作為運(yùn)輸包裝的一種，彩色瓦楞紙箱必然會(huì)面臨長(zhǎng)期自然曝曬的情況，如果其表面印刷的油墨耐光性較差，將直接影響其外觀效果。為保證彩色瓦楞紙箱能長(zhǎng)時(shí)間呈現(xiàn)較好的色彩效果，油墨的耐光性試驗(yàn)十分必要。本文將采用氙燈加速耐光性試驗(yàn)來測(cè)試油墨的耐光性，并對(duì)油墨氙燈加速耐光性試驗(yàn)與自然曝曬試驗(yàn)之間的相關(guān)性進(jìn)行探討。

戶外老化因素

戶外老化主要與3個(gè)因素有關(guān)：光照、溫度和濕度。其中任何一個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致油墨老化，且三者共同作用所造成的老化程度最大。

1.光照

高分子材料的化學(xué)鍵對(duì)日光中不同波段光線的敏感程度不同，短波段的紫外線是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因。然而，對(duì)于某些印刷品和油墨，除了日光中短波段的紫外線之外，長(zhǎng)波段的紫外線甚至可見光也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，從而引起變色或退色現(xiàn)象的發(fā)生。

2.溫度

老化反應(yīng)是一種光致化學(xué)反應(yīng)，溫度雖然不影響光致反應(yīng)速度，但會(huì)會(huì)影響后繼的化學(xué)反應(yīng)速度。因此，溫度對(duì)油墨老化的影響是非線性的。

3.濕度

水會(huì)直接參與油墨的老化反應(yīng)。研究表明，戶外材料每天都長(zhǎng)時(shí)間(平均每天長(zhǎng)達(dá)8～12小時(shí))處于潮濕狀態(tài)，而露水是引起戶外材料潮濕的主要原因。

氙燈加速耐光性試驗(yàn)原理

1.日光模擬

作為氙燈試驗(yàn)箱的光源，氙燈可產(chǎn)生紫外線、可見光和紅外線，能夠很好地模擬全光譜日光。

在進(jìn)行加速耐光性試驗(yàn)之前，氙燈產(chǎn)生的光譜必須經(jīng)濾光器過濾，以減少不需要的紫外線。使用不同類型的濾光器過濾能得到不同的光譜，尤其是紫外線短波段的截止點(diǎn)不同，將在很大程度上影響油墨老化的速度。濾光器的選擇取決于試驗(yàn)材料和產(chǎn)品的最終使用條件，通常使用的濾光器有3種：日光過濾器、窗玻璃過濾器和紫外延展過濾器。在氙燈加速耐光性試驗(yàn)中，一般選擇的是窗玻璃過濾器。

2.輻照度控制

最新的氙燈試驗(yàn)箱均配備了輻照 度 控 制 系 統(tǒng) ， 如 Q -Lab 公司的Q-Sun Xe-3氙燈試驗(yàn)箱配備了太陽眼閉環(huán)控制系統(tǒng)，以提供更加穩(wěn)定的光照強(qiáng)度。

在氙燈試驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)輻照度的控制非常重要。氙燈的光譜范圍一般為295～3000nm，最新標(biāo)準(zhǔn)要求光強(qiáng)的控制應(yīng)基于點(diǎn)控制(如ISO 11341-2004、ASTM G155-05a、ISO 4892-2∶2003等)，控制點(diǎn)的選擇則基于模擬環(huán)境和試驗(yàn)材料和產(chǎn)品的物理性能。對(duì)于戶外環(huán)境，一般采用340nm。

3.溫度控制

溫度是影響油墨老化速度的直接因素，因此需要嚴(yán)格控制氙燈試驗(yàn)箱的溫度。氙燈試驗(yàn)箱一般是通過黑板溫度計(jì)或黑標(biāo)溫度計(jì)來精確控制試驗(yàn)樣品的表面溫度的。其中，ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大多使用黑標(biāo)溫度計(jì)，而美國(guó)的一些標(biāo)準(zhǔn)則使用黑板溫度計(jì)。有些氙燈試驗(yàn)箱還能同時(shí)控制箱體空氣溫度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)曝曬環(huán)境溫度的全面控制。

4.濕度模擬

一般，氙燈試驗(yàn)箱通過水噴淋或濕度控制系統(tǒng)來模擬濕度對(duì)油墨的影響。其中，水噴淋用于模擬雨水對(duì)戶外彩色瓦楞紙箱的熱沖擊和應(yīng)力腐蝕;濕度控制系統(tǒng)則用于控制試驗(yàn)過程中的相對(duì)濕度。

