ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАСЯЩЕЙ СИЛЫ КОЛОРАНТОВ

Красящая сила — это способность колоранта поглощать падающий свет и, таким образом, придавать оттенок и/или делать темнее белый материал (краску, текстиль, пластмассу и т.п.). Под колорантом в данной статье понимается любая окрашивающая субстанция: пигмент, пигментная паста, краситель, печатная краска, мастербач и т.п.
Красящая сила оценивается по интенсивности получаемой окраски, иными словами, по тому, насколько сильно материал, окрашенный с определенной концентрацией колоранта, отличается по оптическим свойствам от исходного, неокрашенного материала.
Красящая сила — одна из наиболее важных характеристик оптических свойств колоранта. Она характеризует взаимозаменяемость и экономическую эффективность применения колорантов в конкретном материале. Определяется всегда только относительная красящая сила, т.е. красящая
сила испытуемого колоранта по отношению к колоранту, принимаемому за эталон. Красящая сила равна количеству испытуемого колоранта, выраженному в процентах по отношению к количеству эталонного колоранта, принимаемому за 100%, при котором достигается равенство по интенсивности окраски образцов, окрашенных испытуемым и эталонным колорантами.

Kt = [(Tt×mr)/Tr×mt)]×100, (1)

 где mr — масса эталонного колоранта, mt — масса тестируемого колоранта;Tt, Tr — показатели интенсивности окраски тестируемого и эталонного образцов, определяемые с помощью колориметрического прибора. При визуальной оценке интенсивности подразумевается, что всегда Tt = Tr и показатель интенсивности исчезает из формулы.
Большинство методов определения красящей силы требуют, чтобы образцы, содержащие испытуемый и эталонный колорант, были подогнаны по интенсивности окраски путем подбора их концентраций. Визуальная подгонка для колориста не представляет трудности, когда рассматриваемые колоранты имеют подобные спектры, т.е. когда различия в цветовом тоне и насыщенности небольшие. При увеличении этих различий качество подгонки все больше зависит от опыта колориста: неточность оценки неизбежно возрастает при увеличении различия по цвету. С другой стороны, при увеличении различия между спектрами постепенно и довольно быстро достигается ситуация, при которой определение относительной красящей силы теряет смысл, поскольку колоранты теряют свою взаимозаменяемость в смесовых рецептурах.
Поэтому если речь идет о колорантах на основе хромофоров с различной химической структурой, разумно ограничить область применения характеристики «красящая сила» относительно небольшими цветовыми различиями.
Имеются случаи, когда колорант оценивается как способный полностью заменить эталонный колорант при некоторой концентрации в материале. Тем не менее даже для неорганических цветных колорантов и некоторых органических колорантов на основе хромофоров с одинаковой химической структурой это скорее исключение, потому что различия в красящей силе могут быть связаны с различием в размере частиц и в их распределении по размерам, что неизбежно приводит к различию в цветовом тоне. Поскольку это различие проистекает не от различия в концентрации, то не существует такого соотношения концентраций испытуемого и эталонного колоранта, при котором бы оно исчезло. И тогда возникает вопрос: какой критерий интенсивности окраски можно применить, чтобы найти концентрацию, оптимальную для замены одного колоранта другим?
При использовании приборов для измерения оптических свойств образов в качестве показателя интенсивности в различных стандартах используются:

• коэффициент пропускания на длине волны максимума поглощения;
• значение функции Кубелки–Мунка (КМ) на длине волны максимума поглощения;
• сумма значений функции КМ по всему видимому диапазону длин;
• сумма значений произведения функции КМ на функции сложения цветов колориметрического наблюдателя;
• цветовые координаты X, Y, Z в исходном или преобразованном виде;
• толщина красочного слоя;
• уровни стандартной интенсивности.
  

