CC BY
24УДК 666.714
В.А. ЕЗЕРСКИЙ, канд. техн. наук, генеральный директор (niikeram@mail.ru)
ООО «НИИКЕРАМ» (140165, Московская область, Раменский район, п/о Гжель, ОАО «ГКЗ»)
Количественная оценка цвета керамических лицевых изделий
Рассматривается количественная оценка цвета керамических лицевых изделий с использованием спектрофотометра. Показано, что применение спектрофотометра позволяет сравнивать эффективность различных пигментов, определять отклонение от эталонов, сравнивать показатели блеска, определять теплоту цвета, влияние содержания пигмента на цвет керамического камня и др. Количественная оценка цвета использована при разработке проекта «Русский марганец», который относится к импортозамещающим технологиям и будет экономически выгоден для отечественных кирпичных заводов.
Ключевые слова: лицевой кирпич, объемное окрашивание, цвет, спектрофотометр, пигмент, «Русский марганец».
V.A. EZERSKIY, Candidate of Science (Engineering) (niikeram@mail.ru)
NIIKERAM, OOO (Gzhel ceramic plant, Gzhel, Moscow Region, 140165, Russian Federation)
Quantitative Assessment of Color of Ceramic Facing Products
Quantitative assessment of the color of ceramic facing products with the use of the spectrophotometer is considered. It is shown that the use of the spectrophotometer makes it possible to compare the efficiency of various pigments, determine the deviation from etalons, compare the gloss numbers, determine the color temperature, influence of a pigment content on the color of ceramic stone etc. The quantitative assessment of the color was used in the course of developing the «Russian Manganese» project which refers to import substitution technologies and will be economically profitable for domestic brick factories. Keywords: facing brick, volumetric coloring, color, spectrophotometer, pigment, «Russian Manganese».
За последние годы цветовая гамма керамических стеновых изделий значительно расширилась, от светлых тонов до почти черных. Увеличивается и число предприятий, выпускающих керамический кирпич различных цветовых оттенков. Когда в 1980-1990-х гг. И.А. Альперович [1—4 и др.] развивал тему объемного окрашивания лицевого кирпича, среди заводов были лишь единицы, кто использовал его разработки.
Повышенный интерес к выпуску кирпича различного цвета [5] вызывает необходимость его оценки как одного из критериев качества. А именно сравнение полученного цвета с эталоном, определение разнотонности в одной партии, оценка цвета при разработке новых вариантов и т. д.
При покупке кирпича потребителю зачастую сложно ориентироваться в выборе кирпича определенного цвета. Например, все варианты на рис. 1 обозначены изготовителем кирпича — красный.
На визуальное восприятие цвета влияет различная цветовая чувствительность людей (настроение, возраст и т. д.), такие меняющиеся условия окружающей среды, как освещение и цвет. Во многих отраслях промышленности успешно используется количественное определение цвета, не зависящее от этих факторов [6].
Восприятие цвета определяется взаимодействием трех элементов: источник света, наблюдатель и объект.
С изменением источника света изменяется и цвет. По этой причине следует согласовать и использовать стандартные источники света. Необходимым требованием для источника света, который используется для оценки цвета,
является непрерывное испускание энергии во всем видимом спектре (от 400 до 700 нм). На практике наибольше значение имеют следующие источники света: дневной свет, свет лампы накаливания и флуоресцентный свет. Так как лицевые керамические изделия рассматриваются преимущественно при дневном свете, в качестве основного источника света был выбран данный показатель.
Международной комиссией по освещению (МКО) на основе тестирования были определены стандарты для наблюдателя под углом 2 и 10о, которые представляют малое и большое поле зрения соответственно. При рассмотрении образца глаза сосредоточены на большой площади, что наилучшим образом соотносится с наблюдателем 10о.
В качестве объекта выступает цветной образец, для которого необходимо измерить его оптические свойства. Современные приборы контроля и измерения цвета измеряют количество света, отраженного образцом. Такое количество света измеряется с каждой длиной волны и называется спектральными данными.
