佛羅里達和亞利桑那戶外自然曝曬

試問怎么才能知道油墨在其使用壽命內(nèi)遇到的各種照明條件下是否發(fā)生褪色?產(chǎn)品失效會帶來什么后果?如何在消費者購買能力與產(chǎn)品性能之間權衡性價比?是否有一個快速簡便的方法來確定(或決定)哪一種油墨是您的較好選擇?

本文首次以系列研究來為您回答這些問題，并為油墨的耐久性評估提供了一種有效的方法。該系列研究分為三個部分。其中第1部分的結論是在佛羅里達和亞利桑那玻璃框下自然太陽光曝曬所得到的。這些是國際認可的能夠提供“最嚴苛環(huán)境”的曝曬地點，可以使油墨處于高紫外光、高溫和高相對濕度的環(huán)境下。

第2部分將展示實驗室加速測試如何模擬自然曝曬的結果。第3部分將為您提供指導和建議，幫助您確定哪一種油墨最適合您。此項研究工作目標明確，旨在將平版印刷油墨的自然曝曬與實驗室加速測試結果關聯(lián)起來。

試驗程序

日光是由短波紫外線，可見光和紅外線組成。而紫外線是導致油墨降解的首要因素，溫度和濕度作為次要因素也會加速降解的速率。

平版印刷油墨在靠近窗玻璃的地方會被強烈的太陽光照射，而夏季在汽車儀表盤位置的油墨所處的環(huán)境則更加苛刻，這些環(huán)境中高紫外線、高溫和高相對濕度。本研究的曝曬地點選在佛羅里達和亞利桑那是因為這兩個地方可提供這種嚴酷的曝曬環(huán)境。

Little Joe雙色膠版印刷打樣機

GATF選用了8種顏色的被廣泛應用的平版印刷油墨：黃#1、黃#2、黃#3、品紅、紫羅蘭、橙色、紅色和紫色。試驗使用Little Joe印刷打樣機來確保印刷品的典型膠印膜厚。油墨印在標準的、有涂層的、70磅重的紙上。每一種顏色的樣品都將進行所有類型的暴露測試。

油墨試樣在佛羅里達和亞利桑那的Q-Lab老化研究服務中心完成測試。所有試樣都安裝在帶玻璃框的曝曬架上，曝曬角度為45°朝南，為的是最大限度的接收透過玻璃的太陽光。

之所以選擇透過玻璃的日光光譜，是因為它可以模擬最嚴苛條件下的室內(nèi)光照條件。

分別在曝曬前、曝曬過程中和曝曬結束后測量油墨試樣的顏色變化。根據(jù)ASTM D2244標準，使用分光光度計來測量顏色。每個試樣的顏色變化都以ΔE的值來表示。

佛羅里達和亞利桑那曝曬

佛羅里達曝曬測試在每個季節(jié)開始：秋分 (9/21/02),冬至 (12/21/02), 春分 (3/21/03) 和夏至 (6/21/03)。亞利桑那曝曬測試則在秋天 (10/7/02) 開始。表1為總光照能量(即輻照量)，單位為MJ/m2，該數(shù)值是在佛羅里達和亞利桑那曝曬90天之后通過各種戶外曝曬試驗所得的結論。

圖1為8種顏色油墨在佛羅里達秋季試驗中耐光性能的曲線圖。

如圖所示，油墨的耐久相差很大。有些顏料的耐久性很好，而有些卻很差。90天曝曬之后，大多數(shù)油墨試樣都嚴重褪色到無法用于分析。然而在暴露35天時，油墨試樣的耐光性能表現(xiàn)開始拉開差距，有好有壞。因此，35天是用來評估油墨在各種戶外曝曬試驗中耐光性能。

此圖非常明顯地顯示了同顏色的3種不同油墨的耐久性范圍。雖然顏色相同，但它們的耐光性能卻表現(xiàn)的完全不同。黃色A的表現(xiàn)明顯優(yōu)于黃色B和黃色C。事實上，黃色A是一種耐光性好的黃色油墨，適用于藝術品或者戶外應用，而黃色B和黃色C則傾向用于一般的商業(yè)印刷。

季節(jié)變化的影響

由于自然曝曬的時間很短(35天)，在每個季節(jié)進行重復測試以確定一年中各個時間段對老化的影響。結果證明在一年內(nèi)的不同時間進行測試對耐光性能的排序沒有影響。各個季節(jié)的曝曬試驗之間的排序相同，然而老化的速度有一些不同。

為了對每個季節(jié)老化速度的不同進行定量，我們對35天曝曬的ΔE平均值進行了比較。例如佛羅里達冬季曝曬試驗所有油墨的ΔE平均值為21，而佛羅里達秋季曝曬試驗所有油墨的ΔE平均值為44。在這個例子中，秋季試驗的嚴酷程度大約是冬季試驗的兩倍以上。由于季節(jié)導致老化速度不同，不能在一年的不同時間里比較試樣的絕對值。這種不一致性在加速耐光性測試中可能不會出現(xiàn)。

表2不同戶外曝曬試驗中油墨的ΔE顏色變化

表2為佛羅里達不同季節(jié)和亞利桑那曝曬試驗35天后所有油墨樣品的ΔE值：

圖3油墨耐光性能的相關性

圖3為佛羅里達秋季35天和冬季45天曝曬試驗對比圖。這兩個曝曬試驗結果的產(chǎn)品性能等級排序*相關性非常好。

佛羅里達：秋季vs冬季

等級排序=1.0 *等級排序數(shù)值1.0表示等級排序相關性非常好。該數(shù)值為0則表示等級排序相關性零亂。數(shù)值為-1.0則表示等級排序相關性很差。

圖4-油墨耐光性能的相關性

圖4為佛羅里達冬季45天和佛羅里達夏季35天對比圖。同樣，兩個季節(jié)曝曬試驗的等級排序也很好，等級排序數(shù)值為1.0。

佛羅里達：冬季vs夏季

等級排序=1.0

亞利桑那曝曬

亞利桑那曝曬試驗與佛羅里達曝曬試驗有很好的相關性。亞利桑那試驗說明了快速測試結果可以在佛羅里達試驗的相同周期(35天)內(nèi)獲得。

圖5比較了亞利桑那和佛羅里達35天的數(shù)據(jù)。

亞利桑那vs佛羅里達

等級排序=0.96

如表3所示，所有戶外曝曬試驗的等級排序數(shù)值都非常好(0.90及以上)。

表3 等級排序相關性列表

總結(第1部分)

1. 佛羅里達和亞利桑那玻璃框下曝曬試驗提供了一種極端嚴酷環(huán)境，并快速區(qū)分具有良好耐光性和較差耐光性顏料的方法。

2. 所有戶外曝曬之間相關性很好。

3. 所有戶外曝曬都快速、有效。曝曬35天，所有油墨試樣的相關耐久性已得到確定。

4. 在此試驗系列中，在一年的不同測試時間里，油墨的性能排序是一致的。季節(jié)變化僅對老化速度有影響。

5. 戶外曝曬對每種油墨的耐光性測試都非常有效。因為有報道稱(Tobias和Everett, 2002)油墨打印的襯底可能對油墨穩(wěn)定性有影響，建議使用多種襯底對油墨進行測試。

第2部分將展示實驗室加速測試如何模擬自然曝曬的結果。第3部分將為您提供建議，如何開發(fā)一種快速、方便的方法來確定哪種油墨是您所需的。

第2部分

我們整體研究的目的是：

(1)對典型平版印刷油墨在處于“最嚴苛”環(huán)境里的耐光性能進行量化;

(2)建立合理的油墨耐光性測試基準;

(3)確定測試方法，提供快速、簡單的方法來評估油墨的性能。

在第1部分中(GATFWorld, 2004年4月)，我們展示了在佛羅里達和亞利桑那以“透過玻璃框下的太陽光”方式進行的戶外曝曬結果。我們在這些極端氣候環(huán)境中做曝曬測試的主要原因是為了研究平版印刷油墨處在一個非常嚴酷的室內(nèi)環(huán)境中是否能保持耐光性。

在第2部分，我們將展示同一組平版印刷油墨試樣的實驗室氙弧暴露試驗結果。我們有兩個目標，想確定：

(1)通過對真實退化模式和相對等級排序的分析，研究實驗室試驗模擬戶外真實曝曬的結果如何;

(2)與自然曝曬相比，實驗室暴露究竟能快多少?

為什么選擇氙燈試驗?

