Pomiar barwy i skale jej oceny

Jak na podstawie pomiaru ocenić kolor? Jakie są skale ocen i czym się od siebie różnią? Na te pytania odpowiemy w tym oraz kolejnym artykule.

Działanie i budowa spektrofotometru

Przyrząd do pomiaru barwy stał się bardzo popularny, kiedy okazało się, że umożliwia określenie koloru badanej substancji w dokładny sposób, czyli za pomocą cyfr. Dużą zaletą spektrofotometru jest szybkość analizy i prostota przygotowania próbki. Działanie spektrofotometru polega na pomiarze, jaka ilość światła przepuszczonego przez próbkę została przez nią zaabsorbowana.

Mechanizm działania tego urządzenia jest oparty o prawo Lamberta-Beera, które określa zależność pomiędzy pochłoniętym światłem a trzema czynnikami, takimi jak stężenie substancji, długość drogi, jaką światło pokonuje podczas przejścia przez analizowaną substancję, oraz współczynnik ekstynkcji badanej substancji. Długość drogi jest podczas każdego pomiaru znana i równa się szerokości kuwety pomiarowej.

Spektrofotometr jest zbudowany z kilku elementów:

• źródła świata, którym najczęściej jest lampa deuterowa lub wodorowa,
• monochromatora, który selekcjonuje z całego spektrum tylko pasmo promieniowania o wybranej długości fali, a następnie przepuszcza to światło przez kuwetę zawierającą analizowaną próbkę,
• kuwety pomiarowej – pojemnika, do którego nalewana jest badana substancja,
• detektora, którego rolą jest zamiana promieniowania elektromagnetycznego na sygnał elektryczny. Najczęściej są to fotokomórki i fotopowielacze.

Po umieszczeniu badanej próbki w kuwecie, a następnie kuwety w spektrofotometrze można rozpocząć pomiar. Światło emitowane ze źródła przechodzi przez pryzmat lub siatkę dyfrakcyjną (element dyspersyjny w monochromatorze). Odpowiednia długość fali wyselekcjonowana przez monochromator jest kierowana na kuwetę, w której znajduje się próbka. Następnie światło po przejściu przez analizowaną ciecz pada na detektor, dzięki któremu na ekranie urządzenia wyświetlany jest wynik analizy.

Nieco inaczej oceniany jest kolor próbek suchych i ciał stałych, dla których dokonuje się pomiaru światła odbitego, a nie przechodzącego. Metoda ta, wykorzystywana powszechnie m.in. przez producentów farb i lakierów, zostanie przybliżona w następnym artykule.

Obecnie spektrofotometry wykorzystywane są w niemal każdym przedsiębiorstwie przemysłowym, gdzie potrzebny jest dokładny monitoring i analiza różnic pomiędzy kolorami. Spektrofotometry zastępują w działach kontroli jakości wszystkie dotychczasowe metody pomiaru kolorów.  Dzięki tym urządzeniom możliwy jest monitoring różnic występujących dla poszczególnych próbek pochodzących z różnych partii produkcyjnych. Warto podkreślić, że urządzenia te dostosowują się do stale zmieniających się regulacji dotyczących użytkowania kolorów i technologii.

Skale oceny barwy

Ciecze i materiały kryjące znacząco różnią się między sobą. Z tego względu skale oceny barwy ich próbek będą inne dla przejrzystych, klarownych cieczy, a inne dla powłok i substancji kryjących. Do oceny transparentnych próbek używane są skale Gardnera i APHA – Hazena, a także inne, jak skala Saybolta. Za pomocą skali Huntera oraz CIELab możliwa jest ocena koloru materiałów nietransparentnych.

Pomiar barwy i ocena w wyżej wymienionych skalach pozwala określić jakość produktu wyrażoną wartościami liczbowymi. Dzięki pomiarom barwy światła przechodzącej przez próbkę można uzyskać szczegóły dotyczące każdego produktu, w tym farb, leków, substancji chemicznych, a nawet żywności. Warto podkreślić, że dzięki znajomości skali kolorów można wybrać odpowiednie narzędzia do pracy w celu pomiaru koloru.

