C&A Applikationsnotiz Nr.2
Weißgrad-Indizes und UV Referenz-standards Allgemeine Information Die Auswertung der Weiße eines Produktes hängt sowohl vom verwendeten Material als auch der Anwendung ab. Natürliche Materialien zum Beispiel weisen einen gewissen Grad an Vergilbung auf, z.B. Wolle oder Baumwolle, ein Effekt, welcher durch Modifizierung des Materials kompensiert wird (gelbliche Färbung eines Produktes wird meistens als eine Qualitätsminderung angesehen, z.B. Vergilbung durch Schmutz oder Alterung) damit das Material „weißer“ erscheint. Neben Bleichen (einem Prozess der das Material chemisch entfärbt (z.B. durch Oxidation) und eine gleichmäßige Reflexion erzeugt), werden auch so genannte “optische Aufheller” verwendet, um die Absorption gelblicher Produkte im unteren Bereich des Spektrums zu kompensieren, und durch Fluoreszenz das Material „weißer als weiß“ erscheinen zu lassen. Optische Aufheller absorbieren Energie des elektromagnetischen Spektrums im nichtsichtbaren UV-Bereich (mehrheitlich unterhalb 400nm) und emittieren dieses in einem breiteren Spektralbereich als absorbiert wurde zwischen 400-480nm. Dadurch resultieren Reflexionskurven mit mehr als 100% Reflexion zwischen 400-480nm, die das Material leicht bläulich erscheinen lassen. Da das Auge leicht bläuliche Materialien von ansonsten einheitlicher Reflexion als heller wie den ideal streuenden Diffusor („weißestes“ natürliches Weiß) bewertet, sind diese Farbmittel ein gängiger Weg, um einem Produkt zusätzliche Weiße zu verleihen, z.B. Textilien oder Papier. Bitte beachten Sie, dass „Weiß“ nicht mit dem übereinstimmt, was wir „Farbe“ nennen – es handelt sich hier um zwei unterschiedliche Sinneseindrücke. Während die Messung von nicht-aufgehellten Materialien in der Industrie Standard ist, entstehen durch die Auswertung von UV-Anteilen in einem Material des Öfteren Fragen. Bitte beachten Sie, dass die Messung von „Weiße“ nicht nur von den Einstellungen des Messgerätes abhängt, sondern auch von den verwendeten UV-Referenzstandards.
F: Gibt es Unterschiede zwischen den verfügbaren Indizes? A: Ja, die gibt es! Es existieren mehrere Dutzend Berechnungen für das was das Auge als „Weiße“ definiert. Da leicht bläuliche Materialien als „weißer“ wahrgenommen werden, wurde im Gegensatz zu früheren Zeiten z.B. die Kompensation gelblicher Rohmaterialien durch bläuliche Farbmittel oder optische Aufheller eine gängige Vorgehensweise, was die Modifizierung bestehender Formeln nach sich zog. Unterschiedliche Anwendungen definieren eigene Weißstandards oder Weißreferenzen, und so wurden für diese unterschiedliche Industrien, z.B. die Papier-, Textil- oder Nahrungsmittelindustrie, durch andersartige mathematische Beschreibungen der „Weiße“ unterschiedliche Indizes festgelegt.
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F: Welchen UV-Standard soll ich für die Kalibrierung meins Gerätes verwenden?? A: Dies kommt auf Ihre Anwendung an! Da unterschiedliche Materialien unterschiedliche optische Eigenschaften besitzen, sollten idealerweise auch Standards aus dem gleichen Material verwendet werden, um eine korrekte UV-Kalibrierung durchzuführen. Benutzen Sie einen Papierstandard für Papieranwendungen, einen Textilstandard für Textilien oder Kunststoffstandards für Kunststoffanwendungen - einen Kunststoffstandard für Textil-Anwendungen zu verwenden kann fehlerhafte Ergebnisse liefern. Sie finden eine Liste von Herstellern für UV-Standards am Ende dieses Dokumentes. F: Wie sehe ich, ob mein Produkt optische Aufheller verwendet? A: Schauen Sie sich die Spektralkurve der Messung an! Optische Aufheller absorbieren Energie außerhalb des sichtbaren Spektrums und emittieren diese im sichtbaren Bereich bis zu 480nm. Dadurch resultieren Spektralkurven mit einem „Höcker“ im Blaubereich. Schauen Sie sich einmal das Bild unten genauer an.