在歷史上，加速實驗室測試在油墨行業(yè)已經(jīng)得到應用，以求快速獲得測試結果。其中氙燈試驗箱已被廣泛應用，因為它能通過加強關鍵環(huán)境影響因素而快速得出測試結果，比如光譜、光強、相對濕度(RH)和溫度。

對大多數(shù)室內(nèi)產(chǎn)品來說，透過窗玻璃的直射太陽光是最嚴酷的室內(nèi)光照條件?？逻_公司最近一項研究表明，即使透過窗玻璃的非直射太陽光仍在家中室內(nèi)照明條件中占主導地位(Bugner, LaBarca等，2003)。因此，此項GATF / Q-Lab研究使用配備“窗玻璃濾光器”的Q-SUN®氙燈老化試驗箱來獲得適當?shù)墓庾V。

試驗程序

GATF和Q-Lab老化研究服務中心使用Q-SUN氙燈老化試驗箱對油墨試樣進行測試。其中一臺氙燈老化試驗箱是體積較小，價格較低的臺式試驗箱，沒有配備相對濕度控制(Xe-1機型)，而另一種是全尺寸、全功能的氙燈老化實驗箱，配備有精確的相對濕度控制功能 (Xe-3機型)。我們在不同的機型中進行老化試驗，看能否得到相同的結果。

GATF挑選了8種廣泛應用的平印油墨顏色作為試樣，包括品紅色、紫羅蘭、橙色、紅色、紫色、和三個不同的黃色。試驗使用Little Joe印刷打樣機來確保印刷品的典型膠印膜厚。油墨印在標準的、有涂層的、70磅重的紙上。每一種顏色的樣品都將進行所有類型的暴露測試。

佛羅里達和亞利桑那曝曬總結

在第1部分中，透過玻璃框的太陽光曝曬為油墨試驗提供了一個高紫外線、高溫和高相對濕度(RH)的曝曬環(huán)境。我們在佛羅里達和亞利桑那標準曝曬場對油墨進行曝曬試驗，該試驗可廣泛應用于測試油漆、塑料、紡織品和其它各種材料。

在大約一個月的時間里，這些極端的、真實測試環(huán)境可以迅速區(qū)分耐光性好的和差的油墨。不同曝曬季節(jié)或曝曬地點，測試都快速、有效，而且油墨的相對排序都非常相似。自然曝曬試驗中的差異是各種試樣性能退化的速度。

Q-sun氙燈老化試驗箱

氙燈試驗條件

Q-SUN氙燈老化試驗箱(Xe-1機型和Xe-3機型)

ASTM D3424,方法3

窗玻璃濾光器

輻照度：0.55 W/m2/nm，波長340 nm

相對濕度：Xe-1型試驗箱，有效RH = 15%

Xe-3型試驗箱，RH = 50%

暴露循環(huán)：在 63 ± 3°C(145 ± 5°F)溫度下持續(xù)光照

測試時間：31天

總輻照量= 1473 kJ/m2，波長340 nm

圖1-配備窗玻璃濾光器的Q-SUN老化實驗箱vs透過窗玻璃的太陽光

分別在曝曬前、曝曬過程中和曝曬結束后測量油墨試樣的顏色變化。根據(jù)ASTM D2244標準，使用分光光度計來測量顏色。每個試樣的顏色變化都以ΔE的值(總顏色變化)來表示。

Q-SUN試驗結果

10天之后，兩臺Q-SUN氙燈老化試驗箱都非常好地區(qū)分了優(yōu)質(zhì)油墨和劣質(zhì)油墨。圖2為Q-SUN Xe-1試驗箱中8種顏色油墨試樣的耐光性能。

圖2 – Q-SUN中8種平版印刷油墨的耐光性

兩臺試驗箱也都能挑選出耐光性好和耐光性差的黃色油墨。圖3為Q-SUN Xe-1試驗箱中3種黃色油墨試樣的耐光范圍。

圖3 Q-SUN中3種黃色油墨的耐光性

盡管他們最初的外觀是相似的，但其中一種黃色油墨的耐光性能比其它的要好很多。這展示了各種油墨配方的耐光范圍，同時說明了測試的價值。具有優(yōu)良耐光性的黃色油墨專用于藝術品或戶外應用，而其它的是用于一般商業(yè)印刷。

相對濕度

為了確定RH(相對濕度)的作用，同時使用相對濕度為50% (Xe-3-H機型)和有效相對濕度約為15%(Xe-1機型)的兩種不同Q-SUN試驗箱對油墨進行暴露測試。圖4對暴露試驗10天后的結果進行對比。所得數(shù)據(jù)有非常好的相關性。相對濕度對這些油墨的影響非常小。

