CC BY
244УДК 666:535.6
Ю.Т. ПЛАТОВ, д-р техн. наук, Российский экономический университет
им. Г.В. Плеханова (Москва); Р.А. ПЛАТОВА, канд. техн. наук (decolor@hotbox.ru),
Российский государственный торгово-экономический университет (Москва)
Инструментальная спецификация цветовых характеристик строительных материалов
Чтобы использовать цвет, его нужно научиться измерять. Если научиться измерять цвет, то его можно контролировать, обсуждать и передавать информацию о нем. При контроле строительных материалов еще недавно использовали визуальную оценку, но сегодня потребители материалов все чаще требуют точного воспроизведения их окраски.
Цветовые характеристики строительных материалов определяются состоянием (валентность, координация ионов и др.) и структурной организацией красящих примесей. При формировании структуры и фазового состава этих материалов также изменяется состав и структурная организация красящих примесей. Поэтому колористические характеристики стали использовать двояко: как способ контроля окраски и как экспресс-метод неразрушающего контроля строительных материалов. Стандартные колористические системы успешно применяются уже более 80 лет для решения этих двух задач, но в то же время они могут быть использованы при спецификации окраски объектов только при соблюдении стандартных и сопоставимых условий освещения/ наблюдения. Создание современных средств и правильно организованная система цветовых измерений позволят решать разнообразные задачи контроля и воспроизведения строительных материалов [1—4]. Развитие технической колориметрии можно условно разбить на три этапа: спецификация цвета и окраски, оценка цветовых различий и оценка внешнего вида [5].
Для спецификации окраски строительных материалов применяют широкий перечень индексов. Цветовые координаты представляют в разных колористических системах, что позволяет при представлении и обсуждении колористических характеристик сопоставлять их и однозначно интерпретировать. Цветовые различия рассчитывают по рекомендованным и стандартным формулам. В последнее время появилась необходимость оценки и моделирования внешнего вида объектов в условиях широкого диапазона условий освещения/наблюдения, поэтому колориметрия внешнего вида объектов становится третьим этапом колориметрии.
В связи с этим в обзоре приведены основные термины и определения колориметрии, стандартные колориметрические системы и пространства, формулы цветового различия, основные колористические характеристики материалов, а также основные принципы приборной цветовой спецификации и области ее применения для строительных материалов.
Термины и определения. Понятие «цвет» используется для обозначения трех совершенно разных феноменов: свойство излучения, свойство объекта и свойство зрительного восприятия [6].
Определение цвета зафиксировано в ГОСТ 13088—67 «Колориметрия. Термины, буквенные обозначения»: «Цвет есть векторная величина трех измерений, выражающая свойство, общее всем составам излучения, визуально неразличимых в колориметрических условиях наблюдения».
Электромагнитное излучение видимой области спектра с длиной волны 360—780 нм вызывает ощущение цвета. Свет источника попадает на непрозрачный объект и отражается от него. Характер распределения отраженного света и его спектральный состав зависят от состава макро- и микроструктуры и текстуры материала, качества и состояния поверхности изделия. Отраженный свет попадает в глаз наблюдателя и в процессе обработки информации преобразуется в цветовое ощущение [1]. Следует отличать зрительное ощущение как физиологическую реакцию от зрительного восприятия как продукта высшей нервной деятельности. Восприятие всегда сложнее, чем вызывающий его стимул, поэтому равенства стимулов еще недостаточно для равенства восприятия [1, 2, 6].
Для описания воспринимаемого цвета используют субъективные цветовые характеристики [3]:
— цветовой тон — характеристика, служащая для установления сходства данного цветовосприятия с цве-товосприятием, вызываемым тем или иным монохроматическим спектральным стимулом;
— насыщенность — характеристика, служащая для оценки отличия данного цветовосприятия от равного ему по светлоте ахроматического цветовосприятия;
— светлота — характеристика, в соответствии с которой поверхность воспринимается диффузно отражающей или пропускающей большую или меньшую долю падающего света.
Любые три координаты позволяют представлять точку в трехмерном пространстве. Например, набор из трех координат — цветового тона, насыщенности и светлоты в стандартной колориметрической системе позволяет представлять положение цвета в виде точки в цветовом пространстве.
При сопоставлении образцов по окраске между ними устанавливается отношение по типу «равен-неравен». Поэтому в отличие от обычно измеряемых физических величин при оценке окраски объектов вместо термина «измерение» чаще употребляют термин «спецификация» [1].
Согласно [6] следует различать следующие понятия: окраска и внешний вид объекта.
Окраска — это свойство именно объекта, по которому их можно уравнять визуально в определенных геометрических условиях освещения и наблюдения. Например, при измерении цвета излучения, отраженного от разнофактурных образцов с разной степенью блеска (глянцевые и матовые), в зависимости от условий освещение/наблюдение будут получаться различные цветовые характеристики. Поэтому при определении окраски можно только определить, подобны или равны две окраски объекта в данных условиях освещения/наблюдения.
В определении CIE 15.2. (CIE — Commission International de Eclairage) различается цвет первичного источника и цвет вторичного источника, то есть отраженного света. Хотя четко там не сформулировано, это может означать только одно: при измерении цвета первичного
источника игнорируется пространственное распределение излучения. Для измерения цвета вторичного источника вводится стандартная оптическая геометрия измерения, то есть очевидно учитывается косвенно пространственное распределение излучения. Таким образом, фактура поверхности неявным образом всегда присутствует в цветовых характеристиках (координатах) вещественных объектов. Поэтому Международной комиссией по освещению (МКО) без явной декларации введены две системы спецификации: цвета излучения как такового и цвета излучения, отраженного (пропущенного) объектом и измеренного в зависимости от геометрических условий освещения/измерения. Последнее есть окраска (по неопубликованным материалам П.П. Новосельцева).