Hier sehen Sie den Einfluss des optischen Aufhellers auf einen weißen Kunststoff-Standard. Während die rote Kurve den „normalen“ Farbton darstellt, den der Kunststoff unter einer Lichtquelle ohne UV-Anteil hätte (hier simuliert durch einen 420nm UV-Sperrfilter), zeigt die grüne Kurve den Einfluss des optischen Aufhellers auf das Material – Energie bis ca. 410nm wird absorbiert und als Höcker mit einem Maximum bei ca. 420nm wieder abgegeben – die Kurve steigt auf ca. 120% Reflexion!
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Weißgrad-Indizes Für Industrien, die die Weiße Ihres Produktes beurteilen müssen, findet sich eine große, fast unüberschaubare Anzahl an Indizes. Da der Gebrauch dieser Indizes immer stärker zur Kommunikation von Werten als Qualitätsmerkmal verwendet wird, ist die korrekte Auswahl entscheidend. Dieses Dokument soll eine Übersicht der meistgebrauchten Indizes bieten.
Weißgrad-Index CIE Publiziert wurde diese Formel in 1986 zusammen mit der 2. Edition der Publikation 15 durch das CIE Komitee Colorimetry, um eine einheitliche Beurteilung der Weiße von Oberflächenfarbtönen zu gewährleisten. Es wird vorgeschlagen, diesen Index für Vergleiche von Mustern unter CIE Lichtart D65 zu verwenden .(“…to promote uniformity of practice in the evaluation of whiteness of surface colours … (and it is recommended to)… be used for comparisons of the whiteness of samples evaluated for CIE standard illuminant D65” [CIE Technical Report 2004 Colorimetry]). Der Vergleich findet auf relativer Basis statt. Die Berechnung ist wie folgt
WCIE = Y + 800(xn - x) + 1700(yn - y) Wobei “Y” der Y-Normfarbwert des Musters, “x”, “y” die x, y Chromazitätskoordinaten des Musters, und xn , yn die Koordinaten des idealen weißen Diffusors für den CIE 1964 10°-Normalbeobachter sind. Obwohl die Formel auch den Gebrauch mit C/2 Lichtart/Beobachter zulassen würde, wird der Gebrauch strikt für D65/10 vorgegeben und der Index sollte auch so verwendet werden. Weißgrad-Index ASTM E313-00 Der ursprüngliche Index ASTM E313 beschrieb die Auswertung der Weiße unter Zuhilfenahme eines Colorimeters mit WE313 = 4B – 3G (wobei B= Wert Blaufilter und G= Wert Grünfilter), in der letzten ASTM E313-00 wird jedoch auch der CIE Weißgrad spezifiziert, wobei eine Tabelle für die Ausweitung der Berechnung auf C, D50 und D65 als auch für 2°- und 10-Beobachter angegeben wird. Das Komitee des AATCC definiert den Gebrauch der ASTM E313-00 mit C/2°. Weißgrad-Index Ganz-Griesser Nicht nur einen Index sondern eine komplette Prozedur zur Messgeräteunabhängigen Auswertung von Weiße stellt die Ganz-Griesser Methode dar. Zur Auswertung der Weiße ist diese derzeit der einzige Index auf dem Markt, der Instrumentenspezifische Parameter unter Zuhilfenahme einer kompletten UV-Kalibrierskala in die UV-Kalibrierung mit einbezieht, um verlässliche Werte auf verschiedenen Geräten zu erzielen. Definiert für den Gebrauch mit D65/10° und der Referenzwellenlänge 470nm, berechnet der Index sich wie folgt:
WGanz = Y - 1868.322 x + -3695.690 y + 1809.441
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Technologie Hardware Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Technologien im Markt um den UV-Anteil einer Beleuchtungsquelle im Gerät zu kalibrieren. Die “traditionelle” Methode benutzt mechanische UV-Sperrfilter welche den Anteil an UV-Energie der Lampenanregung verringern (erstmals Mitte der 1970er Jahre durch Gärtner und Griesser beschrieben) sowie die numerische UVKontrolle, welche durch Herrn Imura 1997 erfunden wurde und durch Konica Minolta patentiert ist. Mechanische UV Filters sind die meistgebrauchte doch unzuverlässigste Methode, um den UV-Anteil einer Beleuchtungslichtquelle zu kontrollieren. Um gute Werte zu erzielen, müssen die verwendeten UV-Sperrfilter konstant justiert werden, um die abnehmende UV-Menge der Lampe (ein normaler physikalischer