圖4-相對濕度對耐光性能無明顯影響

Q-SUN與佛羅里達的對比

在第1部分中，我們?yōu)樵诜鹆_里達和亞利桑那極端氣候環(huán)境下的油墨耐光性測試建立了標準。在第2部分中，我們想將Q-SUN試驗箱測試結果和戶外數(shù)據(jù)進行對比。圖5比較了使用Q-SUN試驗箱暴露10天和佛羅里達玻璃框下曝曬35天的數(shù)據(jù)。

圖5-Q-SUN試驗箱顯示了與佛羅里達曝曬之間極高的相關性

盡管顏色變化ΔE的絕對值不相同，但兩種暴露試驗顯示了優(yōu)秀的等級排序*一致性。在這個比較中，Q-SUN試驗10天大概相當于佛羅里達曝曬35天的結果。對于這組油墨試樣，Q-SUN提供了將近4倍的加速系數(shù)。

如表1所示，Q-SUN試驗箱測試和戶外曝曬結果的等級排序具有非常高的一致性。

*等級排序數(shù)值1.0表示優(yōu)秀的等級排序一致性。數(shù)值0則表示等級排序一致性比較混亂。數(shù)值-1.0表示等級排序相關性為負。

結論

第1部分已確定了這些平版印刷油墨耐光性能的真實基準數(shù)據(jù)。無論在任何季節(jié)，佛羅里達和亞利桑那玻璃框下曝曬(35天)后都可迅速區(qū)分具有良好耐光性的油墨和較差耐光性的油墨。而在第2部分我們可以得出以下結論：

1. 像佛羅里達、亞利桑那曝曬一樣，Q-SUN氙燈老化試驗箱也可分辨出表現(xiàn)良好的油墨與表現(xiàn)差的油墨。雖然沒有一個加速實驗室測試可以完全替代實際的真實環(huán)境，Q-SUN氙燈老化試驗箱測試卻與已有的戶外曝曬基準數(shù)據(jù)有很好的相關性。

2. Q-SUN Xe-1臺式氙燈老化試驗箱和較昂貴的Q-SUN Xe-3氙燈老化試驗箱作出的試驗結果完全一致。在這個特定的研究中，RH(相對濕度)對測試結果沒有顯著的影響。Q-SUN Xe-1氙燈老化試驗箱操作簡便。

3. Q-SUN氙燈老化試驗箱能夠快速得到試驗結果。僅僅10天時間，Q-SUN氙燈老化試驗箱就可再現(xiàn)佛羅里達玻璃框下35天的曝曬。根據(jù)每年的曝曬時間不同，加速系數(shù)的范圍從大約4倍到將近7倍。然而需要注意的是，這些加速系數(shù)可能不適用于其它類　　型的油墨。

第3部分

本文是平版印刷油墨耐光性能測試系列的最后一部分。我們的目標是：(1)測試典型平版印刷油墨在“最嚴酷”真實氣候環(huán)境下的耐光性能;(2)建立一個合理的油墨耐光性測試曝曬基準;(3)使用標準化的測試方法對油墨的性能進行快速簡易的評估。

在第1部分，我們介紹了佛羅里達和亞利桑那極端氣候環(huán)境 “玻璃框下太陽光”曝曬的結果。測試的目的是為了確定平版印刷油墨在一個嚴酷的室內(nèi)環(huán)境條件下是否能保持耐光性。

在本文的第2部分，我們介紹了通過實驗室氙弧燈設備對完全相同的一組平版印刷油墨試樣進行暴露測試的結果，發(fā)現(xiàn)：(1)通過對真實退化模式和相對等級排序的分析，研究實驗室試驗模擬戶外真實曝曬的結果如何;(2)與自然曝曬相比，實驗室暴露究竟能快多少?

在第3部分，我們得出了最終的研究結果，針對如何建立一個幫助您確定哪種油墨真正適合您的油墨試驗方案提供了指導和建議。

開發(fā)一個行之有效的試驗程序

為了設計一個有效的試驗程序，得到有意義的試驗結果，您必須首先定義您的試驗目標。也就是說，您測試您的油墨是不是為了：

·避免產(chǎn)品失效

·針對供應商宣稱的油墨性能進行驗證

·找到能滿足您特定需求的油墨

為了得到這些問題的答案，您需要通過定義以下4個方面對您的產(chǎn)品有一個清晰的了解：

1. 應用油墨的應用? (比如：一般應用，包裝或者文本印刷)

2. 使用環(huán)境 油墨是用于室內(nèi)還是戶外?

