激光雕刻层级对绒布的外观特征效果影响

吕雪珊，李紫玉，王雪琴,2

(1.浙江理工大学，a.纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)；
b.艺术与设计学院，杭州 310018；

2.浙江省丝绸与时尚文化研究中心，杭州 310018)

近年来，激光雕刻除了在电子、广告、包装等行业运用外，在纺织面料上的运用也越来越多，尤其是在服装面料的应用与再造上研究较多。激光可以通过刺绣、压花，甚至切割、撕裂和修补等技术使面料产生效果，其精度和设计灵活性非常广泛，这是传统方法所无法实现的。

在国内研究中，姚小舜等[1]介绍了激光服饰轻定制模式，从服装个性化定制的角度分析了产品开发流程并进行了实践探索；
萧倩等[2]将激光雕刻技术应用在双面呢再造中，这对激光雕刻在不同面料中的应用做出了突破性的尝试，也为本文在绒布上的尝试做出了比较好的案例；
吴秀桓等[3]综述了打印与激光雕刻技术在构筑仿生设计的纺织结构防刺材料的应用，为后续了解激光雕刻技术的应用提供了更多方向和可能；
许天宇等[4]把激光雕刻与传统丝绸手绘结合，利用了新的技术手段应用在传统丝绸面料当中，提供了丝绸面料创新的新可能；
杜群[5]对激光雕刻在面料再造与图纹设计上的应用做了综合评述，分析了未来激光雕刻的在面料上的二次改造并结合图案设计会成为一个大的创新趋势；
苑国祥等[6]对激光表面蚀刻处理在服装上的应用进行了处理手法和设计方法的实验，实验表明激光雕刻技术具备多种优点，在服装面料上的应用十分多元。在国外研究中，Angelova等[7]分析了激光在皮革和纺织品加工中的应用；
Angelova[8]对影响纺织材料激光处理的因素做了综述；
Jiang等[9]探索了一种结合激光雕刻和箔层压的纺织品设计方法；
Kan等[10]将CO2激光雕刻技术应用于牛仔布，并通过实验评价其对某些颜色相关性能的影响。

在现有研究中，主要是针对服装面料的牛仔布、皮革等进行图案效果创新，并没有与绒布结合的相关研究。究其原因，激光雕刻在纺织面料中的研究还处于尝试和创新阶段，其应用发展及产品开发也比较局限。本文选用绒布作为实验对象，一方面是因为当前激光雕刻技术在纺织品当中应用所选材料比较单一，而绒布其本身具有硬挺、不易变形、手感好等特点，再加上它本身具有一定厚度，比较适用于激光雕刻在面料中展现更丰富的表面处理效果；
另一方面是因为绒布材料在现代生活中的可用性比较广，尤其在现代家居空间当中，现代轻奢风逐渐成为室内软装的潮流趋势，而轻奢风常用的五大材料包括：皮革、金属、皮草、大理石和丝绒。丝绒面料本身的光泽度和柔软度，是打造现代轻奢风的首选纺织材料。因此，本文运用激光雕刻技术，创新地在绒布上进行外观特征雕刻实验。本实验不仅在面料上进行了新的尝试和创新，在未来的应用发展中也提出了新的探索和尝试。

激光雕刻技术以数控技术为基础，通过瞬间的高温熔化材料表面，达到某种特定的效果。本文主要研究的是激光雕刻技术在织物材料上的应用。它通过激光光束对织物表面的纤维进行高温物理的灼烧以形成不同程度的凹凸表面，从而产生图案的立体效果。用于加工应用的激光雕刻大致可以分为5种，分别是CO2激光雕刻、Nd:YAG激光雕刻、光纤激光雕刻、二极管激光雕刻和准分子激光雕刻[11]，激光雕刻工艺的特点有：非接触加工,不用水、燃料和溶剂,自动化程度高、雕刻快速精确。随着光电子技术的飞速发展，激光雕刻技术应用范围越来越广，在各种材料当中的运用也越来越普遍，在一些特定的材料上具有独特的优势，比如珠宝材料、防刺材料、工业材料以及纺织材料,等等。

2.1 试样制备

采用的是由世一激光设备(绍兴)有限公司(意大利SEI S.p.A.集团的分公司)制造的Matrix Textile二氧化碳激光切割机，激光机功率为100 W，激光软件是与系统配套的Icaro Textile Software。采用经编单面灰色绒布(100%涤纶)进行实验，同时进行灰度分层。采用HSB色彩模式，以10间隔分为11个明度层次，按亮度(B)进行编号，每个明度值分别对应激光雕刻值，B0为雕刻程度最深，B100无雕刻。实验共织造织物4组共44块，每块试样4.5 cm×5.5 cm，如图1所示。

图1 11个激光雕刻织造样品

2.2 织物颜色测试与分析

所有织物均采用美国爱色丽X-Rite SP62积分球分光光度仪进行测色与数据采集。数据采集条件：颜色系统为CIEL*a*b*，d/8°测试结构，接收器为硅光电二极管(蓝光增强)，光源为脉冲钨丝灯，测量孔径为8 mm。为了避免雕刻机与环境的影响，分别对相同雕刻层级的4组织物做4次测量，并取其平均值。表1为不同雕刻值取平均值后的L、a、b值。

表1 4组织物雕刻层级与颜色测试数据

2.2.1L、a、b值分析

图2为L、a、b值4组均值及标准差，由图2可以看出，在颜色的多次测量中，织物的明度值L变动幅度相对较大，而a、b值的变化较小。所以，对织物的明度值进行进一步分析。

在SPSS软件中对明度值L进行齐性检验，若总体服从正太分布则进行单因素方差分析。并提出零假设，假设如下：

零假设(H0)：雕刻层级对明度值L没有显著性影响。

对明度值L进行方差齐性检验，其结果如表2所示：

表2 方差齐性检验

不同雕刻层级下，织物明度值的方差齐性检验值均比0.05大，P>0.05，说明方差满足齐性，即可进行单因素方差分析，单因素方差分析结果如表3，从表3中可以看出，F值为38.38，对应的显著性p值为0.00。在显著性水平0.05下，P值小于0.05，则零假设不成立，说明雕刻程度对绒布明度有显著影响，所以，拒绝零假设中雕刻层级对明度值L没有显著性影响。

表3 方差分析

在此基础上，对织物明度值L进行进一步的影响研究。据图3结果示，明度值L由高到低依次排列：B100>B90>B80>B70>B60>B50>B40>B30>B10>B0>B20，说明11层级的雕刻值中B100的明度值最大，B20的明度值最小。B80与其他雕刻层级、B90和B100与其他雕刻层级、B60和B70与其他雕刻层级、B0-B50与其他雕刻层级间的差异性显著(p<0.05),而B90与B100、B60与B70、B0-B50 雕刻层级间无显著性差异(p>0.05)。随着雕刻层级的减小，明度值总体呈现逐渐增大的趋势。说明雕刻层级越大，明度越低，雕刻层级越小，明度越高。在无雕刻(B100)的情况下，明度达到最大。

图3 不同雕刻层级对明度值L大小的影响

2.2.2 色差分析

对颜色值进行色差分析，用以判断激光雕刻在不同层级下对人眼视觉上的影响大小。

a)色差公式

计算机视觉的色差检测是目前理论上最接近人眼视觉的色差检测。目前计算机配色系统使用最多的是由国际照明委员会制定的CIELab颜色空间，其色差公式如下：

其中：ΔL=L1-L2; Δa=a1-a2; Δb=b1-b2

式中ΔE为色差值，当ΔL>0时,说明前一块激光雕刻的织物比后一块织物的颜色深，明度更低，反之则高；
当Δa>0时，说明前一块激光雕刻的织物比后一块织物更偏向红色，反之则偏绿；
当Δb>0时，说明前一块激光雕刻的织物比后一块织物更偏向黄色，反之则偏蓝。

b)色差评判标准

色差的单位是NBS，即ΔE=1时称为1个NBS色差单位，用ΔE的绝对值表示颜色与视觉感受之间存在的色差程度[12]。表4为色差与人眼感觉的关系，可以用来评判人眼与色差的感觉程度。