Prozess) zu kompensieren. Darüber hinaus können die verwendeten mechanischen Komponenten (z.B. Motoren) defekt werden und eine korrekte Justage unmöglich machen. Sobald ein bestimmter Wert an UV-Energie der Lampe erreicht ist, kann mit dieser Technologie keine weitere Justage auf Referenzwerte erfolgen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die patentierte NUVC-Technologie (numerical UV control) nicht nur den UV-Anteil zu kalibrieren sondern auch mit jeder Messung zu kontrollieren. Dies wird durch drei unabhängig voneinander gesteuerte Xenon-Blitzlampen ermöglicht, eine mit ungefiltertem UV-Anteil, und zwei gefilterten (400 und 420nm). Dieses Setup erlaubt nicht nur eine hohe Flexibilität bei der Wahl der Filterung ohne mechanische Teile, sondern auch die Kontrolle des korrekten UV-Anteils bei jeder Messung. Dadurch kann bei diesem Aufbau anders als bei dem mechanischen System, auch bei Abnahme der UV-Energie der Lampen ein Betrieb gewährleistet werden. Einzigartig ist bei dieser Methode auch die Fähigkeit, die Xenon-Lampen für die Messung mit nur 30% der Leistung zu betreiben („Softflash“). Dadurch kann ein sogenannter „TripletEffekt“ vermieden werden, d.h. durch die höhere Energie der Xenon-Lampe im Gegensatz zu z.B. Sonnenlicht, werden die Moleküle von optischen Aufhellern modifiziert und auf eine energetisch verringerte Stufe gebracht. Da die Zeit zwischen Blitz und Messung geringer ist als der Übergang der Moleküle in die energetische korrekte Stufe, misst das Gerät eine (eigentlich nicht vorhandene) absinkende UV-Anregung. Im unteren Bild kann man sehen, dass die orangene Kurve mit voller Intensität (im Gegensatz zur grünen) um 520nm abfällt um danach wieder bis ca. 560nm anzusteigen- ein Triplet-Effekt.
Egal welche Technologie Sie benutzen – kalibrieren Sie Ihr System gewissenhaft der Anwendung und Anforderung entsprechend!
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Fluoreszenz-Referenzstandards für unterschiedliche Anwendungen Um verlässliche und ISO konforme Referenzstandards zu liefern, wurde von dem technischen Komitee 6 der ISO (TC6) ein Workflow generiert, der 3 unterschiedliche Genauigkeitsstufen definiert, genannt ISO Referenzstandards Level 1, 2 oder 3, abgekürzt als IR1, IR2 und IR3. IR1 kann nur von nationalen Prüfinstituten erreicht werden und gilt als der ultimative Standard, welcher gegen den ideal reflektierenden Diffusor in Übereinstimmung mit der CIE definiert wird. IR2 Standards werden von Standardisierungslaboren (ausgerüstet für Absolutmessungen von Reflektionsfaktoren in Übereinstimmung mit ISO 4094) durch den Gebrauch von IR1 Standards gebildet, um autorisierten Laboren (welche die notwendige Ausrüstung und Kompetenz haben müssen um von ISO/TC 6 autorisiert zu werden) Referenzen zu liefern Autorisierte Labore benutzen die IR2 Standards, um damit ihre Referenzinstrumente zu kalibrieren und daraufhin IR3 Standards erstellen zu können. IR3 ist die Referenz für den industriellen Gebrauch, um damit Arbeitsinstrumente in den unterschiedlichsten Unternehmen zu kalibrieren. Standardisierungslabore sind verpflichtet, IR2 Standards in Intervallen zu tauschen, die nicht länger als 5 Jahre sein dürfen, während autorisierte Labore dies mit IR3 Standards in Intervallen kleiner als 2 Jahre machen müssen. Diese Prozedur gewährleistet Genauigkeiten wie in der Vereinbarung "Expression of results" zur Handhabung von internationalen Standards bei der Bestimmung von spezifischen optischen Charakteristiken beschrieben. Abgesehen von den ISO konformen Standards werden von einigen Herstellern auch nicht-ISO-konforme Referenzstandards angeboten. Diese können entweder für eine relative Bewertung benutzt oder alternativ von entsprechenden Instituten benutzerdefiniert kalibriert werden, um eine verlässliche Referenz zu erhalten. Diese Hersteller werden unter „Andere“ gelistet.
