giá cả của một loạt các nồng độ từ thấp đến cao của mỗi một thuốc nhuộm đơn được nhập lưu giữ trong máy tính Sự chuẩn bị thông số các thuốc nhuộm đơn được gọi là quá trình chuẩn bị cơ sở dữ liệu Màu mẫu chuẩn được xác định thông qua máy so màu, kết quả cho ra là đường cong phản xạ theo bước sóng và các giá trị L*, a*, b* Dựa vào cơ

sở dữ liệu có sẵn, máy tính sẽ tính toán các khả năng kết hợp có thể của các thuốc nhuộm đơn với một tỷ lệ nhất định rồi cho ra kết quả của mẫu mô phỏng sao cho các trị số L*, a*, b* phù hợp với mẫu chuẩn Các khả năng kết hợp sẽ được biểu diễn trong một bảng cùng với các chỉ số về sai lệch ánh màu, độ lệch về cường độ màu, giá cả

Qua đó người sử dụng có thể lựa chọn đơn nhuộm phù hợp nhất tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể

a Phương pháp chuẩn bị cơ sở dữ liệu

Quá trình chuẩn bị cơ sở dữ liệu (hay còn gọi là ngân hàng màu) là quá trình nhuộm một chuỗi các màu đơn nối tiếp nhau từ nồng độ thấp đến nồng độ cao cho cùng một loại vật liệu Khi chọn điều kiện nhuộm cho các màu đơn này thì yêu cầu các điều kiện nhuộm phải thật sát so với điều kiện thực tế sản xuất

Số lượng các nồng độ cho mỗi thuốc nhuộm đơn thường là từ 6 - 18 nồng độ tùy theo từng phần mềm cụ thể Nồng độ cao nhất được chọn tùy thuộc vào thực tế sản xuất

và thay đổi theo từng loại thuốc nhuộm khác nhau Nồng độ thấp nhất không nên chọn quá thấp vì màu của vật liệu có thể không thay đổi với nồng độ đó

Khi tính toán đơn nhuộm, một yếu tố ảnh hưởng đến kết quả phối màu là vật liệu nền vì sự hấp thụ ánh sáng của chúng cũng cần phải tính đến Vật liệu nền là một mẫu được chuẩn bị cùng với quá trình chuẩn bị ngân hàng màu với nồng độ thuốc nhuộm

b Nguyên lý xác định đơn nhuộm cho màu phối bằng máy tính

Nguyên lý xác định đơn nhuộm bằng máy tính dựa vào lý thuyết của Kubelka Munk

-Theo định luật Kubelka - Munk hệ số K/S của vật liệu đã được nhuộm tính theo công thức:

VL

S

K

trong đó: KVL, SVL - hệ số hấp thụ và tán xạ của vật liệu;

K, C - hệ số hấp thụ và nồng độ của thuốc nhuộm

Theo công thức trên, nếu trừ đi giá trị K/S của vật liệu chưa nhuộm thì hệ số K/S của riêng thuốc nhuộm trên vật liệu được xác định theo công thức:

VL

i i

S

CKΣ

trong đó: Ki, Ci - hệ số hấp thụ và nồng độ của thuốc nhuộm i

Khi tính toán đơn nhuộm đầu tiên, máy đo màu sẽ đo các giá trị phản xạ của mẫu và chuyển vào lưu giữ trong phần mềm Trước khi phối màu, vật liệu nền cũng được đo để xác định giá trị

VL

VL

SK của vật liệu Sau đó, trên cơ sở dữ liệu các thuốc nhuộm sẽ được kết

hợp lại với nhau theo các tỷ lệ để xác định giá trị

xạ của mẫu mô phỏng được tính toán dựa vào công thức (1.2) Các giá trị phản xạ của mẫu

mô phỏng, các giá trị L*, a*, b* sẽ được so sánh với mẫu chuẩn Nếu sai lệch, máy tính

sẽ thay đổi nồng độ các thuốc nhuộm đơn cho đến khi có được một tỷ lệ thuốc nhuộm thích hợp

3.4.2 Các loại máy đo màu

Máy đo màu quang phổ sử dụng có thể do nhiều hãng chế tạo (Orintex, Datacolor Spectral Flash 600, X-Rite (CFS 57, SP, 68), GretagMachbet, Macbeth Color Eye (7000