Ocena koloru klarownych cieczy

Skala APHA- Hazena

Nazwa tej skali pochodzi od pierwszych liter Amerykańskiego Stowarzyszenia Zdrowia Publicznego (ang. American Public Health Association), czyli organizacji, która jest odpowiedzialna za wdrożenie wizualnej skali barw jako metody oceny jakości wody.

Skala APHA, nazywana inaczej skalą Hazena, służy do oceny próbek olejów, pochodnych ropy naftowej, a także rozpuszczalników, tworzyw sztucznych i farmaceutyków. To wizualna metoda oceny oparta na kolorach płynnych wzorców platynowo-kobaltowego roztworu. W skali tej woda destylowana ma wartość 0, a platynowo-kobaltowy roztwór o stężeniu 500 ppm wartość 500. Krzywa wzorcowa powstaje z rozcieńczenia roztworu Pt-Co o stężeniu 500 ppm. W oznaczeniu, w zależności od próbki, występują barwy od przeźroczystej i bezbarwnej do żółtej.

Kolory produktów oceniane w skali APHA-Hazena mogą być określane za pomocą spektrofotometru. W oznaczeniu ilościowym określane jest śladowe zażółcenie. Tę metodę można stosować również jako wizualny wskaźnik degradacji próbek po ekspozycji na działanie światła, ciepła, a także na obecność zanieczyszczeń. Przykładem produktów Grupy PCC, dla których parametr ten jest mierzony jako element kontroli jakości, są: EXOplast OTE3, ROKAnol IT10, ROKAmer G5000E.

Skala Gardnera

Skala Gardnera została stworzona w celu oceny barw produktów transparentnych o brązowo – żółtym kolorze. Za pomocą tej metody badane są takie substancje, jak lakiery, oleje, żywice, a także kwasy tłuszczowe. Skala Gardnera pozwala ocenić rozjaśnienie barwy próbki na skutek procesów powodujących zmianę w substancji. Ta zmiana koloru zostaje zmierzona, a następnie na podstawie pomiaru możliwe jest ocenienie wieku, sposobu obróbki substancji lub ekspozycji na światło.

Skalę Gardnera tworzy 18 roztworów wzorcowych. Dziś ta metoda oceny barwy olejów i innych brązowo-żółtych, transparentnych substancji nie jest popularna. Została ona zastąpiona pomiarem za pomocą pomiaru spektrofotometrem, który jest precyzyjny i obarczony znacznie mniejszym błędem niż subiektywna ocena badającego.  Z wykorzystaniem skali Gardnera wykonywana jest kontrola jakości dla takich produktów jak ROKAdis 900, EXOdis PC950, ROKAdis PC440.

Skala Saybolta

Trzecią skalą służącą do oceny barwy próbek transparentnych jest skala Saybolta. Służy do określania jakości wyrobów farmaceutycznych, a także produktów pochodzenia petrochemicznego, takich jak nafta, paliwa napędowe do samolotów, niebarwiona benzyna, woski naftowe. Za pomocą metody Saybolta można ocenić zażółcenie jasnej substancji w skali od -16 (co oznacza silne zabarwienie) do +30 (co oznacza substancję bezbarwną).

Ocena wizualna w skali Saybolta może być obarczona dużym błędem, która wynika z różnic w interpretacji barw, warunków świetlnych i otoczenia. Ze względu na niedokładność i niejednoznaczność oceny metoda ta również została zastąpiona pomiarami automatycznymi przy użyciu spektrofotometru.

Podsumowanie

Głównym celem analizy barw za pomocą skali kolorów jest pomiar zanieczyszczeń występujących w próbce. Analizowany kolor substancji nie jest jednak wystarczającą informacją, dzięki której można zidentyfikować zanieczyszczenie i ocenić jakość wyrobu. Parametrem uzupełniającym jest wynik pomiaru zamglenia. Niektóre spektrofotometry są wyposażone w elementy umożliwiające wykonanie pomiaru zamglenia i koloru, co pozwala w sposób ciągły kontrolować jakość produkcji. Z tego powodu spektrofotometry są jednymi z urządzeń znajdujących się powszechnie w laboratoriach kontroli jakości.