3. 失效模式 是哪種類型的產(chǎn)品失效? (比如：褪色、變色、脫層等)

4. 失效終點 如何量化某個配方是否適用?

一旦為您的特定產(chǎn)品定義了以上4點，您應該了解某些有關暴露測試的一般性假設。既然你不可能模擬產(chǎn)品可能遇到的每一種環(huán)境，你就應該設計一個“最嚴酷”的測試環(huán)境。選擇極端的油墨應用環(huán)境，借此建立基準來評估您產(chǎn)品的性能。通過這樣的方式，無論您的產(chǎn)品的最終應用環(huán)境如何，它的性能表現(xiàn)都能讓您滿意。

注意：任何最終應用環(huán)境都會使油墨產(chǎn)生不同程度的退化。因此，對于使用壽命的預測是極具風險而且相當不可靠的。除了紫外光 照，還有大量其他因素也可能造成產(chǎn)品失效：溫度、潮濕、濕度和臭氧。這些環(huán)境因素可以獨立起作用，也可以配合紫外光照起作用。因為這些因素，您不能簡單地把試驗數(shù)據(jù)輸入一個數(shù)學方程來對壽命進行準確的預測。如果您真的需要對產(chǎn)品使用壽命進行預測，您必須在實際的使用環(huán)境下進行測試。

匯總

在您已經(jīng)確定您的測試目標和對測試的一般假設后，您就可以準備開始試驗了。

如第1部分所示，選擇國際公認的基準曝曬場，如佛羅里達和亞利桑那，在極端而真實的環(huán)境下測試您的產(chǎn)品。通過此項測試，您將得到產(chǎn)品的基準耐候數(shù)據(jù)。

一旦您(1)在基準曝曬場通過測試確定了產(chǎn)品的性能;及(2)確認了您產(chǎn)品的失效模式，你就應該有信心進行加快測試，更快速地得出測試結果。換句話說：“先模擬后加速”。

針對產(chǎn)品耐光性的實驗室加速測試較好使用一個類似Q-SUN氙燈老化試驗箱的測試裝置來實現(xiàn)。合適的過濾氙燈可以良好地模擬透過窗玻璃的太陽光的光譜。這種光譜通常是室內(nèi)最重要的照明條件。氙燈試驗裝置通過加速關鍵環(huán)境因素，如光強、相對濕度和溫度，來為您提供更快速的試驗結果。

在進行了多次氙燈試驗并得到產(chǎn)品的耐候數(shù)據(jù)后，您可以使用統(tǒng)計方法來分析這些數(shù)據(jù)，例如等級排序，以評估產(chǎn)品間的相對性能(如“對于某些條件A的表現(xiàn)比B要好”)。

此時您就可以確定自然曝曬和實驗室暴露試驗結果之間的一致性。一旦建立了一致性，您就可以使用實驗室加速測試所得到的數(shù)據(jù)來評估產(chǎn)品性能。這種方法可以幫您選擇正確的供應商或產(chǎn)品配方。您應當定期進行更多的自然曝曬，用以和實驗室暴露測試結果進行對比，確認實驗室暴露測試結果的準確性。

結論與建議

理想的試驗步驟包括：

1. 戶外曝曬 在佛羅里達和亞利桑那基準曝曬場進行測試。

2. 實驗室加速試驗 使用Q-SUN氙燈老化試驗箱進行測試，能夠提供對透過窗玻璃的太陽光較好的模擬。

3. 標準試驗程序 使用標準試驗程序，如ASTM或ISO已被認可的試驗方法，對產(chǎn)品進行評估。這些標準文件能夠幫助賣家和供應

商之間建立互信。舉個例子，對于平版印刷油墨的耐光性試驗就有一個標準試驗程序(ASTM D3424)。這個試驗程序指定必須進行戶外玻璃框下曝曬和實驗室加速氙燈試驗兩種測試，來評估油墨性能。

4. 試驗、評估、再次試驗 您應該進行自然曝曬和實驗室加速兩種測試。自然曝曬提供真實曝曬數(shù)據(jù)，而加速測試可以快速給您答案。