Чтобы выбрать прибор для количественной оценки цвета, необходимо определиться, какую использовать цветовую модель. Изучение литературы [6—9] и сравнение преимуществ и недостатков различных цветовых моделей Lab, CMYK, RGB, HSB, HLS, XYZ позволили выбрать модель Lab как наиболее подходящую для решения поставленных задач. Эта модель рекомендована МКО и в настоящее время широко используется в различных отраслях. Lab называют также аппаратно-независимой моделью. Цветовой охват Lab соответствует всем видимым человеком цветам в диапазоне 400—700 нм.
Модель представляет собой плоскость, на которой две оси a* и b* расположены под прямыми углами и представляют величину насыщенности или цвет. Третья ось — это светлота L*. Она перпендикулярна плоскости a*b* (рис. 2).
По оси a* цвет изменяется от зеленого до красного, по оси b* — от синего до желтого. Соответственно по оси L* светлота изменяется от 0 (черный) до 100 (белый). Таким образом, любой цвет можно представить в координатах L*, a*, b*.
В технологии часто требуется определить не абсолютные значения координат L*, a*, b*, а отклонения от эталона и сравнивать партию продукции с данным
Рис. 1.«Красный» кирпич
L* s 100
Z- tb*
" ¿г
L* = 0
Рис. 2. Схема цветовой модели Lab
Рис. 3. Спектрофотометр spectro-guide
эталоном. Как правило, для описания цветового отклонения используется общее изменение цвета, ДЕ*:
Однако одинаковое значение AE* может быть получено для двух образцов, которые при этом выглядят совершенно по-разному. На это может влиять блеск, структура поверхности и др. Поэтому чтобы определить фактическое изменение цвета, необходимо использовать отдельные отклонения по каждому колориметрическому компоненту ДL*, Да*, ДЬ*. Расчет и интерпретация отклонений выполняются следующим образом: Д = образец — эталон. Потребитель и поставщик (производитель) должны согласовать приемлемую величину цветовых отклонений. Данные допуски зависят как от потребностей, так и от технических возможностей.
На общее восприятие внешнего вида продукции кроме цвета влияет также блеск. Глаз визуально воспринимает образец с высоким уровнем блеска как более темный по сравнению с образцом такого же цвета, но с матовой или структурированной поверхностью. Для получения единообразного внешнего вида необходимо контролировать оба параметра. При проведении измерений керамических образцов было установлено, что при увеличении температуры обжига для большинства образцов показатель блеска возрастает. Это связано с увеличением количества стеклофазы и может быть использовано для оперативного контроля степени спекания керамического камня.
После определения источника света, наблюдателя, объекта и выбора цветовой модели необходимо выбрать соответствующий прибор — спектрофотометр.
По нашему мнению, спектрофотометр должен удовлетворять следующим требованиям:
— измерять параметры цвета в координатах L*, а*, Ь*;
— вычислять отклонение цвета от эталона;
— определять показатель блеска;
— обладать достаточной емкостью для хранения результатов измерений;
— использовать геометрию 45/0, имитирующую нормальные условия, используемые для оценки света;
— иметь достаточную апертуру — не менее 10 мм (например, при апертуре 4,5 мм будет наблюдаться значительная погрешность, если в составе шихты присутствует отощитель с размерами зерен 2 мм, цвет которого отличен от цвета керамического камня);
— быть переносным и компактным;
— использовать образцы без предварительной подготовки и любого размера не менее величины апертуры;
— иметь программное обеспечение для документирования результатов измерений и передачи их из спектрофотометра в компьютер;
— быть простым в работе и обслуживании.
После анализа параметров нескольких десятков
приборов был выбран спектрофотометр spectro-guide компании BYK-Gardner (рис. 3).
