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耐光性とは、染料や顔料などの着色剤が光にさらされたときの退色に対する耐性を表す性質です。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]染料や顔料は、例えば布地、プラスチック、その他の材料の染色や、塗料や印刷インクの製造に使用されます。
色の退色は、対象物の色を決定づける分子の化学構造に紫外線が作用することによって起こります。分子の色を決定づける部分は発色団と呼ばれます。[ 4 ] [ 5 ]
塗装面に光が当たると、顔料の化学結合が変化したり切断されたりして、光分解と呼ばれるプロセスで色が褪せたり変化したりします。[ 6 ]この影響に抵抗する材料は耐光性 があると言われます。太陽の電磁スペクトルには、ガンマ線から電波までの波長が含まれています。特に紫外線の高エネルギーは、染料の退色を加速させます。[ 7 ]
大気中のオゾンに吸収されないUVA放射の光子エネルギーは、炭素-炭素単結合の解離エネルギーを超え、その結果、結合が切断され、色が褪せる。[ 7 ]無機着色料は有機着色料よりも耐光性が高いと考えられている。[ 8 ]黒色着色料は通常、最も耐光性が高いと考えられている。[ 9 ]
耐光性は、試料を所定の時間光源にさらした後、光にさらされていない試料と比較することによって測定されます。 [ 2 ] [ 3 ] [ 10 ]
退色する過程では、色素分子は様々な化学反応を経て退色する。
紫外線光子が着色剤として作用する分子と反応すると、その分子は基底状態から励起状態に励起されます。励起された分子は反応性が高く不安定です。分子が励起状態から基底状態に消光される過程で、大気中の三重項酸素が着色剤分子と反応して一重項酸素とスーパーオキシド酸素ラジカルを生成します。この反応によって生成された酸素原子とスーパーオキシドラジカルはどちらも反応性が高く、着色剤を破壊する可能性があります。[ 7 ]
光分解、すなわち光化学分解は、化合物が光子によって分解される化学反応である。この分解は、十分なエネルギーを持つ光子が、適切な解離エネルギーを持つ色素分子の結合に遭遇したときに起こる。この反応により、発色団系でホモリティック開裂が起こり、色素が退色する。[ 7 ]
光酸化、すなわち光化学酸化。色素分子は、十分なエネルギーを持つ光子によって励起されると、酸化プロセスを受ける。このプロセスにおいて、色素分子の発色団系は大気中の酸素と反応して非発色団系を形成し、退色を引き起こす。発色団としてカルボニル基を含む色素は、特に酸化されやすい。[ 7 ]
光還元、すなわち光化学還元。発色団として機能する不飽和二重結合（アルケンに典型的）または三重結合（アルキンに典型的）を持つ色素分子は、水素と十分なエネルギーを持つ光子の存在下で還元され、飽和発色団系を形成する。飽和により発色団系の長さが短くなり、色素が退色する。[ 7 ]
Photosensitization, i.e., photochemical sensitization. Exposing dyed cellulosic material, such as plant-based fibers, to sunlight allows dyes to remove hydrogen from the cellulose, resulting in photoreduction on the cellulosic substrate. Simultaneously, the colorant will undergo oxidation in the presence of the atmospheric oxygen, resulting in photo-oxidation of the colourant. These processes result in both fading of the colorant and strength loss of the substrate.[7]
Phototendering, i.e., photochemical tendering. As a result of UV light, the substrate material supplies hydrogen to the colourant molecules, reducing the colorant molecule. As the hydrogen is removed, the material undergoes oxidation.[7]
Some organizations publish standards for rating the lightfastness of pigments and materials. Testing is typically done by controlled exposure to sunlight, or to artificial light generated by a xenon arc lamp.[11]Watercolors, inks, pastels, and colored pencils are particularly susceptible to fading over time, so choosing lightfast pigments is especially important in these media.[1]
The most well known scales measuring the lightfastness are the Blue Wool Scale, Grey scale and the scale defined by ASTM (American Standard Test Measure).[11][12][13][14] On the Blue Wool Scale the lightfastness is rated between 1–8. 1 being very poor and 8 being excellent lightfastness. In grey scale the lightfastness is rated between 1–5. 1 being very poor and 5 being excellent lightfastness.[1][2][10] On ASTM scale the lightfastness is rated between I-V. I is excellent lightfastness and it corresponds to ratings 7–8 on Blue Wool Scale. V is very poor lightfastness and it corresponds to Blue Wool scale rating 1.[10]
実際の耐光性は太陽光の強度に依存するため、耐光性は地理的な場所、季節、および照射方向によって左右されます。次の表は、さまざまな測定尺度での耐光性評価と、直射日光および通常の展示条件（窓から離れた場所、間接日光の下、UVカットガラスの後ろに適切に額装された場所）における時間との関連性を示唆するものです。[ 10 ]
退色の相対量は、標準テストストリップを使用して測定および研究できます。ブルーウールテストのワークフローでは、1つの参照ストリップセットを光にさらさないように保護して保管します。同時に、もう1つの同等のテストストリップセットを、規格で定義された光源にさらします。たとえば、着色剤の耐光性がブルーウールスケールで5と示されている場合、ブルーウールテストストリップセットのストリップ番号5と同様の退色が予想されます。テストの成功は、テストストリップセットを光から保護して保管した参照セットと比較することによって確認できます。[ 12 ] [ 13 ]
印刷では、インクには主に有機顔料が使用されるため、紫外線の存在による印刷物の色の変色や退色は、通常は時間の問題です。有機顔料の使用は、無機顔料に比べて安価であるという点が主な理由です。無機顔料の粒子サイズは有機顔料よりも大きい場合が多く、そのため無機顔料はオフセット印刷には適さないことが多いです。[ 15 ]
スクリーン印刷では、顔料の粒子サイズは制限要因ではありません。そのため、極めて高い耐光性が求められる印刷作業には、スクリーン印刷が好ましい印刷方法です。インク層の厚さは、基材上に塗布される顔料の量によって耐光性に影響します。スクリーン印刷で印刷されるインク層は、オフセット印刷で印刷されるインク層よりも厚くなります。つまり、単位面積あたりの顔料含有量が多くなります。これにより、両方の方法で使用される印刷インクが同じ顔料に基づいている場合でも、耐光性が向上します。[ 7 ]
印刷インクを混合する際、耐光性の低いインクが混合インク全体の耐光性を決定します。いずれかの顔料が退色すると、耐光性の高い成分の方に色調が変化します。主成分の顔料が退色しても印刷物に何らかの視認性を持たせる必要がある場合は、耐光性に優れた顔料を少量混合することで対応できます。