表4 CIELab色差值与人眼感觉的关系

c)色差结果与分析

从表5色差计算结果与评判中可以清晰地看出，B0-B10、B30-B40、B40-B50和B90-B100之间人眼几乎无感觉，B20-B30和B60-B70之间人眼稍有感觉，B10-B20、B50-B60和B70-B80之间人眼感觉明显，B80-B90之间人眼感觉显著。色差ΔE对人眼的感觉与雕刻层级对明度值的显著性是高度重合的。这也为后续雕刻层级的聚类分析提供了参考。

表5 色差计算结果与评判

2.2.3 聚类分析

最初的时间，终日不能提及此事，每每以泪洗面，逢人便诉说着自己不幸的遭遇；
终有一天，我发现，自己快成了鲁迅先生《祝福》里所描述的祥林嫂。于是，我擦干眼泪，我想，我必须面对没有爱人的日子，承担照顾女儿应该承担的一切，同女儿一起好好过日子。

基于对织物颜色值及色差的分析，可以看出在11个雕刻层级中有多个层级的颜色值差异较小，所以将这些雕刻层级进行聚类，以达到织物上能实现层次分明的图案效果。以4组11个雕刻层级的L、a、b值为变量，在SPSS软件中采用系统(层次)聚类分析。最终得到的谱系图如图4所示，在谱系图中，上方的数字为各雕刻层级间的距离，数字越小，表明两层级间的距离越小，相似度越高，关系也越密切。

图4 颜色值谱系

根据谱系图的结果，以5作为x轴参考线，剔除个别频次低的数据，最终得到了4个类别。雕刻层级分类如表6所示。

表6 雕刻层级分类

为了验证这一分类的准确性，根据前文中各雕刻层级对L、a、b值的影响，可以看出明度值L在 B0-B50、B60与B70、B90与B100雕刻层级间无显著性差异，这与谱系图的分类是一致的。在a、b值中，颜色值a、b本身差异变化较小，变化幅度平均在1.5以内，从色差值与人眼感觉的关系中可以看出人眼的感觉微小，几乎无感觉，所以对于聚类的参考意义不大。综上，说明谱系图划分是合理的。

2.3 织物厚度测试与分析

除了激光雕刻层级对于织物颜色的变化影响，进一步对织物厚度进行测试与分析，以了解激光雕刻对织物厚度带来的变化和影响。从中总结出变化规律，在定制设计中更好把握激光雕刻带来的立体层次效果。

2.3.1 实验方法

实验标准：根据国家标准GBT3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》对织物厚度(mm)进行测试。

实验仪器：YG(B)141D数字式织物厚度仪

对11个雕刻层级的4组绒布进行厚度测试，每块织物测5次并取其平均值，其测量结果如表7所示。

表7 厚度测量结果

2.3.2 结果分析

从图5中可以发现激光雕刻对织物厚度影响的变化规律，当雕刻层级越大，织物越薄，在B0时达到最薄；
当雕刻层级小时，织物最厚，在B90时达到最厚。织物由厚变薄的顺序为：B90>B80>B100>B70>B60>B50>B40>B30>B20>B10>B0

通过对4组绒布分别进行图像绘画可以看出，图5中，整体规律是一样的，随着激光雕刻层级越大，织物越薄，激光雕刻层级越小，织物越厚；
随着织物明度越大，厚度越大，织物明度越小，厚度也越小，但4组图中，图5(d)和图5(a)-(c)有一些细微差异，相比前3组，第4组的厚度值相对都要更厚一些，原因是第4组织物因后处理问题导致测量数据发生波动，但不影响整体规律。

