CC BY
153
УДК 658.562.012.7:691.421
Н. Н. Умарова, И. Р. Ахметшина, В. Ф. Сопин, А. Г. Сакаева, А. Н. Ливада
СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЗАВОДСКИХ ЭТАЛОНОВ ЦВЕТА КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА
Ключевые слова: стандартизация, метод главных компонент, эталоны цвета, керамический кирпич.
В работе проведен хемометрический анализ эталонов керамического кирпича цвета «солома», «персик», «шоколад» завода «Ключищинская керамика» с целью соответствия их цветовой модели L*a*b*. Для упрощения идентификации цвета кирпича по образцам-эталонам определены границы варьирования колориметрических характеристик.
Keywords: standardization, the principal component analysis, the standards of color, ceramic brick.
A chemometric analysis of factory standards ceramic brick color Straw, Peach, Chocolate in order to meet their color model L*a*b*. In order to facilitate the identification of colored bricks on samples of standards-defined boundaries varying colorimetric characteristics.
Цвет керамических изделий является одним из решающих факторов в оценке качества готовой продукции. В настоящее время для классификации готовых изделий по цвету применяются визуальные методы оценки, а именно: сравнение с кирпичами-эталонами различных оттенков, которым присвоено то или иное наименование. Данный метод удобен и экономичен, но отличается высокой степенью субъективности, сильной зависимостью от целого ряда факторов восприятия цвета (пороги восприятия светлоты, цветового тона, насыщенности цвета, освещение помещения, окружающий цветовой тон и т.д.), что в конечном итоге может привести к разнотонности фасада здания.
Вполне закономерно, что цвет кирпича в значительной степени зависит от цвета исходных сырьевых материалов, который, в свою очередь, определяется химическим и фазовым составом [1-8]. Исследования глин методом мессбауэровской спектроскопии показали, что основным хромофором этих горных пород являются соединения железа [7]. Минералы железа различаются как по цветовому тону (от красного гематита до желтого гетита), так и по светлоте (от светло-желтого гетита до серо-черного сульфида железа). Цвет минералов железа зависит от размеров кристаллов. При увеличении размеров кристаллов гематита от 0,1 до 1,0 мкм цвет меняется от красно-желтого до пурпурно-красного. Потемнение и покраснение частиц гетита усиливается при уменьшении длины игл с 0,80 до 0,05 мкм. Кроме того, соединения железа в составе глин отличаются по их относительной красящей способности: гематит >> фероксигит > ферригидрит > гетит. Это приводит к тому, что при равном содержании оксидов железа в пробах глины обожженные изделия впоследствии могут значимо различаться по цвету [6]. Возможно, необходимо контролировать качество глинистого сырья не только по содержанию красящих примесей, но и по колористическим характеристикам.
Стандартизация процессов контроля цвета на производстве приведет к формированию единой базы данных оттенков и полуоттенков, стабильности фирменных цветов от поставки к поставке и, как следствие, снижению потерь от брака.
На заводе по производству керамического кирпича «Ключищинская керамика» налажен выпуск изделий следующей цветовой гаммы: «персик», «солома», «шоколад», а также различные оттенки указанных наименований (табл. 1).
Таблица 1 - Цветовая гамма лицевого кирпича на заводе «Ключищинская керамика»
Маркировка и назва- Внешний вид
ние цвета кирпича
С - "солома" тт
П - "персик" - HNÜ
Ш - "шоколад" ШВ
Цвета «солома» и «персик» - результат объемного окрашивания за счет смешения двух видов глин (краножгущейся и светложгущейся) с добавлением речного песка в определенных пропорциях. Цвет «шоколад» достигается в результате добавления пигмента, содержащего марганец (приобретается предприятием).
В предыдущей работе [9] был предложен экономичный и экспрессный вариант идентификации цвета кирпича в цветовом пространстве L*a*b* посредством обработки оптического изображения с помощью специализированной компьютерной программы RAL C1 Digital 4.0, а с помощью хемомет-рических методов анализа показана взаимосвязь оттенков цвета готового кирпича с температурой обжига и соотношением глин.
Следует заметить, что на предприятии для учета различий в оттенках внутри каждого цвета введена своя классификация оттенков основных цветов. Так для цвета «солома» помимо основного цвета С1 установлен оттенок С2 (С2-10, С2-20), ко-
торый в случае наличия нарушений цвета может иметь маркировку, С2-22, С2-23, С2-25 (наличие незначительных контактных пятен), С2-24, С2-26, С2-27 (значительные контактные пятна), С3. Кроме того, кирпич марки С2-26 может иметь еще и зеленые пятна. Аналогичным образом на основе субъективной визуальной оценки производится маркировка по оттенкам «персик» и «шоколад».
В этой связи целью данной работы является исследование колористических характеристик производственных образцов, предназначенных для реализации потребителям, а также утвержденных руководством завода образцов-эталонов, и определение границ варьирования цвета для каждого эталона.
Сначала исследования были сосредоточены на изучении производственных образцов цвета «солома» с целью установления значимости субъективных различий в оттенках С1, С2, С3 и т.п., а также соответствия классификации производственных
цветовых оттенков кирпича международной цветовой шкале RAL. Для этого был проведен МГК-анализ колористических координат, полученных описанным в работе [1] способом.
На графике счетов (рис. 1) для кирпичей цвета «солома» видно, что цветовые оттенки С, С1, С2 и С3 составили три кластера вместо ожидаемых четырех. Значимых колористических различий между марками С1 и С2 не выявлено, в том числе по Т-критерию. Кроме того, на графике видны кластеры, соответствующие популярным в строительстве цветам шкалы RAL Classic. При этом можно видеть, что используемые на предприятии оттенки С, С1 и С2 никак не могут быть описаны в этой шкале. Исключение составляет оттенок С3, который может быть в точности приравнен к стандартному цвету RAL 1014 «ivory» («слоновая кость»).
6 5 4 3 2 1
3 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
ti
График счетов (ti vs. t2)
C1+C2
Рис. 1 - Кластеры кирпичей цвета «солома» С и оттенков цвета «солома» С1, С2, С3
Аналогичным образом были изучены образцы кирпича цвета «персик», имеющие маркировки П (персик), По (персик оранжевый), Пк (персик коричневый), А (абрикос), П-10, П-14, П-15, П-16, П-17, П-19. Как видно из графика (рис. 2), образец, характеризующий стандартный цвет RAL 8023, расположен вдоль линии первой главной компоненты и на отдалении от остальных образцов. Значит, он несколько темнее и краснее, чем все оттенки «персик». В то же время на графике счетов пока сложно заметить различие между различными оттенками «персика». Поэтому модель была перестроена после удаления образца RAL 8023, находящегося за границами ±3а и являющегося «нетипичным» для анализируемой структуры данных (рис. 3).
По рисунку видно, что марки кирпича Пк (персик красный) и А (абрикос) близки по оттенкам друг к другу, к тому же они самые светлые (им соответствуют большие значения L*). Образцы По и Пк - крайние стороны вдоль оси изменения величины желтизны «b*». Поэтому По (персик оранже-
вый) - более желтый, чем Пк (персик красный), и к тому же самый темный оттенок. Эти цвета - антагонисты в сравнении с «персиком». Различия между оттенками «персик» П и П1 практически отсутствуют, эти образцы образуют достаточно размытую область на графике счетов. Это свидетельствует о том, что большое рассеяние данных цветов П и П1 связано с нестабильностью как соотношения глин, так и нестабильностью температурного режима обжига.
Аналогичным образом были изучены образцы кирпича цвета «шоколад», имеющие маркировку Ш, Ш-10, Ш-20, Ш-30, а также стандарты цвета RAL 8024, RAL 8025, RAL 8026.
При изучении графика счетов (рис. 4) видно, что цвет «шоколад» оттенков Ш-10 и Ш-20 полностью идентичен стандартному цвету RAL 8025. Оттенки Ш-10 и Ш-20 пока неразличимы. Оттенок Ш-30 значимо отличается от Ш-10 и Ш-20 и формирует отдельный кластер на графике счетов.
Рис. 2 - График счетов МГК-модели для кирпичей цвета «персик»
Рис. 3 - График счетов МГК-модели для кирпичей цвета «персик» после удаления образца RAL 8023
Полученные результаты свидетельствуют о том, что предлагаемая маркировка, основанная на визуальной оценке цвета посредством сравнения с образцом-эталоном, в колориметрическом пространстве L*a*b* не чувствительна к переходам от цвета «солома С1» к «соломе С2», «персик П» к «персик П1», «шоколад Ш-10» к «шоколад Ш-20». Большое рассеяние колористических характеристик цветов С1 и С2, П и П1, Ш10 и Ш20 связано, вероятно, с тем, что эти образцы были получены при различных условиях термообработки. Как было доказано нами ранее [1], при разнице температур обжига в 50 °С получаемые изделия значимо различаются по цвету. Поэтому идентификация новых партий керамического кирпича по утвержденной цветовой маркировке некорректна без уточнения температурного режима.
Кроме того, принятая на заводе маркировка кирпича по цвету не позволяет однозначно классифицировать всю гамму оттенков по шкале RAL. Исключение составляют: оттенок С3, который может быть в точности приравнен к стандартному цве-
ту RAL 1014 «ivory» («слоновая кость»), а также оттенки Ш-10 и Ш-20, полностью идентичные стандартному цвету RAL 8025 «pale brown» («бледно-коричневый»).
На следующем этапе исследования проведен МГК-анализ эталонных образцов кирпича. В заводской лаборатории имеются образцы - эталоны цвета, утвержденные руководством предприятия. Это цвета С1, С2-10, С2-20, С3, П-10 и Ш-10.
Как можно видеть из графика счетов (рис. 5), все образцы-эталоны расположились в пространстве главных компонент, не пересекаясь друг с другом, оттенки С1, С2 и С3 не смешиваются. Это свидетельствует о том, что идентификация цвета по этим заводским эталонам вполне правомерна.
Для того чтобы упростить и ускорить процедуру идентификации цвета керамического кирпича была проведена работа по определению границ допуска каждого параметра цвета для каждого эталона.
Для всех кирпичей-эталонов определены основные характеристики распределения данных
трех измеренных переменных Ь*, а* и Ь*: среднее арифметическое (Xcp), границы доверительного интервала, стандартное отклонение единичного результата, а также стандартное отклонение среднего арифметического Б(Хср). За эталонный интервал
изменения параметров цвета приняты границы ± 3ст, в этом случае вероятность а-ошибки составляет 0,27 %. Результаты вычислений представлены в табл. 2.
6 5 4 3 2 1
™ 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 И
График счетов (Г1 \я. Г2)
Ш, Ш-10, Ш-20, RAL 8025
Рис. 4 - График счетов МГК-модели для кирпичей цвета «шоколад»
5 4 3 2 1
И 0 -1 -2 -3 -4 -5
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
С1
С2
Рис. 5 - Кластеры кирпичей-эталонов цветов
Отразим зону покрытия цветового пространства Ь*а*Ь* оттенками С1-С2-С3. По физическому смыслу оттенки должны плавно перетекать друг в друга, не оставляя в цветовом пространстве «пустых» зон (областей). Для этого рассмотрим отдельно на трех осях Ь*, а* и Ь* расположение оттенков С1, С2 и С3, отложив при этом отрезки шириной х ± 3 а . Границы распределения цветовых параметров представлены в виде одномерных графиков на рис. 6.
Как видно из рис. 6, интервал Ь ±3а для трех различных оттенков непрерывно охватывает шкалу, интервал а ± 3а имеет «пустые зоны», а
ма» С1, С2, С3, «персик» П1, «шоколад» Ш1
интервал Ь ±3а перекрывается для различных оттенков.
Оттенки С1-С3 на шкале «Ь*» расположены слева направо: от более темного оттенка к более светлому оттенку. Соответственно на шкалах «а*» и «Ь*» они должны располагаться в обратном порядке.
На шкале «а*» (зеленый - красный) порядок расположения оттенков правильный: С3>С2>С1, но заметен разрыв между С2 и С3, кроме того интервал С2 перекрывается с интервалом С1.
