1. Wstęp
Opakowanie stanowi ważny składnik produktu, chroniący go przed działaniem czynników zewnętrznych i zabezpieczający wartość użytkową. Pełni również funkcję marketingową, zachęcając do zakupu. Zarówno w Polsce, jak i na świecie znaczący udział w rynku mają opakowania z tworzyw sztucznych, które ze względu na swoje właściwości na przestrzeni ostatnich lat znalazły powszechne zastosowanie w wielu branżach. Produkcja wyrobów z tworzyw sztucznych, w tym opakowań, jest obecnie jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin gospodarki.
W całym okresie użytkowania opakowania z tworzyw sztucznych winny nie tylko odznaczać się dobrymi własnościami mechanicznymi, chemicznymi i fizycznymi, ale także zachować walory estetyczne, często najbardziej pożądane przez producenta i konsumenta. Podczas użytkowania, zwłaszcza w środowisku atmosferycznym, materiały polimerowe, z których wykonane są opakowania, ulegają jednak niszczeniu, tracąc swoje właściwości.
Poznanie wpływu, jaki czynniki atmosferyczne (promieniowanie słoneczne, temperatura, wilgotność powietrza oraz woda) wywierają na trwałość materiałów polimerowych i ich właściwości takie jak: wytrzymałość, wygląd zewnętrzny oraz funkcjonalność, jest niezmiernie ważne. Badanie materiałów w czasie działania parametrów środowiskowych i określanie stopnia ich starzenia się pozwala wykryć wczesne stadia degradacji oraz dostarcza cennych informacji pomocnych podczas projektowania wyrobów z tych materiałów. Dlatego też, zarówno z poznawczego, jak też praktycznego punktu widzenia istotnym zagadnieniem jest umiejętność oceny zmiany właściwości, w tym barwy, opakowaniowych materiałów polimerowych pod wpływem działania czynników atmosferycznych.
Rzeczywiste rozpoznanie procesów starzenia się materiałów polimerowych w warunkach środowiska naturalnego w celu uzyskania mierzalnego działania degradującego, a także wiarygodnie udokumentowanej oceny tego działania na materiały może zająć wiele lat. Ze względu na zmienność klimatu, konieczne jest poznanie wpływu środowiska na materiały w warunkach w pełni kontrolowanych i odtwarzalnych, dających możliwość oceny zmian poszczególnych parametrów tworzywa, m.in. wyglądu (barwy, połysku). Powyższe efekty oddziaływania czynników atmosferycznych, świadczące o zachodzącym procesie degradacji, mogą być pierwszą oznaką, że materiał nie jest w pełni zdolny do dalszego pełnienia przewidzianej dla niego funkcji i do dalszego użytkowania.
Przyspieszone starzenie w warunkach atmosferycznych można przedstawić jako negatywną reakcję materiału na warunki klimatyczne [1]. Przyspieszone, laboratoryjne starzenie materiałów polimerowych ma na celu prognozowanie zmian własności materiałów poddanych długotrwałemu działaniu warunków atmosferycznych. Prowadzenie badań w laboratorium pozwala na dokładne określenie niszczącego działania konkretnego czynnika atmosferycznego na materiał. W odniesieniu do materiałów polimerowych do najistotniejszych procesów destrukcyjnych należą termo- i fotodegradacja [2]. Najczęściej zachodzą one jednocześnie, a ich działanie zdeterminowane jest przez: rodzaj polimeru, obecność w nim zanieczyszczeń, dodatków, barwników i wypełniaczy, a także rodzaj produktu (folie, detale grubościenne). Wiele polimerów ulega degradacji wywołanej przez zewnętrzne warunki atmosferyczne, w których reakcje fotochemiczne zachodzące pod wpływem słonecznego promieniowania UV i tlenu atmosferycznego powodują rozpad łańcuchów makrocząsteczek w wyniku pękania wiązań chemicznych. Dodatkowo, reakcje chemiczne mogą być przyspieszone występującymi w cząsteczce nieprężeniami wewnętrznymi.
