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油墨氙燈加速耐光性試驗與自然曝曬試驗相關性的研究

來源:翁開爾有限公司
發布時間:2019-06-11T17:06:59
作為運輸包裝的一種,彩色瓦楞紙箱必然會面臨長期自然曝曬的情況,如果其表面印刷的油墨耐光性較差,將直接影響其外觀效果。為保證彩色瓦楞紙箱能長時間呈現較好的色彩效果,油墨的耐光性試驗十分必要

作為運輸包裝的一種,彩色瓦楞紙箱必然會面臨長期自然曝曬的情況,如果其表面印刷的油墨耐光性較差,將直接影響其外觀效果。為保證彩色瓦楞紙箱能長時間呈現較好的色彩效果,油墨的耐光性試驗十分必要。本文將采用氙燈加速耐光性試驗來測試油墨的耐光性,并對油墨氙燈加速耐光性試驗與自然曝曬試驗之間的相關性進行探討。

戶外老化因素

戶外老化主要與3個因素有關:光照、溫度和濕度。其中任何一個因素都會導致油墨老化,且三者共同作用所造成的老化程度最大。

1.光照

高分子材料的化學鍵對日光中不同波段光線的敏感程度不同,短波段的紫外線是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因。然而,對于某些印刷品和油墨,除了日光中短波段的紫外線之外,長波段的紫外線甚至可見光也會對其產生影響,從而引起變色或退色現象的發生。

2.溫度

老化反應是一種光致化學反應,溫度雖然不影響光致反應速度,但會會影響后繼的化學反應速度。因此,溫度對油墨老化的影響是非線性的。

3.濕度

水會直接參與油墨的老化反應。研究表明,戶外材料每天都長時間(平均每天長達8~12小時)處于潮濕狀態,而露水是引起戶外材料潮濕的主要原因。

氙燈加速耐光性試驗原理

1.日光模擬

作為氙燈試驗箱的光源,氙燈可產生紫外線、可見光和紅外線,能夠很好地模擬全光譜日光。

在進行加速耐光性試驗之前,氙燈產生的光譜必須經濾光器過濾,以減少不需要的紫外線。使用不同類型的濾光器過濾能得到不同的光譜,尤其是紫外線短波段的截止點不同,將在很大程度上影響油墨老化的速度。濾光器的選擇取決于試驗材料和產品的最終使用條件,通常使用的濾光器有3種:日光過濾器、窗玻璃過濾器和紫外延展過濾器。在氙燈加速耐光性試驗中,一般選擇的是窗玻璃過濾器。

2.輻照度控制

最新的氙燈試驗箱均配備了輻照 度 控 制 系 統 , 如 Q -Lab 公司的Q-Sun Xe-3氙燈試驗箱配備了太陽眼閉環控制系統,以提供更加穩定的光照強度。

在氙燈試驗系統中,對輻照度的控制非常重要。氙燈的光譜范圍一般為295~3000nm,最新標準要求光強的控制應基于點控制(如ISO 11341-2004、ASTM G155-05a、ISO 4892-2∶2003等),控制點的選擇則基于模擬環境和試驗材料和產品的物理性能。對于戶外環境,一般采用340nm。

3.溫度控制

溫度是影響油墨老化速度的直接因素,因此需要嚴格控制氙燈試驗箱的溫度。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試驗樣品的表面溫度的。其中,ISO國際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。有些氙燈試驗箱還能同時控制箱體空氣溫度,實現了對曝曬環境溫度的全面控制。

4.濕度模擬

一般,氙燈試驗箱通過水噴淋或濕度控制系統來模擬濕度對油墨的影響。其中,水噴淋用于模擬雨水對戶外彩色瓦楞紙箱的熱沖擊和應力腐蝕;濕度控制系統則用于控制試驗過程中的相對濕度。

氙燈加速耐光性試驗

1.試驗條件

按照GB/T 22771-2008標準中的試驗條件,對11種不同的油墨樣品進行氙燈加速耐光性試驗。具體試驗條件見表1。

試驗設備Q-Lab公司的Q-Sun Xe-3氙燈老化試驗箱
試驗樣品11種不同的油墨樣品,分別命名為樣品1、樣品2......樣品11
試驗標準GB/T 22771-2008
輻照度1.10W/m2@420nm
濾光器Window IR過濾器
黑標溫度50℃
箱體空氣溫度44℃
相對濕度50%
試驗時間5小時(第1階段)、10小時(第2階段)、15小時(第3階段)、20小時(第4階段)、30小時 (第5階段)、40小時(第6階段)

