印刷油墨耐光性试验加速测试与自然曝晒相关性研究

1印刷油墨耐光性加速测试与自然曝晒相关性研究张顺淇1，钱佳1，张恒2，孙杏蕾21杭州秉信纸业有限公司2美国Q-Lab公司中国代表处摘要：本文介绍了印刷油墨耐光性试验的原理。按照GB/T22771-2008标准中的测试条件对11种印刷油墨样品进行氙灯加速测试。同时对这些样品进行自然曝晒，并分析了实验室加速测试与户外曝晒结果之间的相关性。以此为例，分析多少小时加速试验结果和多少天自然曝晒结果相当。关键词：印刷油墨；耐光性；氙灯测试；自然曝晒；相关性前言由于印刷品要长期暴晒在日光下，油墨的耐光性好坏直接影响印刷品的外观效果，所以测定印刷油墨的耐光性是非常必要的。氙灯加速耐光性测试通过模拟全光谱太阳光可以使产品每天24h暴晒在相当于夏季中午阳光的光照环境下，所经受的曝晒在平均光照强度、光照小时方面都大大高于室外自然曝晒。因此，可以加速获得试验结果。下面就印刷油墨耐光性氙灯加速测试与自然曝晒之间的相关性进行研究。1.印刷油墨耐光性试验的原理1.1户外老化因素老化损害主要由三个因素引起：光照，温度和湿度。这三个因素中的任一个都会引起材料老化，它们的共同作用，大于其中任一因素造成的危害。1.1.1光照高分子材料的化学键对太阳光中不同波段的光线的敏感性不同，一般对应一个阈值，太阳光的短波段紫外线是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因。如C-N（碳-氮）键的作用阈值是393nm。然而，对于某些印刷品和油墨，长波段紫外线甚至可见光也会对其产生破坏，造成变色或褪色。1.1.2温度温度越高，化学反应速度越快。老化反应是一种光致化学反应，温度不影响光致化学反应中的光致反应速度，却影响后继的化学反应速度。因此温度对材料老化的影响往往是非线性的。1.1.3湿度水会直接参与材料老化反应。相对湿度、露水和雨水等是自然界中水的几个主要表现形式。研究表明，户外材料每天都将长时间处于潮湿状态（平均每天长达8-12个小时）[1]。而露水是户外潮湿的主要原因。露水造成的危害比雨水更大，因为它附着在材料上的时间更长，形成更为严酷的潮湿侵蚀。对于户内用材料，一般只考虑相对湿度的影响。1.2氙灯加速耐光性测试1.2.1日光模拟2作为氙灯试验箱[2]的光源，氙灯可产生紫外线、可见光和红外线，能够很好地模拟全光谱太阳光。氙灯产生的光谱用于测试前必须经过过滤，减少不需要的部分紫外光谱。使用不同类型的玻璃滤光器可以得到不同的光谱。滤光器的使用取决于被测材料和产品最终使用条件。不同的过滤器过滤的紫外线的短波段的截止点不同，这将在很大程度上影响老化的速度和类型。有三类经常使用的滤光器：日光过滤器，窗玻璃过滤器，紫外延展过滤器。在印刷品和印刷油墨测试中一般选择窗玻璃过滤器，下图1所示是Q-Lab公司配备有过滤器的Q-Sun氙灯试验箱的光谱与透过玻璃的太阳光光谱之间的比较。图1配备有窗玻璃过滤器的Q-Sun光谱和透过玻璃的太阳光谱之间的比较1.2.2辐照度控制最新的氙灯试验箱需装备有辐照度控制系统，如Q-Lab公司的Q-Sun氙灯试验箱使用的是太阳眼闭环控制系统，来提供稳定的光照强度。在氙灯测试系统内，辐照度控制非常重要。氙灯光谱范围从295nm延伸到3000nm，最新的标准中要求，光强的控制基于点控制（如ISO11341-2004[3],ASTMG155-05a[4],ISO4892-2:2003[5]等），控制点的选择则基于模拟环境和检测材料性能的不同，对于户外环境，检测材料的物理性能，一般采用340nm控制点；而对于室内环境，检测材料的变色和褪色，一般采用420nm控制点。在有些标准中也采用300-400nm的TUV控制。1.2.3温度控制氙灯测试设备中，温度的控制很也重要，因为温度影响材料老化的速率。氙灯试验箱一般是通过黑板温度计或黑标温度计来精确控制样品表面温度。一般欧洲的ISO标准大多使用黑标温度计，而美国的一些标准则使用黑板温度计。有些型号的氙灯试验箱还能同时控制箱体空气温度，以达到全面的曝晒环境温度控制。1.2.4潮湿模拟氙灯试验箱可以通过水喷淋或湿度控制系统来模拟潮湿的影响。水喷淋可以模拟雨水对户外产品的热冲击和应力腐蚀。湿度会影响某些物品（比如某些纺织品或油墨等）发生老化的类型和速度，在此类材料的测试标准中都建议控制相对湿度。2.印刷油墨耐光性加速测试2.1试验条件及过程3按照GB/T22771-2008[6]标准中的测试条件，对11种不同的油墨样品进行氙灯加速耐光性测试。具体试验条件见表1。表1氙灯加速耐光性测试条件试验设备Q-SunXe-3氙灯试验箱（美国Q-Lab公司产品）试验样品11种不同的油墨样品，分别命名样品1、样品2······样品11试验标准GB/T22771-2008辐照度1.10W/m2@420nm过滤器WindowIR过滤器黑标温度50℃箱体空气温度44℃相对湿度50％测试时间5h(第1阶段)；10h(第2阶段)；15h(第3阶段)；20h(第4阶段)；30h(第5阶段)；40h(第6阶段)2.2试验结果使用仪器测量法得到了曝晒样品的颜色变化△E*。我们采用的是CIEL*a*b*颜色单位，D65光源和10°观察角。下面的表2给出了样品曝晒之后的△E*的数值。