Воспринимаемый внешний вид согласно ASTM E 284—2007 — это визуальное восприятие объекта, включающее размер, форму, цвет, текстуру, блеск, прозрачность и др. Измерение внешнего вида опирается на измерение окраски объекта для различных конфигураций освещения/наблюдения (гониоспектроколори-метрию) с получением набора цветовых координат и последующим сведением результатов к однородной величине [4, 5].
Цветовые системы и цветовые пространства.
Технический комитет ISO/TC 187 (обозначение цвета) определил цветовую систему как набор правил по расположению и обозначению цветовых характеристик, обычно в соответствии с определенными шкалами [2]. За прошедшие годы было создано более 400 цветовых систем [1, 2].
Стандартная колориметрическая система XYZ МКО 1931 г. стала основой при соблюдении стандартных условий измерения цвета и окраски: функции сложения цветов, стандартных излучений и стандартной геометрии освещения/наблюдения [1—4].
Стандартный колориметрический наблюдатель (ISO 11664-1:2008 (CIE S 014-1/E-2006)) с полем наблюдения 2о характеризуется через функции сложения цветов (кривые сложения) х(Х), y(X), z(X) МКО 1931 г. На основе многочисленных опытов получены новые данные и функции сложения цветов дополнительного стандартного колориметрического наблюдателя МКО 1964 г. Угол поля зрения при уравнении цветов был равен не 2, а 10о, что соответствует восприятию цветовых полей большого размера. Есть традиции, когда оценивают небольшие по размеру образцы цвета, используя кривые сложения для стандартного колориметрического наблюдателя 2о МКО 1931 г., а когда большие — дополнительного стандартного колориметрического наблюдателя 10о МКО 1964 г.
Стандартные излучения и стандартные источники света. МКО предложила (ISO 11664-2:2008 (CIE S — 2/E—2006)) несколько стандартных колориметрических излучений, которые были обозначены А, В, С, D, E, F. Стандартные излучения воспроизводят при помощи физических источников света, спектральное распределение энергии которых аппроксимирует одно из стандартных излучений. Стандартные источники воспроизводят реальный свет: А — от освещения электрическими лампами накаливания; В — от прямого солнечного освещения; С — от рассеянного дневного света; D — набор стандартных источников среднедневного света (ГОСТ 7721—89 «Источники света для измерений цвета. Типы. Технические требования. Маркировка»), например источник D65 наиболее точно аппроксимирует среднедневной свет; F — свет люминесцентных ламп, например F11 имитирует свет люминесцентной лампы белого цвета.
Оптическая геометрия измерения. МКО рекомендует (CIE 15.3-2004 Colorimetry) использовать четыре типа
оптической геометрии, но чаще используют два типа: 45о/0о, d/0о.
Первая цифра означает угол между нормалью к поверхности образца и направлением освещения образца; вторая — угол между нормалью и направлением наблюдения. Геометрию, обозначенную d/0о, используют для равномерного освещения образца в интегрирующей оптической сфере, покрытой изнутри сульфатом бария. Прибор должен быть также снабжен ловушкой глянца, чтобы исключить прямое отражение от глянцевой поверхности. Исключение зеркального отражения при измерении будет приводить к тому, что различия по фактуре образцов будут влиять на значения цветового различия. Приборы для измерения окраски с геометрией 45о/0о чаще используют для измерения оптической плотности и чистоты цвета окрашенных образцов. Однако из-за направленности излучения результат в большой мере зависит от структуры поверхности образца.
Таким образом, цветовые различия образцов окраски с разной фактурой (глянцевая, матовая гладкая, шероховатая и др.), измеряемые с исключением зеркальной составляющей (или на приборе с геометрией 45о/0о), лучше выявляют различия в цветовых характеристиках образцов, обусловленных различием в фактуре поверхности.
При инструментальной спецификации цветовых характеристик строительных материалов чаще используют определение цветовых координат XYZ МКО, координат цветности на плоскости х, у с последующим графическим определением доминирующей длины волны Хс (для пурпурных цветов — дополнительной длины волны и чистоты цвета ре.
Одним из недостатков цветового пространства XYZ МКО является то обстоятельство, что одинаковым изменением значений координат цвета не соответствуют равнозначные изменения цветовых ощущений. Поэтому и равные значения цветового различия между цветами в равных областях пространства неравнозначны по восприятию. Вторым недостатком является то, что значение составляющих цветового различия (АХ, ДY, нельзя соотнести с природой составляющих цветового различия, воспринимаемых экспертами [2]. Частично устраняют проблему производные параметры АХс, Дре и ДY, которые полезны для относительно малых цветовых различий.
МКО в 1976 г. рекомендовала использовать приблизительно равномерное колориметрическое пространство С1Е Г*а*Ь* (КО 11664-4:2008 (С1Е S 014-4/Е-2007)). Цветовые координаты в этом пространстве определяют по следующим формулам (для 1^<100):
Г*=116^^п)1/3-16; а*=500[(Х/Хп)1/3-^п)1/3];
Ь*=200[^п)1/3-^п)1/3],
где Хп, Yn, Zn — цветовые координаты идеального рассе-ивателя для выбранного стандартного источника освещения; X, Y, Z — цветовые координаты образца.
