漆膜光泽测定技术及其应用

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漆膜光泽测定技术及其应用

       6.3.1 引言
    漆膜光泽是漆膜表面的一种光学特征，以其反射光的能力来表示。光泽计则以数字量表征这一特性。
漆膜的光泽是衡量漆膜外观质量的主要指标，高光泽漆膜不仅外观靓丽，对被涂物表面起到良好的装饰作用，而且也将对被涂物体起到一定的保护作用。涂装应用的实践表明，漆膜保护作用的降低，往往都是从其表面光泽下降开始的。
6.3.2 漆膜光泽测定的技术基础
    漆膜的光泽可分为有光、半光和无光。当一束光照射到漆膜表面时，有一部分光要由漆膜的表面反射回来，这些反射光杂乱无章，呈半球形分布，如图6-3-1所示。根据光的反射定律，当反射角等于入射角时，称其为镜面反射，而将镜面反射以外其它方向的反射称为漫反射。从镜面反射的方向上观察，若被测漆膜致密平滑、表面越“亮”，则镜面反射越强，其表面光泽度越高；反之，若漆膜粗糙凹凸、表面越“乌”，则镜面反射越弱，其表面光泽度越低。

对漆膜表面光泽度的测定，实际上是测量一定角度入射光照射在被测漆膜的反射光束φs通过规定通光孔的光通量与在相同下由标准板反射光束φos的光通量之比，其数学表达式为： Gs(θ)=φs/φos×100% 式中：Gs－被测漆膜的光泽值； θ－入射光的角度； φs－被测漆膜反射光通量； φos－标准板反射光通量。     镜向光泽计是利用光电原理来测定镜面反射的常用仪器，目前虽有多种规格型号，但其测试原理基本相同，其光路系统通常如图6-3-2所示。

1、光源2、滤光片 3、聚光透镜组 4、光源光栏 5、入射透镜 6、接收透镜 7、视场光栏 8、接收器     光源发出的光线通过聚光透镜会聚，将灯丝映象呈现在光源光栏的狭缝上(在入射光束中加滤光片，用以修正光源光谱特性)，再通过入射透镜变成平行光束，这一平行光束照射在样品上，反射后通过接收透镜会聚在接收光栏狭缝上，形成一个清晰的灯丝映象，经硅光电池接收后，将光信号转变为电信号，再经放大、模数转换直至数字显示被测样品的光泽度值，或通过RS232接口输出，进行统计处理与数据打印。其电气原理方框图如图6-3-3所示。

6.3.3 漆膜光泽测定的方法标准     1937 年美国人Hunter等人做了大量的实验，总结了一整套数据，制定了有关光泽测定的第一个国家标准即ASTMD523-39J。半个多世纪以来，世界各先进工业国家先后对物体表面光泽测定技术开展了深入地研究，陆续制定了各自国家的相应标准，如表6-3-1所示。其中，用于漆膜光泽测定的方法标准主要包括：ISO2813、ASTMD523、JISZ8741、DIN67530、BS3900、GB/T9754等，从而大大加速了其日臻完善、配套互补、科学严密、国际统一的标准化进程。

表6-3-1 国内外物体表面光泽测定入射角 度、标准代号、应用范围对应表

据有关文献报导，1991年国际标准化组织开会决定对ISO漆膜光泽测定标准进行了重新修订，即标准板不变，但所规定的光泽值改为与ASTM标准相同，如表6-3-2所示。

根据ISO规定，60°角测定的漆膜光泽范围为30%-70%，但测高光泽时，必须要给出分别以60°角和20°角测定的两个数据。德国BYK- Gardner公司开发微型多角(20°、60°、85°)光泽计，其60°角可用于漆膜光泽范围在10%-70%之间的样品测量；当样品的光泽超过 70%时要用20°角测量；而当样品光泽低于10%时则应用85°角测量。为便于精确测量，对以60°角所测光泽低于30%时，也可用85°角测量，如图 6-3-4所示。在测量高光泽时，把仪器放在样品上，只要按下操作(oper-ate)钮，便可在同一位置上得到20°角和60°角测量的两个数据，并可测得平均值和标准偏差等。