Występowanie degradacji materiału polimerowego najczęściej rozpoznawalne jest w pierwszej kolejności poprzez zmiany w wyglądzie materiału, a następnie we właściwościach mechanicznych. Powszechnie znanym efektem są: zmiana barwy, wzrost kruchości, utrata połysku, a także spękanie powierzchni, które czynią wyrób polimerowy niezdatnym do użytku.
Podstawowe procesy niszczenia łańcuchów polimerowych, prowadzące do zmniejszenia masy cząsteczkowej polimerów to procesy: depolimeryzacji, destrukcji i degradacji [2, 3]. W trakcie użytkowania zarówno opakowań, jak i innych wyrobów z tworzyw polimerowych najczęściej zachodzą te ostatnie procesy. Są one powodowane oddziaływaniem różnych czynników fizycznych, chemicznych, biologicznych w całym cyklu życia produktu – podczas przetwórstwa, magazynowania oraz eksploatacji [2]. Powodują utratę pierwotnych własności, czego pierwszym widocznym znakiem są zmiany barwy, np. żółknięcie, i połysku: zmatowienie pojawiające się na powierzchni polimerów.
Problematyka negatywnego wpływu środowiska na barwę opakowań z tworzyw sztucznych nie stanowi obecnie powszechnego przedmiotu opracowań. Mimo iż opakowania takie są dzisiaj powszechnie stosowane, a ich użytkowanie w warunkach środowiska naturalnego stwarza potrzebę lepszego poznania wpływu tegoż środowiska na zmianę aspektów wizualnych (barwa, połysk), do chwili obecnej brak wdrożonych standardów oceny i pomiaru zmian. Potwierdzeniem tego faktu jest brak norm w tym zakresie. Przy opracowywaniu metodyki badań pomiarów barwy opakowań posłużono się więc normami stosowanymi dla pomiarów kolorymetrycznych tekstyliów, farb i lakierów, które wydają się najbardziej odpowiednie do zastosowania także w przypadku opakowań.
Przeprowadzone w COBRO – Instytucie Badawczym Opakowań analizy oddziaływania sztucznie wytworzonych czynników atmosferycznych na polimerowe materiały opakowaniowe są kontynuacją wcześniejszych prac, ich zakres został jednak rozszerzony i uwzględnia również zmianę barwy oraz połysku opakowań w wyniku oddziaływania czynników atmosferycznych. Badanie zmiany barwy materiałów polimerowych na skutek odziaływania parametrów środowiskowych dostarcza ważnych informacji, które powinny być brane pod uwagę w procesie projektowania i konstruowania wyrobów z tych materiałów.
Część pierwsza niniejszego artykułu zawiera podstawowe informacje o barwie, przestrzennych układach barw oraz przyrządach do pomiaru, natomiast w części drugiej przedstawione zostaną uzyskane wyniki badań.
2. Cechy barwy, odcień, jasność, nasycenie
Wrażenie barwy jest wynikiem działania trzech czynników: źródła światła, obiektu i obserwatora, sama barwa powstaje jednak wyłącznie w świadomości obserwatora. Około 80% informacji o świecie zewnętrznym dociera do nas poprzez wrażenia wzrokowe. Z całego otaczającego nas promieniowania elektromagnetycznego oko ludzkie jest w stanie dostrzec tylko bardzo wąski wycinek, zwany promieniowaniem widzialnym, który zawiera się w przedziale pomiędzy 380 a 780 nm (rys. 1.).
Barwa nie jest właściwością przedmiotu, tak jak np. jego kształt. Każdy przedmiot w otaczającym nas świecie w charakterystyczny dla siebie sposób oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym. Oznacza to, że w specyficzny sposób pochłania, rozprasza, odbija lub przepuszcza promieniowanie elektromagnetyczne.