A, 3.100), Minolta 3.700d, v.v

Máy có nhiệm vụ đo màu và truyền kết quả đo vào máy vi tính Ngoài ra đầu đo có khả năng phân tích, so sánh màu sắc và hiển thị kết quả độc lập với máy tính Một số đặc điểm chung của máy đo màu:

- Thời gian đo

- Thời gian sử dụng đèn chiếu

- Nhiệt độ môi trường làm việc

- Nhiệt độ môi trường bảo quản

Có thể kết nối với các máy đo màu bất kỳ

Chương trình phần mềm phải giao diện với người sử dụng một cách tiện lợi, dễ hiểu

và dễ thao tác

a Xây dựng cơ sở dữ liệu màu

Để có thể phối màu bằng máy tính thì bước đầu tiên phải xây dựng cơ sở dữ liệu màu Máy tính dựa trên cơ sở dữ liệu màu để tính toán đơn nhuộm Do vậy quá trình xây dựng ngân hàng màu phải được tiến hành một cách cẩn thận, sau mỗi mẫu phải kiểm tra

độ bền màu và độ lặp lại của mẫu nhuộm

b Phương pháp đánh giá độ đều màu

Các mẫu nhuộm sau khi sấy khô trong một khoảng thời gian nhất định phải được kiểm tra độ đều màu Độ đều màu được đánh giá trên cơ sở đo giá trị ΔE giữa các điểm trên một mẫu màu Mẫu đều màu khi giá trị ΔE < 1 và với những mẫu có ΔE > 1 thì mẫu

đó được coi là loang màu Đối với những mẫu nhuộm loang thì phải tiến hành nhuộm lại cho đến khi giá trị ΔE đo đạt được theo quy định

Khi kiểm tra độ đều của mẫu nhuộm cần chú ý những điểm sau:

• Chuẩn bị mẫu đo: Mẫu được gấp thành nhiều lớp và đảm bảo bề mặt phải phẳng Tiến hành đo đạc lấy giá trị chuẩn tại ba điểm trên mẫu, các giá trị so sánh được so với giá trị chuẩn và ghi lại giá trị ΔE

• Các điều kiện đo màu được chọn cho quá trình đo như sau:

- Loại ánh sáng chuẩn: cố định

- Góc đo hình học: cố định

- Góc quan sát chuẩn: cố định

Xin xem thêm mục 4, chương IV

Kết hợp

Mẫu

Đo màu

Đường cong phản xạ và các giá trị L*, a*, b*

Nhuộm thử

Tỷ lệ thuốc nhuộm lần 1

c Kiểm tra độ lặp lại

Sau khi kiểm tra động đều màu của lần nhuộm thứ nhất, tiếp tục nhuộm mẫu lần thứ hai để kiểm tra độ lặp lại Trong lần nhuộm thứ hai tiến hành kiểm tra lặp lại tại một số nồng độ thuốc nhuộm Qui trình công nghệ của lần nhuộm thứ hai giống hệt như qui trình nhuộm mẫu lần thứ nhất Sau đó tiến hành kiểm tra độ đều của mẫu nhuộm lần thứ hai Độ lặp lại giữa hai lần nhuộm thoả mãn khi giá trị ΔE đo được nhỏ hơn 1 Nếu giá trị ΔE của một mẫu nào đó lớn hơn 1 thì phải tiến hành nhuộm lại lần thứ ba để so sánh với hai lần trước Chuẩn bị mẫu đo và các điều kiện đo màu khi kiểm tra độ lặp lại được chọn giống như khi đánh giá độ đều màu

d Tính toán tỷ lệ thuốc nhuộm cho màu phối

Sau khi hoàn thành việc xây dựng cơ sở dữ liệu màu, có thể sử dụng phần mềm để thiết lập các đơn công nghệ phối màu

Trong số các đơn nhuộm mà máy đưa ra với giá trị sai màu cho phép, cần lựa chọn dựa trên các tiêu chí phù hợp về giá trị chi phí, công thức nhuộm theo yêu cầu khách hàng v.v

