Spektrofotometry do zadań specjalnych część II, czyli jak czarna może być czerń?

Wizualny odbiór barwy zależy od naszych preferencji kolorystycznych, które są zależne od czynników indywidualnych (nastrój, wiek, płeć itp.), środowiska (oświetlenie, otoczenie itp.), a także naszych umiejętności rozróżniania odcieni barwy. Inaczej wygląda kolor w domu towarowym (zimne oświetlenie jarzeniowe) niż w domu (ciepłe, żarowe oświetlenie). Aby zagwarantować jednolity kolor i wygląd we wszystkich możliwych sytuacjach, konieczne jest zdefiniowanie parametrów numerycznych z odpowiednimi tolerancjami, które można kontrolować w codziennej produkcji i komunikować między całym łańcuchem dostaw surowców i produktów końcowych.

Wysokiej jakości proces produkcji powinien opierać się wyłącznie na liczbach i faktach, a nie na emocjach.

Aby w taki sposób zarządzać procesem produkcyjnym oraz jakością wyrobów finalnych koniecznym jest prowadzenie pomiarów barw za pomocą spektrofotometrów. Podstawowe informacje o zasadach działania oraz parametrach użytkowych tych urządzeń przedstawione zostało w artykule „Kontrola barwy w przemyśle kosmetycznym – na co zwrócić uwagę przy wyborze urządzeń.”, który ukazał się w numerze 3/2021 Świata Przemysłu Kosmetycznego.

W tej części niniejszego opracowania skupimy się na funkcjach spektrofotometrów do pomiaru głębokich czerni.

JAK CZARNA MOŻE BYĆ CZERŃ i jak ją zmierzyć?

Czerń to nie tylko kolor, ale także symbol ponadczasowej elegancji. Głęboka czerń wykorzystywana jest w produkcji wyrobów najwyższej klasy i jakości. Jednakże uzyskanie produktu odznaczającego się nieskazitelną czarną barwą jest dość trudne. Pomiar produktów czarnych stawia przed nami szereg wyzwań związanych z odpowiednio dokładnym oprzyrządowaniem oraz techniką badania.

W artykule przedstawione zostaną parametry pomiaru czarnej barwy, jej atrybutów oraz instrumenty umożliwiające ich określenie.

Definicja czerni Blackness

Czerń to wrażenie powstałe w mózgu obserwatora po całkowitym zaniknięciu bodźca światła widzialnego – w tym sensie jest to kolor.

Wiodący producenci carbon black oferują ten pigment z 99,98 % absorpcją światła. Im wyższy ten współczynnik tym czerń bardziej zbliżona do idealnej i wyższa wartość (My) – Blackness – głębia czerni.

Głębokie czernie mogą wykazywać pewne zabarwienie, najczęściej w kierunku koloru niebieskiego lub brązowego. Głęboka czerń niebieskawa postrzegana jest jako pełniejsza, ciemniejsza i szlachetniejsza niż czerń brązowawa. Dwie próbki o takich samych wartościach głębi czerni (My) i różnych zabarwieniach (dM) mogą być odbierane jako różne czernie, przy czym próbka z odchyleniem niebieskawym będzie postrzegana jako ciemniejsza. To powód, dla którego takie podbarwienie preferowane jest w lakierach i wykończeniach w przemyśle kosmetycznym. Stopień zróżnicowania czerni w zależności od koloru czyli barwy i jasności opisuje zaś parametr (Mc) – jetness.

Przechodząc do oceny spektrofotometrycznej definiujemy wartość My dla obserwatora 10°:

Blackness My – głębia czerni

My = 100 log(100/Y) gdzie Y jest jednym z parametrów XYZ, określającym jasność.

Parametr ten opisuje tylko jasność, bez wskazania ewentualnego odchylenia barwnego czerni. Jasność i zabarwienie czerni, określane jest jako jetness i wyliczane następująco:

Jetness Mc – czerń zależna od koloru

Mc = 100*(log(Xn/X) – log(Zn/Z) + log(Yn/Y))

Wartości dodatnie Jetness Mc wskazują czerń bardziej zbliżoną do niebieskiego, im wyższe, tym bardziej, wartości ujemne to przewaga brązowego. Różnica między Mc i My definiuje natomiast barwny odcień czerni – Undertone (dM):

Undertone dM to bezwzględne odniesienie do zabarwienia czerni

dM = Mc – My = 100*(log(Xn/X) – log(Zn/Z)

Parametr Undertone dM wskazuje liczbowo stopień zabarwienia na niebiesko czerni w przypadku wartości dodatnich Mc i zabarwienia brązowego w przypadku, gdy Mc wypada ujemnie.

Blackness (My) – głębia czerni, Jetness (Mc) – kolorozależność czerni oraz Untertone dM – bezwzględne wartości zabarwienia czerni mają międzynarodowe odniesienie normatywne i wyspecyfikowane są w ISO/DIS 18314-3 oraz DIN 55979.

