白度检测：原理、应用与仪器操作指南

白度作为衡量物体表面白色程度的关键指标，在众多行业中扮演着至关重要的角色。从纸张的光洁白净到陶瓷的釉面质感，从塑料制品的色泽一致性到面粉的加工品质，白度的精确量化直接影响着产品的观感质量和市场价值。白度仪作为一种专业的测量工具，其科学性、稳定性和规范性对获取准确、可比较的数据至关重要。

一、 白度检测的核心原理

白度仪的测量建立在严谨的光学原理基础之上：

  1. 光学基础：

    • 仪器内置特定光谱特性的光源（通常是模拟标准日光D65或C的光源），照射到被测样品表面。
    • 样品表面会选择性吸收和反射入射光。白度测量主要关注样品对可见光光谱中特定蓝光波段（通常在457nm附近） 的反射能力。
    • 探测器精确捕捉样品反射的光信号，并将其转换为电信号。

  2. 白度指数计算：

    • 仪器内部处理器依据国际通用的CIE白度公式进行计算。最常用的是CIE 1986白度指数（Ganz白度）：
      • WI = Y + 800(xₙ - x) + 1700(yₙ - y)
      • Tint = 900(xₙ - x) - 650(yₙ - y)
      • 其中：WI为白度值，数值越高表示越白；Tint为色调偏移值（正值偏绿，负值偏红）；Y为亮度值；x, y为样品在CIE色度图上的色品坐标；xₙ, yₙ为所选标准照明体（如D65）下的完全漫反射体的色品坐标。
    • 公式通过结合亮度（Y）和在特定蓝紫光区域的反射特性差异（体现在x, y坐标差值上），综合计算出表征样品“白”的程度（WI）以及白的色调（Tint）。

  3. 仪器构造关键：

    • 稳定光源： 提供符合标准、光谱特性稳定的光照条件。
    • 积分球： 核心光学器件，内壁涂有高反射率的漫反射材料（如硫酸钡或聚四氟乙烯），确保照射到样品的光是均匀的漫射光，并均匀收集来自样品表面的反射光，极大减少测量方向性误差。
    • 精密光学滤波器与探测器： 模拟标准观察者颜色匹配函数，精确分离和测量所需波段的光信号。
    • 数据处理单元: 进行复杂的信号转换和白度指数计算。
 

二、 白度仪的核心应用领域

精确的白度测量广泛应用于对产品外观和品质有严格要求的行业：

  1. 造纸行业：

    • 新闻纸、印刷纸、书写纸、包装纸板、特种纸等的白度控制。
    • 评价浆料漂白效果、填料（如碳酸钙、高岭土）添加效果。
    • 直接影响印刷品的色彩还原度和视觉感受。

  2. 纺织印染行业：

    • 坯布、漂白纱线、漂白织物、增白处理织物的白度评估。
    • 荧光增白剂（FWA）增白效果的定量检测与质量控制。
    • 白色或浅色纺织品色差控制的重要指标。

  3. 建筑材料行业：

    • 白色或浅色涂料、油漆的白度与色差控制。
    • 水泥、白水泥、石膏粉、滑石粉、高岭土、石英砂等原料及成品的白度检测。
    • 陶瓷、搪瓷、瓷砖、卫生洁具等釉面或坯体的白度评价。

  4. 塑料与化工行业：

    • PVC、PE、PP、ABS等白色或浅色塑料粒子及制品的白度控制。
    • 钛白粉（TiO₂）、立德粉、氧化锌等白色颜料的质量评价核心指标。
    • 洗涤剂、洗衣粉的白度（外观）检测（常关联荧光增白剂含量）。

  5. 食品与农产品行业：

    • 面粉、淀粉、白糖、食盐、奶粉等食品原料和产品的白度分级（作为品质或加工精度的参考指标）。
    • 棉花、蚕丝等农产品的品质评价。

  6. 其他行业：

    • 陶瓷原料（如瓷土、长石）、耐火材料。
    • 油墨（白色油墨）。
    • 橡胶（白色橡胶制品）。
 

三、 白度仪操作规范与关键步骤

规范操作是获得可靠、可重复白度数据的前提：

  1. 开机预热：

    • 严格按照仪器说明书要求进行预热（通常15-30分钟），使光源和电子元件达到稳定工作状态。

  2. 仪器校准（至关重要）：

    • 零点校准（黑筒校准）： 使用仪器配套的黑筒（极低反射率）进行校准，设定仪器的零点基准。
    • 白板校准： 使用仪器配套并定期检定合格的标准白板（已知反射率值）进行校准，确保仪器量值传递准确。这是保证测量结果准确性的最关键步骤。白板需妥善保管，避免污染、刮擦和光照老化。

  3. 样品制备：

    • 平整性： 确保被测表面平整、清洁、无污渍、无划痕、无皱褶。不平整的表面会导致反射光分布不均，引入误差。
    • 均匀性： 样品本身需色泽均匀。不均匀样品应在不同位置多点测量取平均值。
    • 厚度与不透明性： 对于薄片或粉末样品，需保证足够厚度或进行压片处理（使用专用压样器），避免背景色透射影响测量结果。粉末样品需均匀填满样品盒并压实刮平。
    • 方向性： 对于有纹理或方向性的样品（如织物、纸张），需规定测量方向或在报告中注明，并在每次测量时保持一致。