Barwę można określić przez opisanie cech charakteryzujących wrażenia, jakie powstają w umyśle lub też poprzez scharakteryzowanie bodźców świetlnych wywołujących jej wrażenie. W pierwszym przypadku mówimy o barwie postrzeganej, w drugim – o barwie psychofizycznej. W obydwu przypadkach chodzi o taką charakterystykę barwy, która pozwoli na jej odróżnienie od innej.
Każdej barwie można przypisać trzy różne cechy psychofizyczne. Pierwszą z nich, dającą się najłatwiej zaobserwować, jest odcień (hue) zwany również kolorem lub tonem. Odcień wywołuje wrażenie konkretnej barwy, np.: zielonej, czerwonej, niebieskiej. Odcień zależy od rodzaju promieniowania, jakie wpada do oka i wywołuje wrażenie barwy.
Barwy posiadające odcień noszą nazwę barw chromatycznych [6] – wyróżniamy 8 takich barw: czerwoną, pomarańczo
wą, żółtą, zieloną, niebieską, błękitną, fioletową i purpurową (rys. 2.).
Drugą cechą barwy jest jasność (lightness), która oznacza odczucie natężenia promieniowania wywołującego wrażenie barwy. Im mniejszy udział barwy czarnej, tym jasność danej barwy jest większa. Fizyczna miara jasności to luminancja. Przy zmniejszaniu jasności do zera, niezależnie od odcienia barwy, uzyskuje się barwę czarną (rys. 3.).
Barwy o takiej samej jasności i takim samym odcieniu mogą się różnić trzecią cechą – nasyceniem (saturation), czystością. Nasycenie charakteryzuje stopień rozjaśnienia danej barwy za pomocą barwy białej. Im mniejszy udział bieli, tym bardziej dana barwa jest nasycona. Do barw nienasyconych należą barwy pastelowe, zawierające dużo barwy białej. Nasycenie informuje o czystości barwy. Przy zmniejszaniu nasycenia barwy do zera, niezależnie od odcienia barwy, uzyskuje się barwę białą (rys. 4.).
Wszystkie barwy chromatyczne posiadają odcień, jasność i nasycenie. Barwy achromatyczne, do których zalicza się barwę białą i czarną oraz wszystkie barwy pośrednie między nimi określane jako stopnie lub poziomy szarości, nie mają odcienia ani nasycenia. Ich jedyną cechą jest jasność (rys. 5.).
3. Podstawowe modele barw
Każdą barwę charakteryzują: jasność, odcień oraz nasycenie, dlatego też można usystematyzować je w układzie przestrzennym. Mówimy więc o przestrzeni barw, w której wielkości odnoszące się do ich odcienia, jasności i nasycenia stanowią podstawę współrzędnych charakteryzujących przestrzeń. Przestrzeń barw można przeciąć różnymi płaszczyznami, na których będą zaznaczone wielkości odnoszące się tylko do dwóch cech, zaś trzecia będzie miała wartość stałą. Mogą to być płaszczyzny o stałym odcieniu a różnych wartościach jasności i nasycenia czy też o stałej jasności a różnych wielkościach odcienia i nasycenia. Mogą się również odnosić do stałej wartości nasycenia i zmiennych wartości opisujących jasność i odcień. Zbiór takich płaszczyzn uszeregowanych według wartości cechy stałej na każdej płaszczyźnie to atlas barw.
Najbardziej rozpowszechnionym atlasem barw jest ten opracowany w 1905 r. przez amerykańskiego malarza i profesora szkoły sztuk pięknych Alberta Henry’ego Munsella. System klasyfikacji barw Munsella opiera się na cylindrycznym układzie współrzędnych [6].
Munsell usystematyzował przestrzeń barw według następujących cech:
n ton H (hue) oznaczający odcień;
n walor V (value) oznaczający jasność;
n chroma C (chroma) oznaczający nasycenie, czystość barwy – rys. 6. [6].
