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

Spójny kolor i wygląd produktu kosmetycznego mają kluczowe znaczenie zarówno przed, jak i po zakupie. Wrażenie wizualne w ciągu pierwszych dziesięciu sekund kształtuje percepcyjną opinię klienta o jakości i jest czynnikiem decydującym podczas zakupu. Równie ważna jest stabilność parametrów wizualnych w czasie, która decyduje o zaufaniu do danej marki.

Wizualny odbiór barwy zależy od naszych preferencji kolorystycznych, które to 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 trudny. 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 co raz 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-cio 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.