Измерение блеска покрытий (теория и практика). Блескомеры TQC.

Достоверность точности измерений блеска.

Эстетические свойства продукции становятся всё более важными в современном производстве. В 20-м веке измерение блеска стало одним из стандартных параметров контроля при оценке внешнего вида покрытий. Используемые в настоящее время спецификации были разработаны на основании критериев остроты блеска и численного значения блеска, полученного блескомером.

Производители покрытий, изготовители измерительного оборудования и разработчики стандартов стремятся достичь или максимально поднять планку требований к величине блеска.

Но насколько осуществимы все эти устремления?

Измерение блеска стало популярно в 70-е годы, когда германские производители тестового оборудования освоили массовое производство недорогих блескомеров,  началась разработка соответствующих стандартов и внедрение в производственные линии. Первые блескомеры копировали принцип работы используемых в то время лабораторных установок для бумажной промышленности. В процессе совершенствования технологии и появления более строгих требований к внешнему виду и блеску, величина допуска стремительно снижалась. Но в то время, пока некоторые производители блескомеров пытались достичь сходимости 0,1 GU (Gloss Unit – единиц блеска), на практике, конечным пользователям зачастую было достаточна точность всего лишь в 1 GU.

Действительно ли это достаточная точность?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим, на чем основаны требования международных стандартов измерения блеска и как эти измерения производятся.

Для численной оценки величины блеска нужна соответствующая шкала и точки отсчета. Текущие стандарты определяют контрольные точки 0 GU и 100 GU. При этом значению 0 GU соответствует матовая поверхность с нулевым отражением,  а значению 100 GU соответствует черная глянцевая поверхность. На основании силы света определенной длины волны, отраженного от измеряемой поверхности и зависящей от угла падения и отражения, расчитывается индекс отражения. Вычисления производятся по формулам Френеля для отражения и преломления света. На первый взгляд  данный подход кажется достаточно основательным, но из-за несоответствия спецификаций ASTM и ISO он приводит к различным результатам. Дело в том, что по стандарту ASTM, для измерения опорной точки 100 GU используется спектральная линия гелия (d), а по стандарту ISO спектральная линия натрия (d1). Различие этих длин волн составляет всего лишь 1,7 нм, но когда речь идет о международных стандартах, даже такое незначительное различие может привести к нежелательным результатам.

Во первых, необходимо отметить, что использование только двух опорных точек принципиально недостаточно для создания Стандарта. Более того, шкала между этими точками считается линейной лишь условно. И хотя, конечно, существуют средства для обеспечения и контроля этой линейности, действующими стандартами их использование не предусмотрено.

Во вторых, на точность измерения также воздействуют и неспецифические факторы. Так, например, шероховатость поверхности калибровочной пластины не учитывается ни формуле Френеля, ни в соответствующих стандартах. Ряд стандартов регламентирует даже плоскость поверхности пластины, но шероховатость определяют лишь описательно, как «полированную» (насколько полированную?). Однако шероховатость пластины оказывает непосредственное влияние на отражение поверхности. Калибровочные пластины различных производителей изготавливаются из одного и того же материала, но они имеют различную шероховатость и текстуру поверхности. И нестотря на то, что формулы Френеля и действующие стандарты предполагают у них одну и ту же величину блеска, при измерении в сертифицирующих лабораториях не удается найти и двух одинаковых.

Таким образом возникает вопрос: «А не влияет ли на блеск шероховатость поверхности?». И ответ однозначен: «Да, влияет, и это влияние значительно».

Таблица 1.

В таблице 1 показаны основные параметры, используемые в нескольких ведущих стандартах. Незначительные несоответствия этих параметров являются причиной различия блеска на несколько единиц GU.

Как показано на графике 1, чем выше шероховатость поверхности, тем меньше её блеск.

График 1 показывает зависимость блеска от шероховатости. Изменение кривой блеска коррелируется с кривой значений Ra (шероховатость). Все данные получены на черных калибровочных пластинах, изготовленных из одного материала и маркированых одним индексом отражения.

Обе причины, шероховатость поверхности и длина волны используемой линии спектра, на протяжение длительного времени являются постоянными препятствиями, нарушающими единство международных спецификаций, что делает невозможным совместное использование нескольких стандартов одновременно, хотя конструкция и геометия блескомеров во всех современных стандартах едины и допускают это.  Такова плата за назначительное расхождение графиков, показанных в таблице 1. Это расхождение наблюдается даже в данных ведущих мировых сертифицирующих лабораторий NIST и BAM, так как NIST опирается на стандарт ASTM, а BAM на ISO.

Проблема усложняется тем, что в данном случае трудно получить прямую выгоду от достижения гармонии между стандартами. В идеале, выгодой стал бы положительный результат эксперимента, наука в чистом виде. В технической литературе не представлено каких-либо значимых исследований влияния шероховатости поверхности на блеск и отражение. Хотя, конечно, существуют несколько важнейших и схожих по направлению параметров измерения, но что служит для них эталоном? И мутность (Haze), и искажение (DOI), и «апельсиновая корка» (Orange Peel) являются относительными и не имеют международных стандартов. Теоретически они могли бы использоваться в стандарте блеска, но на данный момент вызывают больше вопросов, чем ответов.

Ряд научных исследований были произведены с использованием теории рассеивания света на шероховатой поверхности Бекмана-Кирхгофа, но отсутствие математической модели не позволяет связать эту теорию с формулой Френеля. Ожидается, что дальнейшие научные разработки приведут к созданию единой системы, которая объединит существующие стандарты и создаст окончательный и недвусмысленный вариант определения параметров калибровочной пластины для измерения блеска, соответствующий одновременно и стандарту ISO и стандарту ASTM.