  4. 测量操作：

    • 将制备好的样品紧密贴合放置在仪器的测量孔上，确保无漏光。
    • 触发测量按钮，待仪器读数稳定后记录结果。通常记录白度值（WI）和色调值（Tint）。
    • 对于非均一样品，应在多个代表性位置测量并计算平均值和标准差。

  5. 结果记录与报告：

    • 清晰记录样品信息、仪器型号、校准白板编号及值、测量条件（如光源/观察者几何条件）、测量值（WI， Tint， Y等）、测量日期/时间、操作人员等。
    • 报告中需明确标注所使用的白度公式（如CIE WI (Ganz)）。
 

四、 影响测量结果的关键因素与注意事项

  1. 校准： 校准错误或标准白板失效是最大误差来源。务必定期检定标准白板（建议周期不超过一年）。
  2. 样品制备： 表面状态（平整度、清洁度、纹理方向）、粉末压片的紧实度与平整度、样品厚度不足导致的漏光或透底，都会严重影响结果。
  3. 仪器参数设置：
    • 光源/观察者条件： 必须明确并统一测量所使用的标准光源（如D65）和标准观察者（如10°视场）。不同设置结果不可比。
    • 白度公式： 不同行业或标准可能使用不同的白度公式（如Hunter白度、Taube白度、Berger白度、ASTM E313白度等）。必须清晰注明所用公式。比较结果时务必确保公式一致。
  4. 仪器状态： 积分球内壁污染、光学窗口脏污、光源老化、探测器性能漂移等都会引入误差。需定期维护保养。
  5. 荧光增白剂： 含FWA的样品在紫外线激发下会发射蓝紫光，显著提升视觉白度和仪器测量的白度值（尤其在包含UV成分的光源下）。测量此类样品时：
    • 需明确报告中结果是否包含荧光贡献。
    • 有时需要测量“荧光白度”或使用特定模式评估荧光效果。
    • 比较样品时需确保仪器校准状态的UV含量一致。
  6. 操作环境： 避免在强磁场、强震动、温度剧烈波动、强光直射（特别是紫外光）的环境中使用仪器。
  7. 仪器选择： 根据样品特性和精度要求选择合适的仪器（台式/便携式、孔径大小、是否含UV调节等）。
 

五、 标准与规范

白度测量遵循一系列国际和国家标准，确保测量的一致性和可比性：

  • 国际标准：
    • ISO 11475:2017 纸和纸板 - D65/10°条件下漫反射因数的测定（包含CIE白度计算）。
    • ISO 11476:2016 纸和纸板 - C/2°条件下漫反射因数的测定（包含CIE白度计算）。
    • ISO 2470-1:2016 纸、纸板和纸浆 - 蓝光漫反射因数测定（ISO亮度，常用，但不是严格的白度标准）。
    • CIE 15:2018 比色法 (提供了包括白度在内的颜色测量基础)。
  • 国家标准（示例）：
    • GB/T 7974 / GB/T 22880: 中国国家标准，规定了纸浆、纸和纸板在D65和C光源下的白度测定方法（通常等效采用ISO标准）。
    • GB/T 5950: 建筑材料与非金属矿产品白度测量方法。
    • ASTM E313 / ASTM E1347 / ASTM E1331: 美国材料与试验协会关于白度、颜色测量的标准。
    • DIN 53145 / TAPPI T452 / JIS P 8123: 德国、美国制浆造纸工业技术协会、日本的相关标准。
 

测量时必须明确遵循并注明所依据的标准。

六、 未来发展趋势

白度仪技术持续发展以满足更精细化的需求：

  • 更高精度与稳定性： 改进光学设计、探测器性能和算法，提高重复性与准确性。
  • 智能化与自动化： 集成更强的数据处理能力、自动校准、数据存储/传输、云分析、与生产线在线检测系统连接。
  • 多功能集成： 白度仪常作为多参数色差仪/分光光度计的核心功能之一，同时测量颜色坐标（Lab*）、色差（ΔE）、黄度指数等更多指标。
  • 便携性与现场应用： 高性能便携式设备发展迅速，满足现场快速检测需求。
  • 荧光评估能力： 增强对含荧光增白剂样品UV含量调节和荧光效果定量评估的功能。
  • 标准化增强： 持续完善和统一全球范围的标准，促进测量结果的广泛可比性。
 

总结

白度仪是工业生产、品质控制和科学研究中不可或缺的精密光学仪器。深入理解其工作原理、严格遵循标准化的操作规范（特别是校准和样品制备）、充分认识影响测量精度的多种因素，是获取可靠、准确、可比较白度数据的基础。随着技术的进步和应用需求的深化，白度检测将在更广泛的领域发挥更精准、更智能的作用，为产品质量提升和产业升级提供坚实的技术支撑。