氙燈加速耐光性試驗(yàn)

1.試驗(yàn)條件

按照GB/T 22771-2008標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)條件，對(duì)11種不同的油墨樣品進(jìn)行氙燈加速耐光性試驗(yàn)。具體試驗(yàn)條件見表1。

表1 氙燈加速耐光性試驗(yàn)條件

2.試驗(yàn)結(jié)果

使用儀器測(cè)量法測(cè)得油墨樣品試驗(yàn)前后的色差△E*(采用D65光源、10°觀察角)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 氙燈加速耐光性試驗(yàn)結(jié)果

3.結(jié)果分析

在進(jìn)行氙燈加速耐光性試驗(yàn)之前，我們已經(jīng)知道，這11種油墨樣品中，有的耐光性較好，有的耐光性一般，有的耐光性較差，差異性較大。而試驗(yàn)結(jié)果也正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)，并充分證明了使用氙燈試驗(yàn)箱可以區(qū)分油墨樣品不同的耐光等級(jí)。如表2中樣品9的耐光性較好，樣品3耐光性一般，而樣品1的耐光性較差。這3種油墨樣品在不同試驗(yàn)階段的△E*變化示意圖見圖1。

自然曝曬試驗(yàn)

1.試驗(yàn)過程及結(jié)果

在進(jìn)行氙燈加速耐光性試驗(yàn)的同時(shí)，我們還對(duì)這些油墨樣品進(jìn)行了自然曝曬試驗(yàn)。將11種油墨樣品放置在靠近工廠倉庫的窗玻璃旁，用以模擬油墨樣品在實(shí)際應(yīng)用中遇到的較為嚴(yán)酷的環(huán)境。將這些油墨樣品曝曬61天后，使用儀器測(cè)量法測(cè)得油墨樣品試驗(yàn)前后的色差△E*，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

2.結(jié)果分析

同氙燈加速耐光性試驗(yàn)的結(jié)果類似，不同油墨樣品的自然曝曬試驗(yàn)結(jié)果也不同，有的較好，有的一般，有的較差。

氙燈加速耐光性試驗(yàn)與自然曝曬試驗(yàn)的相關(guān)性

表2和表3分別列出了氙燈加速耐光性試驗(yàn)和自然曝曬試驗(yàn)中11種油墨樣品在試驗(yàn)前后的色差△E*。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算了不同試驗(yàn)階段氙燈加速耐光性試驗(yàn)和自然曝曬試驗(yàn)之間的相關(guān)系數(shù)(rs)(見表4)。該相關(guān)系數(shù)是指利用兩種不同的試驗(yàn)方法對(duì)同一組油墨樣品進(jìn)行試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)rs的計(jì)算公式為rs=1-6∑di²/[n(n²-1)]，其中，n表示油墨樣品的個(gè)數(shù)，di表示兩列數(shù)據(jù)中每一行數(shù)據(jù)之間的差值。rs越接近1，氙燈加速耐光性試驗(yàn)與自然曝曬試驗(yàn)的相關(guān)性就越好。

表3 自然曝曬試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，氙燈加速耐光性試驗(yàn)與自然曝曬試驗(yàn)所有試驗(yàn)階段的相關(guān)系數(shù)多大于0.70，相關(guān)性非常好。其中，氙燈加速耐光性試驗(yàn)10小時(shí)與自然曝曬試驗(yàn)3天之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98。

表4 氙燈加速耐光性試驗(yàn)與和自然曝曬試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)

從表2和表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，油墨樣品自然曝曬試驗(yàn)61天的色差值并沒有氙燈加速耐光性試驗(yàn)40小時(shí)的色差值大。我們以自然曝曬試驗(yàn)61天時(shí)油墨樣品的色差值為基準(zhǔn)，分別換算氙燈加速耐光性試驗(yàn)中每種油墨樣品達(dá)到同樣色差值時(shí)的時(shí)間，再取其算術(shù)平均值，最后得出：氙 燈 加 速 耐光性試驗(yàn)29小 時(shí) 相 當(dāng)于自然曝曬試驗(yàn) 61天 的效果，也就是說氙燈加速耐光性試驗(yàn)的速率是自然曝曬試驗(yàn)速率的50倍。當(dāng)然，這個(gè)倍數(shù)只是針對(duì)本文研究的11種油墨樣品而言，對(duì)于其他油墨樣品或者其他包裝材料未必適用。