印刷品及印刷油墨耐光老化试验及评价

1. GB/T 22771-2008标准的背景

越来越多的油墨需要耐光测试，如喷印油墨和包装材料用油墨。GB/T 22771-2008标准《印刷技术 印刷品与印刷油墨用滤光氙弧灯评定耐光性》修改采用国际标准ISO12040:1997，是印刷、油墨行业比较通用的一个耐光老化测试方法，也是印刷油墨耐光老化测试的第一个国家标准。应用该标准可以评定不同印刷、油墨样品的耐光等级。

本文以下部分将通过具体耐光老化试验来演示如何执行该标准，来评价印刷品及印刷油墨的耐光等级。同时指出标准存在的不足及需要继续改进的地方。

2. 印刷品及印刷油墨耐光老化试验的原理

2.1 户外老化因素

老化损害主要由三个因素引起：光照，温度和湿度。这三个因素中的任一个都会引起材料老化，它们的共同作用，大于其中任一因素造成的危害。

2.1.1光照

高分子材料的化学键对太阳光中不同波段的光线的敏感性不同，一般对应一个阈值，太阳光的短波段紫外线是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因。如C-N（碳-氮）键的作用阈值是393nm。然而，对于某些印刷品和油墨，长波段紫外线甚至可见光也会对其产生破坏，造成变色或褪色。

2.1.2温度

温度越高，化学反应速度越快。老化反应是一种光致化学反应，温度不影响光致化学反应中的光致反应速度，却影响后继的化学反应速度。因此温度对材料老化的影响往往是非线性的。

2.1.3湿度

水会直接参与材料老化反应。相对湿度、露水和雨水等是自然界中水的几个主要表现形式。研究表明，户外材料每天都将长时间处于潮湿状态（平均每天长达8-12个小时）。而露水是户外潮湿的主要原因。露水造成的危害比雨水更大，因为它附着在材料上的时间更长，形成更为严酷的潮湿侵蚀。对于户内用材料，一般只考虑相对湿度的影响。

2.2 氙灯加速耐光测试

2.2.1日光模拟

作为氙灯试验箱的光源，氙灯可产生紫外线、可见光和红外线，能够很好地模拟全光谱太阳光。

氙灯产生的光谱用于测试前必须经过过滤，减少不需要的部分紫外光谱。使用不同类型的玻璃滤光器可以得到不同的光谱。滤光器的使用取决于被测材料和产品最终使用条件。不同的过滤器过滤的紫外线的短波段的截止点不同，这将在很大程度上影响老化的速度和类型。有三类经常使用的滤光器：日光过滤器，窗玻璃过滤器，紫外延展过滤器。在印刷品和印刷油墨测试中一般选择窗玻璃过滤器，下图1所示是Q-Lab公司配备有过滤器的Q-Sun氙灯试验箱的光谱与透过玻璃的太阳光光谱之间的比较。

 图1 配备有窗玻璃过滤器的Q-Sun光谱和透过玻璃的太阳光谱之间的比较

2.2.2辐照度控制

最新的氙灯试验箱需装备有辐照度控制系统，如Q-Lab公司的Q-Sun氙灯试验箱使用的是太阳眼闭环控制系统，来提供稳定的光照强度。

在氙灯测试系统内，辐照度控制非常重要。氙灯光谱范围从295nm延伸到3000nm，最新的标准中要求，光强的控制基于点控制（如ISO11341-2004, ASTM G 155-05a,ISO 4892-2:2003等），控制点的选择则基于模拟环境和检测材料性能的不同，对于户外环境，检测材料的物理性能，一般采用340nm控制点；而对于室内环境，检测材料的变色和褪色，一般采用420nm控制点。在有些标准中也采用300-400nm的TUV控制。

2.2.3温度控制

氙灯测试设备中，温度的控制很也重要，因为温度影响材料老化的速率。氙灯试验箱一般是通过黑板温度计或黑标温度计来精确控制样品表面温度。一般欧洲的ISO标准大多使用黑标温度计，而美国的一些标准则使用黑板温度计。有些型号的氙灯试验箱还能同时控制箱体空气温度，以达到全面的曝晒环境温度控制。

2.2.4潮湿模拟

氙灯试验箱可以通过水喷淋或湿度控制系统来模拟潮湿的影响。水喷淋可以模拟雨水对户外产品的热冲击和应力腐蚀。湿度会影响某些物品（比如某些纺织品或油墨等）发生老化的类型和速度，在此类材料的测试标准中都建议控制相对湿度。

3. 印刷品及印刷油墨氙灯老化试验及评价

3.1 试验条件及过程

我们认为GB/T22771-2008的“4.4.1曝晒”一节中包含着两个曝晒方法。一个是针对只有一个样品的曝晒试验，这个测试比较简单，只要按规定方法（也就是标准中要求的测试条件）将测试样品在灯光下曝晒，直至发生明显变化。标准中同时指出“所谓的明显变化就是等于或小于符合GB/T 250规定的的评定变色用灰色样卡3级。观察者应确保在试验中不出现视觉疲劳现象，并且视觉观测时应具备标准印刷品的观察条件”。