Цветовое различие и цветовые допуски. Полное цветовое различие (между двумя цветами): геометрическое расстояние между двумя точками цветового пространства (ГОСТ Р 52489-2005; ИСО 7724-1:1984).
Цветовые различия АЕ могут быть выражены в соответствии с рекомендацией МКО по уравнению:
ДЕ(Ц*а*Ь*) = (^*)2+(Да*)2+(ДЬ*)2)1/2,
где различие: ДL - по светлоте между двумя образцами, Да - по оси «красный (+а*) - зеленый (-а*)»; ДЬ - по оси «желтый (+Ь*) - синий (-Ь*)». Кроме того, в программное обеспечении ряда приборов входят следующие формулы расчета цветового различия СМС ((1:с); С1Е94 и С1Е DE2000 ^ТМ D 2244-2007). Для лучшей корреляции с визуальной оценкой рекомендуется ис-
пользовать формулу СМС (1:с) [2]. Согласно [7] приведено сравнение по эффективности использования шести формул цветовых различий (AE(L*a*b*), CIE94, CIE DE2000 и др.) и показано, что все формулы сопоставимы с визуальными результатами с большой точностью, за исключением AE(L*a*b*).
Разработанные формулы цветового различия позволяют избежать субъективных визуальных оценок и использовать методы объективной колориметрии для решения следующих задач: определение цветовых различий и их соответствие установленным допускам; оценка степени метамеризма; устойчивость цвета материала в зависимости от условий обработки или эксплуатации [8—10]; сортировка по окраске [11, 12].
Приемлемость цветового различия. Понятия приемлемости и воспринимаемости цветового различия существенно отличаются и их необходимо различать при применении в промышленности. Предполагается, что величина AE(L*a*b*) пропорциональна воспринимаемому различию, а коммерческие цветовые допуски часто составляют 0,5—1 единицы АЕ (L*a*b*) [2]. При оценке материалов требуется определение приемлемости (допуска) цветового различия с использованием различных формул. Сложность перехода от формул цветовых различий к значениям приемлемости цветового различия осложняется тем фактом, что еще не найдено идеальной формулы цветовых различий, точно предсказывающей воспринимаемые цветовые различия.
При использовании значений цветового различия AE(L*a*b*) выявлено, что оно полезно для определения, с какой точностью образец отличается от стандарта. Но иногда при серийном производстве необходимо знать не только величину отклонения от стандарта, но и направление отклонения по одной из координат (AL*, Aa*, Ab*). Поэтому выбор значений цветового допуска, полученного по результатам инструментальной оценки, должен быть соотнесен с визуальной оценкой приемлемости по цветовому тону, светлоте и насыщенности (ASTM D 1729-96). Кроме того, если есть подозрение, что образцы могут быть метамерными, то есть обладать разными спектральными кривыми, хотя визуально похожи, то должна быть проведена инструментальная проверка в соответствии с методикой (ASTM D 4086-92).
Метамеризм — нарушение цветового равенства при смене условий определения цветовых характеристик. Понятие метамеризма связано с двумя и более образцами при их сравнении между собой. Это свойство следует отличать от цветового непостоянства (color inconstancy) — изменения цветовосприятия объекта от смены источника освещения [3]. При смене источника освещения нарушается равенство по цветовосприятию двух образцов, установленное для первоначального источника. Такие образцы, как правило, имеют различия в спектрах отражения.
Оценкой степени метамеризма является индекс метамеризма MI L*a*b*, определяемый через цветовое различие AE(L*a*b*) одного образца от другого при изменении условий освещение/наблюдение (обычно используют два условия: D65/10° и А/10о). В [13] анализируется правило использования индексов метамеризма метамерных образцов.
Различают четыре вида метамеризма [2]: метамеризм излучения; метамеризм наблюдателя; метамеризм поля зрения; геометрический метамеризм.
Метамеризм излучения. Он возникает, когда цветовые координаты многомерной пары показывают равенство объективных цветовых характеристик или цветовоспри-ятия при одном излучении, например при излучении С, и несоответствие при источнике А. Такой метамеризм может возникнуть, если объективные (приборные) цветовые характеристики одного образца, окрашенные дан-
ным набором красителей, при некотором освещении соответствуют приборным цветовым характеристикам образца, окрашенного другими красителями, а при другом освещении не соответствуют.
Метамеризм наблюдателя проявляется, когда мета-мерная пара воспринимается одинаково одним наблюдателем (продавцом) и разной по цвету другим (покупателем). С такой ситуацией часто сталкиваются в промышленности и торговле, так как известно, что не существует двух наблюдателей с совершенно одинаковыми характеристиками зрительных ощущений.
Метамеризм поля зрения как частный случай метамеризма наблюдателя только виртуального: это равенство цветов пропадает, когда меняется поле зрения. Например, от 2 до 10о: для площади объекта диаметром 3,5 см на расстоянии наблюдения в 1 м угол зрения равен 2о, а с диаметром 17,5 — 10о. Метамерная мера, показывающая равенство, когда образцы рассматриваются на расстоянии (малое поле зрения), может не сохранять его, когда наблюдатель приближается к образцу (большое поле зрения).
Геометрический метамеризм возникает при изменении геометрии наблюдения. Например, пара образцов красок с металлическим эффектом может показывать равенство при одном определенном угле освещения и наблюдения, но не сохранять равенство, когда какой-либо угол изменяется. В связи с этим измерения цветовых характеристик при одном из стандартов геометрии освещение/наблюдение являются неинформативными.
