Ruß ist ein Werkstoff mit einer langen Historie, dessen Herstellung bis in die frühe Menschheitsgeschichte zurückreicht. Erste Anwendungen lassen sich noch in die Tage vor Christus ins alte China, zu den frühen Ägyptern und nach Indien zurückverfolgen. Die Nachfrage nach Ruß steigerte sich insbesondere im fünfzehnten Jahrhundert durch die Erfindung des Buchdrucks. Auch heute noch ist Ruß in allen Bereichen des modernen Lebens zu finden. Er wird in der Tinte von Tintenstrahldruckern verwendet, als Verstärkung für Natur- und Synthesekautschuk und als Wirkstoff in elektrisch leitfähigen Kunststoffen eingesetzt. Die wohl breiteste und bekannteste Anwendung ist die Verwendung als Pigment in Farben, Lacken und Kunststoffen, um eine tiefschwarze Farbe zu erzeugen, da er im Vergleich zum sogenannten Eisenschwarz oder organischen Pigmenten eine höhere Farbstärke aufweist. Das heißt: Schwarz ist nicht gleich Schwarz!
Schwarz ist eine Farbe, die durch die Abwesenheit oder vollständige Absorption von sichtbarem Licht entsteht. Führende Rußhersteller bewerben Rußpigmente, die bis zu 99,98 % des Lichts absorbieren. Je höher der Absorptionskoeffizient eines Mediums, z.B. einer schwarzen Beschichtung, desto höher ist die erreichte Schwarzzahl (My). Zusätzlich können tiefschwarze Beschichtungen einen Unterton haben - bläulich oder bräunlich. Eine tiefschwarze Farbe mit einem bläulichen Unterton im Vollton wird vom Betrachter als satter, dunkler und brillanter wahrgenommen als eine mit bräunlichem Unterton. Zwei Proben mit gleicher Schwarzzahl (My) und unterschiedlichem Unterton (dM) können als komplett unterschiedliche Schwarztöne wahrgenommen werden, wobei die Probe mit blauem Unterton generell als tiefer Schwarz beurteilt wird. Aus diesem Grund wird Schwarz mit blauem Unterton in technischen Anwendungen, wie z.B. bei Decklacken in der Automobilindustrie, oft bevorzugt. Der farbtonabhängige Grad der Schwärze wird als "Jetness" (Mc) bezeichnet.
Die Berechnung für die Schwarzzahl My basiert auf dem Tristimulus-Wert Y und einem 10°-Beobachter:
Schwarzzahl My
My = 100 log (100 / Y)
Die Schwarzzahl My bestimmt nur die Helligkeit einer Probe ohne Berücksichtigung des farbigen Untertons. Da der Unterton erheblichen Einfluss auf die visuelle Beurteilung von Schwarz hat, wird die farbtonabhängige Schwarzzahl My wie folgt berechnet:
Jetness Mc - Farbabhängige Schwarzzahl
Mc = 100*(log(Xn / X)–log(Zn / Z)+log(Yn / Y))
Die Schwarzzahl Mc beschreibt eine höhere Schwarztiefe / Jetness, wenn ein blauer Unterton vorhanden ist, und eine niedrigere Schwarztiefe / Jetness, wenn der Farbton eher bräunlich ist. Die Differenz zwischen der Jetness Mc und der Schwarzzahl My definiert den Farbton einer schwarzen Farbe, den so genannten Unterton (dM):
Underton dM - Absoluter Beitrag des Bunttons
dM = Mc – My = 100*(log(Xn / X)–log(Zn / Z)
Der Underton dM beschreibt den Anteil des Blautons im Falle positiver Werte (dM > 0) und den Anteil des Brauntons im Falle negativer Werte (dM < 0 ).
Abbildung 1: dM Underton
Schwarzzahl (My), Jetness (Mc) und Unterton (dM) sind in folgenden internationalen Standards spezifiziert: ISO/DIS 18314-3 und DIN 55979.
