印刷油墨耐光性試驗加速測試與自然曝曬相關性研究

1、印刷油墨耐光性加速測試與自然曝曬相關性研究張順淇1，錢佳1，張恒2，孫杏蕾21杭州秉信紙業(yè)有限公司2美國Q-Lab公司中國代表處摘要： 本文介紹了印刷油墨耐光性試驗的原理。按照GB/T 22771-2008標準中的測試條件對11種印刷油墨樣品進行氙燈加速測試。同時對這些樣品進行自然曝曬，并分析了實驗室加速測試與戶外曝曬結(jié)果之間的相關性。以此為例，分析多少小時加速試驗結(jié)果和多少天自然曝曬結(jié)果相當。關鍵詞：印刷油墨；耐光性；氙燈測試；自然曝曬；相關性前言由于印刷品要長期暴曬在日光下，油墨的耐光性好壞直接影響印刷品的外觀效果，所以測定印刷油墨的耐光性是非常必要的。氙燈加速耐光性測試通過模擬全光譜太陽

2、光可以使產(chǎn)品每天24h暴曬在相當于夏季中午陽光的光照環(huán)境下，所經(jīng)受的曝曬在平均光照強度、光照小時方面都大大高于室外自然曝曬。因此，可以加速獲得試驗結(jié)果。下面就印刷油墨耐光性氙燈加速測試與自然曝曬之間的相關性進行研究。1. 印刷油墨耐光性試驗的原理1.1 戶外老化因素老化損害主要由三個因素引起：光照，溫度和濕度。這三個因素中的任一個都會引起材料老化，它們的共同作用，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學鍵對太陽光中不同波段的光線的敏感性不同，一般對應一個閾值，太陽光的短波段紫外線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）鍵的作用閾值是393nm。然而，對于

3、某些印刷品和油墨，長波段紫外線甚至可見光也會對其產(chǎn)生破壞，造成變色或褪色。1.1.2 溫度溫度越高，化學反應速度越快。老化反應是一種光致化學反應，溫度不影響光致化學反應中的光致反應速度，卻影響后繼的化學反應速度。因此溫度對材料老化的影響往往是非線性的。1.1.3 濕度水會直接參與材料老化反應。相對濕度、露水和雨水等是自然界中水的幾個主要表現(xiàn)形式。研究表明，戶外材料每天都將長時間處于潮濕狀態(tài)（平均每天長達8-12個小時）1。而露水是戶外潮濕的主要原因。露水造成的危害比雨水更大，因為它附著在材料上的時間更長，形成更為嚴酷的潮濕侵蝕。對于戶內(nèi)用材料，一般只考慮相對濕度的影響。1.2 氙燈加速耐光性測

4、試1.2.1 日光模擬作為氙燈試驗箱2的光源，氙燈可產(chǎn)生紫外線、可見光和紅外線，能夠很好地模擬全光譜太陽光。氙燈產(chǎn)生的光譜用于測試前必須經(jīng)過過濾，減少不需要的部分紫外光譜。使用不同類型的玻璃濾光器可以得到不同的光譜。濾光器的使用取決于被測材料和產(chǎn)品最終使用條件。不同的過濾器過濾的紫外線的短波段的截止點不同，這將在很大程度上影響老化的速度和類型。有三類經(jīng)常使用的濾光器：日光過濾器，窗玻璃過濾器，紫外延展過濾器。在印刷品和印刷油墨測試中一般選擇窗玻璃過濾器，下圖1所示是Q-Lab公司配備有過濾器的Q-Sun氙燈試驗箱的光譜與透過玻璃的太陽光光譜之間的比較。圖1 配備有窗玻璃過濾器的Q-Sun光譜和