В практической деятельности метамеризм имеет большое значение, так как часто выполняет цветовую подгонку образца, используя отличающийся от эталона набор красителей (или пигментов), а также изменяя условия освещения и наблюдения. В связи с этим могут возникнуть различные виды метамеризма.
Колористическая характеристика материалов. К основным колористическим характеристикам относят индексы белизны и желтизны материалов, показатель красящей способности пигмента или красителя (далее колоранта), кроющая способность покрытия.
Белизна — субъективно воспринимаемое свойство. Оценка белизны как функции восприятия окраски основывается на колориметрии. Для получения выражений, адекватно описывающих восприятие белого, проводились обширные экспериментальные исследования наблюдателей с использованием разных тест-объектов. Несмотря на то что область белого занимает лишь около 2% всего цветового пространства, было опубликовано более 100 различных выражений для оценки белизны [1, 2].
Для определения белой окраски и белизны, как правило, используют несколько терминов. Кроме термина whiteness (англ. белизна), который является общепринятым, применяют термин brightness (англ. яркость), который связан с оптическим свойством материала полученным путем измерения при одной длине волны (Х=457 нм). Показатель яркости, измеренный по ГОСТ 16680—79 «Каолин обогащенный. Метод определения белизны», тесно коррелирует со светоотражающей способностью материала, но не объясняет расхождения окраски белых образцов, имеющих одинаковые значения яркости. Это явление объясняется тем, что в практике измерения коэффициента отражения при Х=457 нм часто при этой длине волны два и более образца имеют равные значения, а коэффициенты отражения по другим длинам волн различаются, то есть по коэффициенту яркости образцы подобны, а в общем по окраске нет.
МКО в 1982 г. предложила [2] общепринятое в настоящее время выражение для расчета индекса белизны (ASTM Е 313-2000; ГОСТ Р ИСО 105-J02 - 99):
Wiso=Yio+800(x1o-x)+1700(y1o- у),
где Y10 — значение цветовых координат Y МКО 1964 образца; х, у — цветовые координаты образца; хп, уп — координаты цветности для идеального отражающего рас-сеивателя при источнике света D65 и наблюдатель 10о.
Выражение указывает на то, что белизна определяется яркостью Y и цветностью 800(хп—х)+1700(уп—у), которая увеличивает значение белизны по мере смещения окраски материала к синему и снижает ее, когда он желтеет.
К белому относят материал со значениями индекса белизны WISO>40. Выделена область «предпочтительно белый» фарфор в колориметрическом пространстве CIE L*a*b*: L*>86, b*<2,0 с белизной WISO>60 [14].
Желтизна. Распространенным изменением окраски белых материалов является желтизна, что связано с примесями железа, титана и хрома. Для инструментальной количественной оценки желтизны разработаны различные формулы, но наиболее часто употребляемой является формула расчета индекса желтизны (ASTM E 313-2000):
Y1=1,28X-1,06Z Y
где X, Y, Z — цветовые координаты образца.
По этой формуле чем выше Y1, тем больше желтизна, при Y1 ~ 0 материал имеет ахроматический цвет (белый, серый), а если Y1<0, то материал имеет голубоватый оттенок.
Индексы белизны WISO и желтизны Y1 предложены [15] для градации каолина по категориям качества, а для каждой категории определена область его назначения.
Красящая способность — мера способности колоран-та придавать окраску материалам. Понятие «красящая способность» [1, 2] частично используется для характеристики количества красителей колоранта в образце, а также для установления различий по окрашиванию двумя красителями материала.
Относительная красящая способность Fs — отношение красящей способности колоранта к красящей способности стандартного колоранта, красящая способность которого принята за 100%. Оценка относительной красящей способности (relative strengths) колорантов дает возможность их стандартизировать. Неприемлемо, чтобы каждая партия данного колоранта вела себя в процессе окрашивания по-разному. При изменении красящей способности колоранта, поставляемого со следующей партией, необходимо менять как минимум его концентрацию (он может быть сильнее или слабее по красящей способности) или состав смеси колорантов. Поэтому потребитель должен требовать от изготовителя, чтобы каждая партия в допустимых пределах соответствовала стандарту по красящей способности.
Если стандартный и опытный образцы приготовлены из различных партий колорантов, различие по относительной красящей способности между двумя партиями может быть измерено. Один из трех индексов, который используется при условии его определения: если один образец отличается от другого по уровню кривой спектра отражения, но при этом кривые спектра отражения подобны по форме, тогда достаточно использовать один из коэффициентов спектра отражения, как правило, на длине волны максимума поглощения (индекс Chromatic strength index).
(К/S) образец
Fs=-
•100,
(К/S) стандарт
где К — коэффициент поглощения; S — коэффициент рассеяния.
Взаимодействие света со слоем материала описывается с помощью коэффициентов поглощения K и рассеяния S в виде уравнения:
К _(1-R)2 S 2R ,
где R — коэффициент спектра отражения, представляющий отношение отраженного светового потока к потоку, падающему на поверхность непрозрачного слоя. Это уравнение, как функция Кубелки—Мунка, показывает, что отражение непрозрачного слоя зависит только от отношения K и S, а не от их абсолютных значений.
Если изменяется уровень и форма кривой отражения, тогда необходимо использовать все коэффициенты спектра отражения видимой области (индекс Apparent strength index), а если необходимо учитывать различия по красящей способности и восприятию, тогда необходимо использовать при расчете значения функций сложения цветов для стандартных источников освещения/ наблюдения (индекс Integrated strength index).
