Informacje ogólne
Ocena białości produktu zależy od materiałów i zastosowania, w którym jest używany. Naturalne materiały mają tendencję do nadawania żółtawego odcienia, np. bawełna lub wełna, więc przemysł modyfikuje materiały, aby zrekompensować ten efekt (żółtawy odcień produktu jest najczęściej postrzegany jako wada jakości, np. pożółkły z powodu starzenia się lub zabrudzenia) i sprawić, że produkt będzie wyglądał bardziej biało.
Oprócz wybielania (procesu, który chemicznie modyfikuje same materiały (np. utlenianie)), które usuwa kolory z materiałów i powoduje raczej jednolity współczynnik odbicia spektralnego, optyczne środki rozjaśniające (zwane również fluorescencyjnymi środkami wybielającymi) są stosowane do kompensacji absorbancji żółtawych produktów w dolnym obszarze widma widzialnego, tworząc wygląd „bielszy niż biały” za pomocą fluorescencji. Rozjaśniacze optyczne absorbują energię z widma elektromagnetycznego w niewidzialnym obszarze UV (głównie poniżej 400nm) i emitują ją w szerszym spektrum niż została zaabsorbowana w zakresie 400-480nm. Powoduje to, że krzywe odbicia mogą wzrosnąć powyżej 100% w zakresie 400-480nm, przez co materiał wydaje się lekko niebieskawy. Ponieważ oko ocenia lekko niebieskawe materiały o jednolitym współczynniku odbicia jako jaśniejsze niż idealny dyfuzor odbijający światło, barwniki te są bardzo powszechnym sposobem dodawania dodatkowej bieli do produktów, np. papieru lub tekstyliów (należy pamiętać, że „biel” nie jest zgodna z tym, co oceniamy jako „kolor”, oba odczucia są od siebie niezależne!) Podczas gdy pomiar nieoptycznie rozjaśnionego materiału jest powszechną praktyką, ocena zawartości promieniowania UV w materiale często budzi wątpliwości. Należy pamiętać, że pomiary bieli zależą od ogólnej konfiguracji nie tylko urządzenia, ale także od użytych referencji. W niniejszym dokumencie zostaną przedstawione podstawowe informacje dotyczące dostawców materiałów referencyjnych, a także informacje dotyczące indeksów i technologii.
P: Czy istnieje różnica między dostępnymi indeksami?
O: Tak, istnieje!
Na rynku istnieje prawie kilkadziesiąt formuł opisujących to, co ludzkie oko postrzega jako „biel”. Ponieważ oko ma tendencję do opisywania materiałów o lekko niebieskawym odcieniu jako „bielszych”, np. kompensacja żółtawych kolorów surowców za pomocą niebieskich barwników lub rozjaśniaczy optycznych stała się powszechną praktyką w porównaniu z poprzednimi czasami, więc istniejące formuły wymagały dostosowania. Ponieważ różne zastosowania definiują własne standardy bieli lub odniesienia, przyjęto kilka podejść w celu zaspokojenia odpowiednich potrzeb rynku. Skutkuje to indeksami dla np. przemysłu papierniczego, tekstylnego lub spożywczego, z których wszystkie wykorzystują różne obliczenia matematyczne, aby opisać, czym jest „ich” biel.
P: Którego wzorca referencyjnego UV należy użyć do kalibracji urządzenia?
O: Zależy to od materiału, który zamierzasz ocenić!
Ponieważ różne materiały mają różne właściwości optyczne, do prawidłowej kalibracji urządzenia należy użyć odpowiedniego materiału. Należy używać wzorca papierowego do zastosowań papierowych, wzorca tekstylnego do zastosowań tekstylnych lub wzorca plastikowego do zastosowań plastikowych, np. użycie wzorca plastikowego do zastosowań tekstylnych może skutkować błędnymi wartościami.
Lista producentów wzorców referencyjnych znajduje się w dalszej części niniejszego dokumentu.
P: Jak sprawdzić, czy mój produkt zawiera rozjaśniacze optyczne?
O: Spójrz na krzywą widmową!