另一个是针对同一系列印刷品进行同步和系统性试验。这个测试采用连续遮盖的曝晒方法，可以在一次试验中测试耐光程度不同的印刷品的耐光性。具体步骤如下：

第一步：曝晒样品直至3级蓝色羊毛标准出现相应于评定变色用灰色样卡3级的明显变化；

第二步：将印刷品和蓝色羊毛标准的曝晒部分遮盖四分之一，继续曝晒直至5级蓝色羊毛标准出现相应于评定变色用灰色样卡3级的明显变化；

第三步：将持续曝晒的部分遮盖住四分之一，继续曝晒，直至6级蓝色羊毛标准出现相应于评定变色用灰色样卡3级的明显变化；

第四步：再遮盖更多，继续曝晒，直至7级蓝色羊毛标准发生视觉刚刚能观察到的变化（评定变色用灰色样卡4级）。

因为通常情况下，油墨厂或印刷厂的测试样品都较多，如果采用第一种曝晒方法，每次只对一个样品进行测试，是不太现实的。所以本次试验我们选用第二种曝晒方法，同时对13种不同的胶印油墨样品进行氙灯加速耐光老化测试，同时进行曝晒还有SDC 1到7级蓝色羊毛标准，具体试验条件见表1。

表1

3.2 试验结果及分析

3.2.1试验结果

GB/T 22771-2008的“4.4.2评定”一节中也给出了评定样品耐光等级的方法，具体是：确定在相同时间内和测试样品发生相同的明显变化的蓝色羊毛标准样品，用蓝色羊毛标准样品的等级编号表示测试样品的耐光等级。

为了验证目测结果是否正确，我们还使用仪器测量法得到了曝晒样品及蓝色羊毛标准的颜色变化△E*。我们采用的是CIE L*a*b*颜色单位，D65光源和10°观察角。

下面的表2给出了几个有代表性的样品的试验结果，包括它们的△E*数值。一般来说，曝晒样品的△E*数值与SDC蓝色羊毛标准的△E*数值进行比较可以客观给出样品的耐光等级。

表2

3.2.2试验结果分析

在进行加速耐光试验之前，我们已经大概知道，这13个样品中有的耐光性很好，有的很差，有的一般，差异性很大。试验结果显示，确实如预测的一样，这就说明，使用Q-Sun B02氙灯试验箱可以区分样品的不同耐光性。如表2中的样品1就是耐光性很好的样品，而样品2和样品7是耐光性很差的样品，样品10是耐光性一般的样品。

对于表2中的评级，其实GB/T22771-2008标准中没有具体的说明。我们是按照自己对标准的理解进行评级。先是在不同曝晒阶段分别对样品进行评级，最后再给出一个综合耐光等级。这个所谓的“综合耐光等级”是在样品出现明显变化的那个阶段评定的耐光等级。如样品2，它在第一阶段（曝晒21小时）和第二阶段（曝晒68小时）未出现明显变化，而在第三阶段（曝晒156小时）出现了明显变化，所以我们把在第三阶段评定的耐光等级作为综合耐光等级。

3.2.3 GB/T22771-2008评定方法存在的问题

从表2的试验数据，我们可以看出，应用GB/T 22771-2008中的第二种曝晒方法对样品进行耐光等级评定时，有时会不准确。例如表2中的样品2和样品7，在每个曝晒阶段进行评级时，样品2在前三阶段好于样品7，在最后阶段与样品7相当，但是最终的综合评级却是样品2为1级，样品7为2级。为了形象地解释这种奇怪的情况，我们作出了两个样品的△E*与曝晒时间之间的关系图，如图2所示。

从图2中我们发现，样品的△E*随时间的变化并不是线性的。有的样品，如样品2，一开始颜色变化比较缓慢，而曝晒到了一定时间，颜色则开始发生快速变化。而有的样品，如样品7，则在曝晒开始阶段就显示快速的颜色变化，相反，等曝晒了一段时间之后，颜色变化趋于平缓。之所以会出现样品2的耐光等级比样品7的差的原因是：样品2在前两个曝晒阶段（分别曝晒21小时和68小时）未出现明显变化，所以只能将发生明显变化的第三个曝晒阶段的耐光等级作为最终的综合耐光等级，而对于样品7，它在第二个曝晒阶段就出现了明显变化，所以在这个时候就可以评定样品的综合耐光等级。

所以确定合适的曝晒终点尤为重要。GB/T 22771-2008标准中确定的这四个曝晒阶段能大体评定样品的耐光等级，但是有时也是存在上述问题。

图2 样品2（方形）和样品7（圆点）的△E*与曝晒时间之间的关系

4. 结论及建议

我们通过具体试验分析了13种不同胶印油墨样品的耐光老化性能，同时也分析解读了GB/T 22771-2008的部分内容，尤其是曝晒、耐光等级评定等章节。试验结果显示，按照GB/T22771-2008标准，可以区分曝晒样品耐光性的好、中、差。

虽然GB/T22771-2008标准是评定印刷品及印刷油墨耐光老化性能的一个普遍应用的标准，整体上的评定结果是真实客观的，但是有时也会给出存在争议的试验结果。当试验结果存在争议时，我们建议应用标准中第一种曝晒方法，即对每个样品和一套蓝色羊毛标准进行单独曝晒，当样品发生明显变化时，与蓝色羊毛标准进行比较，用与样品发生相同的明显变化的蓝色羊毛的等级编号来表示测试样品的耐光等级。

参考文献：

1. ISO12040:1997《印刷技术 印刷品与印刷油墨 用滤光氙弧灯评定耐光性》

2. Douglas M.Grossman, The right choice-UV fluorescent testing or xenon arc testing. PCI,March 10, 2006

3. 张恒，QUV和Q-Sun两种有效测试耐候性和光稳定性方法的比较，汽车工艺与材料，2006年第8期

4. ISO11341:2004《色漆和清漆—人工老化和暴露－滤过的氙弧辐射》

5. ASTM G155-05a《用于非金属材料暴露的氙灯测试设备》

6. ISO 4892-2:2003《塑料—实验室光源下的暴露方法第2部分:氙弧灯光源》