对特殊效果涂层的色彩及外观进行精确测量的重要研究突破(一)

2011-01-06

                            对特殊效果涂层的色彩及外观进行精确测量的重要研究突破(一)
  许多涂料行业相关企业发现传统的平面内分光光度测试法不足以精确测量现代汽车常用的效果颜料的表观颜色。知觉概念如闪光和粗度是非常明显的角度相关感觉，但简单的平面方法及单摄像几何法是不太充分及不太可靠的测量方法。以一种包含面外测试几何学新型设计的颜色表征设备及软件为基础，工程为涂料设计师、生产商以及终端用户创造出特种涂料的三维数学模型。这种新型设备使涂料公司为供应链上的每一环节提供准确数据，从而取得竟争优势。生产人员便能及时识别并解决那些其它测试方法不能检测到的缺陷。本文将提供这种技术信息并阐述其在涂料领域的应用结果。
 
  研究背景
  60多年来，颜色测定设备帮助企业确保由不同地方采用不同原料生产出的零剖析均能组装成完好的产品。依据不同市场的具体要求，测定方法也在不断改进。早期的积分球或0°/45°测量结构设备可以用于测定普通涂料。带5个观测角的争光光度计被用来控制金属闪光涂料。新型球光颜料在不同光照角度下可变换其颜色，在ASTME2539-08中阐明了对带多重光照角度的设备要求。
  尽管颜色测定设备可用于具有光泽纹理等效果的物质测定，但是物质的选定与生产控制过程通常依靠目测。目前传统的颜色测定方法因为不能直接支持生产工艺控制并且指出产生错误的根源，因而应用受到限制。汽车涂料、金属油墨、塑料用有机珠光颜料、带纹路与图案的织物、带光泽纸材印刷等领域都可以受益于外观界定等方面的数控技术。

  研究目标
  当前的金属闪光珠光涂料的工业测试标准主要为分光光度仪平面内测试。目前的复合涂层具有三维结构，因而这些测试方法通常不完全适用。涂层对色彩感和知变化的贡献在于面外的立体方向上。传统的平面内几何方法及单摄像体系不能说明感觉效果的事实，例如闪光和粗糙度本身就是角度相关特性，它们随着光照与观测条而改变。通常我们不对闪光与粗糙度这些感官特性进行测定。我们只能测定涂层的反射光与散射光。由于粗糙向反射分布函数（BRDF）的多维变化，闪光与粗糙度之类的感官性也相应改变。当前的系统无法准确地表征工艺与配方的改变对产品感官效果的影响。我们的目标在于提供一种成本节约型的硬件与软件解决方案。

