Sai scegliere lo spettrofotometro giusto?

Sebbene i colorimetri permettano di determinare con facilità i valori tristimolo (si veda l’articolo pubblicato su Plastix di novembre 2018) non sono adatti a effettuare analisi del colore complesse, per esempio quelle relative al metamerismo e alla forza colorante. In virtù della maggiore precisione e versatilità, gli spettrofotometri sono invece più indicati per questo tipo di analisi, perché sono in grado di determinare la riflettanza spettrale a ogni lunghezza d’onda.
Prima di scegliere il tipo di strumento da utilizzare in un’applicazione specifica è pertanto necessario valutare sempre il livello di precisione che si desidera ottenere. Un altro aspetto fondamentale nella scelta dello strumento è la geometria; si tenga presente che strumenti con geometrie diverse non possono colloquiare tra loro.

I sistemi ottici

Il colore di un oggetto varia in relazione alle condizioni di visualizzazione, all’angolo di osservazione e a quello di illuminazione. Nella determinazione strumentale del colore di un campione, l’angolo formato dal raggio di luce che, provenendo da una sorgente luminosa, colpisce il campione e l’angolo di ricezione della luce da parte di un rilevatore costituiscono la geometria ottica. La geometria di uno strumento viene indicata con due lettere/numeri: il primo indica l’angolo di proiezione della luce sul campione, mentre il secondo si riferisce all’angolo di incidenza della luce riflessa o trasmessa dal campione.

Il sistema di illuminazione può essere unidirezionale oppure con sfera integrante. Nel primo caso, il sistema fornisce l’illuminazione da una sola direzione. Se la geometria dello strumento è definita dalla sigla 45/0 (figura 1a), significa che la radiazione incidente forma un angolo di 45±2 gradi rispetto alla normale e la radiazione riflessa viene osservata sulla normale stessa (0±10 gradi). Al contrario, con una geometria di 0/45 (figura 1b) la superficie del campione è illuminata dalla direzione di linea normale (0±10 gradi) e la luce viene ricevuta a un angolo di 45±2 gradi dalla linea normale.

Il secondo sistema utilizza una sfera integrante (la sfera integrante è un dispositivo sferico con superfici interne rivestite di materiale bianco, per esempio solfato di bario, che garantiscono la diffusione uniforme della luce, nda) per illuminare o visualizzare un campione uniformemente da tutte le direzioni. Uno strumento con geometria ottica d/8 illumina il campione in modo diffuso e rileva la luce alla direzione di 8 gradi, con geometria ottica 8/d lo strumento illumina il campione all’angolo di 8 gradi e raccoglie la luce riflessa in tutte le direzioni. La luce riflessa all’interno di ±5 gradi da un angolo speculare può essere inclusa o esclusa utilizzando la funzione SCE/SCI (per la spiegazione si rimanda al paragrafo “Metodi SCE e SCI”).

Colore e lucidità

Gli oggetti composti dagli stessi materiali sono caratterizzati da variazioni di colore dovute alle differenze di lucidità delle superfici. La misura del colore di un campione blu dalla superficie lucida e dello stesso campione strofinato con carta vetrata (il colore diventa più opaco) dà risultati diversi. Scopriamo perché.

2a La luce si comporta esattamente come una palla lanciata contro il muro: può ritornare con lo stesso angolo oppure con angoli diversi. 2b La luce di una sorgente che si riflette nell’angolo uguale ma opposto è definita luce riflessa specularmente, mentre quella che si disperde in molte direzioni è definita luce diffusa

La luce si comporta esattamente come una palla lanciata contro il muro: può ritornare con lo stesso angolo oppure con angoli diversi (figura 2a). La luce emessa da una sorgente luminosa che si riflette nell’angolo uguale ma opposto è definita luce riflessa specularmente, mentre la luce che non si riflette specularmente ma si disperde in molte direzioni è definita riflettanza diffusa (figura 2b). La riflettanza totale è data dalla somma della riflettanza speculare e della riflettanza diffusa.

Per gli oggetti caratterizzati da superfici lucide la luce riflessa specularmente è relativamente intensa, mentre la luce diffusa è più debole. Al contrario, sulle superfici ruvide e poco lucide la componente speculare è debole e la luce diffusa più intensa.

Il blu di un oggetto di plastica con superficie lucida all’angolo speculare appare di colore diverso, questo perché la riflettanza speculare si aggiunge al colore del campione. In genere, però, l’osservatore non percepisce la riflettanza speculare della sorgente luminosa, ma solo quella diffusa. Pertanto, per misurare il colore di un campione nello stesso modo in cui viene rilevato dall’occhio umano è necessario escludere la riflettanza speculare e misurare solo la riflettanza diffusa (figura 3).