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Nationale Prüfinstitute Deutschland
Abkürzung
BAM
Offizieller Name
Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung
Internet (http://www.)
www.bam.de
Telefon
+49 30 81040
ISO Level
Level 2
Benutzerdefinierte Kalibrierung
Ja
Kanada
Abkürzung
NRC oder NRCC
Offizieller Name
National Research Council Canada
Internet (http://www.)
www.nrc.ca
Telefon
+1 613 993 9363
ISO Level
Level 2
Benutzerdefinierte Kalibrierung
Ja
Großbritannien
Abkürzung
NPL
Offizieller Name
National Physical Laboratory
Internet (http://www.)
www.npl.co.uk
Telefon
+44 20 8977 3222
ISO Level
Level 2
Benutzerdefinierte Kalibrierung
Ja
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Standards für spezifische Anwendungen (ISO IR 3 nur durch autorisierte Labore!) Papier CTP
Abkürzung
CTP
Offizieller Name
CENTRE TECHNIQUE DU PAPIER
Internet (http://www.)
www.webctp.com
Telefon
+33 476 15 40 15
ISO Level
Level 3
Kalibrierdaten
CIE WI, ISO B, Spektraldaten
Benutzerdefinierte Kalibrierung
Ja
Material
Fluoreszenz- und NichtFluoreszenzstandards
Abkürzung
KCL
Offizieller Name
The Finish pulp and paper research Institute
Internet (http://www.)
www.kcl.fi
Telefon
+358 9 4371 421
ISO Level
Level 3
Kalibrierdaten
CIE WI, ISO B
Benutzerdefinierte Kalibrierung
Ja
Material
Fluoreszenz- und NichtFluoreszenzstandards
KCL
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Innventia AB
Abkürzung
INNVENTIA AB
Offizieller Name
INNVENTIA AB (vorher bekannt unter STFI-Packforsk)
Internet (http://www.)
www.innventia.com
Telefon
+46 86 76 70 00
ISO Level
Level 3
Kalibrierdaten
CIE WI, ISO B
Benutzerdefinierte Kalibrierung
Ja
Material
Fluoreszenz- und NichtFluoreszenzstandards
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Textilien Hohenstein
Abkürzung
Hohenstein
Offizieller Name
Forschungsinstitut Hohenstein
Internet (http://www.)
www.hohenstein.de
Telefon
+49 7143 27 10
ISO Level
NA
Kalibrierdaten
Ganz-Griesser WI, CIE WI Spektraldaten nur für Konica Minolta NUVC
Benutzerdefinierte Kalibrierung
NA
Material
Fluoreszenzstandards (4 stufige Skala (1. Stufe nicht-fluoreszierend))
TITV Greiz
Abkürzung
TITV
Offizieller Name
Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e.V.
Internet (http://www.)
www.titv-greiz.de
Telefon
+49 3661 61 10
ISO Level
NA
Kalibrierdaten
Ganz-Griesser WI, CIE WI, ISO B, Spektraldaten
Benutzerdefinierte Kalibrierung
NA
Material
Fluoreszenz- und Nicht-Fluoreszenzstandards
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Andere Labsphere
Abkürzung
Labsphere
Offizieller Name
Labsphere Inc.
Internet (http://www.)
www.labsphere.com
Telefon
+1 603 927 42 66
ISO Level
NA
Kalibrierdaten
Spektraldaten möglich
Benutzerdefinierte Kalibrierung
NA
Material
Fluoreszenz- und Nicht-Fluoreszenzstandards in SpectralonTM Kunststoff
Axiphos
Abkürzung
Axiphos
Offizieller Name
Axiphos GmbH
Internet (http://www.)
www.axiphos.com
Telefon
+49 7621 426 693
ISO Level
NA
Kalibrierdaten
NA
Benutzerdefinierte Kalibrierung
NA
Material
Fluoreszenz- und Nicht-Fluoreszenzstandards in Kunststoff
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Sollten Sie weitere Informationen oder Hilfe benötigen, so wenden Sie sich bitte an Ihre lokale Konica Minolta Niederlassung oder Vertretung. Europäisches Hauptquartier Konica Minolta Sensing Europe B.V.
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