Спектрофотометр spectro-guide удовлетворяет всем перечисленным требованиям. Позволяет одновременно измерять цвет и блеск, рассчитывает отклонение от эталона. Благодаря интуитивно понятному ниспадающему меню и управлению с помощью четырех кнопок для перемещения курсора его освоение не представляет сложности. В нем имеется программное обеспечение BYKWARE easy-link для профессионального документирования и удобной передачи данных из спектрофотометра в компьютер не только в цифровом виде, но и в виде графиков (рис. 5).
Например, на график (рис. 5) нанесены результаты измерений четырех образцов в координатах a* — b* и в координате L*. На аналогичный график также можно наносить величины отклонения AL*, Да*, ДЬ*.
Образец № 1 при значении L* свыше 80 имеет соломенный цвет, цвет образца № 2 ближе к терракотовому при значении L* не более 60. Образцы № 3 и № 4 имеют темный цвет, причем образец № 4 воспринимается как более холодный, чем цвет образца № 3.
Прибор имеет апертуру цвета 11 мм, апертуру блеска 5x10 мм, разрешение 10 нм и весит 500 г. Определение параметров производится простым нажатием кнопки и
+
» Ni'
ш N 17
f« à t
в -1 о -i а -; 0 ! ï H ï i > e ) n
4t>
■fiji- -ь
100 90
эо та во
el
♦ iv;i
Рис. 4. Визуализация измерений цвета спектрофотометром spectro-guide
j^J ®
август 2015
77
Таблица 1
Sample CIELab Comment Color scale (координаты цвета) Index (отклонение) Gloss (блеск)
L* a* b*
STDARD 002 (SAMPLE_070) Без пигмента 1 1 48,35 19,15 21,54 Принят стандартным 1,8
1 6% !
SAMPLE_013 Пигмент французский 38,02 3,8 6,57 23,8 1,72
SAMPLE_007 Пигмент голландский 39,19 3,95 6,70 23,13 1,44
SAMPLE_010 Пигмент грузинский 40,67 5,9 9,97 19,19 1,69
SAMPLE_034 «Русский марганец» 43,03 10,24 13,5 13,13 1,7
1 9% !
SAMPLE_022 Пигмент французский 38 3,24 5,41 24,91 1,65
SAMPLE_028 Пигмент голландский 38,87 3,08 5,67 24,49 1,62
SAMPLE_025 Пигмент грузинский 39,22 4,72 8,25 21,64 1,6
SAMPLE_067 «Русский марганец» 44,77 4,69 8,49 19,8 1,86
Таблица 2
Sample CIELab Comment Index AE*
Содержание пигмента 6%
SAMPLE_013 Пигмент французский Принят стандартным
SAMPLE_007 Пигмент голландский 1,19
SAMPLE_010 Пигмент грузинский 4,8
SAMPLE_034 «Русский марганец» 10,71
Содержание пигмента 9%
SAMPLE_022 Пигмент французский Принят стандартным
SAMPLE_028 Пигмент голландский 1,43
SAMPLE_025 Пигмент грузинский 2,26
SAMPLE_067 «Русский марганец» 7,07
занимает несколько секунд. В памяти можно хранить данные по 1500 эталонам и 999 образцам.
Метамерия — свойство зрения, при котором свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета [10]. В более узком смысле метамерией называют явление, когда два окрашенных образца воспринимаются одинаково окрашенными под одним источником освещения, но теряют сходство при других условиях освещения (с другими спектральными характеристиками излучаемого света). Для контроля метамерии в данном приборе цветовые отклонения отображаются одновременно для трех источников света.
Прибором также определяется спектральная характеристика цвета образца с шагом 10 нм, и программой easy-link строится спектральная кривая определяемого цвета.
Имеется также полезная функция автоматического расчета допусков, позволяющая установить допуски для контроля Pass/Fail. Для этого необходимо измерить как минимум 20 пробных образцов продукции, прошедших визуальную приемку, передать показания в приложение easy-link, и расчет допусков будет выполнен автоматически.