表2氙灯加速耐光性测试结果样品编号△E*5h△E*-10h△E*-15h△E*-20h△E*-30h△E*-40h135.7736.8237.6441.8842.3343.26215.5219.3121.1523.0327.1432.2331.943.525.456.917.138.2942.673.004.074.394.684.7851.521.792.282.592.792.9761.011.201.832.002.704.9272.002.233.173.775.629.6483.575.717.297.829.9311.9890.770.931.301.421.702.66102.353.283.373.594.034.36111.752.452.793.163.744.152.3试验结果分析在进行加速耐光性试验之前，我们已经大概知道，这11个样品中有的耐光性较好，有的较差，有的一般，差异性较大。试验结果显示，确实如预测的一样，这就说明，使用Q-SunXe-3氙灯试验箱可以区分样品的不同耐光等级。如表2中的样品9就是耐光性较好的样品，而样品1是耐光性较差的样品，样品3是耐光性一般的样品。下面的图2是这3个样品在不同曝晒阶段的颜色变化的示意图。4图2样品1，3，9在不同曝晒阶段的颜色变化示意图3.印刷油墨耐光性自然曝晒试验3.1试验过程及结果在进行实验室加速耐光性试验的同时，我们还对这些印刷油墨样品进行了自然曝晒。我们把样品靠近工厂仓库的窗玻璃放置，这是样品实际应用中的较严酷的环境。一共曝晒了61天，具体的试验结果见表3。表3自然曝晒耐光性测试结果样品编号△E*-3d△E*-8d△E*-13d△E*-18d△E*-24d△E*-30d△E*-61d119.0831.2432.7834.5234.6735.0335.9624.879.9410.7612.3514.2915.5320.4034.165.256.206.867.668.528.8941.542.032.172.262.282.473.4250.520.971.071.402.002.602.8560.581.202.002.342.522.878.5970.91.241.882.242.462.467.1082.393.324.725.745.926.929.5790.410.870.941.191.391.421.59101.582.212.633.343.593.603.77111.552.252.783.674.134.134.153.2试验结果分析同实验室加速耐光性结果类似，不同样品的自然曝晒结果不一样，有些样品的耐光性结果较好，有的较差，有的一般。54.实验室加速测试与自然曝晒结果之间的相关性表2和表3分别列出了11种印刷油墨的实验室加速测试和自然曝晒的颜色变化结果。根据所得测试结果的数据，我们分别计算了不同测试阶段的实验室加速测试和自然曝晒之间的相关系数，具体见下面的表4。该相关系数指的是利用两种不同的测试方法对一组样品进行测试，所得试验结果之间的相关性。相关系数rs的计算公式为：rs=1-6∑di2/[n(n2-1)][7]，其中n指的是样品的个数，di指的是两列排序中每一组排位数之间的差值。rs越接近1，相关性越好。表4实验室加速测试和自然曝晒之间的相关系数rs3d8d13d18d24d30d61d5h0.890.840.80.790.740.670.6910h0.980.960.940.930.890.860.7815h0.960.920.890.880.840.780.7820h0.940.890.860.860.830.750.830h0.930.890.860.880.860.760.8540h0.780.770.750.790.80.70.94由表4可见，实验室加速测试和自然曝晒结果之间的相关性非常好，几乎所有测试阶段的相关系数都大于0.70。实验室加速测试10h与自然曝晒3天之间的相关系数高达0.98。由表2和表3的测试结果可以看出，样品自然曝晒61天的颜色变化没有实验室加速测试40h的颜色变化大。我们以自然曝晒61天样品发生的颜色变化为基准，分别计算每种样品实验室加速测试多少小时相当于自然曝晒61天，然后取其算术平均值。通过计算，实验室加速测试29h相当于自然曝晒61天，也就是说实验室加速测试是自然曝晒速率的50倍。不过这个加速倍数只是针对本文研究的11种印刷油墨而言，对于其它油墨样品或者其它材料未必适用。5.结论本文首先介绍了印刷油墨耐光性试验的原理，然后按照GB/T22771-2008标准中的测试条件对11种印刷油墨样品进行氙灯加速测试。在做加速测试的同时，对样品进行了自然曝晒，自然曝晒是耐光性测试研究的基础，并用于指导加速测试。试验结果表明实验室加速测试与自然曝晒结果之间的相关性非常好。而且通过计算得出，这些油墨样品在实验室加速测试29h相当于自然曝晒61天。参考文献：1.DouglasM.Grossman,Therightchoice-UVfluorescenttestingorxenonarctesting.PCI,March10,20062.张恒，QUV和Q-Sun两种有效测试耐候性和光稳定性方法的比较，汽车工艺与材料，2006年第8期3.ISO11341:2004《色漆和清漆—人工老化和暴露－滤过的氙弧辐射》4.ASTMG155-05a《用于非金属材料暴露的氙灯测试设备》5.ISO4892-2:2003《塑料—实验室光源下的暴露方法第2部分:氙弧灯光源》6.GB/T22771-2008《印刷技术印刷品与印刷油墨用滤光氙弧灯评定耐光性》7.ASTMG169-2001《老化测试基本统计方法的应用》