Rozjaśniacze optyczne pochłaniają energię poniżej widma widzialnego i emitują pochłoniętą energię w niższym widmie widzialnym, do 480nm. Skutkuje to krzywymi odbicia z garbem w niebieskawym obszarze. Spójrz na zdjęcie poniżej. --------------------------
Wskaźniki białości
Szeroka gama wskaźników jest dostępna dla tych branż, które muszą ocenić białość swoich produktów, np. papieru lub włókien tekstylnych. Ze względu na fakt, że niektóre indeksy są używane do przekazywania wartości, wybór właściwego indeksu dla danej aplikacji jest ważny.
Niniejszy dokument pomoże wybrać odpowiednie indeksy dla danego zastosowania i koncentruje się na tych najczęściej używanych na dzisiejszym rynku.
Wskaźnik bieli CIE
Opublikowany w 1986 r. wraz z drugim wydaniem publikacji 15 przez komitet kolorymetrii CIE, wzór ten został przedstawiony „w celu promowania jednolitości praktyki w ocenie białości kolorów powierzchni” i zaleca się „stosowanie go do porównań białości próbek ocenianych dla standardowego iluminantu CIE D65” [Raport techniczny CIE 2004 Kolorymetria] w skali raczej względnej. Zastosowany wzór to
WCIE = Y + 800(xn - x) + 1700(yn - y)
Gdzie Y to wartość tristimulusa Y próbki, x i y to współrzędne chromatyczności x, y próbki, a xn , yn to współrzędne chromatyczności idealnego dyfuzora dla standardowego obserwatora kolorymetrycznego CIE 1964.
Chociaż może być używany z warunkami oświetlenia/obserwatora C/2, jest ściśle ważny dla D65/10 i powinien być używany w ten sposób.
Indeks bieli ASTM E313-00
Podczas gdy oryginalny indeks ASTM E313 opisywał ocenę bieli przy użyciu odczytów kolorymetru G i B, tak że zdefiniowano WE313 = 4B - 3G, najnowszy ASTM E313-00 odwołuje się do indeksu bieli CIE, wykorzystując tabelę dla wartości C, D50 i D65, a także obserwatora 2° i 10°.
Komitet ds. tekstyliów AATCC definiuje ASTM E313-00 za pomocą ilustr. C i 2° obserwatora.
Indeks bieli Ganza-Griessera
Metoda Ganz-Griessera do oceny bieli to nie tylko indeks, ale kompletna procedura, która jest obecnie jedynym indeksem na rynku, który uwzględnia czynniki specyficzne dla urządzenia, wykorzystując zdefiniowaną skalę kalibracji standardów fluorescencyjnych do pomiaru wiarygodnych wartości w różnych systemach. Zdefiniowany do użytku z D65/10 i referencyjną długością fali 470nm, wzór, za pomocą którego obliczany jest indeks, jest następujący:
WGanz = Y - 1868.322 x + -3695.690 y + 1809.441
Technologia sprzętowa
Na rynku istnieją dwie technologie wykorzystywane do osiągnięcia skalibrowanej zawartości UV w źródle światła pomiarowego - „tradycyjna” metoda, która wykorzystuje mechaniczne filtry UV, które zmniejszają ilość energii UV emitowanej przez lampę do pomiaru (po raz pierwszy wprowadzona przez Gärtnera i Griessera w połowie lat 70-tych) oraz numeryczna kontrola UV, która została wynaleziona przez pana Imurę w 1997 roku i jest opatentowana przez Konica Minolta.
Stosowanie mechanicznych filtrów UV jest często stosowaną, ale w większości zawodną metodą kontroli zawartości promieniowania UV w źródle światła. Aby uzyskać dobre wartości, filtry UV muszą być stale dostosowywane, aby kompensować spadek ilości UV używanego źródła światła pomiarowego. Poza tym, ruchome części (np. silniki) mogą być podatne na uszkodzenia, co sprawia, że pomiary UV są błędne. Po osiągnięciu pewnego krytycznego poziomu energii UV w lampie, konfiguracja ta nie jest już w stanie być skalibrowana dla wartości referencyjnych.