В настоящее время НИИКЕРАМ выполняет работу по проекту «Русский марганец». Применение спектрофотометра spectro-guide позволяет сравнивать эффективность различных пигментов, определять отклонение от эталонов, сравнивать показатели блеска, определять теплоту цвета, влияние содержания пигмента на цвет керамического камня.
26
26
12 -I-■-■-,-,-■-
9Б0 970 ЭВО 990 1000 1010 1020 Температура обжига, °С
Рис. 5. Зависимость цвета от температуры обжига
В качестве основного сырья выбрана глина Гжельского кирпичного завода, в качестве окрашивающих добавок — голландский, французский, грузинский пигменты и «Русский марганец».
Сырье для пигмента «Русский марганец» добывается в Башкирии. Отличием является низкое содержание в нем оксида марганца 30—40 %, остальное — кварц, глинистое вещество, полевые шпаты. При таком малом содержании оксида марганца по сравнению с импортными пигментами, возможно, потребуется добавление его в большем количестве в 2,5—3 раза. Результаты определения параметров цвета керамических образцов представлены в табл. 1.
За стандарт принят образец, изготовленный из гжельской глины без добавки пигментов. Отклонение (Index) в данном случае характеризует эффективность пигмента, т. е. его окрашивающую способность. Чем больше отклонение от стандарта, тем выше эффективность пигмента. Из этих данных видно, что самым эффективным является французский пигмент, затем идет голландский, далее грузинский и на последнем месте «Русский марганец».
Определив наиболее эффективный пигмент (французский), назначаем его стандартным и по отклонению ДЕ* можем сравнить эффективность других пигментов (табл. 2).
Чтобы получить максимально темный цвет, не обязательно увеличивать содержание пигмента в шихте, можно также повысить температуру обжига. Так, параметры цвета (соответственно и цвет) имеют близкие значения для образцов:
Рис. 6. Зависимость индекса блеска от температуры обжига для Рис. 7. Зависимость индекса блеска от температуры обжига для образцов без высолов образцов, имеющих заметный солевой налет
fj научно-технический и производственный журнал
® август 2015 79
— добавка французского пигмента 6%, температура обжига 960оС;
— добавка «Русский марганец» 9%, температура обжига 1020оС.
Разность отклонений ДЕ* для этих образцов составила всего 2,5 единицы. Проследить зависимость цвета от температуры обжига можно на примере 9-ти случайно выбранных экспериментов (кривые на графике, рис.5).
Увеличение отклонения от стандарта с повышением температуры обжига было во всех экспериментах.
Анализ показателя блеска более 100 образцов позволил установить следующие закономерности. С повышением температуры обжига показатель блеска увеличивается (рис. 6), но это справедливо только для образцов без высокого содержания солей и соответственно без налета солей на поверхности.
Повышение показателя блеска наиболее вероятно связано с формированием большего количества стек-лофазы с повышением температуры обжига. Необходимо более тщательно проработать данный вопрос и, возможно, использовать показатель блеска для определения степени спекания керамического камня.
В случае, когда на образцах имеется заметный солевой налет, с повышением температуры обжига показатель блеска уменьшается (рис. 7). Причина этого заключается в том, что кристаллы солей рассеивают свет и создают эффект матовой поверхности.
Применение спектрофотометра с целью подбора составов шихты для получения различных цветов кирпича является эффективным инструментом и повышает результативность работы.
В условиях Гжельского кирпичного завода выпущена опытная партия с использованием окрашивающей добавки «Русский марганец». Фактическое содержание
Список литературы
1. Альперович И.А., Варламов В.П., Лебедева Е.П. Получение лицевого глиняного кирпича методом объемного окрашивания массы марганцевой рудой // Сб. тр. ВНИИстрома. 1975. Вып. 33(61). С. 31-38.
2. Альперович И.А. Производство лицевого глиняного кирпича. М.: ВНИИЭСМ, 1978. 68 с.