3 Il colore viene rilevato in modo diverso a seconda della superficie dell’oggetto perché l’occhio umano non percepisce la riflettanza speculare della sorgente luminosa, ma solo quella diffusa

La misura del colore degli oggetti, però, non dovrebbe cambiare se i materiali sono sempre gli stessi. In che modo, quindi, è possibile riconoscere il colore dei materiali? I valori della riflettanza speculare e diffusa cambiano in relazione alla superficie dell’oggetto, ma la quantità totale di luce riflessa è sempre la stessa se il materiale e il colore sono gli stessi (figura 4). Per questo motivo è importante misurare la riflettanza totale (speculare e diffusa).

4 I valori della riflettanza speculare e diffusa cambiano in relazione alla superficie dell’oggetto, ma la quantità totale di luce riflessa è sempre la stessa se il materiale e il colore sono gli stessi. Come si può osservare dalla figura, La figura a+b+c+d+e=a’+b’+c’+d’+e’

Metodi SCE e SCI

La posizione della “trappola di luce” illustrata nelle figure 5a (SCE) e 5b (SCE) mostra l’esclusione della riflettanza speculare dalla misurazione del colore. Se la trappola viene sostituita con una luce bianca, come nelle condizioni 5b (SCI) e 5d (SCI), la riflettanza speculare verrà inclusa nella misurazione del colore.

Il metodo che esclude la riflettanza speculare è definito SCE (Specular Component Excluded, componente speculare esclusa). Se la riflettanza speculare è inclusa nella misurazione del colore, il completamento della sfera con una luce speculare è definito SCI (Specular Component Included, componente speculare inclusa). Nella modalità SCE la riflettanza speculare è esclusa dalla misurazione e comprende solo la riflettanza diffusa; ciò produce una valutazione del colore affine al modo in cui l’osservatore percepisce il colore di un oggetto. Quando si utilizza la modalità SCI la riflettanza speculare si aggiunge alla riflettanza diffusa. Questo tipo di valutazione del colore misura l’aspetto totale a prescindere dalle condizioni della superficie. Quando si sceglie uno strumento è necessario tenere conto di questi criteri.

Il metodo SCE è efficace per verificare la corrispondenza del colore agli standard mediante ispezione visiva sulla linea di produzione, mentre il metodo SCI è efficace quando gli elementi cromatici, per esempio CCM, vengono regolati durante la produzione. Alcuni strumenti sono in grado di effettuare misurazioni contemporanee di tipo SCE e di tipo SCI.

Misurazione dei colori fluorescenti

Un colore fluorescente è dotato di luminosità intrinseca senza essere in realtà una sorgente luminosa. Quando una luce colpisce un materiale fluorescente, i raggi vengono assorbiti ed emessi nuovamente come luce visibile in altre regioni dello spettro, in genere come lunghezze d’onda più lunghe. La regione di luce visibile è una radiazione elettromagnetica compresa tra 380 nm e 780 nm. Per esempio, quando una radiazione viene assorbita a 360 nm ed emessa a 420 nm, il valore di misurazione a 420 nm eccede il 100% (figura 6). Poiché è visibile una quantità di luce maggiore rispetto alle aspettative, l’occhio umano percepisce il materiale come luminoso.

6 Quando una luce colpisce un materiale fluorescente, i raggi vengono assorbiti ed emessi nuovamente come luce visibile in altre regioni dello spettro, in genere come lunghezze d’onda più lunghe

Per la misurazione di campioni non fluorescenti, l’elemento dispersivo può essere collocato tra la sorgente e il campione oppure tra il campione e il ricevente. Tuttavia, affinché la misurazione dei campioni fluorescenti riproduca il modo in cui appaiono all’occhio umano, l’elemento dispersivo deve essere posizionato tra il campione e il rilevatore in modo che il primo sia illuminato dall’intero spettro della sorgente. Quando un colore fluorescente viene misurato dallo spettrofotometro è necessario controllare la distribuzione spettrale della sorgente luminosa, incluse le regioni ultraviolette. Per questa ragione è necessario individuare lo spettrofotometro capace di gestire anche questa regione degli UV.

7 I frammenti metallici inclusi in molti rivestimenti utilizzati soprattutto nel settore automobilistico riflettono la luce ad angoli diversi

Misurazione dei colori metallici

Molti rivestimenti, soprattutto nel settore automobilistico, utilizzano frammenti metallici in combinazione con coloranti per ottenere un effetto vivace. Nel rivestimento metallico la luce viene riflessa ad angoli diversi a causa dell’orientamento dei frammenti (figura 7), che tuttavia sono generalmente orientati nella stessa direzione.

8 Interazione della riflettanza speculare e della riflettanza diffusa con un rivestimento metallico

La figura 8 illustra l’interazione della riflettanza speculare e della riflettanza diffusa con un rivestimento metallico. Poiché il colore si riflette dai frammenti metallici a un angolo diverso rispetto alla riflettanza diffusa, anche la percezione dell’occhio umano sarà diversa. Nell’angolo vicino alla riflettanza speculare influenzata dal frammento metallico è visualizzato il colore della superficie. Nell’angolo non influenzato dalla lamella metallica è visibile il colore cangiante. In genere, è preferibile valutare e misurare i colori metallici utilizzando uno spettrofotometro che misuri il colore ad angoli diversi, cosiddetti multi-angolo.

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