迄今，我国已先后制定了两项漆膜测定的方法国标。在国家标准GB/T1743-79（89）《漆膜光泽测定法》中，规定采用固定的45°角光电光泽计测量。在八十年代末制定的国家标准GB/T9754-88《色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜之20°、60°和85°镜面光泽的测定》（等效采用ISO2813-1978）中，规定了与ISO相一致、以20°、60°、 85°的几何角度测定漆膜镜面光泽的方法，成为目前我国漆膜光泽测定的技术规范和光泽计开发的设计依据。标准中明确规定了对每种几何角度的光泽计必须至少配备经计量部门鉴定合格的两块光泽度不同的工作标准板，并对漆膜光泽测定的校准方式、测量次数、读数偏差、数据记录做出评实严格的规定。 6.3.4 镜向光泽计的开发现状     漆膜表面光泽测定技术的不断进步，赖于国际上新兴涂料开发、标准化事业进程和多种光、电元器件创新及微电子技术的发展与应用。因此，尤以近二十年来，光泽计的开发经历了如下技术沿革，主要体现在： 1、入射角度由固定的单一角度发展为一机多角度测量。 2、制式结构从台式向便携式、日趋微型化发展。 3、测量值由表头指示、液晶数显拓展至数据打印。 4、测控功能从单一测量、具有部分统计功能趋向智能化。 5、检测方式从静态测定发展到在线监测，拓宽其应用范围。     英国sheen公司开发的160型三角度微型光泽计，涉足英、美、德、日等多国标准要求，拥有20°、60°、85°三个测量角度，也可在两个角度 (20°/60°或60°/85°)同时显示测量值，它可自动校准，具有多项数据统计功能和存储7×999个读数，除液晶数显测量值外，还备有RS232 输出接口。其外形尺寸为43mm×141mm×72mm，重500g。     该公司生产的155-SO型小孔光泽计(60°)，可用于2mm2极小表面的测量，比标准60°光泽计在照射面积上测定更精确，并能自动计算出每批读数的最大值、最小值、平均值和标准偏差等。     德国BYK-Gardner公司研制的4550型镜面多角光泽计，采用高反射率样板，测量范围(60°角)为0～1000光泽单位，机上除备有RS232输出接口外，液晶式字母及数字可显示英、德、法三国语言，并用内置微处理机自动校正。     德国ERICHSON公司开发的521型Screen-master光泽计，其标准测定角度为20°，不仅可提供两个测量点的读数，还可专用于测量试样的曲面光泽。     至八十年代中期，我国已有几厂家依据国家标准GB/T1743-79规定研制生产了固定为45°单一角度的光电光泽计，用于漆膜光泽测定。八十年代中期以来，国内开始研究等效采用ISO2813-1978，继而制定了国家标准GB/T9754-88，规定以20°、60°和85°入射角测量不含金属颜料色漆漆膜的镜面光泽。与之相适应，有关科研单位、高等院校先后成功开发出多角光泽计系列产品，从而结束了我国先前虽有生产或进口仪器，但因标准各异而影响测控质量的历史。如天津市科器高新技术公司的KGZ系列、南开大学信光公司的XGT和XGP系列、沈阳仪器仪表工艺研究所的SGY系列等。这些规格的主要技术指标已接近或相当于国外同类仪器水平，多年的应用实践证明，KGZ系列、XGT和XGP系列光泽计属国产仪器中技术水平领先、性能稳定可靠的高科技规格产品，受到行业用户青睐，并已赢得广阔的市场。 6.3.5 影响漆膜光泽度因素的探讨 1、油漆中颜料的粒度及在基料中的分散性将影响漆膜光泽。颜料细度越细，在基料中的分散均匀性越好，有助于形成平整光滑的漆膜。 2、油漆中的颜基比对漆膜光泽产生影响。由于漆膜中颜料颗粒弱化了镜面反射致使光泽降低，而且随着颜料体积浓度(P.V.C)的增加光泽逐渐下降。 3、颜基比一定时，颜料的吸油量越大，光泽越低。 4、各色颜料对光的吸收和反射程度不同，由于黑漆对光完全吸收，而白漆对光完全反射，所以黑色漆比白色漆显示高光泽。 5、油漆中选用的溶剂种类直接影响其挥发速度的快慢，而过快或过慢都会影响漆膜的平整程度，降低漆膜光泽。 6、漆膜表面光泽高低，不仅取决于漆膜表面的平整和粗糙程度、光的入射角度也将对光泽产生影响，入射角越大，反射光的强度越高。 7、标准板是测量和计算漆膜光泽的主要基准，将直接影响样品光泽测定的准确性，因此应精心保存，防止表面损伤。 8、在中光泽区域，目测光泽与仪器测定光泽近似直线关系；而在高光泽区域，由于反射象的鲜明度决定了目测光泽往往低于仪器测定光泽；在低光泽区域，由于颜料(消光剂)加入量不同以及漆膜表面的粗糙程度，将会使目测光泽高于仪器实测结果。