На шкале «Ь*» (синий - желтый) порядок расположения оттенков нарушен: С3<С1<С2, кроме того интервалы довольно резко перекрываются. Возможно, это говорит о том, что для данных эталонов различие по параметру «желтизна Ь*» незначимо.
Таблица 2 - Результаты вычисления границ допуска для координат цвета L*a*b* кирпичей-эталонов
Параметры цветового пространства Эталоны
С1 С2 СЗ П1 Ш1
X За X За X За X За X За
L* 52,б 3,3 59,7 4,8 б7,7 1,8 43,8 б,5 17,0 4,б
a* 7,0 2,1 4,7 3,б -5,3 1,8 13,8 2,5 5,7 1,0
b* 21,8 3,9 2б,9 2,7 19,0 3,0 21,8 7,2 10,7 2,1
... 48 49 50 51 52 53 54 С2 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 ... у
Cl СЗ
-9 -S -7 -5 -5 -4 -3 -2 -1 О 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ..
... 10 11 12 13 14 15 16 17 1S 13 20 21 22 23 24 25 26 27 23 23 30 31 32 33 34 ... ^ Ь
Рис. 6 - Распределение цветовых параметров L*, а* и Ь* для эталонных оттенков С1, С2 и С3
Анализ линейных графиков показал, что эталоны оттенков «солома» С1, С2, С3 были выбраны визуальным способом случайно и исключительно субъективно. Преимущественным критерием отбора эталонных образцов был переход от темного оттенка к более светлому. Чтобы объективно принимать решения при идентификации цвета керамического кирпича необходимо продолжить работу по тщательному подбору эталонов.
Таким образом, в работе доказано, что образцы-эталоны керамического кирпича, утвержденные на заводе «Ключищинская керамика», обладают значимым различием цветовых характеристик, что позволяет применять их при идентификации цвета и маркировке изделий, однако их недостаточно для полного покрытия цветового пространства. В целях упрощения идентификации цвета кирпича по образцам-эталонам определены границы варьирования колориметрических характеристик цветового пространства Ь*а*Ъ* для каждого эталона керамического кирпича.
Литература
1. А.П. Зубехин, Н.Д. Яценко, Е.В. Филатова, Строительные материалы, № 4, 31-33 (2008).
2. A.C. Scheinost, U. Schwertmann, Soil Sci. Soc. Am. J., V. 63, 1463-1471 (1999).
3. Ю.Н. Водяницкий. Химия, минералогия и цвет оголенных почв - М.: 2006. - 170 с.
4. О.В. Глазков. Автореф. дисс. канд. техн. наук, Рос. экон. акад. им. Г.В. Плеханова, Москва, 2005, 24 с.
5. Г.Н. Масленникова, К.А. Кувшинова, Ю.Т. Платов, Стекло и керамика, № 12, 11-14 (1997).
6. Р. А. Платова, А.А Шмарина, З. В. Стафеева, Стекло и керамика, № 1, 17-22, (2009).
7. В. М. Логинов, Н.С. Русович-Югай, Стекло и керамика, № 2, 13-18 (2000).
8. Н.С. Русович-Югай, Т. Л. Неклюдова, Стекло и керамика, № 7, 13-15 (2007).
9. Н.Н. Умарова, В.Ф. Сопин, А.Г. Сакаева, Вестник Казанского технологического университета, 17, 24, 49-52. (2014).
© Н. Н. Умарова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, [email protected]; И. Р. Ахметшина - магистр каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ; В. Ф. Сопин - д-р хим. наук, проф., зав. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, А. Г. Сакаева - аспирант той же, [email protected], А. Н. Ливада - соискатель той же кафедры, генеральный директор ОАО «ФОН», [email protected].
© N. N. Umarova - Ph.D. in Chemistry, Associate Professor of Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management KNRTU, [email protected]; H. P. AxMeTmHHa - Master of Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management KNRTU [email protected]; V. F. Sopin - Dr. Sci. (Chem.), Full Professor of Department Analytical ^emistry, Certification and Quality Management KNRTU, A. G. Sakaeva - graduate student of the Department of Analytical chemistry, Certification and Quality Management KNRTU, [email protected], A. N. Livada - applicant, CEO of the company "FON" [email protected].
