Светостойкость — это свойство красителя, такого как краситель или пигмент , которое описывает его устойчивость к выцветанию под воздействием света. [1] [2] [3] Красители и пигменты используются, например, для окрашивания тканей , пластмасс или других материалов, а также для производства красок или типографских чернил .
Обесцвечивание цвета происходит из-за воздействия ультрафиолетового излучения на химическую структуру молекул, дающих 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, которые противостоят этому эффекту, называются светостойкими . Электромагнитный спектр солнца содержит длины волн от гамма-волн до радиоволн. Высокая энергия ультрафиолетового излучения , в частности, ускоряет выцветание красителя. [7]
Энергия фотонов UVA - излучения , которая не поглощается озоном воздуха, превышает энергию диссоциации одинарной связи углерод-углерод , что приводит к разрыву связи и выцветанию цвета. [7] Неорганические красители считаются более светостойкими, чем органические . [8] Черные красители обычно считаются наиболее светостойкими. [9]
Светостойкость измеряется путем воздействия на образец источника света в течение определенного периода времени, а затем сравнения его с неэкспонированным образцом. [2] [3] [10]
В процессе выцветания молекулы красителя подвергаются различным химическим процессам, которые приводят к выцветанию.
Когда УФ-фотон реагирует с молекулой, действующей как краситель, молекула возбуждается из основного состояния в возбужденное состояние. Возбужденная молекула является высокореакционноспособной и нестабильной. Во время гашения молекулы из возбужденного состояния в основное состояние атмосферный триплетный кислород реагирует с молекулой красителя, образуя синглетный кислород и радикал супероксида кислорода . Атом кислорода и радикал супероксида, образующиеся в результате реакции, являются высокореакционноспособными и способны разрушать красители. [7]
Фотолиз , т. е. фотохимическое разложение, представляет собой химическую реакцию, в которой соединение расщепляется фотонами. Это разложение происходит, когда фотон достаточной энергии сталкивается со связью молекулы красителя с подходящей энергией диссоциации. Реакция вызывает гомолитическое расщепление в хромофорной системе, что приводит к выцветанию красителя. [7]
Фотоокисление , т. е. фотохимическое окисление . Молекула красителя, возбуждаемая фотоном достаточной энергии, подвергается процессу окисления. В этом процессе хромофорная система молекулы красителя реагирует с кислородом воздуха, образуя нехромофорную систему, что приводит к выцветанию. Красители, содержащие карбонильную группу в качестве хромофора, особенно уязвимы для окисления. [7]
Фотовосстановление , т.е. фотохимическое восстановление . Молекула красителя с ненасыщенной двойной связью (типично для алкенов ) или тройной связью (типично 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 растительные волокна, позволяет красителям удалять водород из целлюлозы, что приводит к фотовосстановлению на целлюлозном субстрате. Одновременно краситель будет подвергаться окислению в присутствии кислорода воздуха, что приводит к фотоокислению красителя. Эти процессы приводят как к выцветанию красителя, так и к потере прочности субстрата. [7]
Фототендеринг , т.е. фотохимическое тендеринг. В результате воздействия УФ-излучения материал субстрата поставляет водород молекулам красителя, восстанавливая молекулу красителя. По мере удаления водорода материал подвергается окислению. [7]
Некоторые организации публикуют стандарты для оценки светостойкости пигментов и материалов. Тестирование обычно проводится путем контролируемого воздействия солнечного света или искусственного света, создаваемого ксеноновой дуговой лампой . [11] Акварели , чернила , пастель и цветные карандаши особенно подвержены выцветанию со временем, поэтому выбор светостойких пигментов особенно важен для этих сред. [1]
Наиболее известными шкалами измерения светостойкости являются шкала Blue Wool , серая шкала и шкала, определенная ASTM (American Standard Test Measure). [11] [12] [13] [14] По шкале Blue Wool светостойкость оценивается в диапазоне от 1 до 8. 1 — очень плохая, а 8 — отличная светостойкость. По серой шкале светостойкость оценивается в диапазоне от 1 до 5. 1 — очень плохая, а 5 — отличная светостойкость. [1] [2] [10] По шкале ASTM светостойкость оценивается в диапазоне IV. I — отличная светостойкость, что соответствует оценкам 7–8 по шкале Blue Wool. V — очень плохая светостойкость, что соответствует оценке 1 по шкале Blue Wool. [10]
Фактическая светостойкость зависит от силы солнечного излучения, поэтому светостойкость зависит от географического положения, сезона и направления экспозиции. В следующей таблице перечислены предполагаемые соотношения оценок светостойкости по разным шкалам измерений и соотношения относительно времени при прямом солнечном свете и нормальных условиях экспозиции: вдали от окна, под непрямым солнечным светом и в правильной раме за защитным стеклом от УФ-излучения. [10]
Относительное количество выцветания можно измерить и изучить с помощью стандартных тестовых полосок. В рабочем процессе теста Blue Wool один набор контрольных полосок должен храниться защищенным от любого воздействия света. Одновременно другой эквивалентный набор контрольных полосок экспонируется под источником света, определенным в стандарте. Например, если светостойкость красителя указана как 5 по шкале Blue Wool, можно ожидать, что он выцветет на такую же величину, как и полоска номер 5 в наборе контрольных полосок Blue Wool. Успешность теста можно подтвердить путем сравнения набора контрольных полосок с контрольным набором, который хранился защищенным от света. [12] [13]
В печати органические пигменты в основном используются в чернилах, поэтому изменение или обесцвечивание цвета печатного продукта из-за присутствия УФ-излучения обычно является лишь вопросом времени. Использование органических пигментов оправдано в первую очередь их недорогой 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 печатных работ, требующих чрезвычайной светостойкости. Толщина слоя краски влияет на светостойкость количеством пигмента, нанесенного на подложку. Слой краски, напечатанный трафаретной печатью, толще, чем напечатанный офсетной печатью. Другими словами, он содержит больше пигмента на единицу площади. Это приводит к лучшей светостойкости, даже если печатная краска, используемая в обоих методах, будет основана на одном и том же пигменте. [7]
При смешивании печатных красок краска с более слабой светостойкостью определяет светостойкость всего смешанного цвета. Выцветание одного из пигментов приводит к сдвигу тона в сторону компонента с лучшей светостойкостью. Если требуется, чтобы на отпечатке что-то было видно, даже если его доминирующий пигмент выцветет, то к нему можно подмешать небольшое количество пигмента с отличной светостойкостью.