图5 激光雕刻对绒布厚度的影响

当织物位于B90雕刻层级时，织物厚度达到最大，而在B100雕刻层级反而有下降趋势。这主要是由于激光在雕刻绒布时，表面材料被迅速熔融烧蚀，产生了一定的硬度，在厚度测试时不会产生太大变化。而B100是没有被激光雕刻处理过的表面，在厚度测试时，绒毛表面被下压，造成厚度测量结果偏低。这也可以通过电镜分析做进一步的验证。图6 为B100在30倍放大效果下的织物侧面厚度SEM照片，图6中每单位的标尺为200 μm。通过 图6 中比例可以看出，织物厚度在8个标尺附近，约为1.6 mm，这与厚度测量仪测试结果有一定差异，但是也可以进一步说明：在未经雕刻的B100层级织物厚度中，由于织物测量仪的压脚压力导致织物绒毛被压下，造成织物厚度出现下降的趋势。

图6 B100织物侧面厚度SEM照片

2.4 织物表面形态分析

图7显示了在不同层级激光雕刻下的绒布在50倍放大效果的SEM图像。由图7可以看出，在不同层级激光雕刻下的纤维表面形态具有明显的变化，并且伴随着一定的规律。图7(a)与图7(f)分别为绒布未雕刻的表面形态和雕刻程度最深时的表面形态。可以发现，随着激光雕刻层级由小到大从B100到B0，纤维由均匀的条状逐渐熔为平整的熔融面并伴随着均匀大小的孔眼。

图7 不同层级激光雕刻下的表面形态图

本文将激光雕刻技术应用在绒布上，对绒布面料的表现手法进行创新性实验，探索激光雕刻技术在绒布上实现的效果形态，为该技术在绒布织物上的应用提供良好的借鉴意义。通过在绒布上进行11个层级的雕刻实验，得出以下结论：

a)通过对织物的颜色测试得出：不同的雕刻雕刻层级对织物明度值L影响较大，其中，B100的明度值最大。进行色差分析，得到在11个雕刻层级中，B0-B10、B30-B40、B40-B50和B90-B100之间人眼几乎无感觉，其余各层级间均有不同程度的感觉。对11个雕刻层级运用聚类分析进行分类，最终分成4个层级，分别为：类一，B0、B10、B20、B30、B40、B50；
类二，B60、B70；
类三，B80；
类四，B90、B100。

b)通过对厚度进行测量得出：雕刻层级越大，织物越薄；
雕刻层级越小，织物越厚。同时，织物厚度的变化也伴随着织物明度的变化。特别注意的是，织物厚度在B90与B100时，织物厚度出现转折，这主要是由于厚度测试仪压脚的压力所致，在未经雕刻的层级B100，绒毛未经激光烧灼而较细软，从而导致厚度的变化，这也通过织物侧面的电镜图像进行了进一步验证。

c)通过对激光雕刻下的绒布进行表面形态的分析，可以得到：随着雕刻层级的比例加深，纤维表面的熔融面积也在扩大，纤维的形状由条状变成断续的条块颗粒状；
雕刻层级达到最大时，纤维被熔融面所覆盖并出现孔眼结构。

以上，通过本文将激光雕刻技术应用在绒布织物上进行外观特征研究后，为绒布本身提供了新的表现手法，也为后续绒布的应用提供了更多的可能性，比如通过激光雕刻层级的分析和厚度分析，可以做出具有层次感的装饰画或者壁布等家居实用性产品，这也为软装行业提供了新的发展思路等等。对后续激光雕刻在不同织物上的应用实践也提供了实践参考价值，还可以尝试除了牛仔面料以外更多的织物，并应用到更多元的场景当中。

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