Xin xem thêm mục b, 3.4.1, chương I

3.4.4 Các phương pháp đánh giá sự sai lệch màu

Mắt người dễ nhận rõ trước tiên là sự sai khác về ánh màu, sau đó là cường độ màu

và cuối cùng mới là độ sáng Chính vì vậy mà các hệ thống tính toán màu sẽ đưa ra những

sự sai lệch khác nhau để dẫn đến sự chấp nhận tùy theo yêu cầu cụ thể

Qui ước theo CIELAB: Thể hiện bởi hình hộp vuông; các giá trị ΔL, Δa, Δb có thể có

những số liệu bị ra ngoài sự cảm nhận của mắt người nên khó có thể chấp nhận

Qui ước theo CIELCH: Thể hiện bởi hình hộp ép xung quanh điểm chuẩn; nó nằm

trong hệ toạ độ cực nên hộp có thể quay trong định hướng theo góc ánh màu ΔH, các giá trị ΔC, ΔH, ΔL xích gần hơn tới sự chấp nhận của quan sát mắt người Điều đó giảm bớt những bất đồng giữa người quan sát và máy đo được các giá trị chuẩn

Qui ước theo CMC: Đây không phải là không gian màu nhưng nó là một hệ thống

cho phép sự sai lệch màu dựa trên không gian màu CIELCH Cơ sở của nó dựa vào sự thoả thuận cho phép tùy thuộc vào sự cần thiết để quan sát sai lệch màu Trong đó có tính đến yếu tố thương mại C1, người ta qui định nếu C1 = 0,5 thì hình elip nhỏ, nếu C1 = 1 thì hình elip sẽ lớn hơn đảm bảo độ chính xác cao hơn, khi đó ΔE nhỏ hơn 1 sẽ chấp nhận độ sai lệch màu, nếu ΔE lớn hơn 1 sẽ không cho phép

CMC (2:1): Thể hiện sự sai khác về độ sáng gấp hai lần sự sai khác về cường độ

màu, điều này cho phép đạt kết quả tốt nhất trong đánh giá so sánh màu giữa máy và mắt người

Qui ước theo CIE 1994 giống như CMC, trong đó người sử dụng phải kiểm tra tỷ lệ giá trị độ sáng k1 và giá trị cường độ màu kc cùng các yếu tố thương mại cf như CMC; sự khác nhau cơ bản ở qui ước này chính là bề mặt đo CMC thường sử dụng cho các sản

phẩm có bề mặt thô ráp không đều, còn CIE1994 được sử dụng cho các bề mặt nhẵn đều và

mịn như các sản phẩm in hoặc sơn phủ v.v

Kết luận

• Mặt dù có nhiều qui ước về sự sai lệch màu nhưng không có một hệ thống nào

hoàn hảo, sự chấp nhận tốt nhất khi hệ thống mô tả sự sai khác giống như mắt người cảm

nhận được Có thể so sánh các phương pháp đánh giá như trong bảng 1.4

Bảng 1.4

Phương pháp đánh giá Tỷ lệ sai khác so với quan trắc, %

CIELAB 75 CIELCH 85

• Khi quyết định tính toán về sự sai khác màu cần phải xem xét các nguyên tắc sau:

- Lựa chọn phương pháp phù hợp, đơn giản nhất trong việc tính toán và sử dụng

chúng một cách cố định

- Luôn luôn xác định một cách chính xác việc tính toán đã được thực hiện như thế

nào

Không bao giờ được sửa đổi giữa những sự sai khác màu đã được tính toán bằng

những sai số tương ứng thông qua việc sử dụng các yếu tố trung bình Sử dụng các sự sai

khác màu chỉ khi sự xấp xỉ đầu tiên đã được thiết lập cho đến khi chúng được ấn định

bằng sự điều chỉnh bằng thị giác Phải luôn nhớ rằng không ai có thể chấp nhận hay phản

đối màu sắc chỉ dựa vào các con số vì chúng chỉ là cách để nhận ra là nó đã được tính toán

mà thôi

Chương II

TỔNG HỢP THUỐC NHUỘM

l PHÂN LOẠI THUỐC NHUỘM THEO CẤU TẠO HOÁ HỌC

Trước đây thuốc nhuộm được phân loại theo nguồn gốc của chúng như: thuốc nhuộm vô cơ, thuốc nhuộm hữu cơ, thuốc nhuộm từ nguồn thực vật, thuốc nhuộm từ nguồn động vật v.v

Từ khi hoá học hữu cơ phát triển, các học thuyết về cấu tạo của các hợp chất hữu cơ

ra đời và đặc biệt là các lý thuyết về màu sắc phát triển đã khẳng định sự liên quan giữa cấu tạo hợp chất với màu sắc thì sự phân loại thuốc nhuộm theo đặc trưng của các hệ mang màu trong phân tử thuốc nhuộm càng được thể hiện rõ nét