Индекс красящей силы определяет, сильнее или слабее колорант относительно стандартного колоранта. Индекс красящей способности применен для изучения влияния минералов железа на окраску каолина [15]. Показано, что красящая способность гематита превосходит соответствующий показатель гетита и пирита.
Непрозрачность, или кроющая способность покрытия. При производстве керамических изделий часто на керамическое тело наносится непрозрачный слой, который из-за разных факторов часто относится к полупрозрачным. Например, покрытия, состоящие из красочного слоя, полупрозрачной или непрозрачной глазури, ангоба, служащие промежуточным слоем при производстве керамической плитки, не всегда обладают необходимой кроющей способностью, так как красящие соединения керамического тела часто обладают большой красящей способностью, например гематит как примесь во многих алюмосиликатных материалах. Поэтому при нанесении ангоба разной толщины на керамическое тело между образцами может возникнуть цветовое различие, иногда едва заметное, но при нанесении декора между изделиями различие становится значимым (эффект восприятия — зрительный контраст). Обычно покрытие наносится на белую и черную подложки. Цветовые характеристики окраски каждого образца измеряются, и кроющая способность выражается через цветовое различие AE(L*a*b*) (DIN 55987:1981-2002) при толщине слоя:
ДЕ=[(Ц^^*в)2+(а\,-а*в)2+(Ь\,-Ь*в)2]1/2,
где индексы W и B обозначают цветовые координаты покрытия на белой и черной подложках, соответственно. Ввиду трудности осуществления данной процедуры используют другой способ: наносят слой покрытия разной толщины до толщины, когда цветовое различие между предыдущим слоем будет AE(L*a*b*)<1,0. Способность покрытия скрывать окраску подложки зависит от удельных коэффициентов поглощения и рассеяния на единицу толщины слоя. Процедура подгонки и коррекция рецептур покрытия по теории Кубелки— Мунка подробно изложены в [1, 2].
Приборная спецификация окраски. Принцип, аналогичный цветовым ощущениям субъекта, используется и в конструкции приборов для измерения цветовых характеристик [1—3, 16—18]:
— источник света освещает образец;
— отраженный свет регистрируется фотоэлементом или фотодиодами;
— спектральное распределение отраженного света преобразуется в колористические характеристики в одной из колориметрических систем.
rj научно-технический и производственный журнал
М ® апрель 2013 69~
В соответствии с классификацией приборов фотометрические приборы, применяемые в колориметрии, различаются по следующим признакам:
— по типу измеряемого излучения и соответственно объекта (отраженный; пропускаемый; излученный или комбинированный);
— по оптической геометрии измерения (спектрофотометры и колориметры с геометрией 45о/0о, 0о/45о, ё/0° и 0°/ё);
— многоугловые гониоспектрофотометры;
— по условиям применения (портативные; настольные лабораторные; онлайн, установленные на производственных линиях);
— по способу получения цветовых координат — колориметры (непосредственное измерение координат цвета для ограниченного набора стандартных условий освещения/наблюдения), спектрофотометры (измерение спектра и расчет цветовых координат для разных сочетаний освещения/наблюдения) [17]. Основное различие между колориметрами и спектрофотометрами является важным: колориметры не измеряют спектры. До недавнего времени колориметры были основными приборами для цветовых измерений. Но они обладают рядом недостатков, например не позволяют оценить явление метамеризма для двух пар объектов. Спектрофотометры имеют более высокую точность в определении цветовых координат, и с их помощью можно изменять стандартные условия освещения/наблюдения.
Выбор спектрофотометра. Спектрофотометры, специально предназначенные для цветовых измерений, называют спектроколориметрами, которые различаются по назначению, функциональным возможностям, геометрии излучения, точности, программному обеспечению и цене. Конструкция прибора должна учитывать измерение образцов разных типов и размеров. При выборе прибора важно знать тип образцов: порошок, пленки, жидкость, материалы со сложной фактурой, текстурой или с покрытием с использованием эффектных пигментов, подлежащих измерению.
Приборы портативные и настольные лабораторные. При измерении образцов на пропускание, например стекло или прозрачный пластик, используют приборы с геометрией ё/0о и 0о/ё, которые измеряют общее и направленное пропускание. Если образец слабомутный или мутный, то при направленном пропускании за счет многократного рассеяния света изменяются цветовые координаты относительно цветовых координат на основе спектра общего пропускания.
Для матовых, однородных, неполяризующих, нелю-минесцирующих, непрозрачных образцов без структурированной фактуры поверхности выбор геометрии освещения/наблюдения не принципиален. Для исключения блеска поверхности используют приборы с геометрией 45о/0о, а для структурированной фактуры поверхности образца — ё/0о и 0о/ё.
Приборы с интегрирующей сферой (ё/0о и 0о/ё) снабжены зеркальной ловушкой. Такие конструкции позволяют сравнивать окраски образцов с учетом зеркальной составляющей и без учета. Это необходимо при сравнении по внешнему виду или при расчете рецептур колоранта.
В последние годы появились образцы, которые содержат люминесцирующие колоранты. При измерении окраски таких образцов обязательно устройство, позволяющее измерять с включением и без включения УФ-составляющей в спектре [18]. Люминесцирующие добавки повышают светлоту и изменяют цветность образцов [19].
Приборы для бесконтактного измерения окраски материалов. Не всегда имеется техническая возможность прямого контакта материала с измерительной системой
(гранулы, сыпучий порошок, жидкость, нестандартные размеры образца и др.). В этом случае используют бесконтактный способ.
