Naravno staranje in pospešeno umetno staranje sta dve glavni metodi za preskušanje obstojnosti materialov, izpostavljenih različnim vremenskim vplivom. Raziskali smo spremembo barve pri staranju netretiranega macesnovega in smrekovega lesa v naravnem okolju v obdobju 18 mesecev ter les smreke in macesna, zaščitenega s transparentnim premazom in barvnim premazom palisander za zunanjo uporabo z metodo pospešenega umetnega staranja. Nezaščiten les ima po dveh mesecih izpostavitve drugačno barvo. Pri smreki se barvne točke pomaknejo v sivo cono ravnine a*b*, pri macesnu pa sta še zaznavni rumena in rdeča barva. Pri zaščitenem lesu s premazi sta sijaj in sprememba barve odvisna od vrste premaza in lesa. Pri staranju materiala vpliva to na razliko v barvi ∆E*, premik točk v barvni ravnini a*b* in na sijaj.

Sprememba barve lesa zaradi diskoloracije lahko vpliva na naravni videz številnih vrst lesa in povzroča pomembne gospodarske težave (škodo) v lesni industriji. Sprememba barve lesa poteka zaradi okoljskih dejavnikov, biotskih (glive, plesni) in abiotskih (vpliv sprememb v okolju, kot so sončno obsevanje, dež, sneg, veter, onesnaženost zraka, temperatura, vlaga…). Biotske dejavnike močno omilimo s konstrukcijskimi rešitvami, z ohranjanjem vlažnosti lesa pod mejo rasti mikroorganizmov. Abiotskim dejavnikom pa se ne moremo izogniti. Da bi upočasnili staranje, zaščitimo les s premaznimi sredstvi.

Macesnov in smrekov les se pogosto uporabljata na prostem. Zaradi izpostavljenosti zunanjim vplivom sta podvržena dolgotrajnem staranju lesa in s tem povezano spremembo barve. Sončno sevanje, katerega UV komponenta povzroča fotokemične spremembe v lesu, močno vpliva na spremembo lastnosti lesa. Glavni vzrok za te spremembe je predvsem interakcija polisaharidov in lignina s svetlobno komponento blizu UV-A v kombinaciji z ostalimi abiotskimi dejavniki. Razgradnja komponent lesa se odraža v spremembi njihovih mehanskih in fizikalno-kemijskih lastnosti (sprememba začetne barve, izguba sijaja, hrapavost in razpoke, izguba mase) (Geffertova, Jarmila & Geffert, Anton & Vybohova, Eva. (2018)). Za opazovalca pa je najbolj opazna sprememba barve (Slika 1).

Slika 1: Sprememba barve lesa smreke zaradi izpostavitve UV žarkom in ostalim vremenskim vplivom na zahodni strani objekta po petih letih.

Barva lesa je odvisna od lesne vrste kot tudi od zornega kota ali kota osvetlitve. Barva lesa je posledica njegove kemične polimerne sestave iz celuloze, hemiceluloze in lignina. Za značilno barvo lesa je odgovoren predvsem lignin. Količina in razporeditev kemičnih komponent se spreminja v letnem prirastku (letnica) in je pri vsaki lesni vrsti drugačna. Le-ta pa poleg usmerjenosti vlaken zaradi rasti drevesa (ravna, valovita, spiralna in nepravilna) vpliva na teksturo lesne površine, ki jo lahko poudarimo z različnimi rezi (radialni, tangencialni, prečni). Pri razrezu prerežemo vlakna lesa pod določenim kotom in s tem spremenimo izgled lesa pri različnih zornih kotih. (Slika 2, Slika 3) Lesni materiali s spreminjanjem zornega kota ali kota osvetlitve spreminjajo barvo (podobno pojavu iridescence) (Slika 2).

Slika 2: Vizualni izgled površine lesa glede na usmerjenost lesnih vlaken (smer puščice).

Barvne razlike ∆E* < 2 so pri lesu povsem običajne in sprejemljive in so pri določenih lesnih vrstah in za določen namen uporabe celo zaželene (slika 3). Ob upoštevanju barvno homogenih površin se ta razsežnost šteje kot komaj zaznavna barvna razlika.