Цель определения красящей силы также может формулироваться с разными акцентами. Часто стоит задача замены колоранта (товарного продукта) близким по свойствам, но все же другим по происхождению или даже по колор-индексу колорантом. При такой постановке задачи приоритет смещается к получению максимально близких тестируемой и эталонной окрасок с учетом возможного остаточного цветового различия. Поскольку предполагается, что в общем случае полного цветового равенства окрасок двумя колорантами добиться не получится, подбирают некоторый критерий, связанный с оптическими свойствами и цветовым восприятием окраски, по которому можно было бы уравнять в принципе разные по цветовосприятию образцы. В самом деле, смысл выражения (1) заключается в утверждении существования равенства Tt = Tr, т.е. возможности подобрать такие концентрации двух колорантов, при которых это равенство будет выполнено. Благодаря наличию таких критериев — их возможные варианты перечислены выше — мы можем определить эквивалентные концентрации колорантов, которые обеспечивают получение наилучшего по восприятию совпадения образцов окраски. Такой формулировке задачи отвечает большинство описанных ниже стандартов. 
Другая формулировка задачи определения красящейсилы заключается просто в нахождении концентрации колоранта в конкретном текущем образце, обеспечивающем совпадение окраски с эталонным образцом при условии, что и материал, и колоранты идентичны по природе и происхождению. В данном случае мы практически уверены в возможности получения полного цветового равенства образца и эталона при правильно подобранной концентрации испытуемой партии колоранта. Поэтому нам не нужно искать физический параметр окраски, который будет коррелировать с визуальным восприятием, и не нужно добиваться в эксперименте максимального цветового равенства образца и этало-
на, достаточно найти такой физический параметр окраски T, который будет линейно связан с концентрацией колоранта. С помощью такого параметра красящая сила в этом случае выражается как Kt = (Tt/ Tr)×100, %, при условии что mt = mr.
Таким образом, в эксперименте по определению относительной красящей силы с использованием колориметрических приборов приходится решать две задачи:

• – добиться максимально возможного равенства интенсивности эталонной и испытуемой окрасок, если есть основания предполагать существенные различия сравниваемых колорантов;
• – измерить и сравнить интенсивность окрасок на основе выбранной меры интенсивности окраски.

Констатация равенства или близости окрасок эталонного и тестируемого образцов может выполняться визуально или с помощью колориметрических приборов. При приборном контроле в качестве критерия совпадения окрасок логичнее использовать величину цветового различия DE. Опишем несколько подробнее основные стандартные методики приборного определения красящей силы колорантов.
1. Метод измерения относительной красящей силы красителей в растворе.
Американская ассоциация химиков и колористов текстильной промышленности (AATCC). Метод испытаний 182-2005 «Относительная красящая сила красителей в растворе» (AATCC Test Method 182-2005 Relative Color Strength of Dyes in Solution).
В данном стандарте в качестве окрашиваемого материала выступает растворитель, и оптические характеристики измеряются в режиме пропускания. В качестве показателя интенсивности окраски принимается оптическая плотность
А_λ на длине волны максимума поглощения. Данная методика использует закон Бэра:
A_λ = lg(1/T_λ),
где T_λ — коэффициент пропускания на длине волны, соответствующей минимуму пропускания. Соответственно, красящая сила определяется по формуле:
Kt = [(Aλ_t ×mr)/(A_λt×mt)]×100, %. Метод рекомендуется использовать для химически идентичных красителей.
2. Методы измерения красящей силы колорантов в непрозрачных образцах.
Поскольку приблизительно линейно от концентрации колоранта зависит не коэффициент отражения, а функция КМ,  то большинство стандартов по определению красящей силы по непрозрачным образцам основано на применении этой функции в качестве показателя интенсивности окраски.
2.1. Метод одной длинны волны SWL (Single Wave Length)
ГОСТ 11279.1-83 «Красители органические. Методы определения относительной красящей способности (концентрации), оттенка и чистотокраски. Раздел 2 «Инструментальные методы», подпункт 2.1.4.1.
Стандарт ASTM D 2066-03 «Стандартные методы испытания относительной красящей силы пастообразных дисперсий печатных красок», раздел «Метод Б» (ASTM Designation: D 2066-03 Standard Test Methods for Relative Tinting Strength of Paste-Type Printing Ink Dispersions, Раздел Test method B — Tinting Strength of Paste-Type Printing Ink Dispersions) подпункт 12.6.
Стандарт ASTM Designation: D 387-00 «Стандартный метод испытаний окраски и красящей силы хроматических пигментов с использованием дисковой мельницы» (ASTM Designation: D 387-00 Standard Test Method for Color and Strength of Chromatic Pigments with a Mechanical Muller),
подпункт 13.4.
ASTM D 3022-84. Пересмотрен в 2005. «Стандартный метод испытаний окраски и красящей силы цветных пигментов с использованием дискового диспергатора» (ASTM D 3022-84 Reapproved 2005) Standard Test Method for Color and Strength of Color Pigments by Use of a Miniature Sandmill).
ISO 787-24:1985 «Пигменты и наполнители. Общие методы испытаний. Часть 24. Определение относительной красящей способности цветных пигментов и относительной рассеивающей способности белых пигментов. Фотометрические методы» (General methods of test for pigments and extenders — Part 24: Determination of relative tinting strength of coloured pigments and relative scattering power of white pigments — Photometric methods). AATCC Процедура оценки 6-2008 «Приборные измерения окраски» (AATCC Evaluation Procedure 6-2008 Instrumental Color Measurement).
Перечисленные стандарты в качестве показателя интенсивности окраски рекомендуют использовать значение функции КМ на длине волны минимума спектра отражения или другой, согласованной заинтересованными сторонами длине волны. Красящая сила определяется по формуле:

Kt = [(T_λt ×mr )/(T_λt×mt )]×100,% (2)
где T_λt = (1– R_λt)2/2 Rλt , T_λr = (1– R_λr)2/2 Rλr; R_λt — коэффициент отражения образца испытуемой окраски на длине волны λ
максимума поглощения; Rr — коэффициент отражения образца эталонной окраски на длине волны λ максимума поглощения,
Метод SWL не следует использовать для колорантов на основе хромофоров с различной химической структурой. При внутрипроизводственном контроле, когда сравниваются различные партии одного и того же колоранта, можно допустить незначительное визуальное несовпадение испытуемой и эталонной окрасок, поскольку для непрозрачных окрашенных слоев можно принять линейную зависимость функции КМ от концентрации в достаточно большом интервале концентраций. Для идентичных колорантов этот метод дает надежные результаты при различии в красящей силе до 15%.
2.2. Метод SUM
AATCC «Процедура оценки 6-2008. Приборные измерения окраски» (AATCC Evaluation Procedure 6-2008 Instrumental Color Measurement).
Помимо других в данном стандарте рекомендуется использовать в качестве меры интенсивности окраски сумму значений функции КМ по всему видимому спектру.

Метод применяется мало, так как суммирование по всему спектру значений функции КМ без учета спектральной чувствительности наблюдателя маскирует различия между колорантами и зачастую дает результаты, плохо согласующиеся с визуальными оценками.
2.3. Метод WSUM
AATCC «Процедура оценки 6-2008. Приборные измерения окраски» (AATCC Evaluation Procedure 6-2008 Instrumental Color Measurement).
ISO/DIS 787-26 «Определение относительной красящей силы и остаточного цветового различия колорантов — метод взвешенных значений КМ» (Determination of relative tinting strength and residual colour diff erence of colorants — Weighted KS value method). В этих стандартах предпринята попытка преодолеть ограничения вышеперечисленных методов. Они рекомендуют использовать суммы значений функции КМ, взвешенные по сумме функций сложения цветов.