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光学只是补充：什么叫作勒克新、光通量、流明
1967年法国第十三届国际计量大会规定了以 坎德拉、坎德拉/平方米、流明、勒克斯分别作为发光强度、光亮度、光通量和光照度等的单位，为统一工程技术中使用的光学度量单位有重要意义。为使您了解和使用便利，以下将有关知识做一简单介绍：

1. 烛光、国际烛光、坎德拉（candela）的定义

在每平方米101325牛顿的标准大气压下，面积等于1/60平方厘米的绝对“黑体”（即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体），在纯铂（Pt）凝固温度（约2042K获1769℃）时，沿垂直方向的发光强度为1 坎德拉。并且，烛光、国际烛光、坎德拉 三个概念是有区别的，不宜等同。从数量上看，60 坎德拉等于58.8国际烛光，亥夫纳灯的1烛光等于0.885国际烛光或0.919坎德拉。

2. 发光强度与光亮度

发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。Lcd是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F为光通量，单位是流明，对于点光源由I=F/4 。光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。

以下是部分光源的亮度值：单位cd/m²

太阳：1.5*10 ；日光灯：（5—10）*10³；月光（满月）：2.5*10³；黑白电视机荧光屏：120左右；彩色电视机荧光屏：80左右。

3. 光通量与流明

光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。光通量的单位是流明，是英文lumen的音译，简写为lm。绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。为表明光强和光通量的关系，发光强度为1坎德拉的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1六名。一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。

4. 光照度与勒克斯

光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。

以下是各种环境照度值：单位lux

黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；阴天室内：5—50；阴天室外：50—500；晴天室内：100—1000；夏季中午太阳光下的照度：约为10*9次方；阅读书刊时所需的照度：50—60；家用摄像机标准照度：1400。

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根据光泽的定义，光通量的概念最关键：
1.什么是光通量?
　　我们知道，光的传播过程是能量的传播过程。光源向周围空间辐射不同波长的电磁波光波，在单位时间内通过某一面积的辐射能，称为通过该面积的辐射通量，它客观反映了光源辐射能量的多少。这一辐射通量中，包含了各种波长的电磁波，例如红外线，紫外线，可见光等。对于可见光，人眼对不同波长的可见光的敏感度不同，即不同波长但辐射量相同的光波，对人眼造成的亮度感觉不一样。如黄绿光最亮，红光和紫光让人感觉暗得多。人眼的这一特性称为光谱光视效率(Vλ)。由于人眼的这种特性，我们不能直接用光源的辐射通量来衡量可见光能的大小，而必须以人眼的光感觉为标准来评价辐射通量值，因而产生了一个新的物理量一光通量。
　　光通量指对人眼能产生视觉的辐射通量，是光源在单位时间内向周围空间辐射并引起光感觉的能量。光通量的单位是“流明”(1m)，1960年第1l届国际计量大会决定其作为光通量的单位名称。“流明”(1m)是功率单位，等于辐射通量与光谱光视效率的乘积。流明与瓦的关系是：光源辐射的全是波长555纳米的黄绿光，其功率是l瓦，那么该光源辐射的光通量是683流明。
　　由于人眼对波长555纳米的黄绿光最敏感，其它波长的光引起人眼视觉亮度的敏感度都低于它，因此1瓦可见光辐射通量最多可产生683流明的光通量。l瓦光辐射如均匀地发出连续的可见光(380～780纳米)，最多可得标准白光220流明。
　　2.什么是光源的发光强度?
　　我们通常把尺寸非常小的光源称为点光源，如白炽灯泡，球形金属卤化物灯，卤素灯等光源。我们用发光强度来描述点光源发光强弱的特性。
　　点光源的发光强度是点光源在给定的方向上，单位立体角内发出的光通量，用符号I表示。
　　在了解发光强度之前，首先弄清楚立体角的概念。
　　光源辐射出的光通量是在它周围的空间范围内传播的，因此，在计算光能前，必须确定光能传播的空间立体锥角的大小。如果以点光源所在的点为球心，作一个半径为r的球面，以球心为顶点的圆锥面在球面上截得的面积为s，见图示，由这个圆锥面和球面所包围的空间称为立体角，用符号Ω表示。