Opatentowana technologia NUVC (numeryczna kontrola UV) oferuje możliwość nie tylko kalibracji zawartości UV, ale także kontrolowania jej przy każdym pomiarze, a tym samym utrzymania stabilnych wyników. Odbywa się to za pomocą trzech niezależnie sekwencjonowanych lamp ksenonowych, jednej niefiltrowanej dla pełnej zawartości UV, dwóch filtrowanych na 400 i 420nm. Taka konfiguracja pozwala nie tylko na wybór właściwej metody filtrowania bez ruchomych części mechanicznych, ale także na sprawdzenie skalibrowanej zawartości UV podczas każdego pomiaru. Oprócz niezrównanej funkcji kalibracji i kontroli, konfiguracja ta pozwala również na niezawodne sprawdzenie zawartości UV, gdy energia UV w lampach spadnie poniżej określonego poziomu.
Unikalna na rynku jest również możliwość nie tylko zastosowania odpowiedniej metody filtrowania, ale także połączenia filtrów z metodą miękkiego błysku, która zmniejsza moc lampy ksenonowej do 30%. Taka konfiguracja zapobiega niepożądanemu efektowi trypletu obserwowanemu w kilku próbkach lub odniesieniach, w których wyższa energia lamp ksenonowych w porównaniu np. z naturalnym światłem dziennym lub oświetleniem wolframowym modyfikuje niektóre cząsteczki rozjaśniaczy optycznych i przenosi je na energetycznie niższy poziom. Ponieważ czas między błyskiem a analizą pomiaru jest krótszy niż przejście cząsteczek do ich energetycznie poprawnego stanu, krzywa odbicia wykazuje obniżenie i wzrost po piku FWA - występuje „efekt trypletu”.
Porównując obie krzywe poniżej można zauważyć, że pomarańczowa krzywa obniża się w okolicach 520 nm, a następnie ponownie wzrasta, aż do osiągnięcia nieco stabilnego stanu w okolicach ok. 560nm: --------------------------------
Fluorescencyjne wzorce odniesienia dla różnych zastosowań i ich dostawcy
W celu zapewnienia niezawodnych i zgodnych z ISO standardów referencyjnych, komitet techniczny ISO 6 stworzył przepływ pracy w celu zdefiniowania 3 poziomów dokładności, zwanych standardami referencyjnymi ISO poziomu 1, 2 lub 3, w skrócie IR1, IR2 i IR3.
IR1 jest osiągalny tylko przez krajowe instytuty metrologiczne, a standardy IR 1 są określane jako ostateczne standardy w odniesieniu do „idealnego dyfuzora odbijającego” (zgodnie z CIE).
Normy IR2 są tworzone przy użyciu norm IR1 przez „laboratoria standaryzujące” (wyposażone do pomiarów bezwzględnego współczynnika odbicia zgodnie z ISO 4094) w celu zapewnienia odniesień do "autoryzowanych laboratoriów", które muszą posiadać niezbędny sprzęt i kompetencje, aby zostać wyznaczonymi przez ISO/TC 6 jako takie.
Autoryzowane laboratoria używają wzorców IR2 do kalibracji swoich przyrządów referencyjnych w celu wydania wzorców roboczych do kalibracji, IR3.
IR3 stanowi odniesienie dla zastosowań przemysłowych do kalibracji przyrządów roboczych w firmach. Laboratoria normalizacyjne są zobowiązane do wymiany norm IR2 w odstępach nie dłuższych niż 5 lat, podczas gdy autoryzowane laboratoria są zobowiązane do wymiany norm IR3 w odstępach nie dłuższych niż 2 lata.
Procedura ta jest stosowana w celu osiągnięcia dokładności sugerowanych w klauzuli „Wyrażanie wyników” w normach międzynarodowych dotyczących określania konkretnych właściwości optycznych.
Oprócz zgodności z normami ISO, niektórzy dostawcy wydają wzorce referencyjne, które mogą być wykorzystywane do względnej oceny wskaźników lub mogą być wysyłane do instytutów oferujących kalibrację użytkownika zgodnie z normami w celu uzyskania wiarygodnego i zgodnego z normami wzorca referencyjnego.
Są one wymienione w sekcji „Inne”.