В отличие от метода SWL этот метод более универсальный, он может применяться к колорантам, для которых характерно остаточное цветовое различие после уравнивания окрасок по интенсивности.
2.4. Метод на основе цветовых координат.
Стандарт ASTM D 4838-88 (одобрено в 2003 г.) «Стандартный метод определения относительной красящей силы хроматических красок» (ASTM Designation: D 4838-88 (Reapproved 2003) Standard Test Method for Determining the Relative Tinting Strength of Chromatic Paints).
Данный стандарт рекомендуется применять для определения красящий силы однотипных красок, содержащих один колорант с одинаковым колор-индексом и названием. Согласно стандарту готовят смесовые образцы испытуемых красок с базовой белой. В качестве меры интенсивности используются три удельных (отнесенных к единичной концентрации колоранта, выраженной в долях) значения функции «типа Кубел-ки-Мунка», которые получаются, если вместо коэффициента отражения использовать координаты цвета RGB:
NR = (FR/C) , NG = (FG/C) , NB = (FB/C) ,
где FR = (1–R)2/2R , FG = (1–G)2/2G ,FB = (1–B)2/2B; С — доля испытуемой цветной краски в составе образца.
Величины F_R, F_G, F_B можно рассматривать как аналоги суммарных значений функции Кубелки-Мунка «взвешенных» раздельно по каждой из координат RGB. Метод не рекомендуется для красок, содержащих смеси колорантов.
2.5. Методы на основе применения градуировочных графиков.
ГОСТ 16872-78 «Пигменты неорганические. Методы определения относительной красящей способности (или эквивалентной красящей способности) цвета в разбеле цветных пигментов».
Хотя этот ГОСТ считается действующим, он потерял свою актуальность в части инструментального метода определения красящей способности, так как компаратор ФКЦШ-М, используемый в измерениях по этому ГОСТу, давно не производится. Метод основан на построении калибровочного графика в координатах: логарифм концентрации испытуемого колоранта – величина цветового различия между испытуемыми и эталонным образцами, измеренная на компараторе цвета. Относительную красящую способность испытуемого цветного пигмента находят при помощи градуировочного графика через концентрацию испытуемого колоранта, соответствующую минимальному цветовому различию.
ГОСТ 11279.1-83 «Красители органические. Методы определения относительной красящей способности (концентрации), оттенка и чистоты окраски». Раздел 2 «Инструментальные методы» подпункт 2.6.3.
Поскольку концентрация колоранта в высохшем печатномслое при прочих равных условиях зависит от «мокрой толщины» наносимого печатного слоя, то интенсивность колорантов для печатных красок вместо концентрации определяют по эк-
вивалентной толщине печатного слоя. Для этого строят градуировочный график зависимости между величиной цветового отклонения от эталонной окраски DE и толщиной печатного слоя при постоянной концентрации колоранта в печатной краске. Красящая сила рассчитывается по толщине слоя, соответствующей минимальному цветовому различию.
2.6. Метод на основе интенсивности по Галлу.
DIN 53235-1 «Испытание пигментов. Испытание образцов стандартной интенсивности окраски. Часть 1. Стандартная интенсивность окраски» (Testing of pigments. Tests on specimens having standard depth of shade. Part 1. Standard depths of shade).
DIN 53235-2 «Испытание пигментов. Испытание образцов стандартной интенсивности окраски. Часть 2. Подгонка образцов под стандартную интенсивность окраски» (Testing of pigments. Tests on specimens having standard depth of shade. Part 2. Adjustment of specimens to standard depth of shade).
Уникальность стандарта DIN 53235-1 состоит в том, что он задает абсолютные значения интенсивности и поэтому позволяет уравнивать между собой по интенсивности даже окраски разного цветового тона. Это необходимо прежде всего при проведении испытаний устойчивости окраски. А если сравниваются колоранты близкого цветового тона, то стандарт позволяет сравнить их по красящей силе и экономической эффективности. Стандарт DIN 53235-1 вводит несколько уровней интенсивности окраски, выражаемых через цветовые координаты на основе полуэмпирической формулы,разработанной Людвигом Галлом, сотрудником компании BASF AG. Максимальной интенсивности соответствует уровень 1/1. Остальные стандартизируемые уровни обозначаются дробными значениями: 1/3; 1/9; 1/25; 1/200.
При этом рассчитывается отклонение от стандартного уровня интенсивности по формуле:
Bi = √Y (sai() –10) + bi,
где i обозначает уровень интенсивности (используется также термин «глубина тона»); Y — координаты цвета МКО Y; s — мера насыщенности, численно равная десятикратному линейному расстоянию между точкой испытуемого пигмента и ахроматической точкой (цветностью стандартного излучения):

где x0, y0 — координаты цветности ахроматической точки, а x, y — координаты цветности образца. ai(φ) — это коэффициент, учитывающий зависимость восприятия интенсивности от цветового тона

bi — это константы: b1/1 = 19, b1/3 = 29, b1/9 = 41, b1/25 = 56, b1/200 = 73.
Значения ai(φ) табулированы в первой части стандарта (DIN 53235-1). Для замены табулированных данных стандарт допускает использование полинома третьей степени.
Если рассчитанное для текущего образца значение Bi≈0,
то интенсивность его окраски соответствует выбранному
уровню стандартной интенсивности. При отрицательном зна-
чении интенсивность окраски меньше стандартной, а при положительном — больше.
Относительная красящая сила тестируемого колоранта определяется как обычно:
Kt = (mt /mr )х100, %
где mt, mr — массы тестируемого и эталонного колорантов, необходимые для получения образцов с одинаковым уровнем стандартной интенсивности Bi≈0.
В стандарте DIN 53235-1 рекомендована формула для подбора концентраций промежуточных проб, составляющих итерационный процесс приведения к нулю.
m_k+1 ≈ m_k х0,9^Bi,
где mk — концентрация k-го образца, Bi — его интенсивность, mk+1 — концентрация для следующего образца.
ВЫВОДЫ
Выбор метода определения относительной красящей силы должен соответствовать поставленной задаче: для внутрипроизводственного контроля рекомендуется использовать метод SWL, для контроля колорантов разного происхождения, но на основе одинаковых хромофоров —метод WSUM, а для сравнительных испытаний разных колорантов — метод на основе интенсивности по Галлу.