　　立体角不意图　　立体角的大小为：Ω=s ／r 2(球面度)，Ω为立体角的大小，S为球面上的面积，r为球体的半径。

　　立体角的单位是“球面度”，用符号sr表示。它的规定是：一立体角顶点位于球心，它在球面上所截取的面积等于以球半径r为边长的正方形面积，那么这个立体角就是一球面度。
　　应注意，用上述公式计算立体角大小时，面积s可以是任意形状的，如圆形，正方形，异形等。
　　我们知道，半径为r的圆球面的面积等于4兀r2，所以整个空间的立体角为：
　　Ω=4兀r2／r2=4兀≈12．57球面度(sr)
　　了解立体角的概念之后，就可以确定点光源的发光强度与光通量的关系了。
　　假设一点光源在空间某方向上发出的光通量是中流明(1m)，传播的立体角是Q球面度(sr)，这个点光源在该方向上的光强度为：I=ф／Ω(坎德拉)。光强的单位是“坎德拉”，符号为cd，1坎德拉(cd)等于l流明(1m)／球面度(sr)。
　　光源在各个方向上发射的光通量通常是不均匀的，有的方向强，有的方向弱，因此，在提到光源光强时，应指明是哪一个方向上的光强度。通常用平均光强度来近似地表示光源的发光强弱。如果知道一光源发出的总光通量是ф流明，假定其均匀发光，该光源平均发光强度为：I=ф／4兀≈ф／12．57 (坎德拉)。
　　同样，如果知道了光源的平均发光强度，也可以求出它的总光通量。
　　例如：已知一光源其平均发光强度为100坎德拉，其发出的总光通量为：
　　ф=I×4丌≈100×12．57＝1257(流明)
　　对于各个方向发出的光强度相同的点光源来说，流明的含义就是发光强度(cd)与相应的球面度(sr)的乘积；而发光强度也可以理解为光通量与相应球面度的比值。
　　3.什么是光源的光亮度?
　　当我们观察一些具有相同发光强度的光源时，感觉到发光体的发光面积越小，发光体越明亮。例如，同时观看同是40瓦的卤素灯和节能灯，卤素灯由于灯丝表面积很小，感到很刺眼，节能灯发光面积较大，就感觉光线柔和。因此，我们发觉发光体的明亮程度不仅与发光强度有关，而且与发光面积有关。对于具有一定发光面积的光源来说．仅知道发光强度不足以说明它的发光特性，于是引入一个新的物理量--光亮度。
　　在垂直于均匀发光表面的方向上，发光面积为s，发出的光强度为I，该发光面的光亮度为： L=I／S
　　式中，发光强度单位为坎德拉，发光面积单位为平方米，亮度单位为坎德拉每平方米(ed／m2)。原名称为“尼特”(nt)，现已废止不用了。
　　光亮度是一个重要的物理量，因为它直接与人眼所感受的光源明亮程度有关。人眼习惯的光亮度值约为3000 cd／m2，当光源光亮度过度时，人眼会产生灼痛感。
　　一般面光源在不同的发射方向上具有不同的光亮度，但也有一些面光源其光亮度不随方向改变。如磨砂玻璃或乳白灯泡，它们在各个方向上的光亮度近似相等。具有这种特性的面光源称为“朗伯光源”或称其发光面为“余弦辐射面”。

tuliaozhijia

涂料的平整性当然将影响入射光的角度。