Slika 3: Tekstura lesa ima pomembno vlogo pri vizualnem zaznavanju površine.

Merjenje barve površine materiala ali izdelka je pomembno za zelo širok spekter industrijskih aplikacij, vključno z netretirano površino, barvano in lakirano površino pri izdelavi lesenih izdelkov. Za ocenjevanje in primerjavo barve se pogosto uporabljajo instrumentalne meritve, ki omogočajo numerično kvantifikacijo barve, da bi se izognili zelo subjektivni vizualni zaznavi, ki je lastna ljudem.

Za zahtevne barvne meritve pogosto uporabljamo barvni spekter, ki ga lahko izmerimo s spektrofotometrom, pri čemer kot referenco uporabimo kalibrirane standardne vzorce. Ker je nemogoče določiti absolutne barvne vrednosti vzorca, vedno delamo s približki. Človeško oko lahko zaznava barvne razlike že od 0,5 enote CIE Lab (Slika 4) in tako loči na milijone barv.

Slika 4: Barvni prostor CIELAB

Sistem CIELAB, tudi L*a*b*, je oblikovala Mednarodna komisija za osvetljevanje, predstavlja prostor s tremi osmi L*, a* in b*.  L* vrednost predstavlja svetlost barve od črne (L=0) do bele (L=100). Vrednost a* in b* pa izražajo vrednosti štirih edinstvenih barv človeškega vida: rdeča (+a*), zelena (-a*), rumena (+b) in modra (-b*). Ker se CIELAB meri v treh dimenzijah, obstaja neskončno število barvnih možnosti. To omogoča, da se standard bolje približa človeškemu vidu. Kromatičnost vizualiziramo in kvantificiramo z uporabo ravnine a*b* barvnega prostora CIELAB (Slika 4).

Sijaj lesa je vizualni vtis, ki ga dobimo, ko gledamo površino. Če se večji del vpadne svetlobe odbija pravilno in le manjši del razpršeno vidimo površino z večjim sijajem. Pri tem pa igra pomembno vlogo tekstura lesa. Sijaj je volumen neposredno odbite svetlobe od površine lesa (Slika 5). Količina zrcalnega in razpršenega odseva se spreminja glede na površino predmeta. Na grobih površinah z nizkim sijajem je zrcalna komponenta šibka, razpršena svetloba pa je močnejša.

Slika 5: Odboj svetlobe na ravni ploskvi se imenuje zrcalni ali pravilen odboj, ker je kot loma svetlobe enak kotu odseva. Na hrapavih površinah se pojavi razpršeni odboj, saj se površina obnaša kot neskončno majhnih nepravilnih površin, ki odbijajo žarke v več smereh.

Testiranje staranja lesa

Materiali in metode

Nezaščiten les smreke in macesna smo izpostavili naravnemu, les zaščiten s premazi za zunanjo uporabo pa pospešenemu umetnemu staranju ter spremljali spremembo barve na površini. Vzorci so bili pred in po izpostavitvi staranju uravnoveseni pri temperaturi 20 °C in relativni zračni vlažnosti 65 %.

Naravno staranje lesa smreke in macesna

Vzorce lesa macesna in smreke dimenzij 150 mm × 75 mm × 20 mm smo izpostavili naravnemu okolju za 18 mesecev. Začetek izpostavitve se je pričel v januarju. Vsake 2 meseca smo po en vzorec odvzeli, ga stehtali in mu izmerili dimenzije ter barvo (Slika 6).

Slika 6: Vzorci lesa smreke in macesna med izpostavitvijo naravnem staranju na strehi objekta v Izoli za dobo 18 mesecev.

Pospešeno umetno staranje smreke in macesna, zaščitenimi s premazi za zunanjo uporabo

Deset vzorcev macesna in deset vzorcev smreke dimenzije 75 mm × 75 mm × 20 mm smo uravnovesili pri temperaturi 20 °C in 65 % relativni zračni vlažnosti. Pet vzorcev smreke in pet vzorcev macesna smo premazali s prozornim in pet vzorcev s barvnim premazom palisander za zunanjo uporabo. Nanos premaza je bil 80 g/m2 v dveh nanosih (slika 7). Po 24 urnem utrjevanju premaza pri sobni temperaturi smo vzorce ponovno uravnovesili pri temperaturi 20°C in relativni zračni vlažnosti 65 %. Pred izpostavitvijo vzorcev pospešenemu staranju v napravi QUV accelerated weathering tester smo vzorcem izmerili barvo in sijaj.