Die größte Herausforderung für ein Spektralfotometer war es schon immer wiederholbare und reproduzierbare Ergebnisse auf einer schwarzen Probe zu erzielen. Während eine weiße Probe nahezu 100 Prozent des vom Spektralphotometer ausgesandten Lichts reflektiert, wird der Anteil des reflektierten Lichts bei dunkleren Farben immer geringer, da immer größere Lichtmengen von der Probe absorbiert werden. Folglich ändert sich für dunkle Farben das sogenannte "Signal-Rausch-Verhältnis": Das Messsignal nimmt auf dunklen Proben immer weiter ab, während das thermische Rauschen, das im Wesentlichen durch elektronische Bauteile verursacht wird, konstant bleibt. Die Messung von ultra-tiefschwarzen Farben mit sehr geringer Reflexion liegen bei einem Helligkeitswert von L* < 1. Diese geringen Remissionswerte sind eine mehr als anspruchsvolle Aufgabe für ein Farbmessgerät und bringen die technische Leistungsfähigkeit eines portablen Spektralphotometers an dessen Grenze.
Abbildung 2: Abnehmende Remission bei zunehmendem My
Das neueste Mitglied der spectro2guide-Familie, das spectro2guide Pro, wurde entwickelt, um Schwarz genau zu messen und auch die Untertöne zu beschreiben - egal wie tiefschwarz die Farbe auch sein mag.
Führende Spezialisten von Rußpigment-Herstellern forderten uns beim Prüfen der Messgenauigkeit mit tiefsten Schwarztönen als Probenmaterial heraus. Grundlage für die exzellente Leistungsfähigkeit ist der Einsatz von Hochleistungs-LEDs als Lichtquelle, die dank des BYK-spezifischen Produktionskontrollprozesses eine außergewöhnliche Kurzzeit- sowie Langzeitstabilität aufweisen und eine absolut homogene Ausleuchtung des Messflecks gewährleisten. Um das "Signal-Rausch-Verhältnis" zu kontrollieren, werden hochpräzise elektronische und optische Komponenten mit einem speziellen Kalibrier- und Betriebsmodus für die Messung von Schwarzfarben kombiniert: Die LED-Lampen werden mit höherer Energie betrieben, wodurch eine höhere Lichtintensität gewährleistet ist. Zusätzlich wird noch die Beleuchtungszeit verlängert. In diesem so genannten „Jetness-Modus“ können alle Farben mit niedrigen Schwarzwerten nicht gemessen werden. Der Benutzer wird aufgefordert, die Probe im "normalen" Messmodus erneut zu messen und die sogenannten G-Werte (Grayness-Werte) werden anstelle der M-Werte angezeigt. Die Jetness-Indizes (M-Werte und G-Werte) sind in der DIN ISO 18314-3 definiert. Damit ist das spectro2guide Pro in der Lage, auf tiefstem Schwarz mit hohem Lichtabsorptionsvermögen ein perfekt stabiles Signal mit höchstmöglicher Genauigkeit zu liefern.
a) Proben und Probenpräparation
Das spectro2guide Pro wurde an 6 Proben "Test 1 - Test 6" mit abgestuften My- und dM-Werten getestet. Die Proben sind hochglänzende, schwarz lackierte Glasplatten. Tiefstes Schwarz kann nur auf hochglänzenden und absolut sauberen Proben gemessen werden. Jegliche Verunreinigungen oder Oberflächenunregelmäßigkeiten können die Messergebnisse erheblich beeinflussen. Aus diesem Grund muss die Probenoberfläche vor der Messung absolut frei von Kratzern, Fingerabdrücken und Staub sein. Beim Test wurde die Probenoberfläche vor der Messung mit destilliertem Wasser und fusselfreien, Labor-Reinigungstüchern gereinigt. Um sicherzustellen, dass die Probenoberfläche perfekt vorbereitet ist, liegt dem spectro2guide Pro eine LED-Taschenlampe bei. Mit dieser Lampe kann die Qualität der Probenoberfläche unter sehr intensivem, direktem Licht beurteilt werden. Ein Beleuchtungswinkel zwischen 15 und 45 Grad hat sich dabei als am effektivsten erwiesen.
b) Visuelle Beurteilung
Die visuelle Beurteilung erfolgte in der Lichtkabine byko-spectra pro mit Tageslicht D65 unter einem 45-Grad-Winkel. Die byko-spectra pro verwendet zur Simulation von D65 eine intelligente Kombination aus gefilterten Wolfram-Halogenlampen und LEDs, wodurch die höchste Wiedergabeklasse A nach CIE 51.2 garantiert ist. Dadurch ist die Lichtkabine "byko-spectra pro" ideal für farbkritische Beurteilungen von Volltonfarben geeignet und garantiert eine exakte Farbabmusterung gemäß CIE-Normlichtart D65.