Odcienie H (Hue) zostały umieszczone na obwodzie cylindra.
Wartości chromatu C (chroma, nasycenie) umieszczone zostały na promieniach idących od środka cylindra.
Na osi cylindra umieszczono wartości (value) waloru V, podzielone na 10 stopni, odpowiadające jasności barw. Liczba 1 odpowiada barwie czarnej, a 10 białej.
Na płaszczyznach równoległych umieszczone są barwy o jednakowych walorach różniące się chromatem i tonem.
4. Układy barw
Obecnie najczęściej stosowane układy (przestrzenie barw) to X, Y, Z oraz L*a*b* i L*C*h. Jako pierwszy został opracowany w 1931 r. układ X, Y, Z. Za podstawę rachunku kolorymetrycznego przyjęto tu układ trzech barw fikcyjnych (osie układu odniesienia nie reprezentują barw rzeczywiście istniejących) dobranych tak, aby w dodatniej ćwiartce mieściły się wszystkie występujące w rzeczywistości barwy. Model ten w przestrzeni przypomina stożek krzywoliniowy (rys. 7.).
5. Trójkąt barw, wykres chromatyczności
Najnowsze zalecenia dotyczące dokładnego sposobu, w jaki należy zastosować podstawowe zasady pomiaru barwy, opracowane przez Międzynarodową Komisję Oświetlenia (International Commission on Illumination, CIE) zawiera norma CIE 15:2004, Colorimetry, 3rd Edition [8]. Komisja zaproponowała w niej zestaw trzech składowych trójchromatycznych: X, Y, Z (rys. 8. i 9.), których mieszanie może pokryć pełny zakres barw widmowych i jednocześnie wartość każdej ze składowych jest zawsze większa od zera. X, Y, Z zostały zdefiniowane następująco [8]:
X = ∑lS (l)x–(l)(l)
Y = ∑lS (l)y–(l)(l)
Z = ∑lS (l)z–(l)(l)
S (l) – względny rozkład widmowy mocy promieniowania określonego iluminantu;
x–(l), y–(l), z–(l) – widmowe wartości współrzędnych chromatyczności dla określonego obserwatora i iluminantu;
(l) – widmowy współczynnik odbicia dla określonej długości fali.
Ze względów praktycznych ze składowych trójchromatycznych X, Y, Z wyprowadzono współrzędne chromatyczności x i y oraz wartość jasności Y. Dzięki temu barwy o tej samej jasności Y mogą być przedstawione za pomocą współrzędnych na jednej płaszczyźnie. Przekrój przestrzeni barw względem danej jasności tworzy tzw. trójkąt barw, zwany również wykresem chromatyczności.
n Linia ograniczająca obszar barw to trójkąt barw lub krzywa barwy (spectrum locus).
n Każdemu punktowi krzywej barw odpowiada określona dł. fali zakresu widzialnego.
n Barwy widmowe są barwami o największym stopniu nasycenia i są usytuowane na obrzeżach trójkąta.
n Wzrostowi długości fali towarzyszy przesuwanie po krzywej barw zgodnie z ruchem wskazówek zegara.
n Początkowi zakresu widzialnego 380 nm odpowiada lewy dolny narożnik wykresu (x = 0,17, y = 0,05), a końcowi prawy narożnik odpowiadający dł. fali 700 nm (x = 0,73, y = 0,27).
n Odcinek prostoliniowy wykresu nosi nazwę prostej purpur, jest to odcinek odpowiadający barwom powstałym ze zmieszania barwy czerwonej i niebieskiej.
n Współrzędne układu trójchromatycznego wszystkich barw, które powstają w wyniku addytywnego mieszania barw, zawarte są wewnątrz powierzchni trójkąta.
n Punkt środkowy E o współrzędnych x = 0,333 i y = 0,333 reprezentuje punkt o największej jasności. Nasycenie wszystkich barw wzrasta począwszy od punktu środkowego w kierunku ciągu barw widmowych [9].