Slika 7: Vzorci pripravljeni za teste pospešenega staranja (Stolpec 1- smreka transparentni lak, 2- smreka, barvni lak palisander, 3 – macesen, transparentni lak, 4 – macesen, barvni lak palisander).

Preskusi pospešenega umetnega staranja smreke in macesna so bili izvedeni po standardu EN-927-6 – “Barve in laki – Premazni materiali in premazni sistemi za les za zunanjo uporabo – 6. del: Izpostavljenost lesnih premazov umetnemu vremenskemu delovanju s fluorescenčnimi UV svetilkami in vodo”.

Cikel pospešenega umetnega staranja je bil sestavljen iz štirih stopenj: (1) 24 ur toplote (45 °C) in kondenzacije; (2) 2,5 ure UV-svetlobe pri 60 °C; (3) 0,5 ure pršenja deionizirane vode; (4) ponovitev stopenj 2 in 3, 48-krat. En cikel traja skupaj 168 ur (1 teden). Pred in po izpostavljenosti pospešenem staranju smo vzorce stehtani in jim izmerili barvo v barvnem prostoru CIE L*a*b* z napravo Erichsen – Colour and Gloss Unit SPEKTROMASTER 565-45. Z vrednostjo ΔE* smo opredelili barvne razlike, do katerih je prišlo po vremenskih vplivih (metoda izračuna CIE76). Barvna razlika ΔE je izračunana z določitvijo evklidske razdalje med barvama:

∆E je oznaka za barvno razliko dveh barv, izraženih s koordinatami CIEL*a*b barvnega prostora.

L₂*-L₁* predstavlja razliko v svetlosti med vzorcem in standardnimi barvami.

a₂*-a₁* predstavlja razliko v rdeči ali zeleni barvi med opazovanima vzorcema.

b₂*-b₁* označuje razlike v modri ali rumeni med opazovanima vzorcema.

Vrednotenja barvnih razlik ∆E* opredeljuje naslednje razlike:

• ∆E* < 0,2 nevidne razlike
• 0,2 < ∆E* < 2 majhna razlika
• 2 < ∆E* < 6 vidna razlika
• 6 < ∆E* < 12 velika razlika
• ∆E* > 12 različna barva

Vzorcem pred in po pospešenem staranju smo izmerili tudi sijaj pri 60°. Izmerjene vrednosti podajajo naslednje stopnje sijaja:

• Visok sijaj > 70GU
• Polsijaj 10 – 70GU
• Nizki/matni < 10GU

Rezultati

Slika 8 in slika 9 prikazujeta barvne spremembe vzorcev lesa smreke in macesna pred izpostavitvijo in po 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 in 18 mesečnem naravnem staranju.

Slika 8: Barva lesa smreke po času izpostavitve: 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 in 18 mesecev.

Slika 9: Barva lesa macesna po času izpostavitve: 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 in 18 mesecev.

Pri obeh lesnih vrstah je bila po dveh mesecih izpostavitve naravnemu okolju že zaznana različna barva tako vizualno, kot pri izmerjeni razliki barve ∆E* > 12 (različna barva; preglednica 1). Površina smreke se je po dveh mesecih površina rahlo obarvala rdeče, po štirih mesecih je bila rdeča barva še bolj intenzivna, nato pa je se je do konca meritev hitro zmanjšala vsebnost rdeče in rumene barve in se povečala vsebnost sive barve (a* = ± 2). V barvi macesna je naravno veliki delež rdeče barve, ki se je rahlo povečal po dveh mesecih izpostavitve, delež rumene in rdeče barve se je počasi zmanjšal v naslednjem polletnem obdobju in hitreje zadnjih desetih mesecih, ko je začela prevladovati siva barva.

Preglednica 1: Razlika v barvi smreke in macesna po izpostavitvi naravnemu staranju.