表1 氙燈加速耐光性試驗條件

2.試驗結果

使用儀器測量法測得油墨樣品試驗前后的色差△E*(采用D65光源、10°觀察角),試驗結果見表2。

 △E
5小時10小時15小時20小時30小時40小時
135.7736.8237.6441.8842.3343.26
215.5219.3121.1523.0327.1432.23
31.943.525.456.917.138.29
42.673.004.074.394.684.78
51.521.792.282.592.792.97
61.011.201.832.002.704.92
72.002.233.173.775.629.64
83.575.717.297.829.9311.98
90.770.931.301.421.702.66
102.353.283.373.594.034.36
111.752.452.793.163.744.15

表2 氙燈加速耐光性試驗結果

3.結果分析

在進行氙燈加速耐光性試驗之前,我們已經知道,這11種油墨樣品中,有的耐光性較好,有的耐光性一般,有的耐光性較差,差異性較大。而試驗結果也正好驗證了這一點,并充分證明了使用氙燈試驗箱可以區分油墨樣品不同的耐光等級。如表2中樣品9的耐光性較好,樣品3耐光性一般,而樣品1的耐光性較差。這3種油墨樣品在不同試驗階段的△E*變化示意圖見圖1。

圖1 樣品1、樣品3、樣品9在不同試驗階段的△E*變化示意圖

自然曝曬試驗

1.試驗過程及結果

在進行氙燈加速耐光性試驗的同時,我們還對這些油墨樣品進行了自然曝曬試驗。將11種油墨樣品放置在靠近工廠倉庫的窗玻璃旁,用以模擬油墨樣品在實際應用中遇到的較為嚴酷的環境。將這些油墨樣品曝曬61天后,使用儀器測量法測得油墨樣品試驗前后的色差△E*,試驗結果見表3。

2.結果分析

同氙燈加速耐光性試驗的結果類似,不同油墨樣品的自然曝曬試驗結果也不同,有的較好,有的一般,有的較差。

氙燈加速耐光性試驗與自然曝曬試驗的相關性

表2和表3分別列出了氙燈加速耐光性試驗和自然曝曬試驗中11種油墨樣品在試驗前后的色差△E*。根據試驗結果,分別計算了不同試驗階段氙燈加速耐光性試驗和自然曝曬試驗之間的相關系數(rs)(見表4)。該相關系數是指利用兩種不同的試驗方法對同一組油墨樣品進行試驗,所得試驗結果的相關性。相關系數rs的計算公式為rs=1-6∑di2/[n(n2-1)],其中,n表示油墨樣品的個數,di表示兩列數據中每一行數據之間的差值。rs越接近1,氙燈加速耐光性試驗與自然曝曬試驗的相關性就越好。

 △E
3天8天13天18天24天30天61天
119.0831.2432.7834.5234.6735.0335.96
24.879.9410.7612.3514.2915.5320.40
34.165.256.206.867.668.528.89
41.542.032.172.262.282.473.42
50.520.971.071.402.002.602.85
60.581.202.002.342.522.878.59
70.91.241.882.242.462.467.10
82.393.324.725.745.926.929.57
90.410.870.941.191.391.421.59
101.582.212.633.343.593.603.77
111.552.252.783.674.134.134.15

表3 自然曝曬試驗結果

從表4可以看出,氙燈加速耐光性試驗與自然曝曬試驗所有試驗階段的相關系數多大于0.70,相關性非常好。其中,氙燈加速耐光性試驗10小時與自然曝曬試驗3天之間的相關系數高達0.98。

Rs3天8天13天18天24天30天61天
5小時0.890.840.80.790.740.670.69
10小時0.980.960.940.930.890.860.78
15小時0.960.920.890.880.840.780.78
20小時0.940.890.860.860.830.750.8
30小時0.930.890.860.880.860.760.85
40小時0.780.770.750.790.80.70.94

表4 氙燈加速耐光性試驗與和自然曝曬試驗的相關系數

從表2和表3的試驗結果可以看出,油墨樣品自然曝曬試驗61天的色差值并沒有氙燈加速耐光性試驗40小時的色差值大。我們以自然曝曬試驗61天時油墨樣品的色差值為基準,分別換算氙燈加速耐光性試驗中每種油墨樣品達到同樣色差值時的時間,再取其算術平均值,最后得出:氙 燈 加 速 耐光性試驗29小 時 相 當于自然曝曬試驗 61天 的效果,也就是說氙燈加速耐光性試驗的速率是自然曝曬試驗速率的50倍。當然,這個倍數只是針對本文研究的11種油墨樣品而言,對于其他油墨樣品或者其他包裝材料未必適用。

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