6. Modele barw
Model X, Y, Z jest powszechnie używany od ponad 80 lat i stanowi punkt odniesienia dla innych matematycznych modeli barw. Jego wadą jest to, iż odległości pomiędzy barwami nie odpowiadają subiektywnemu odczuciu różnic przez człowieka oglądającego porównywane barwy. Dwa punkty leżące w niewielkiej od siebie odległości w okolicach niebieskiego czy czerwonego będą odbierane jako dwie różne barwy, natomiast punkty w tej samej odległości w okolicach zieleni mogą być odebrane jako nieróżniące się barwą. Aby zaradzić tej niedogodności, w 1976 r. wprowadzono model przestrzenny L*a*b*, który powstał przez matematyczną transformację modelu X, Y, Z gdzie [8]:
L* = 116/(Y/Yn)1/3 –16
a* = 500 [(X/Xn)1/3 –(Y/Yn)1/3]
b* = 200 [(Y/Yn)1/3 –(Z/Zn)1/3]
X, Y, Z opisują rozważany bodziec barwowy, a Xn, Yn, Zn opisują określony biały bodziec achromatyczny.
Układ L*a*b* (rys. 10., 11., 12.) stanowi podstawę współczesnych systemów zarządzania barwą. Barwy znajdujące się w przestrzeni L*a*b* w jednakowej odległości od siebie będą postrzegane jako jednakowo różniące się od siebie. Model ten zawiera wszystkie barwy rozpoznawalne przez ludzkie oko i opisany jest trzema parametrami:
L* – określa jasność i przyjmuje wartość od 0 (czerń) do 100 (biel);
a* – określa zakres od czerwieni (+a*) do zieleni (–a*);
b* – określa zakres od żółtego (+b*) do niebieskiego (–b*).
Model L*a*b* jest obecnie najpopularniejszym sposobem opisu barwy, ponieważ pozwala na podanie różnicy barw między dwoma położeniami w przestrzeni (np. między wzorcem a próbką). Różnica ta E jest miarą odległości między dwoma punktami w przestrzeni i wyrażana jest wzorem [8]:
DE = √DL*2 + Da*2 + Db*2
DL* = L* zmierzona – L* wzorcowa
Da* = a* zmierzona – a* wzorcowa
Db* = b* zmierzona – b* wzorcowa
Można przyjąć, że standardowy obserwator zauważa różnicę barw następująco:
0 < DE < 1 nie zauważa różnicy;
1 < DE < 2 różnicę zauważa jedynie doświadczo
ny obserwator;
2 < DE < 3,5 różnicę zauważa również niedoświadczony obserwator;
3,5 < DE < 5 wyraźna różnica barw;
5 < DE obserwator odnosi wrażenie dwóch różnych barw.
O systemie L* C*ab h*ab (rys. 13.) mówi się wtedy, gdy w przestrzeniach barw L*a*b* zamiast współrzędnych kartezjańskich a*, b* stosuje się współrzędne biegunowe C (odległość od centrum układu) oraz h (kąt między osią a* i b*). Barwę opisuje się poprzez podanie:
n jasności L*;
n nasycenia barwy, które obliczane jest wg wzoru:
C*ab = (a*2+ b*2)1/2;
n kąta odcienia, obliczonego ze wzoru: h*ab = arctg (b*/a*).
Należy pamiętać, że na postrzeganie barwy wpływ ma wiele czynników. W celu standaryzacji systemów pomiaru barw Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa CIE określiła definicje:
n standardowych źródeł oświetlenia tzw. iluminantów;
n kąta obserwacji (widzenia) powierzchni barwnej tzw. obserwator kolorymetryczny normalny 2° i obserwator kolorymetryczny dodatkowy 10°;
n warunków geometrii pomiaru [8].
