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,
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.
5
N
H
OS
3
Me
+
Br
SMe
N
H
OH
Br
SMe
N
H
O
Br
SMe
+ [O]
lên men
(1) (2) (3) (1)
(2) +
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
OH
HO
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
(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
8
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
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
9
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
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:
−CH=CH− nhóm etylen
−N=N− nhóm azo
−CH=N− nhóm azo metyl
−N=O nhóm nitrozo
−NO
2
nhóm nitro
C=O nhóm cacbonyl
Theo O. Witt thì những hợp chất hữu cơ chứa nhóm mang màu được gọi là “chất
mang”. Ngoài các nhóm mang màu cần thiết, khi đưa thêm vào phân tử của chất mang một
nhóm nguyên tử gọi là nhóm trợ màu thì màu của hợp chất sẽ sâu hơn và sẽ có khả năng
nhuộm màu cho một số vật liệu thích hợp. Trong số các nhóm trợ màu thì quan trọng hơn
cả là: −OH, −NH
2
, −N(CH
3
)
2
, −N(C
2
H
5
)
2
. Dựa vào thuyết mang màu người ta đã rút ra
O
O
H
2
H
2
H
2
H
2
OH
OH
(1) (2) (3)
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:
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: −NH
2
, −NR
2
, −OH, −OR, −CH
3
,
−Cl; và ở đầu kia chứa một trong các nhóm thu điện tử như: −NO
2
, −SO
3
H, −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
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
14
−14
− 10
−11
Tia X 10
−11
− 10
−8
0,01 − 10
Tia tử ngoại 10
−8
− 4.10
−7
10 − 400
Tia thấy được 4.10
−7
− 8.10
−7
400 − 800
Tia hồng ngoại 8.10
−7
− 10
−3
800 − 10
6
Sóng ngắn ra đa, radio, sóng truyền hình 10
6
− 3.10
12
Như vậy thì phần thấy được chỉ chiếm một giải rất hẹp trong toàn bộ quang phổ ánh
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:
ΔE = hγ =
λ
c.h
, kcal (1.1)
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.
và phản xạ lại những phần nhất định.
Những vật chỉ hấp thụ một phần các tia tới và phản xạ phần còn lại với tỷ lệ các tia
phản xạ gần bằng nhau thì chúng sẽ có màu ghi (xám). Nếu như trong số các tia phản xạ
có một vài tia trội hơn thì vật sẽ có màu đa sắc, nếu như chúng hấp thụ hầu hết các tia tới,
chỉ phản xạ một tia duy nhất thì vật đó sẽ có màu đơn sắc (hay màu quang phổ). Như vậy
màu của mỗi vật phu thuộc vào cấu tạo hoá học, khả năng hấp thụ chọn lọc ánh sáng, vào
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
17
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
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
18
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
chất này sẽ hấp thụ được các tia sáng có bước sóng lớn hơn và có màu sâu hơn.
19
Bảng 1.3
Công thức cấu tạo
Năng lượng kích động,
kcal/mol
Khả năng hấp thụ
λ
max
, μm
Loại mạch thẳng
CH
3
−CH=CH−COOH 135 208
CH
3
−(CH=CH)
2
−COOH 107 261
CH
3
−(CH=CH)
3
−COOH 92 303
Loại mạch vòng
benzen 110 225
không màu
naphtaxen 61 460
da cam
C=O + H
+
C=OH
+
C=NH + H
+
C=NH
2
+
20
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:
3
H
O
C
HO
SO
3
H
OH
+
+ H
+
pH = 1,5
+ NaOH
−
H
+
O
OH
OH
O
O
O
O
O
21
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
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
22
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
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:
23
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.
Tam giác màu được biểu diễn như sau:
đỏ
xanh la
m
vàng
xanh lục
tím
da cam
ghi
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:
Hồng + vàng Lòng tôm
Hồng + ghi Tím hoa cà
Vàng + lục Vàng chanh
Xanh lam + tím Xanh tím than
(xanh công nhân)
Xanh lam + xanh lục Cẩm thạch
Xanh lam + đen Ghi, xám
Nâu + đen Ghi, xám
Kali + đen Cỏ úa
X
+
+
; y =
ZYX
Y
+
+
; z =
ZYX
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
là màu cùng tông.
x
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
27
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 Hình 1.4. Không gian màu CIELAB.
28
Copyright: Tài liệu đại học ©