Pospešeno umetno staranje smreke in macesna, zaščitenimi s premazi za zunanjo uporabo

Pri lesu, zaščiten s premazi za zunanjo uporabo sta poleg razlike v barvi ∆E* pomembna podatka tudi kromatičnost in sijaj. Pri vseh opazovanih vzorcih se je pri umetnemu pospešenemu staranju barva spremenila (∆E* > 12). Največjo spremembo barve smo zabeležili pri macesnu, premazanim z barvnim lakom palisander in najmanjšo pri macesnu, premazanim s transparentnim lakom (Slika 10). Pri transparentnem laku je površina lesa smreke po zaključenem umetnem staranju vsebovala več rumene barve, površina lesa macesna pa manj rumene in rdeče barve (bolj bleda površina). Pri barvnem laku pa je bilo po zaključku testiranja zaznati na površini več rumene in rdeče barve (površina je postala bolj oranžna).

Na vzorcih izpostavljenih pospešenem staranju je bil izmerjen tudi sijaj. Na spremembo sijaja pri premazih vpliva poleg njegove sestave tudi podlaga, na katero nanesemo premaz. Visok sijaj je bil dosežen pri transparentnem laku na smreki in barvnem laku palisander na macesnu in smreki (slika 11). Pri transparentnem laku na macesnu pa so bile vrednosti pod 70 GU, ki predstavlja mejo za visok sijaj. Po izpostavitvi umetnemu staranju je bil pri vseh vzorcih izmerjen polsijaj. Najmanjša razlika v sijaju je bila izmerjena pri macesnu, premazanim s transparentnim lakom. Največja razlika je bila izmerjena pri macesnu, premazanim z barvnim lakom palisander.

Slika 10: Povprečna razlika v barvi ΔE* pri smreki in macesnu po izpostavitvi pospešenemu umetnemu staranju.

Slika 11: Sijaj pred in po izpostavitvi vzorcev smreke in macesna pospešenemu umetnemu staranju.

Zaključek

Izgled površine je pomemben parameter za ocenjevanje kakovosti in tržne vrednosti lesnih izdelkov. Preučevanje staranja materialov se uporablja za napovedovanje sprememb v materialih in izboljšanje trajnosti izdelkov. Prepoznavanje sprememb barve in sijaja uporabnikom pomaga pri odločitvah o izbiri vrste materialov za določen namen.

Avtorici: mag. Marica Mikuljan in dr. Andreja Kutnar, InnoRenew CoE

References

• Egilmez, F., Ergun, G., Cekic-Nagas, I., Vallittu, P. K., & Lv, L. (2012). Estimation of the surface gloss of dental nano composites as a function of color measuring geometry. American Journal of Dentistry, 25(4), 220. Retrieved 3 10, 2023, from https://researchgate.net/profile/ferhan_egilmez/publication/232525791_estimation_of_the_surface_gloss_of_dental_nano_composites_as_a_function_of_color_measuring_geometry/links/554f488808ae956a5d243f67.pdf
• Fleming, R. W., Nishida, S., & Gegenfurtner, K. R. (2015). Perception of material properties. Vision Research, 115, 157-162. Retrieved 3 14, 2023, from https://ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26306424
• Hiltunen, J., Jaeaeskelaeinen, T., & Parkkinen, J. (1999). Accurate spectral color measurements. Proceedings of SPIE, 3837, 202-209. Retrieved 3 10, 2023, from https://spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/3837/1/accurate-spectral-color-measurements/10.1117/12.360299.full
• Kržišnik, D., Lesar, B., Thaler, N., & Humar, M. (2018). Influence of Natural and Artificial Weathering on the Colour Change of Different Wood and Wood-Based Materials. Forests, 9(8), 488. Retrieved 3 10, 2023, from https://mdpi.com/1999-4907/9/8/488/htm
• Geffertova, Jarmila & Geffert, Anton & Vybohova, Eva. (2018). The effect of UV irradiation on the colour change of the spruce wood. Acta Facultatis Xylologiae. 60. 41-50. 10.17423/afx.2018.60.1.05.
• https://www.viewsonic.com/library/creative-work/what-is-delta-e-and-why-is-it-important-for-color-accuracy/