Barwa nie istnieje bez światła, co oznacza, że rodzaj światła wpływa na nasze postrzeganie barw. Barwa światła jest określana przez jej skład spektralny. Na skład spektralny naturalnego światła słonecznego wpływa zarówno zmieniająca się pogoda, jak i pora roku czy dnia. Sztuczne źródła światła mają także różne składy spektralne. Niektóre wysyłają światło czerwonawe, podczas gdy inne emitują światło zielonkawe lub niebieskawe. W zależności od rodzaju oświetlenia zmienia się spektralny skład promieniowania odbitego, a więc i postrzegana barwa. Dlatego składowe trójchromatyczne muszą być odnoszone do danego znormalizowanego źródła światła. Podczas pomiarów barwy zawsze należy podawać, przy jakim oświetleniu zostały one wykonane.
W 1931 r. CIE określiła względne rozkłady widmowe energii promieniowania podstawowych źródeł oświetlenia tzw. iluminantów (wykr. 1.). Są to lampy rożnej konstrukcji, wytwarzające światło o składzie widmowym zbliżonym do promieniowania ciała doskonale czarnego dla danej temperatury barwowej. Najczęściej stosowane iluminanty to:
n iluminant D65 wg zaleceń CIE jest podstawowym iluminatem o temperaturze barwowej 6500 K, reprezentuje jedną z faz światła dziennego;
n iluminant C to promieniowanie ciała doskonale czarnego o temperaturze barwowej bliskiej 6800 K, reprezentuje jedną z faz światła dziennego;
n iluminant A odpowiadający promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze barwowej 2856 K, światło żarówki.
Poza iluminantami podstawowymi stosuje się również iluminanty fluorescencyjne f, znaczone jako F1, F2, F3, … F12.
Każdy człowiek dysponuje charakterystycznym sposobem oceny barw czerwonej, zielonej i niebieskiej. U osób normalnie odróżniających barwy, wrażenia barw są w przybliżeniu równe.
Tylko barwy, które graniczą ze sobą, oceniane są różnie. Przykładowo to, co dla jednych jest jeszcze barwą niebieskawozieloną, dla innych jest już zielononiebieską. Dlatego dla pomiarów barw zdefiniowano przeciętne postrzeganie barw. W tym celu w 1931 roku przeprowadzono obszerne badania licznej grupy osób o normalnym postrzeganiu barw.
Badania przeprowadzono dla pola widzenia o kącie 2°. Przez termin pole widzenia w sensie norm kolorymetrycznych należy rozumieć kąt widzenia, pod jakim jest obserwowana barwna powierzchnia próbki. Przy obserwacji z odległości 1 m powierzchni o średnicy 3,5 cm, kąt widzenia wynosi dokładnie 2°. Taki kąt widzenia występuje u tzw. obserwatora normalnego. Sprawia on, iż obraz barwnej powierzchni przypada na centrum plamki żółtej pozbawione pręcików. Kąt ten jest znacznie mniejszy od kąta, pod jakim zwykle obserwuje się barwne powierzchnie, dlatego w roku 1964 powtórzono to samo badanie przy kącie widzenia 10° (dla którego obraz barwnej powierzchni mieści się w plamce żółtej ale pada na jej część w której znajdują się poza czopkami również pręciki) ustanawiając pojęcie obserwatora normalnego dodatkowego, którego kąt widzenia wynosi 10° (rys. 14.).
Dla każdego z tych obserwatorów CIE podała stabelaryzowane widmowe wartości składowych trójchromatycznych (wykr. 2.) widma równoenergetycznego dla zakresu światła widzialnego 380–780 nm oraz współrzędne trójchromatyczne X, Y, Z, stanowiące podstawę do obliczeń matematycznych stosowanych dla określania barwy. Zostały one zatwierdzone i przyjęte jako obowiązujące przez normy krajowe i międzynarodowe.