Wyzwania pomiarowe

Pomiary spektrofotometryczne czerni nigdy nie były łatwe, tak ze względu na powtarzalność, jak i odtwarzalność wyników. Podczas, gdy biel odbija niemal 100% światła emitowanego na próbkę, kolory coraz ciemniejsze redukują tę wartość radykalnie.

Efektem jest zmiana stosunku sygnału użytecznego do szumu (SNR) układu fotodetektora spektrofotometru i niekorzystne zbliżenie poziomu tego sygnału do szumu termicznego układów elektronicznych. By skutecznie oceniać najnowsze typy powłok o głębokiej czerni, musimy zejść z czułością detekcji aparatury poniżej L*= 1.

To dziś skraj możliwości technicznych najnowocześniejszych spektrofotometrów przenośnych.

Po wielu badaniach i próbach, przy aktywnej i krytycznej współpracy czołowych dostawców pigmentów typu carbon black, zadanie to wypełnia nowy spectro2guide PRO firmy BYK Gardner.

W przyrządzie wykorzystano wieloletnie doświadczenie firmy w konstruowaniu źródeł światła na bazie LED a także najnowsze elementy LED wyższej mocy, by uzyskać dodatkowo wzmocnione, jednorodne i niezwykle stabilne oświetlenie próbki. By uzyskać wymagany odstęp sygnału od szumu zastosowano również najnowszą optykę, elektronikę oraz techniki kalibracji i zaprogramowania sekwencji pomiarowych. Źródło LED uruchamiane jest w trybie podwyższonej intensywności i długości czasu ekspozycji na moment pomiaru jetness. Następnie wykonywany jest pomiar w trybie G (grayness values) by pozyskać dane do wyliczeń wartości M. Współczynniki jetness (grupy M – oraz G-) definiuje norma DIN ISO 18314-3. Spektrofotometr spectro2guide PRO zdolny jest zmierzyć najgłębsze aktualnie obecne na rynku czernie w sposób precyzyjny i powtarzalny.

Test możliwości przyrządu, próbki i ich przygotowanie

Spectro2guide PRO testowany był na 6 wyselekcjonowanych próbkach, opisanych jako Test-1 do Test-6 z pewną gradacją parametrów My i dM. Próbki wykonano z płytek szklanych, powleczonych czernią o wysokim połysku. Głębokie czernie mogą być mierzone jedynie na wysokopołyskliwych powierzchniach o maksymalnej czystości. Wszelkie zanieczyszczenia lub wady powłoki będą znacząco wpływać na wyniki pomiarów. Wykluczone są zatem także jakiekolwiek zadrapania, odciski palców lub kurz. Użyte w teście próbki oczyszczono wodą destylowaną i miękkimi ściereczkami, a jakość powierzchni oceniono w silnym świetle specjalnie dodawanej do przyrządu latarki LED.

Ocena wizualna wyników

Ocenę wizualną przeprowadzono w komorze świetlnej byko-spectra PRO przy użyciu źródła standardowego światła dziennego D65 i pod kątem obserwacji 45 stopni. Komora byko-spectra PRO korzysta z innowacyjnie dobranej kombinacji filtrowanego oświetlenia halogenowego oraz LED, co daje niezwykle bliskie odwzorowanie normatywnej charakterystyki spektralnej D65 i co za tym idzie, znakomitą rozróżnialność barw w tym świetle – klasa A zgodnie z CIE 51.2.

Doświadczony obserwator szereguje próbki od 1 do 6 według narastającej głębi czerni – próbka Test-6 wykazuje najgłębszą czerń. Próbki o numerach 5 i 6 są z trudem rozróżnialne. Jeśli chodzi o zabarwienie, obie wyglądają niebieskawo. Próbka numer 1 wykazuje zabarwienie żółtawe. Próbki o numerach 2 do 4 zostają sklasyfikowane jako barwnie neutralne.

Pomiar spektrofotometryczny

Każda próbka mierzona jest w serii 50-krotnie w tym samym miejscu. Wyzwalanie pomiaru odbywa się z komputera, w trybie on-line programu archiwizacyjno-analitycznego smart-lab COLOR, by zminimalizować wpływ obsługi przyrządu na wynik. Analiza wyników dokonywana jest w tym samym programie. Celem pomiaru spektrofotometrycznego jest potwierdzenie zgodności z oceną wizualną i taka zgodność została potwierdzona liczbowo. Próbki od 1 do 6 wykazały narastające wartości głębi czerni Blackness My – niebieskie słupki na wykresie nr 3, a także różne wartości zabarwienia Undertone dM – czerwone punkty, odniesione do skali po prawej stronie wykresu. Możliwość pomiaru czerni do maks. 400 My w pełni zaspokaja najbardziej wymagających użytkowników i stanowi kolejny znaczący postęp w kontroli jakości powłok.

Autoryzowanym dystrybutorem wszystkich przedstawionych w artykule rozwiązań jest firma Eurotom Sp. z o. o. z siedzibą w Warszawie.

Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 1/2022