黑色 —— 精致的细节

作者 Kai Krauß、Andrea Höpke 和 Markus Mahn；Orion Engineered Carbons公司

黑色的多彩属性

对于大多数人来说，色度学使人联想到明亮、闪烁的颜色。黑色的调色者自然有不同的视角，他们的职业自然让他们想到黑色和涂料，灰色也不时地加入他们的调色板。这听起来可能很单调，但实际上并非如此。当涉及到所谓的基调色时，灰调尤其能表现出明显的变化。深黑色涂层也都有自己的基调色，这可能与最终用户高度相关。一般来说，蓝色和棕色（略带红色）的基调色是不同的，揭示了隐藏在深黑色表面下的多彩世界。

除了色谱之外，还有另一个令人兴奋且具有挑战性的障碍需要掌握：测量是在几乎没有反射的表面上进行的。这对工作过程和使用的测量技术提出了很高的要求。这个主题已经引起了人们的兴趣很长一段时间了，并且启发了一种测量与色调相关的黑度值和底色（MC和dM）的方法的开发。这些现在已发展成为深黑色涂层颜色和涂层的测量标准。

黑度值MC、MY、dM

黑色涂层的测量在L * a * b * 颜色空间内进行，在L * 轴上的值小于5。这等于低于0.1%的光线反射。当涉足深黑色领域时，例如汽车OEMs商所使用的标准面漆，很快就能测得L * <1的范围值。

黑色涂层体系的色度特性可以使用与色调无关的黑度值MY（jetness）来描述，DIN 55979中规定了测量方法。这是由色相dM的绝对贡献，这也经常被称为底色。黑度值决定了黑的程度，或者换句话说，从色度/光学角度来看，决定了黑色有多深。底色描述了色度/色调的光学感知。如果dM>0，则底色为蓝相，如果dM<0，则呈棕红色。蓝相底色通常是技术应用的首选，尤其是在汽车面漆体系中，因为它可以产生更丰满的效果和明亮的颜色。另一方面，棕色底色往往被认为是暖色调的，因此是室内应用的首选，尤其是木器漆。黑度MY与光反射率的关系如图1所示。

MY、MC和dM可用以下公式进行计算：

CIE L*a*b*颜色空间

CIE L * a * b * 颜色空间的开发旨在更好地实现与人类颜色感知相关的颜色。亮度L * 和颜色坐标a * 和b * 组成了这个颜色空间，它们是基于三刺激值X、Y和Z计算的。当使用光源D 6 5 和 1 0 ° 角 度 观 察 时 ， 所 需 的 标 准 颜 色 值 定 义 为Xn=94.81，Yn=100,0和Zn=107.34。这里，Y代表亮度感知的相关值，与CIE L * a * b * 颜色空间中的L * 值相关，而X和Z是计算a*和b*值所必需的。相关公式如下：

图2 描述了亮度L * 和黑度MY与三刺激值Y之间的关系。这种对数表示具有显著扩展极低反射区（Y<1）的优势，这更清楚地强调了黑色和深黑色范围之间的区别。如果不使用这种对数描述，肉眼容易识别的差异就无法充分地用数字表示。

色相dM的绝对贡献与颜色坐标a * 和b * 之间的相关性如图3所示。这里的负b * 值表示dM>0的蓝色相。当黄色范围内的b * 值为正值时，dM值为负值，对应于棕色相。

根据涂层的吸收和反射特性，可将其分为不同的颜色范围，如表1所示。只有在反射低于1%的情况下，颜色才被归类为黑色；对于深黑色，该值甚至低至小于0.1%的反射率。炭黑按照普遍适用的分类标准可细分为不同等级的黑色。在表1中，还列出了按照该命名法生产的常规黑度气法炭黑（RCG）、中等黑度气法炭黑（MCG）和高黑度气法炭黑（HCG）涂料。

测量技术

DIN 55979中所述测量是为了更好地区分最低反射区域，这也使得测定具有高颜色深度的黑色涂层的黑色度成为可能。除了下文适当的校准之外，这对测量设备本身提出了很大的要求。通常，测量几何形状可以在45°/0°或0°/45°和d/8°或d/0°之间变化。选择哪种几何形状取决于黑色涂层的类型及其表面纹理。

在光滑表面上测量最深黑色的涂层需要45°/0°的几何测量（图4左）。大孔径是确保测量尽可能准确的必要条件：重要的是要检测到最大数量的“潜在”反射。此外，测量设备必须保证反射值的精度至少为小数点后四位，并且使用的软件也必须能够处理这一点。重复测量应具有非常小的标准偏差，以将“设备噪声”保持在最低水平。相关的校准标准应是一个黑色空心体（光阱）。

表面反射的影响

例如，对于深度较浅的黑色和哑光涂层，或非常结构化的表面，可以使用d/8°几何形状。在这种情况下，使用球形测量几何体（即所谓的积分球或Ulbricht球）来产生漫射光（图4右侧），该测量几何体中包括一个光阱。在其闭合条件下（测量中包括光泽度），会生成与表面无关的客观颜色值，这是人眼无法做到的事情。在其开放情况下（不包括光泽度），确定的值接近人眼的感知。这些值也特别明显地受到哑光和结构化表面的影响。在表2中，很明显，d/8°和45°/0°测量几何形状之间的差异对于最深的黑色样板3和4尤其明显。