3. Альперович И.А., Смирнов А.В. Лицевой керамический кирпич объемного окрашивания в современной архитектуре // Строительные материалы. 1990. № 12. С. 4-6.
4. Альперович И.А., Вотьева Г.И., Крюков В.К. Освоение производства лицевого кирпича объемного окрашивания // Строительные материалы. 1992. № 4. С. 2-4.
5. Ашмарин А.Г., Мустафин Н.Р., Опарина И.С. Колористические исследования влияния минеральных добавок на цветовую гамму керамических изделий // Строительные материалы. 2006. № 2. С. 38-39.
6. Джадд Д., Вышецкий Г. Цвет в науке и технике / Пер. с англ. / Под ред. Артюшина Л.Ф. М: Мир, 1978. 592 с.
7. Щепина Н.С. Основы светотехники. М.: Энерго-атомиздат, 1985. 344 с.
8. Масленникова Г.Н., Пищ И.В. Керамические пигменты. М.: РИФ «Стройматериалы», 2009. 224 с.
9. Седельникова М.Б., Погребенков В.М. Керамические пигменты на основе природного и техногенного минерального сырья. Томск: Томский политехнический университет, 2014. 262 с.
10. Цвет в промышленности / Под ред. Р. Мак-Дональда / Пер. с англ. И.В. Пеновой, П.П. Новосельцева / Под ред. Ф.Ю. Телегина. М.: Логос, 2002. 596 с.
Рис. 8. Образцы опытной партии кирпича с использованием окрашивающей добавки «Русский марганец»
добавки составило 5%, максимальная температура обжига 960оС (рис. 8). Анализ цвета кирпича показал равномерное окрашивание, разницы тона между верхними и нижними рядами, а также между вагонетками не наблюдалось. В пересчете на чистый оксид марганца добавка «Русский марганец» оказалась на 20-40% эффективнее импортных пигментов.
Проект «Русский марганец» относится к импортозамещающим технологиям и будет экономически выгоден для отечественных кирпичных заводов.
References
1. Al'perovitch I.A., Varlamov V.P., Lebedeva E.P. Receiving a front clay brick by method of volume coloring of weight manganese ore. Sbornik trudov VNIISTROM. 1975. Vol. 33 (61), pp. 31-38. (In Russian).
2. Al'perovich I.A. Proizvodstvo licevogo glinjanogo kirpi-cha [Production of a front clay brick]. Moscow: VNIIESM. 1978. 68 p.
3. Al'perovitch I.A., Smirnov A.V. Facing ceramic brick of bulk coloring in modern architecture. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 1990. No. 12, pp. 4-6. (In Russian).
4. Al'perovitch I.A., Vot'eva G.I., Krjukov V.K. Development of production of a front brick of volume coloring. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 1992. No. 4. pp. 2-4. (In Russian).
5. Ashmarin A.G., Mustafin N.R., Oparina I.S. Coloristic researches of influence of mineral additives on color scale ofpottery. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2006. No. 2, pp. 38-39. (In Russian).
6. Dzhadd D., Vysheckij G. Tzvet v nauke i tehnike [Color in science and equipment]. Moscow: Mir. 1978. 592 p.
7. Shhepina N.S. Osnovy svetotehniki [Lighting engineering bases]. Moscow: Jenergoatomizdat. 1985. 344 p.
8. Maslennikova G.N., Pishh I.V. Keramicheskie pigment [Ceramic pigments]. Moscow: RIF «Strojmaterialy». 2009. 224 p.
9. Sedel'nikova M.B., Pogrebenkov V.M. Keramicheskie pigmenty na osnove prirodnogo i tehnogennogo mineral'nogo syr'ja [Ceramic pigments on the basis of natural and technogenic mineral raw materials]. Tomsk: Tomskij politehnicheskij universitet, 2014. 262 p.
10. Tzvet v promyshlennosti [Color in the industry]. Moscow: Logos. 2002. 596 p.