7. Geometria pomiaru
Poza źródłem oświetlenia i kątem obserwacji barwnej powierzchni, istotne znaczenie dla pomiaru barwy ma kąt, pod jakim promieniowanie pada na barwną powierzchnię, tzw. geometria pomiaru. Dlatego w pomiarach barwy CIE zaleciła stosowanie następujących geometrii pomiarowych:
n geometria 45°:0° – próbka oświetlana jest jedną lub kilkoma wiązkami pod kątem 45°±2°do normalnej do powierzchni próbki, a obserwowana pod kątem 0°±10° do normalnej. Kąt pomiędzy osią wiązki oświetlającej i którymkolwiek z jej promieni nie powinien przekraczać 5°. To samo ograniczenie dotyczy wiązki obserwowanej (a);
n geometria 0°:45° – próbka oświetlana jest wiązką pod kątem 0°±10° do normalnej do próbki, a obserwowana po kątem 45°±2 do normalnej. Kąt pomiędzy osią wiązki oświetlającej i żadnym z jej promieni nie powinien przekraczać 5°. To samo ograniczenie dotyczy wiązki obserwowanej (b);
n geometria d:0° – próbka oświetlana jest światłem rozproszonym w kuli całkującej. Kąt między normalną do próbki i osią wiązki obserwowanej nie powinien przekraczać 10° (c).
n geometria 0°:d – próbka oświetlona jest wiązką której oś jest pod kątem nie przekraczającym 10° do próbki. Strumień odbity jest zbierany w kuli całkującej. Kąt pomiędzy osią wiązki oświetlającej i którymkolwiek z jej promieni nie powinien przekraczać 5° (e);
n geometrie 8°:d i d:8° (d, f) są odmianą wariantu d:0° i 0°:d mającego na celu eliminację lustrzanego odbicia od powierzchni próbki, które powoduje zniekształcenia wyników pomiarów (rys. 15.).
8. Urządzenia do pomiaru barwy
Przyrządy stosowane do pomiaru barwy to kolorymetry trójchromatyczne i spektrofotometry odbiciowe. Naśladują one model postrzegania barw przez człowieka, co przedstawiono na rys. 16.
Zasada działania spektrofotometrów i kolorymetrów opiera się na pomiarach porównawczych, które polegają na określeniu stosunku strumienia promieniowania R odbitego od powierzchni próbki do strumienia w odbitego od powierzchni wzorcowej o znanym współczynniku odbicia bliskim 100%. Stosunek prądu płynącego przez detektor powstającego pod wpływem światła odbitego od barwnej powierzchni, do prądu powstającego pod wpływem światła odbitego od wzorca odpowiada współczynnikowi odbicia R [15].
R (l) = R (l) / w (l)
Kolorymetry trójchromatyczne bezpośrednio wyznaczają składowe trójchromatyczne X, Y, Z, badanej próbki. Następnie składowe trójchromatyczne przeliczone są na parametry L* a*b* (rys. 17.).
W kolorymetrach trójchromatycznych stosuje się dwa warianty oświetlenia badanej próbki i pomiaru promieniowania odbitego (rys. 18.). W pierwszym wariancie światło padające na badaną powierzchnię i na wzorzec przechodzi przez zestaw filtrów FX, FY, FZ. Mierzy się natężenie światła przepuszczonego przez każdy filtr i odbitego od powierzchni próbki i wzorca. W drugim wariancie próbka i wzorzec oświetlane są światłem białym, a przez filtry FX, FY, FZ przechodzi światło odbite od powierzchni próbki i wzorca.