光泽是一种光学特性，被描述为表面反射强聚焦光的能力，类似于镜子（图5）。如果光阱保持关闭，所有反射和散射的光将成为被探测到的光的一部分，这会导致有光泽样本的黑色值较低。当将MY值与表2中的d/8°几何值进行比较时，可以清楚地看出这点。

实际测量

在介绍中我们已经提到了关于黑度值的MY、MC和dM，黑色涂层的测量是在L * a * b * 颜色空间中进行的，在L * 轴上的值低于5，甚至深黑色涂层的L * 值低于1。除了对测量技术的巨大要求外，被测板上最轻微的污染甚至划痕都可能导致测量结果之间的较大偏差。低至0.005的反射偏差已经可以导致测量结果发生很大变化。举个例子：对同一块板进行一次有指纹的测量和一次没有指纹的测量，结果会有很大的不同。简单地擦掉指纹也无法产生与清洁涂层表面上初始测量相同的结果。这在图6和表3中可以明显发现。

从表中可以看出，在颜色深度较低的区域（样板1）中，差异并不像在颜色深度较高的区域（样板2）中那样明显。只有用异丙醇/水仔细清洁表面多次后，才能重复得到正确的结果。为了评估清洁结果，我们建议在非常强的平行光下观察，因为在正常/漫反射光下无法检测到离散条纹（图7）。测量各种样品时，还应确保样品始终以相同的方式放置。

理想情况下，测量设备必须设置在有空调的和清洁的环境中，因为此处进行的测量“接近设计噪声”，这意味着环境温度的偏差可能会影响测量结果。如果空气中有太多污垢或尘埃颗粒，它们的反射也会导致较低的黑度值。这在设备校准时，应先调整好。

深黑色范围测量的校准

当然，对清洁度（例如防止指纹）的相同识别要求也必须放在校准板和光阱上，通常在校准黑色标准上。当使用黑色标准校准时，设备被设置为其“零值”，作为待测量样品的参考值。因此，尽可能准确地确定该零值是至关重要的。市场上有各种黑色标准，除校准板外，常见的还有黑色陷阱。另一种变体是空气测量，然后用于设定“黑色标准”。市场上可用的黑色校准板通常低于人们希望在深黑色高光泽范围内测量的黑色，其主要原因在于新的、甚至更强的黑色颜料的不断开发，这些颜料仍需要找到方法进入校准板的生产。

我们已经认识到，校准板、常见的黑色陷阱和“空气”测量不适合用于我们对深黑色的测量。因此，我们使用了一个定制的黑色空心体来代替。这个金属圆柱体的一侧有一个开口，内部有一个球体安装在底座上。其内部完全涂上哑光黑色。现在，如果测量装置的测量孔径关闭了这个黑色空心体，那么可以假设几乎没有光可以到达探测器。

校准后，对与待测量样品颜色深度范围相对应的黑色测量板进行测试。测量常用的基本标准不足以满足这里的测量范围要求；因此，使用了MY=228和MY=360范围内的一套六块板。在进行实际测量之前，测量设备可以检测到整个测量范围是至关重要的。测量结果应始终相对于测量系列进行评估，因为在深黑色范围内使用其他独立校准会产生一些差异。因此，有必要始终并立即将所选标准纳入测量，而不是简单地将其用作数据模板。

全色调涂料的色度特性

炭黑色漆的黑度MY和底色dM受多种物理和化学参数的影响，此处说明的是平均初级粒径、颜料浓度、颜料表面的功能化、添加剂的稳定性等，当然还有上述测量条件。

假设能满足本文提出的最佳测量条件，平均初级粒径则是影响黑度MY和底色dM的主要因素。这适用于不考虑这样的事实：即炭黑的分散不会产生初级粒子，而只产生高结构，即聚集体的事实。为了测量差异，炭黑颗粒也必须很好地分散在体系中。为此，它们必须在粘结剂系统内以同样适当的方式稳定。在含有有机溶剂的涂层体系中，建议使用表面改性的极性炭黑。在水性体系中，非表面处理的非极性炭黑通常更适合。

图8描述了水性聚氨酯涂层中的黑度MY和底色dM对初级粒径的依赖性。较细的颗粒通常会在面漆中产生蓝相的较高的黑度值。较粗的颗粒会导致较低的黑度值和棕色相。值得一提的是，透明色和灰色混合色对底色的影响正好相反，颗粒较细的炭黑产生棕色相，颗粒较粗的炭黑偏蓝色相。

结论

• 深黑色涂层的测量对样品制备、测量技术和校准都提出了很高的要求。使用校准板通常是不够的，因为它们不够黑。取而代之的是一种黑色空心体，它几乎吸收所有的光。由于深黑色只能在高光泽和清洁的板上测量，因此在测量之前，必须彻底清除所有污染物，并且样板上必须绝对没有划痕、指纹和其他类似物。

• 如果遵循这些规范，则可以对深黑色涂层进行可重复的测量，并可以获得关于黑度MY和底色dM的信息。

• 底色本身可以增强黑色的深度（在大多数情况下为蓝相底色）或减少它（在大多数情况下为棕色相）。

参考资料

1 Lippok-Lohmer: Farbe und Lack 92 (11), 1024 (1986).
2 Specialty Carbon Blacks in Modern Coating Systems: Indus-try Information 0402, Orion Engineered Carbons GmbH (2017).
3 Coloristic Properties of Specialty Carbon Blacks in Full Tone and Tinting Applications for Coatings - Technical Information 1464, Orion Engineered Carbons GmbH (2015).

本文最初发表在2019年5月的《欧洲涂料杂志》上。

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年7月刊中