Светостойкость — это свойство красителя, такого как краситель или пигмент , которое характеризует его устойчивость к выцветанию под воздействием света. [1] [2] [3] Красители и пигменты используются, например, для окрашивания тканей , пластмасс и других материалов, а также для производства красок или печатных красок .
Обесцвечивание цвета вызвано воздействием ультрафиолетового излучения на химическую структуру молекул, придающих цвет предмету. Часть молекулы, отвечающая за ее цвет, называется хромофором . [4] [5]
Свет, попадающий на окрашенную поверхность, может либо изменить, либо разрушить химические связи пигмента, вызывая обесцвечивание или изменение цвета в процессе, известном как фотодеградация . [6] Материалы, устойчивые к этому эффекту, называются светостойкими . Электромагнитный спектр Солнца содержит длины волн от гамма-волн до радиоволн. Высокая энергия ультрафиолетового излучения особенно ускоряет выцветание красителя. [7]
Энергия фотонов UVA - излучения , не поглощаемого атмосферным озоном , превышает энергию диссоциации одинарной связи углерод-углерод , что приводит к разрыву связи и выцветанию окраски. [7] Неорганические красители считаются более светостойкими, чем органические красители. [8] Черные красители обычно считаются наиболее светостойкими. [9]
Светостойкость измеряется путем воздействия на образец источника света в течение заранее определенного периода времени, а затем сравнения его с неэкспонированным образцом. [2] [3] [10]
Во время выцветания молекулы красителя подвергаются различным химическим процессам, которые приводят к выцветанию.
Когда УФ-фотон реагирует с молекулой, действующей как краситель, молекула переходит из основного состояния в возбужденное состояние. Возбужденная молекула очень реакционноспособна и нестабильна. Во время тушения молекулы из возбужденного состояния в основное состояние триплетный кислород воздуха реагирует с молекулой красителя с образованием синглетного кислорода и супероксидного кислородного радикала . Атом кислорода и супероксидный радикал, образующиеся в результате реакции, обладают высокой реакционной способностью и способны разрушать красители. [7]
Фотолиз , то есть фотохимическое разложение, представляет собой химическую реакцию, при которой соединение расщепляется фотонами. Это разложение происходит, когда фотон достаточной энергии встречает связь молекулы красителя с подходящей энергией диссоциации. Реакция вызывает гомолитическое расщепление хромофорной системы, что приводит к обесцвечиванию красителя. [7]
Фотоокисление , т. е. фотохимическое окисление . Молекула красителя при возбуждении фотоном достаточной энергии подвергается процессу окисления. При этом хромофорная система молекулы красителя реагирует с кислородом воздуха, образуя нехромофорную систему, что приводит к выцветанию. Красители, содержащие карбонильную группу в качестве хромофора, особенно уязвимы к окислению. [7]
Фотовосстановление , т. е. фотохимическое восстановление . Молекула красителя с ненасыщенной двойной связью (характерна для алкенов ) или тройной связью (характерна для алкинов ), действующая как хромофор, подвергается восстановлению в присутствии водорода и фотонов достаточной энергии, образуя насыщенную хромофорную систему. Насыщение уменьшает длину хромофорной системы, что приводит к выцветанию красителя. [7]
Фотосенсибилизация , т. е. фотохимическая сенсибилизация. Воздействие солнечного света на окрашенный целлюлозный материал, такой как волокна растительного происхождения, позволяет красителям удалять водород из целлюлозы, что приводит к фотовосстановлению на целлюлозном субстрате. Одновременно краситель подвергается окислению в присутствии кислорода воздуха, что приводит к фотоокислению красителя. Эти процессы приводят как к выцветанию красителя, так и к потере прочности основы. [7]
Фототендер , то есть фотохимический тендер. Под воздействием ультрафиолета материал подложки поставляет водород к молекулам красителя, восстанавливая молекулу красителя. По мере удаления водорода материал подвергается окислению. [7]
Некоторые организации публикуют стандарты оценки светостойкости пигментов и материалов. Тестирование обычно проводится путем контролируемого воздействия солнечного света или искусственного света, генерируемого ксеноновой дуговой лампой . [11] Акварель , тушь , пастель и цветные карандаши особенно подвержены выцветанию со временем, поэтому выбор светостойких пигментов особенно важен для этих материалов. [1]
Наиболее известными шкалами, измеряющими светостойкость, являются шкала синей шерсти , шкала серого и шкала, определенная ASTM (Американская стандартная испытательная мера). [11] [12] [13] [14] По шкале синей шерсти светостойкость оценивается от 1 до 8. 1 – очень плохая светостойкость, 8 – отличная светостойкость. По шкале серого светостойкость оценивается от 1 до 5. 1 — очень плохая светостойкость, 5 — отличная светостойкость. [1] [2] [10] По шкале ASTM светостойкость находится в пределах IV. I отличается превосходной светостойкостью и соответствует оценкам 7–8 по шкале Blue Wool. V – очень низкая светостойкость и соответствует рейтингу 1 по шкале Blue Wool. [10]
Фактическая светостойкость зависит от силы солнечного излучения, поэтому светостойкость зависит от географического положения, сезона и направления воздействия. В следующей таблице приведены ориентировочные соотношения показателей светостойкости по разным шкалам измерения, а также зависимость от времени при прямом солнечном свете и нормальных условиях отображения: вдали от окна, под непрямым солнечным светом и в правильной рамке за стеклом, защищающим от ультрафиолета. [10]
Относительную степень выцветания можно измерить и изучить с помощью стандартных тест-полосок. В процессе проведения теста Blue Wool один комплект эталонных полосок должен храниться в защищенном от света месте. Одновременно другой эквивалентный набор тест-полосок подвергается воздействию источника света, определенного стандартом. Например, если светостойкость красителя указана как 5 по шкале Blue Wool, можно ожидать, что он выцветет на такую же величину, что и полоска номер 5 в наборе тест-полосок Blue Wool. Успех теста можно подтвердить, сравнив набор тест-полосок с эталонным набором, хранившимся в защищенном от света месте. [12] [13]
В печати в красках в основном используются органические пигменты, поэтому изменение или обесцвечивание цвета полиграфической продукции из-за присутствия УФ-излучения обычно является лишь вопросом времени. Использование органических пигментов оправдано прежде всего их невысокой стоимостью по сравнению с неорганическими пигментами. Размер частиц неорганических пигментов часто больше, чем у органических пигментов, поэтому неорганические пигменты часто не подходят для использования в офсетной печати . [15]
В трафаретной печати размер частиц пигмента не является ограничивающим фактором. Таким образом, это предпочтительный метод печати для работ, требующих исключительной светостойкости. Толщина слоя краски влияет на светостойкость за счет количества пигмента, нанесенного на подложку. Слой краски, напечатанный трафаретной печатью, толще, чем слой краски, напечатанный офсетной печатью. Другими словами, он содержит больше пигмента на площадь. Это приводит к лучшей светостойкости, хотя печатная краска, используемая в обоих методах, будет основана на одном и том же пигменте. [7]
При смешивании печатных красок чернила с более слабой светостойкостью определяют светостойкость всего смешанного цвета. Выцветание одного из пигментов приводит к сдвигу тона в сторону компонента с лучшей светостойкостью. Если требуется, чтобы на отпечатке было что-то видно, даже если его доминирующий пигмент потускнеет, то к нему можно смешать небольшое количество пигмента с отличной светостойкостью.