Бесконтактный настольный спектрофотометр VS 450 (X-Rite) со стандартными условиями 45о/0о, предназначенный для измерения окраски сухих и влажных образцов, имеет ряд преимуществ: способность измерять неровные и большие образцы, например керамические изделия сложной конфигурации; возможность быстро и легко размещать образцы для бесконтактного измерения без использования дополнительных приспособлений. Устройство Active Visual Targeting позволяет выбрать измеряемый участок на образце, например поверхность со сложной текстурой, с диаметром пятна 6 или 12 мм, а встроенный датчик позволяет измерять также блеск образцов.
Бесконтактный спектрофотометр ERX130 (X-Rite) предназначен для измерения окраски материалов в онлайн-режиме при непрерывном производстве. Образец измеряется бесконтактно с расстояния 300 мм, а пятно измерения 90 мм. Измерение в диапазоне 330—730 нм с общим числом коэффициентов отражения, равным 401, служит основой для последующих колориметрических расчетов, при использовании стандартных условий освещения/наблюдения. Измерения на производственной линии при непрерывном потоке продукта выполняются с заданным интервалом времени при внешней команде.
Приборы для измерения внешнего вида используются для измерения покрытий, в составе которых используются эффектные пигменты, придающие поверхности материала визуально очень привлекательный внешний вид (перламутровый, металлик, ирризирующий и др.), а также имеют радужные разводы или способны изменять отражаемый цвет от угла освещения и наблюдения. Эти пигменты используют для покрытия разной продукции, вплоть до фасадов зданий. Для измерения оптических характеристик и внешнего вида таких покрытий используют приборы нового поколения и новые подходы спецификации их цвета (ASTM E 2539-2008). Гониоспектрофотометр МА 98 Portable Multi-Angle (X-Rite) используется для контроля данных покрытий [20]. Анализ внешнего вида происходит при двух углах освещения (45 и 15о) и до 12 направлений измерения. Измерение спектра отражения происходит в диапазоне 400—700 нм с шагом 10 нм с расчетом колористических характеристик посредством специальной методики и программного обеспечения xDNA. В результате получается трехмерная спектральная кривая xDNA спектр, а также колористические характеристики (L*a*b*, ДЕ и др.) для стандартных источников освещения/наблюдения. В целом метод xDNA позволяет выразить различие в паре «эталон—образец» для внешнего вида поверхностей как единую характеристику dF, не зависящую от условий освещения/наблюдения.
Измерение цветовых характеристик материалов, имеющих искусственную или природную неоднородность окраски (мрамор, керамическая плитка, камень, кирпич и др.). Цветовосприятие субъекта определяется не только окраской отдельных фрагментов материала, но и всей цветовой структурой поля изображения.
Мультиспектральные спектрофотометры 600 (Non-contact) Imaging Spectrophotometer измеряют все элементы цветовой структуры фрагмента поверхности одновременно (по материалам П.П. Новосельцева). В отличие от цифрового фотоаппарата каждый пиксель изображения характеризуется спектром отражения с разрешением 20 нм и поэтому имеет цветовые характеристики, не зависящие от условий освещения. В совокупности измеряется более 1,2 млн (1280x960) спектральных кривых отражения. Специальная программа рассчитывает значения цветовых координат и цветового различия
AE(L*a*b*) между эталоном и текущим образцом как поэлементно, так и в среднем по всей картине. Это позволяет объективно оценить отличия по окраске двух плиток со сложным рисунком, изменяя область сравнения по месту и площади расположения. Например, необходимо предварительно сравнить по отдельности на двух керамических плитках желтые, красные и зеленые пятна, а потом по площади в общем три цветных пятна. Такой прибор позволяет разработать цветовые допуски как для отдельного элемента окраски, так и для всего рисунка в целом.
При выборе модели спектрофотометра необходимо учитывать, что цветовые допуски, устанавливаемые для одной и той же продукции при помощи приборов с различными стандартными геометриями измерения, как правило, разные. Но даже в ряду приборов с одинаковой стандартной геометрией измерения сходимость естественно лучше у одинаковых моделей [2]. Это обусловлено как различиями в конструкции приборов, площади сферы, размере и положении отверстий и др., так и свойствами образца (текстура, блеск, люминесценция). Поэтому при сопоставлении результатов важно учитывать не только стандартные условия измерения, но и модель спектрофотометра.
Области применения приборной цветовой спецификации. За последние десятилетия проведены многочисленные исследования, разработаны рекомендации и внедрены стандарты приборной цветовой спецификации керамических и минеральных вяжущих строительных материалов.
С помощью приборной спецификации окраски строительных материалов осуществляются различные операции: цветовая аттестация, определение цветовых различий, идентификация материала, воспроизведение эталонной окраски, колориметрический контроль при производстве материалов.
Цветовая аттестация. Колористические характеристики используются как мера стандартных (контрольных) образцов при сравнении их с серийными (поставляемыми) [1, 2]. По экспериментальным данным определены границы области в колористической системе CIEL*a*b*, соответствующей окраске проб каолина, от белого до желтого и светло-серого; предложена методика идентификации латентной (скрытой) составляющей красящей способности соединений железа в составе каолина и его градация по показателям белизны Wiso и желтизны YI (ASTM E-313-2000), рассчитанные по цветовым показателям [15], а также каолина и метакао-лина на его основе [21, 22].