5、透過玻璃的太陽光譜之間的比較1.2.2 輻照度控制最新的氙燈試驗箱需裝備有輻照度控制系統(tǒng)，如Q-Lab公司的Q-Sun氙燈試驗箱使用的是太陽眼閉環(huán)控制系統(tǒng)，來提供穩(wěn)定的光照強度。在氙燈測試系統(tǒng)內(nèi)，輻照度控制非常重要。氙燈光譜范圍從295nm延伸到3000nm，最新的標準中要求，光強的控制基于點控制（如ISO 11341-20043, ASTM G 155-05a4, ISO 4892-2:20035等），控制點的選擇則基于模擬環(huán)境和檢測材料性能的不同，對于戶外環(huán)境，檢測材料的物理性能，一般采用340nm控制點；而對于室內(nèi)環(huán)境，檢測材料的變色和褪色，一般采用420nm控制點。在有些標準中也采用3

6、00-400nm的TUV控制。1.2.3 溫度控制氙燈測試設備中，溫度的控制很也重要，因為溫度影響材料老化的速率。氙燈試驗箱一般是通過黑板溫度計或黑標溫度計來精確控制樣品表面溫度。一般歐洲的ISO標準大多使用黑標溫度計，而美國的一些標準則使用黑板溫度計。有些型號的氙燈試驗箱還能同時控制箱體空氣溫度，以達到全面的曝曬環(huán)境溫度控制。1.2.4 潮濕模擬氙燈試驗箱可以通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬潮濕的影響。水噴淋可以模擬雨水對戶外產(chǎn)品的熱沖擊和應力腐蝕。濕度會影響某些物品（比如某些紡織品或油墨等）發(fā)生老化的類型和速度，在此類材料的測試標準中都建議控制相對濕度。2. 印刷油墨耐光性加速測試2.1 試

7、驗條件及過程按照GB/T 22771-20086標準中的測試條件，對11種不同的油墨樣品進行氙燈加速耐光性測試。具體試驗條件見表1。表1 氙燈加速耐光性測試條件試驗設備Q-Sun Xe-3氙燈試驗箱（美國Q-Lab公司產(chǎn)品）試驗樣品11種不同的油墨樣品，分別命名樣品1、樣品2······樣品11試驗標準GB/T 22771-2008輻照度1.10W/m2420nm過濾器Window IR過濾器黑標溫度50箱體空氣溫度44相對濕度50測試時間5h (第1階段)；10h (第2階段)；15h (第3階段)；20h (第4階段)；30h (

8、第5階段)；40h (第6階段)2.2 試驗結(jié)果使用儀器測量法得到了曝曬樣品的顏色變化E*。我們采用的是CIE L*a*b*顏色單位，D65光源和10°觀察角。下面的表2給出了樣品曝曬之后的E*的數(shù)值。表2 氙燈加速耐光性測試結(jié)果樣品編號E*5hE*-10hE*-15hE*-20hE*-30hE*-40h135.7736.8237.6441.8842.3343.26215.5219.3121.1523.0327.1432.2331.943.525.456.917.138.2942.673.004.074.394.684.7851.521.792.282.592.792.9761.01

9、1.201.832.002.704.9272.002.233.173.775.629.6483.575.717.297.829.9311.9890.770.931.301.421.702.66102.353.283.373.594.034.36111.752.452.793.163.744.152.3 試驗結(jié)果分析在進行加速耐光性試驗之前，我們已經(jīng)大概知道，這11個樣品中有的耐光性較好，有的較差，有的一般，差異性較大。試驗結(jié)果顯示，確實如預測的一樣，這就說明，使用Q-Sun Xe-3氙燈試驗箱可以區(qū)分樣品的不同耐光等級。如表2中的樣品9就是耐光性較好的樣品，而樣品1是耐光性較差的樣品，樣品3是