Der geschulte Betrachter kann die Proben nach ihrem Schwarzgrad sortieren. Die Reihenfolge entspricht der Probenbezeichnung: Probe "Test 1" ist die Probe mit der geringsten Schwarzzahl (My), Probe "Test 6" ist die Probe mit der höchsten Schwazzahl (My), tiefschwarz. Die Proben "Test 5" und "Test 6" sind kaum voneinander zu unterscheiden. Hinsichtlich des Untertons werden die Proben "Test 5" und "Test 6" als deutlich bläulich (dM) wahrgenommen. Die Probe "Test 1" scheint einen gelblichen Unterton zu haben (dM). Die Proben "Test 2" bis "Test 4" werden eher als farbneutral, d.h. ohne deutlichen Unterton (dM) eingestuft.
c) Test Bedingungen und Durchführung
Jede Probe wird 50 Mal unmittelbar hintereinander an der gleichen Messtelle gemessen. Das spectro2guide Pro ist direkt mit der Software smart-lab Color verbunden. Dadurch kann die Messung Online über die Software ausgelöst werden, um den Einfluss des Anwenders zu minimieren. Die Messdaten werden ebenfalls in der smart-lab Color Software ausgewertet.
d) Ergebnisse
Das Ziel eines jeden Spektralphotometers ist es, das zu messen, was man sieht. Dieses Ziel wurde im Test erfolgreich bestätigt. Das spectro2guide Pro kann die Proben "Test 1" bis "Test 6" in Bezug auf Schwarzzahl und Unterton entsprechend der visuellen Beurteilung sortieren. In Abbildung 3 sind sowohl die gemessene Schwarzzahl My als auch die erzielten Werte für den Unterton dM aller Testkacheln grafisch dargestellt.
Abbildung 3: Schwarzzahl My und Unterton dM der Proben Test 1- 6
Die Zuverlässigkeit der Messung kann am besten beurteilt werden, indem die Messgenauigkeit, d. h. die Wiederholbarkeit, des Spektralphotometers analysiert wird. Im Folgenden werden beispielhaft die Ergebnisse für die Probe "Test 6" dargestellt, da diese am oberen Ende der ultimativen Schwarzskala mit My max = 400 liegt. Probe "Test 6" erreicht nach 50 Messungen einen mittleren Schwarzwert von 393,56 – was nur noch einem gemessenen Y von durchschnittlich 0,0116 entspricht. Trotz einer Remission von nur 116 ppm des einfallenden Lichts beträgt die erzielte Standardabweichung von Y nur 0,0002 (Varianz ≙ 0,0172) für 50 Messungen. Abbildung 4 zeigt die Messergebnisse für Y. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse von My.
Abbildung 4: My gemessen auf "Test 6 - Ultimatives Schwarz“
Figure 5: Y gemessen auf "Test 6 - Ultimatives Schwarz "
Die technische Leistung des spectro2guide Pro ist selbst bei tiefschwarzen Proben mit einer Schwarzzahl My nahe 400 hervorragend. Darüber hinaus ist die spectro2guide-Familie, bestehend aus spectro2go, spectro2guide und spectro2guide Pro, das einzige Spektralphotometer auf dem Markt, das in der Lage ist, Farbe und Glanz zu messen sowie die langfristige Farbstabilität einer Probe vorherzusagen. Die Analyse der Lichtechtheit erfolgt durch die Kombination eines Spektralphotometers mit einem Fluorimeter. Das spectro2guide Pro eröffnet völlig neue Perspektiven, um die Farbharmonie zu kontrollieren und die Farbstabilität zu gewährleisten - ganz gleich bei welcher Farbe oder wie tief das Schwarz sein mag.
[1] Analytical colorimetry - Part 3: Special indices (ISO 18314-3:2015), German version EN ISO 18314-3:2018
[2] Pigmente - Bestimmung der Schwarzzahl von Pigmentrußen, DIN 55979:2020-12
[3] Schwarz - der feine Unterschied, Kai Krauss, Andrea Höpke, Markus Mahn (Orion Engineered Carbons), Farbe und Lack, 2019/01
[4] Measuring Black - but how? Kai Kraus, Andrea Höpke and Markus Mahn (Orion Engineered Carbons), European Coatings Journal, 06-2020
[5] Orion Engineered Carbons GmbH, https://superblackcoatings.com/
Anita Fehr
BYK-Gardner GmbH
April 2021