Разнооттеночность керамической плитки — одна из проблем при ее серийном выпуске. Цветовые различия керамической плитки определяют в соответствии со стандартами (ISO 10545-16:2000; ASTM C 609-2007), используя значения общего цветового различия АЕ* или одной из цветовых координат (AL*, Aa*, Ab*). Проведено сравнение значений цветового различия керамической плитки, полученных по разным формулам, и показано, что формула цветового различия CIE2000 наиболее сопоставима с визуальной оценкой и может успешно применяться [12]. Проводится контроль цвета керамических эмалей в системе CIEL*a*b* [23]; качество керамической плитки [24] и фарфора [14].
Определение цветовых различений и допускаемых отклонений в процессе производства, хранения и эксплуатации материалов под воздействием различных окружающих сред. Установлено, что цветовые различия серого гранита со слабой степенью выветривания несущественны по поверхности плиты, но при большей степени выветривания существенны, особенно по координате b* (желтый — синий) системы CIEL*a*b*, что позволяет использовать колористические характеристики для
контроля качества гранита [8]. Предложена шкала интервалов цветового различия для белого фарфора [11]; колориметрический способ картирования месторождений глин и каолина [25]; изучена степень биоповреждений бетона и эффективность его защиты посредством использования измерения цветовых различий в системе CIEL*a*b* [9]. Использован колориметрический метод для дистанционной оценки снижения прочности (повреждения) бетона после пожара: при нагревании бетона наблюдается изменение окраски от нормального до розово-красного [10].
Идентификация материалов. Разработана методика спецификации окраски гранитных пород разных месторождений, так как окраска является одной из характеристик декоративных камней [26]; предложен колориметрический способ идентификации фарфора по виду материала [27]; изучена возможность применения спектроколориметрического метода для паспортизации, сортировки и оценки изумрудов [28]; проведено исследование по использованию разных колориметрических систем (RGB, HSV, L*a*b*) для идентификации минералов и показано преимущество пространства RGB [29].
Воспроизведение эталонной окраски с использованием теории диффузного отражения Кубелки—Мунка и специальных программ [1, 2]. Применение данной теории позволяет выявить природу колорантов [30]; воспроизвести окраску покрытий для керамогранитовых плит [31]; окраску непрозрачных керамических глазурей [32, 33].
Колориметрический контроль при производстве материалов. Изучена взаимосвязь между температурой обжига, прочностью при сжатии и цветовыми координатами керамического кирпича и сделан вывод, что координаты L* и b* системы CIEL*a*b* могут использоваться для прогнозирования прочности при сжатии кирпича [34], а также для изучения влияния состава и температуры обжига на окраску фарфора [19, 35]; предложен колористический способ идентификации биохимических процессов в период вылеживания глинистых материалов и определение оптимального срока их вылеживания [36].
Заключение. В условиях жесткой конкурентной борьбы управленческие решения, основанные на использовании результатов измерения, не соответствующих международным стандартам и правилам, чреваты большим риском для отечественных предприятий. В связи с этим очень остро стоит вопрос о гармонизации отечественных стандартов в области технической колориметрии с международными, поскольку РФ является членом Всемирной торговой организации. При анализе отечественных стандартов, используемых для спецификации окраски строительных материалов, выявлено, что в основном, за исключением стандартов для лакокрасочных материалов, они не соответствуют последним рекомендациям МКО и стандартам Международной организации по стандартизации (ИСО).
Для обеспечения стабильного качества строительных материалов требуется, во-первых, разработать классификацию цветовых измерительных систем; во-вторых, применение стандартных колориметрических методов аттестации, воспроизведения, контроля и регулирование характеристик, определяющих их потребительские свойства.
К основным инструментальным колориметрическим системам относят: систему измерения окраски материалов в стандартных условиях освещения/наблюдения и ее использование для их описания посредством субъективных характеристик: цветовой тон, насыщенность, светлота, белизна и желтизна с учетом или без учета зеркальной составляющей и люминес-
ценции, и расчета цветового различия между объектом и эталоном; систему измерения внешнего вида и использование показателей, его определяющих, в зависимости от направления измерения (гониоспектроко-лориметрия), блеска и индикаторы блеска (характеризующую, в частности, фактуру материала) и цветового сочетания для изделий с участками разных окрасок, включая материалы с природной или искусственной текстурой.
Ключевые слова: цвет, окраска, внешний вид, цветовое различие, белизна, желтизна, красящая способность, спектрофотометр.
Список литературы
1. Джадд Д., Выщецки Г. Цвет в науке и технике. М.: Мир, 1978. 592 с.
2. Цвет в промышленности / Под ред. Р. Мак-Дональда. М.: Логос, 2002. 596 с.
3. Пенова И.В. Что должны знать лакокрасочники о цвете. М.: ООО «Пэйнт-Медиа», 2009. 64 с.
4. Klein G.A. Industrial Color Physics // Series: Springer Series in Optical Sciences 154. 2010. 509 p.
5. Advanced Color Image Processing and Analysis. Editor Ch. Fernandez-Maloigne. N.-Y. Springer. 2012. 523 p.
6. Новосельцев П.П. Измерительные системы технического цветоведения // Мир измерений. 2012. № 10. С. 3-10.
7. Wang H, Cui G., Luo M.R, Xu H. Evaluation of colour-difference formulae for different colour-difference magnitudes // Color Research and Application. 2012. V. 37. № 5. P. 316-325.
8. Sousa L.M.O., Goncalves B.M.M. Color assessment of granitic rocks and implications for their ornamental utilization // Color Research and Application. 2012. V. 37. № 5. Р. 375-383.