Sự phân loại này giúp cho các nhà sản xuất thuốc nhuộm dễ dàng định hướng phương pháp tổng hợp các loại thuốc nhuộm, mặt khác nó còn giúp cho những người sử dụng thuốc nhuộm nắm vững các tính chất hoá học của thuốc nhuộm

Phương pháp phân loại hoá học chia thuốc nhuộm hữu cơ thành các lớp thuốc nhuộm như sau

1.1 Thuốc nhuộm azo

Trong phân tử loại thuốc nhuộm này có một hoặc nhiều nhóm azo (−N=N−) Dựa vào số nhóm azo có trong hệ mang màu của thuốc nhuộm mà người ta chia ra các nhóm thuốc nhuộm:

− monoazo: Ar−N=N−Ar’;

− điazo: Ar−N=N−Ar’−N=N−Ar”;

− tri và polyazo: Ar−N=N−Ar’−N=N−Ar”−N=N−Ar”’− ;

trong đó Ar, Ar’, Ar” là những gốc hữu cơ nhân thơm có cấu tạo đa vòng, dị vòng rất khác nhau

Thuốc nhuộm azo là lớp thuốc nhuộm quan trọng nhất và có lịch sử phát triển rất lâu đời Nó bao gồm hầu hết các loại thuốc nhuộm theo phân lớp kỹ thuật: thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm bazic, thuốc nhuộm cation, thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm cầm màu, thuốc nhuộm azo không tan và pigment Thuốc nhuộm azo được sản xuất nhiều nhất, chiếm tới gần 50% tổng sản lượng thuốc nhuộm

1.2 Thuốc nhuộm antraquinon

Trong phân tử loại thuốc nhuộm này có một hoặc nhiều nhân antraquinon hoặc các dẫn xuất của nó

Những dẫn xuất khác nhau ở các vị trí 1, 4, 5, 8 sẽ cho các loại thuốc nhuộm tương ứng như sau:

- thuốc nhuộm amino antraquinon;

- thuốc nhuộm hyđroxyl antraquinon;

- thuốc nhuộm axylamino antraquinon;

- thuốc nhuộm antrimit;

- thuốc nhuộm antraquinon đa vòng O

O

1 2 3 4 5

6 7

8 9

10

Thuốc nhuộm antraquinon chiếm vị trí thứ hai sau

thuốc nhuộm azo Nó bao gồm các loại thuốc nhuộm cầm

màu, thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm cation, thuốc

nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc nhuộm trực tiếp

và thuốc nhuộm hoàn nguyên đa vòng

1.3 Thuốc nhuộm inđigoit

Loại thuốc nhuộm này trước đây có nguồn gốc từ thực vật, đó là màu xanh sẫm trích được từ lá cây chàm Khi hoá học thuốc nhuộm phát triển, dựa trên gốc thuốc nhuộm inđigo có trong lá chàm người ta đã tổng hợp được thuốc nhuộm inđigoit với nhiều màu sắc phong phú bằng cách đưa thêm các nhóm thế vào phân tử inđigo Gốc mang màu của loại thuốc nhuộm này có công thức:

XC

CCO

O

trong đó X, Y là O, S, Se, NH,

1.4 Thuốc nhuộm arylmetan

Chúng là những dẫn xuất của metan mà trong đó nguyên tử cacbon trung tâm sẽ tham gia vào mạch liên hợp của hệ mang màu:

Nếu R là nguyên tử hyđro hoặc gốc hyđrocacbon mạch thẳng thì sẽ có thuốc nhuộm điarylmetan, nếu R là Ar” thì sẽ có thuốc nhuộm triarylmetan

Theo cấu tạo phân tử, thuốc nhuộm arylmetan được chia thành các phân nhóm sau:

- thuốc nhuộm xanten: nếu giữa gốc thơm được nối với nhau bằng nguyên tử oxy ở các vị trí o, o’ đối với cacbon trung tâm

ArO

CHAr'

Ar"

ArO

CH2Ar'

- thuốc nhuộm acryđin: nếu các gốc thơm nối với nhau qua cầu nối NH

ArNH

CHAr'

Ar"

ArNH

CH2Ar'

Phạm vi cấu tạo của họ thuốc nhuộm arylmetan rất rộng, ngoài những gốc chính, chúng còn tồn tại ở các dạng dẫn xuất như: điamino, triamino, hyđroxyl, đihyđroxyl Nó bao gồm các loại thuốc nhuộm bazic, thuốc nhuộm axit và một số chất tăng nhạy quang học