  实验程序
  xDNA这是一新概念的确立是基于1977年亚利桑那在学光学院提出的双向反射分布函数（BRDF），该函数被广泛应用于各个领域。研究者使用BRDF，北朝鲜具有已知特性的光导向被测试表面并测定分析反射光，可以更好的了解物体的特性。根据能量守恒定律，入射光的能量等于反射光、折射光、吸收以及散射光的总和。
  xDNA概念一方面是基于任何物质皆是色散的这一事实。也就是说，物体对蓝光（400nm）与红外（700nm）的折射能力（折射率）不同。无论物质的外在颜色如何，其对不同光线的折射率均存在差异。即使外观为黑色或闪亮（如镜子）的物质也都表现出色散现象，这是由于光的反射或吸收作用不是发生在表面，而是在表面以下。任何物质都有特定的介电常数，这可以被认作测量其色散倾向的一种方式。物质的反射和吸收光线的能力怀介电常数的平方根成正比，由比我们获得关于物体组成可靠信息。
  xDNA概念的另一方面是基于光接解到任何物体皆会散射，组蓝光与红光散射情况不同。小颗粒物质散射光线的波长与大粒子不同。任何物体在某种程度上均会发生散射，即使是透明玻璃。这一规律同样与物体表面颜色无关。
  效应介质理论涂层或物体多复杂，我们仍把它作为单一均相物质处理。由九种成分组成的三层涂层可以被认作各个成分在层内以及层介而之间的加权平均而得到的一种物质。我们将表征由特定成分以及层结构形成的涂层的散射特性。如果物质成分甚或是平均粒径发生变化，其散射特性都会发生改变。
  既然现有的平面内几何测量或单摄像系统不能解决问题，工程师研发出了具有平面外几何结构特性的平台。考虑到市场对于便携式仪器的要求，包括新数据要与原有数据兼容一致，测量时间、重量、尺寸、成本等因素，不适合开发全新的测量平台，而需要在原有测量平台上进行改进。为获得工艺与配方相应的直观数据，需要做大量的试验才能得出所需外样板的少测量角度数。这种新开发的多角分光光度计用两个光源与400至700nm波长范围内的11个感测器。除了传统的五角度平面内几何结构，新增了两个平面内角与四个平面外角。为了提高数据密度与准确性，以及满足ASTM2539-08的规定，增加了第二个光源。
  实验中设计了工艺配方缓缦渐变下得到的数千个样板，从而实现了对特种涂层高度可靠及可重复的表征。
  有有效介质理论中，表征光的散射行为简单的方法之一是通过一个坐标系表征光从样品中发生与反射相关的散射方向。我们可以将其解释为一种前后或侧而偏离，其幅度相当于未被吸收光的能量。一定方向的散射或反射光线越多，其偏离幅度就越大。若对一波长都如研究的话，就可以分析物质或涂料的分散特性，以此类推，在所有波长下均匀反射并向各个方向均匀散射的材料在各个方向都没有偏离。Spectralon接近于这种行为。它在所有光照与观察角度下外观为白色，均匀分散。完好的Spectralon没有光泽，即使在入射光的角度非常大时也是如此。计算能量偏差简单的方法是从样品中心到色谱仪检测孔中心，每一观测的角度作为一个固定向量。为每个波长和观察角度设定一个向量，偏离的幅度用测得的能量来衡量。这种偏离是在逐个波长下对原有观测角度向量求和得出和。因此，每个单波长对应一个偏差向量。
  为了减小数据密度，实验中采用了向量加和法，用来加和多角光谱数据并将其表示成二维或三维形式，该方法符合效应介质理论的原理，测量方向的向量加和，其结果为各方向的反射系数。这种加和的结果是二维或三维空间内点形成谱图，每个点对应一个测量波长。
  为了使所有结果与一般反射率的数值相当，向量加和中的长度采用典型朗伯发射器的向量加和长度。
  反映结果的坐标系由镜面反射方向（Z轴）、入射光方向在镜面垂直方向的投影（Y轴）以及与这两个方向分别垂直的方向（X轴）构成，这个结果被称为谱图。
  实验中采用下述角度表征测量方向：
  *相对于表面法线的照明角度；
  *相对于镜面反射光的观察角度；
  *相对于照明方向的检测方位角。

  数据分析
     xDNA谱图转化的目的如下：
  *将工艺差异与配方差异区别开；
  *检测工艺稳定性；
  *针对涂料配方的改变，指导工艺调整。
 
  步骤1：采集原始数据
  对于每一个经一定工艺处理得到的特定材料表面，都有特定的xDNA图样。配方上的任何变化都会改变其xDNA图样。工艺上的任何变化都会引起图形位置与方向的改变。颜料分布上的任何变化都会对图样轮廓尺寸产生影响。
  必须牢记的是，工艺与配方之间有着关联，并不是截然分开的。测定的是板上的物质。既使机器操作没有发生改变，粒径的变化会改变处理过程。如气相Sio之类的添加剂如果被用于控制汽车涂料中片状金属颜料的取向，除了影响到片状颜料的取向，对测定的影响也是无法察觉的，它会引起流动速率和雾化等过程变数的改变。
  应用装置设定的影响因不同的应用装置而异。没有一种完全的光学标准可以界定是不同的应用装置、还是应用装置的不同设置，还是控制片状取向的添加剂、湿度或者其它的条件影响到应用过程。