Spektrofotometry odbiciowe (rys. 19.) są to przyrządy do pomiaru widmowego współczynnika odbicia w różnym zakresie promieniowania UV, VIS i NIR. Pomiar barwy metodą spektrofotometryczną polega na pomiarze widmowego współczynnika odbicia w zakresie widzialnym promieniowania optycznego, a następnie obliczeniu składowych trójchromatycznych X, Y, Z na podstawie których wyliczane są parametry L*a*b*. Wiązki uzyskuje się przy pomocy monochromatoró
w z siatką dyfrakcyjną lub z pryzmatem. W obecnie stosowanych spektrofotometrach badaną próbkę oświetla się światłem białym, a w monochromatorze następuje rozkład światła odbitego na wiązki o różnej długości fali.
Spektrofotometry odbiciowe dzieli się na jedno i dwuwiązkowe. Obecnie najczęściej stosowane są spektrofotometry dwuwiązkowe. Wiązka promieniowania białego w spektrofotometrze jednowiązkowym pada na badaną próbkę, odbite promieniowanie podlega monochromatyzacji i analizie, a następnie wiązkę kieruje się na wzorzec i dokonuje ponownej monochromatyzacji oraz analizie. W spektrofotometrze dwuwiązkowym wiązka promieniowania białego (polichromatycznego) rozszczepiana jest na monochromatorze i skupiana na szczelinie wyjściowej. Światło przechodzące przez szczelinę wyjściową jest już monochromatyczne. Następnie jest ono rozdzielone na dwie wiązki, z których jedna kierowana jest na próbkę a równocześnie druga oświetla wzorzec. Obie wiązki promieniowania odbitego, od próbki i od wzorca, padają następnie na odbiorniki. Odbiornikami najczęściej są fotodiody krzemowe, gdzie promieniowanie zamieniane jest na sygnał elektryczny. Sygnał przetworzony przez komputer wyświetla się następnie na ekranie jako dane widmowe lub kolorymetryczne. n
Literatura
[1] I. Jakubowicz, D. Gardiner, S. Jamtvedt, D. Kockott, M. Schlosser, P. Trubiroha, Interlaboratory test programme – reproducibility in xenon arc weathering, „Polymer Testing”, 19 VIII 2000.
[2] J., Majewski, Wpływ promieniowania na właściwości tworzyw sztucznych, „Tworzywa Sztuczne i Chemia”, nr 2/2005.
[3] M. Sobków, K. Czaja, Wpływ warunków przyspieszonego starzenia na proces degradacji poliolefin, „Polimery” nr 48/2003.
[4] Strona internetowa [www.atm.edu.pl], dostęp: maj 2015.
[5] Strona internetowa [www.britannica.com], dostęp: maj 2015.
[6] Strona internetowa [www.paintbasket.com], dostęp: maj 2015.
[7] Strona internetowa [www.fourier.eng.hmc.edu], dostęp: maj 2015.
[8] Norma CIE 15:2004 Colorimetry, 3rd Edition.
[9] J. Dębowski, Programowalne układy analogowe przy sterowaniu diodami high-power LED [www.elektronikab2b.pl/technika/1684-programowalne-uklady-analogowe-przy-sterowaniu-diodami-high-power-led#], dostęp: maj 2015.
[10] J. Mielicki, Zarys wiadomości o barwie, Fundacja Rozwoju Polskiej Kolorystyki, Łódź 1997.
[11] Główny Urząd Miar, Instrukcja wzorcowanie spektrofotometrów odbiciowych i kolorymetrów trójchromatycznych, Warszawa 2011.
[12] Huber Gruppe, Atlas wartości tonalnych w offsecie, Hostmann-Steinberg GmbH, Celle 1999.
[13] Heidelberg Polska, Przewodnik: Barwa i jakość, Warszawa 1999.
[14] A. Zydorowicz, K. Książek, S. Górnik, Wzorcowanie spektrofotometrów odbiciowych i kolorymetrów trójchromatycznych, „METROLOGIA. Biuletyn Głównego Urzędu Miar” nr 4 (19), grudzień 2010.
[15] Norma PN-89/E-04042/01 Pomiary promieniowania optycznego – Pomiary kolorymetryczne – Postanowienia ogólne.