9. Fonseca A.J., Pina F., Macedo M.F. Anatase as an alternative application for preventing biodeterioration of mortars: Evaluation and comparison with other biocides // International biodeterioration and biodegradation. 2010. V. 64. № 5. P. 388-396.
10. Short N.R., Purkiss J.A., Guise S.E. Assessment of fire damaged concrete using colour image analysis // Construction and Building Materials. 2001. V. 15. № 1. P. 9-15.
11. Сорокин Д.А. Градация цветового различия и идентификация фарфора методами многомерного шкалирования: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 2009. 23 с.
12. Dai Zh., Li D., Xie Hu. The analysis for evaluation of ceramic tile's color difference based on CIELAB Color Space // Advanced Materials Research. 2012. V. 490495. P. 3726-3732.
13. Berns R.S. The proper use of indices of metamerism // Color Research and Application. 2008. V. 33. № 6. P. 509-512.
14. Платов Ю.Т., Платова Р.А., Сорокин Д.А. Оценка белизны фарфора // Стекло и керамика. 2008. № 8. С. 23-27.
15. Платова Р.А., Шмарина А.А., Стафеева З.В. Многомерная колориметрическая градация каолина // Стекло и керамика. 2009. № 1. С. 17-22.
16. Сулла С., Шишкин М.И. Практика измерения цвета // Мир измерений. 2003. № 8. C. 27-34.
17. Новосельцев П.П. Приборы для цветовых измерений // Мир измерений. 2003. № 8. C. 17-26.
18. Billmeyer F.W., Chen Y. Proposal for measuring fluorescent samples in integrating - sphere spectro-
photometers using a compensation filter // Color Research and Application. 1984. V. 9. № 3. P. 187-189.
19. Платова Р.А., Кондрукевич А.А., Платов Ю.Т. Применение оксида неодима для повышения белизны фарфора // Стекло и керамика. 2011. № 12. С. 15-20.
20. Новосельцев П.П. Новый метод контроля цвета и внешнего вида покрытий // Дизайн. Материал. Технология. 2009. № 4(II). С. 170-175.
21. Gamiz E., Melgoza M, Sanchez-Maranon M, MartinGarcia J.M., Delgado R. Relationships between chemico-mineralogical composition and color properties in selected natural and calcined Spanish kaolins // Applied Clay Science. 2005. V. 28. № 1-4. P. 269-282.
22. Платова Р.А., Аргынбаев Т.М., Стафеева З.В. Влияние дисперсности каолина месторождения Журавлиный Лог на пуццолановую активность метакаоли-на // Строительные материалы. 2012. № 2. С. 75-80.
23. Marinova Y, Hohemberger J.M., Cordoncillo E. Study of solid solutions, with perovskite structure, for application in the field of the ceramic pigments // Journal of the European Ceramic Society. 2003. V. 23. № 2. P. 213-220.
24. Kukkonen S, Parkkinen J. Color features for quality control in ceramic tile industry // Optical Engineering. 2001. V. 40. № 2. P. 170-177.
25. Русович-Югай Н.С. Логинов В.М. Пестроцветные глины Гжельского месторождения. М.: РИФ «Стройматериалы», 2011. 128 с.
26. Prieto B., Sanmartin P., Silva B., Martinez-Verdu Fr. Measuring the color of granite rocks: A proposed procedure // Color research and application. 2010. V. 35. № 5. P. 368-375.
27. Платов Ю.Т., Платова Р.А., Сорокин Д.А. Колориметрическая идентификация фарфора по виду материала // Стекло и керамика. 2009. № 4. С. 10-13.
28. Игнатьева Т.Б., Бузин В.И. Возможность применения инструментальных методов аттестации изумрудов из месторождений Урала и Колумбии // Горный журнал. 2011. № 2. С. 24.
29. Baykan N.A., Yilmaz N., Kansun G. Case study in effects of color spaces for mineral identification // Scientific Research and Essays. 2010 V. 5. № 11. P. 1243-1253.
30. Глазков О.В. Исследование цветовых характеристик глиносодержащих материалов и фарфора на их основе: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 2005. 24 с.
31. Bondioli F., Manfredini T., Romagnoli M. Color matching algorithms in ceramic tile production // Journal of the European Ceramic Society. 2006. V. 26. № 3. P. 311-316.
32. Schabbach L.M., Bondioli F, Ferrari A.M., Petter C.O. Fredel M.C. Colour in ceramic glazes: Efficiency of the Kubelka-Munk model in glazes with a black pigment and opacifier // Journal of the European Ceramic Society. 2009. V. 29. № 13. P. 2685-2690.
33. Schabbach L.M., Bondioli F., Fredel M.C. Colouring of opaque ceramic glaze with zircon pigments: Formulation simplified Kubelka-Munk model // Journal of the European Ceramic Society. 2011. V. 31. № 5. P. 659-664.
34. Karaman S., Gunal H., Ersahin S. Assessment of clay bricks compressive strength using quantitative values of colour components // Construction and Building Materials. 2006. V. 20. № 5. P. 348-354.
35. Taskiran M.U., Demirkol N., Capoglu A. A new porcelainised stoneware material based on anorthite // Journal of the European Ceramic Society. 2005. V. 25. № 4. P. 293-300.
36. Платова Р.А., Масленникова Г.Н. Биохимическая природа процесса гелеобразования при вылеживании глинистых материалов // Стекло и керамика. 2009. № 9. С. 14-20.