10、耐光性一般的樣品。下面的圖2是這3個樣品在不同曝曬階段的顏色變化的示意圖。圖2 樣品1，3，9在不同曝曬階段的顏色變化示意圖3. 印刷油墨耐光性自然曝曬試驗3.1 試驗過程及結(jié)果在進行實驗室加速耐光性試驗的同時，我們還對這些印刷油墨樣品進行了自然曝曬。我們把樣品靠近工廠倉庫的窗玻璃放置，這是樣品實際應用中的較嚴酷的環(huán)境。一共曝曬了61天，具體的試驗結(jié)果見表3。表3 自然曝曬耐光性測試結(jié)果樣品編號E*-3dE*-8dE*-13dE*-18dE*-24dE*-30dE*-61d119.0831.2432.7834.5234.6735.0335.9624.879.9410.7612.3514.291

11、5.5320.4034.165.256.206.867.668.528.8941.542.032.172.262.282.473.4250.520.971.071.402.002.602.8560.581.202.002.342.522.878.5970.91.241.882.242.462.467.1082.393.324.725.745.926.929.5790.410.870.941.191.391.421.59101.582.212.633.343.593.603.77111.552.252.783.674.134.134.153.2 試驗結(jié)果分析 同實驗室加速耐光性結(jié)果類似，不同樣品

12、的自然曝曬結(jié)果不一樣，有些樣品的耐光性結(jié)果較好，有的較差，有的一般。4. 實驗室加速測試與自然曝曬結(jié)果之間的相關性表2和表3分別列出了11種印刷油墨的實驗室加速測試和自然曝曬的顏色變化結(jié)果。根據(jù)所得測試結(jié)果的數(shù)據(jù)，我們分別計算了不同測試階段的實驗室加速測試和自然曝曬之間的相關系數(shù)，具體見下面的表4。該相關系數(shù)指的是利用兩種不同的測試方法對一組樣品進行測試，所得試驗結(jié)果之間的相關性。相關系數(shù)rs的計算公式為：rs=1-6di2/n(n2-1)7，其中n指的是樣品的個數(shù)，di指的是兩列排序中每一組排位數(shù)之間的差值。rs越接近1，相關性越好。表4 實驗室加速測試和自然曝曬之間的相關系數(shù)rs3d8d1

13、3d18d24d30d61d5h0.890.840.80.790.740.670.6910h0.980.960.940.930.890.860.7815h0.960.920.890.880.840.780.7820h0.940.890.860.860.830.750.830h0.930.890.860.880.860.760.8540h0.780.770.750.790.80.70.94由表4可見，實驗室加速測試和自然曝曬結(jié)果之間的相關性非常好，幾乎所有測試階段的相關系數(shù)都大于0.70。實驗室加速測試10h與自然曝曬3天之間的相關系數(shù)高達0.98。由表2和表3的測試結(jié)果可以看出，樣品自然曝曬6

14、1天的顏色變化沒有實驗室加速測試40h的顏色變化大。我們以自然曝曬61天樣品發(fā)生的顏色變化為基準，分別計算每種樣品實驗室加速測試多少小時相當于自然曝曬61天，然后取其算術平均值。通過計算，實驗室加速測試29h相當于自然曝曬61天，也就是說實驗室加速測試是自然曝曬速率的50倍。不過這個加速倍數(shù)只是針對本文研究的11種印刷油墨而言，對于其它油墨樣品或者其它材料未必適用。5. 結(jié)論本文首先介紹了印刷油墨耐光性試驗的原理，然后按照GB/T 22771-2008標準中的測試條件對11種印刷油墨樣品進行氙燈加速測試。在做加速測試的同時，對樣品進行了自然曝曬，自然曝曬是耐光性測試研究的基礎，并用于指導加速測試。試驗結(jié)果表明實驗室加速測試與自然曝曬結(jié)果之間的相關性非常好。而且通過計算得出，這些油墨樣品在實驗室加速測試29h相當于自然曝曬61天。參考文獻：1. Douglas M. Grossman, The right choice-UV fluorescent testing or xenon arc testing. PCI, March 10, 20062. 張恒，QUV和