Однако помимо неопределенности в использовании стандартов существует ещё один важный повод для беспокойства. Речь идет о возможности осуществлять периодический контроль точности измерений. Для всех сертифицированных лабораторий очень важно регулярно поверять их калибровочные пластины. При этом желательно, чтобы точность значения поверочных пластин на порядок превышала точность проверяемой. Это, в свою очередь, также предполагает и ежегодную проверку состояния самих поверочных пластин.

Многие сертифицированные по ISO 17025 калибровочные лаборатории производят поверку пользовательских пластин, поставляемых в комплекте с обычными блескомерами, измеряя их такими же обычными блескомерами. Эти блескомеры калибруются по сертифицированным пластинам BAM, которые в диапазоне 100 GU имеют точность   ±1 GU. Этот разброс точности складывается со сходимостью и воспроизводимостью обычных блескомеров, используемых для процесса поверки, что дает суммарную ошибку уже в несколько единиц блеска (GU).

Теперь самое время вернуться к вопросу о достоверной точности существующих стандартов!

Первичные поверочные стандарты от BAM и NIST должны поверяться в соответствии с их индексами отражения. Но за последние 15 лет ни разу не производилась перекрестная проверка стандартов между этими ведущими институтами. Множество аспектов, относящихся к измерению блеска, таких, как взаимосвязь между шероховатостью и блеском, длина волны спектральной линии, мнимая линейность шкалы блеска до сих пор не выяснены и нуждаются в проработке.

Сложившаяся ситуация стала одной из причин изменения стандарта ISO по блеску - ISO 2813. В порядке повышения качества работы, уставом ISO предусмотрен алгоритм циклического распределения задач между подразделениями или «межлабораторный обмен опытом». При этом используются обычные блескомеры ведущих производителей. В процессе данных работ установлено, что указанная в документации приборов сходимость и воспроизводимость далека от реальности. Более того, это расхождение с течением времени увеличивается. На основании этих исследований было принято решение о пересмотре требований стандарта ISO к сходимости и воспроизводимости, что было отражено в новой редакции ISO 2813. Они показывают реальный уровень современных профессиональных блескомеров высшего класса точности (таблица 2).

Таблица 2

Таблица 2.  Рекомендованная в новой редакции ISO 2813 сходимость и воспроизводимость данных измерений блескомеров

Выводы

Комиссия ISO сделала первый шаг, обновив стандарт ISO 2813. Однако это решило только часть вопросов. Основа проблемы лежит в самом первичном стандарте. Все данные измерений отталкиваются от одной единственной опорной точки, полученной на стеклянной пластине, при неподтвержденной линейности шкалы. В идеале желательно разработать несколько материалов, обладающих необходимой надежностью, и выбрать дополнительные промежуточные точки на шкале. На основании этих материалов также желательно подтвердить или опровергнуть предположение о линейности шкалы блеска. Остро ощущается необходимость проведения исчерпывающего научного исследования влияния шероховатости и длины волны на блеск, с целью создания детального, не оставляющего вопросов описания первичных стандартов блеска для ISO и ASTM. Эти первичные стандарты должны иметь точность на порядок выше точности поверяемых блескомеров.

Подобное научное исследование оказало бы огромное влияние на индустрию. Все спецификации блеска были бы изменены на более реалистичные и корректные. Несмотря на то, что для большинства производств критерием качества внешнего вида товара является величина блеска, осознание принципиального несовершенства существующей концепции требует коренного пересмотра критериев оценки и точности получаемых данных.

Выбор блескомера

В настоящий момент на Российском рынке представлено большое количество блескомеров отечественного и зарубежного производства. Если смотреть на них с технической точки зрения, то можно сказать: «Все они одинаковы и используют один и тот же принцип действия». Но вот если посмотреть на них со стороны функциональных возможностей, то можно отметить, что каждый производитель старается добавить какую-то «изюминку» в свои приборы. Зачастую это приводит к существенному удорожанию приборов. Так же некоторые производители в погоне за «красивыми цифрами» стараются указать такие точности, которые можо получить лишь в идеальных и теоретических ситуациях, которые невозможно воспроизвести в реальных условиях. Читатель, ознакомившийся с данной статьей, при выборе блескомера сможет самостоятельно проанализировать характеристики рассматриваемых блескомеров, принять или усомниться в заявленных производителем параметрах.

В качестве рекомендации хотелось отметить блескомеры компании TQC, Нидерланды.  Компания TQC уже более 30 лет занимается производством оборудования для лабораторных испытаний и активно участвует в разработках и корректировках международных стандартов. Сотрудники компании TQC состоят в действующих комиссиях ISO, поэтому можно смело утверждать, что именно приборы TQC соответсвуют современным стандартам. Богатый функционал блескомеров и европейское качество выделяют блескомеры TQC из множества остальных приборов. А благодаря тому, что компания TQC сама производит данные блескомеры и все комплектующие к ним, то и цена данных блескомеров выгодно отличается от цен других европейских, американских и японских производителей.

На Российском рынке представлено 3 модификаци блескомеров:

• Одноугловой блескомер TQC SoloGloss (60°)
• Двух угловой блескомер DuoGloss (20°,60°)
• Трехугловой блескомер PolyGloss (20°,60°, 85°)

Технические характеристики блескомеров TQC: