吴葆松，周锋锐 (安徽黑钰颜料新材料有限公司，合肥 230061)
摘 要：本文从《色素炭黑 黑度的测定》(GB/T 7048)、《炭黑 第6部分：着色强度的测定》(GB/T 3780.6)推荐的测
量炭黑黑度的“反射仪”入手，通过对其《产品使用说明书》的解析，说明反射率炭黑黑度同样以CIE XYZ标准为基础，且
反射率黑度是样片绿刺激值的100倍，是样片绿刺激值相对于光源绿刺激值的反射率的10000倍，只要对反射率黑度适当
定义，完全可以被全世界颜色工作者(颜色研究者、颜料生产商、颜料销售商、测色仪生产商、颜色使用者)所共同理解 和接受。
关键词：炭黑;黑度;色度学;CIE;绿刺激值;分光测色仪
1 前 言
炭黑是一种黑色的纳米粉体材料，由于化学 性质稳定、耐光、耐候、着色力强、黑度高、价格 便宜，作为黑色颜料广泛使用在涂料、油墨、塑胶
中。色素炭黑的下游应用客户普遍关注炭黑的黑 度及分散性，由于黑度、分散性的差异，优质高色 素炭黑的价格可以是普通色素炭黑的10~20倍，因
此，如何测定炭黑黑度是色素炭黑生产、经营、消 费过程中最为关注的技术问题。
2 “黑度”及“炭黑黑度”
本文所讨论的“黑度”是色度学所涉及的概 念，是指在特定的光源、视角下所观察(测量)到 的物体(样片)色的亮度(黑白)及色相，在 CIE 1931
XYZ色度空间里，其数值表现为Y值及 X、Z 值的大小，在 CIE 1976 L*a*b* 色度空间里，其数 值表现为 L* 值及 a*、b*
值的大小。
炭黑是具有准石墨结构的一类黑色纳米粉体 材料的总称，由于平均粒径的差异，使用过程中， 不同品种的炭黑会有不同的黑度表现。“炭黑黑
度”是指按规定的方法取样、制作样品分散体墨 膜、选用适合CIE色度标准的仪器及测量方法所测 得的黑度值，并将此黑度值定义为该种炭黑的“炭 黑黑度”。
《色素炭黑 黑度的测定》(GB/T 7048)在说 明其方法原理时指出，“将色素炭黑试样(以下 简称试样)和标准参比炭黑 3 号(以下简称标样)
分别与精制 4 号亚麻仁油相混合，经研磨得到均 匀的墨浆。然后将它涂敷成厚度均匀的薄膜，用 反射仪测量其黑度值。用反射率表示试样的黑度
值”[1]。为了与德国的My黑度、美国的Mc黑度相 区别，本文将《色素炭黑 黑度的测定》(GB/T 7048)所规定的炭黑黑度简称为“反射率黑度”， 记为
Fy。
3 色度学及 CIE 标准简介
3.1 色度学的研究对象
颜色是人的眼睛通过大脑对物体的一种主观 感觉，如何用数学方法来定量表征人眼对颜色的 感觉是一项任务艰巨的研究工作。“色度学是研究
人的颜色视觉规律、颜色测量的理论与技术的科 学。这是一门本世纪发展起来的，以物理光学、视 觉生理、视觉心理、心理物理等学科领域为基础的
综合性科学。由于色度学的建立，颜色工作者就 能 以 统 一 的 标 准，对 颜 色 作 定 量 的 描 述 和 控 制”[2]。
3.2 CIE 国际组织
C I E ( C o m m i s s i o n I n t e r n a t i o n a l e d e
L‘Eclairage)：国际发光照明委员会，成立于1930 年(其前身是 1900 年成立的国际光度委员会)， 总部设在维也纳，从成立至今，一直致力于色度学
的研究，致力于颜色测量、色度计算和颜色表征技 术标准的制定。一百多年的时间过去了，CIE的研 究工作成果斐然，制定出的系列标准已经成为全
世界颜色工作者一致认可的统一标准。
3.3 中国颜色表示和测量标准
1987 年，中国照明学会以中国国家照明委员 会(China NC-CIE)的名义加入 CIE。在 CIE 色度
学标准下，由全国颜色标准化技术委员会(TC120) 主导，制定的中国颜色表示和测量标准主要有：
GB/T 3977 颜色的表示方法;
GB/T 3978 标准照明体和几何条件;
GB/T 3979 物体色的测量方法;
GB/T 5698 颜色术语;
GB/T 7921 均匀色空间和色差公式;
GB/T 9086用于色度和光度测定的标准白板。
GB/T 15608 中国颜色体系;
GB/T 20147 CIE 标准色度观测者。
参照CIE色度学标准及以上系列标准，由全国 涂料和颜料标准化技术委员会(TC5)主导，制定 的颜色表示和测量标准主要有：
GB/T 1864 颜料和体质颜料通用试验方法颜 料颜色的比较(eqv ISO 787-1:1982);
GB/T 5211.20在本色体系中白色、黑色和着色 颜料颜色的比较色度法(eqvISO 787-25:1993);
GB/T 11186.1 涂膜颜色的测量方法第一部分 原理(eqv ISO 7724-1:1984); GB/T 11186.2
涂膜颜色的测量方法第二部分 颜色测量(eqv ISO 7724-2:1984);
GB/T 11186.3 涂膜颜色的测量方法第三部分 色差计算(eqv ISO 7724-3:1984)。
涂料、油墨是色素炭黑的重要应用领域，下游 客户对 CIE 三维色度空间的理解以及对颜色测量 和定量表征的习惯，直接影响着《色素炭黑黑度的
测定》(GB/T 7048)反射率黑度应如何定义。
4 物体色表示和测定的基础知识
4.1 颜色感觉和测量的三要素
颜色感觉的三要素为光源、物体、观测者;相 应地，颜色测量的三要素为光源、样片、测色仪。 它们的对应关系如图 1 所示：
4.2 颜色匹配试验
红、绿、蓝三种标准色光可以匹配出所有颜色 并被人眼感觉，被光学仪器测量。颜色匹配试验 是组织大规模人群对颜色进行观察、分析的试验，
是逐一用不同刺激强度的红、绿、蓝三种标准色光 匹配任意颜色的试验工作，是CIE定量表示任意颜 色的基础试验工作。
4.3 三刺激值
在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜 色的三种颜色叫做三原色。
颜色匹配实验中，当与待测色达到色匹配时 所需要的三原色的数量，称为三刺激值，记作 X (红)、Y(绿)、Z(蓝)。一种颜色与一组 X、
Y、Z值相对应。X、Y、Z值相同的颜色，其色彩的 感觉必定相同。
CIE标准色度学系统是一种混色系统，是以颜 色匹配实验为出发点建立起来的，用组成每种颜 色的三原色数量来定量表达颜色。
4.4 色品坐标
一个颜色的三刺激值与它们之和的比构成该 颜色的色品坐标。
在 CIE 1931 标准色度系统中(2°视角)，由 X、Y、Z 三刺激值可以计算出色品坐标 x、y、z：
在 CIE 1964 标准色度系统中(10°视角)，由 X10、Y10、Z10三刺激值可以计算出色品坐标x10、 y10、z10：
其中，坐标 y 定量表示颜色明亮(黑白)，坐 标 x、z 表示颜色的色相[3]。
4.5 黑、白两种颜色的匹配
红、绿、蓝 三 种 原 色 光 混 合，当 刺 激 值 X=Y=Z=1/3时得到白色，称为颜色匹配的加色法， 加色法适合于电视、手机的成像;
品红、黄、青三种原色料混合，当刺激值 X=Y=Z=1/3时得到的是黑色，称为颜色匹配的减色 法，适合于涂料、油墨等。
4.6 色匹配函数
色匹配函数是指匹配等能光谱各波长所需的 参考色刺激，是一组归一化单色辐射三刺激值。 CIE 1931 标准色度系统中的色匹配函数用x(λ)、
y(λ)、z(λ)表示。利用色匹配函数可以在可见光的波 长区间上画出色匹配曲线如图 4：
4.7 标准色度观测者
CIE 1931 标准色度观测者的色度特性与 CIE 1931 标准色度系统中的色匹配函数x(λ)、y(λ)、z(λ) 一致，适合于
1°~4°的视场范围。
CIE 1964 标准色度观测者的色度特性与 CIE 1964 标准色度系统中的色匹配函数x10(λ)、y10(λ)、 z10(λ) 一致，适合于大于
4°的视场范围。
二者的差异在于色匹配函数及色品图的变 化，如图 5 所示。
CIE标准色度观测者试验由“CIE1931年标准 色度观测者的色匹配函数和光谱色品坐标”及 “CIE1964年补充标准色度观测者的色匹配函数和
光谱色品坐标”两部分构成，是一项工程浩大的 系统实验工作，参加试验人员有100人，从360nm 的光波开始，一直到 830nm
结束，颜色匹配试验在每一个光波点上逐一进行，得到的实验数据有 4700个，色匹配试验的数据精确到小数点后第10 位[3]。
标准《GB/T 20147-2006/CIE 10527：1991 CIE 标准色度观测者》系统汇总了这些试验结果，成为
所有颜色工作者(颜色理论研究者、颜料生产商、 颜料销售商、测色仪生产商、颜色使用者)共同工 作的基础。
4.8 CIE XYZ 标准色度系统的建立
CIE 1931 XYZ标准色度系统的三刺激值以X、 Y、Z 表示，三种原色中只有 Y 值既代表色度又代 表亮度(又称“明度”、“黑度”)，称为亮度因
数，其取值范围为0~100，而X、Z与亮度无关，只 表示颜色的色度特征。这样，一种颜色就能唯一 地由 X、Y、Z 一组数确定下来，如图 6。
4.9 光源色的色度计算
不同光源有不同的光谱功率分布，每一光源 的光谱功率分布决定了光谱功率分布，常见的标 准光源 A、B、C、D65 的光谱功率分布曲线如图 7
所示。
如果已知光源的相对光谱功率分布为S(λ)，色 匹配函数为x(λ)、y(λ)、z(λ)则该光源的颜色三刺激 值 Xn、Yn、Zn 按下式计算：
式中： 
，系数 k 被称为“归 一化系数”，其物物理意义是将光源的Y值调整到 100[3]。
4.10 物体(样片)反射光三刺激值的计算公式
如标准光源的相对光谱功率分布为S(λ)，不透 明物体(样片)的光谱反射比函数为R(λ)，色匹配
函数为x(λ)、y(λ)、z(λ)，则进入人眼的相对光谱功 率分布(颜色刺激函数)为S(λ)R(λ)，则物体反射光 三刺激值分别为：
式中：
，系数k被称为“归一 化系数”，其物理意义是将光源的 Y 值调整到 100[3]。
4.11 物体反射光绿刺激值 Y 的意义
将上节中的归一化系数k代入物体反射光绿 刺激值的计算公式有
如果令 Yn 表示光源光的绿刺激值，强度为 100， Rr 表示物体反射光与光源光绿刺激值的比 (绿刺激反射率)，则
更多的资料习惯于使用定积分的表示方法， 即
和式的商表示绿刺激反射率，更接近于计数 机的实际计算过程;而用定积分的商表示绿刺激 反射率，更能反映绿刺激值的数学本质。光源光
与反射光的绿刺激反射率经过积分计算，更符合 人眼的真实感觉。
上式表明：物体反射光绿刺激值Y是光源绿刺 激值为100时反射光的辐射强度，在数值上，为物 体反射光与光源光绿刺激值的比(绿刺激反射率) 的 100
倍。
5 影响反射式黑度仪测色结果的因素分析
5.1 影响因素分析
由 GB/T7048 知，炭黑黑度是样品炭黑以 20% 浓度分散在亚麻仁油中磨浆、制膜、并测墨膜“反 射率”所得到的黑度。因此，黑度仪测色结果与磨
浆、制膜、测色的过程相关，不规范的操作会影响 测色结果。除此之外，反射式黑度仪测色结果还 受测色仪所选光源、光学结构、分光范围、标准观
测者(观测角度)等因素的影响。
光源：不同的发光体有不同的光谱功率分布， 在不同的光源下观测物体，对物体色会有不同的 判断，为了满足不同光源下的测色需要，好一点的 分光测色仪具有
10 多种光源可供选择。本文所述 “光源”是指对应于CIE标准照明体的CIE人工光 源，按照 GB/T 3978 规定，测色仪建议采用 A 光源 或者D65
光源[4]，而埃里克森(Erichsen)527 采用 的是 C 光源，不适合 GB/T3978 的建议要求。
光学结构：GB/T 3978规定了反射式测色仪10 种不同光学结构，在不同的光学结构下测量同一 样品，其结果会有很大差异。FHD-1 型反射式黑
度仪和埃里克森(Erichsen)527灰度计采用的都是 45/0 光学结构。
45/0光学结构指，光源光(照明灯)从与法线 成约45°的角度照射到样品表面，再以与法线成约 0°的角度漫反射到仪器接收器。因此，接收器接
收到的样品反射光信号不是普通意义上“入射角 等于反射角”的反射光信号，而是漫反射光信号， 如图 8 所示。5/0 光学结构更符合人眼对样品颜色
观测的习惯。
分光范围：可见光的波长范围是从 380nm~ 780nm，在此范围内，不同波长的光线有不同的颜 色。对于任意的不同颜色都可用红、绿、蓝三种不
同强度的标准色光匹配出来，得到该颜色的色品 坐标。测色仪分光测色时，可见光的波长范围越 宽，得到的结果越真实。
标准观测者：指进行色匹配试验的观察视角， 在2°的观察视角下，得到“CIE 1931年标准色度观 测者的色匹配函数和光谱色品坐标”标准体系，在
10°的观察视角下，得到“CIE 1964 年补充标准色 度观测者的色匹配函数和色品坐标”标准体系[4]。 使用分光测色仪测色时，选择的标准观测者不同，
测色结果也会有细微差异。
5.2 测色仪按滤光器多少的分类
按输出刺激值的数量来分类，测色仪可分为 两类，一类只有一个绿色滤光器，只能测绿刺激 值，可称之为黑度仪、灰度仪、白度仪;另一类有
红、绿、蓝三个滤光器，能同时测出红、绿、蓝三 个刺激值，并计算出颜色坐标，这类测色仪可称之 为色度仪、测色仪、分光测色仪、色差仪等。显
然，第二类测色仪也可用来测亮度(黑白)。
当前，分光测色仪的生产技术主要被美国爱 色丽(X-Rite)、德国仪立信(Erichsen)、日本美
能达(Minolta)等少数国家大公司所垄断，只是到 了近年，杭州彩谱科技有限公司才完全依靠自己 的技术力量，研发、生产出相关产品。
5.3 中国反射率黑度所推荐使用的测色仪
在中国的炭黑标准中，《色素炭黑 黑度的测 定》(GB/T 7048)、《炭黑 第6部分：着色强度的 测定》(GB/T
3780.6)、《色素炭黑着色力的测 定》(GB/T 7050)及《炭黑第 17 部分粒径的间接 测定反射率法》(GB/T 3780.17)等四个标准都涉
及到反射率黑度的测定。翻阅这些标准的历史版 本不难发现，标准的起草者只认可两种测色仪器， 其一是德国埃里克森(ERICHSEN)公司生产埃里 克森着色试验仪
527，其二是温州仪表厂生产的 FHD-1 型反射式黑度仪。如今，温州仪表厂已经 不复存在，FHD-1 型反射式黑度仪已经无人再生
产，埃里克森着色试验仪527成了唯一可以使用的 测量仪器。
5.4 GB/T 7048 等规定的测色仪技术条件与中 国颜色测量基础标准相应要求的比较
对照 GB/T 3977、GB/T 3978、GB/T 3979 等中 国颜色测量基础标准，分析埃里克森着色试验仪
527与FHD-1型反射式黑度仪的产品使用说明书， 可以整理出表 1：
由表 1 的“光源”、“测量精度”、“分光范 围”等项目可以看出，埃里克森着色试验仪527与 FHD-1 型反射式黑度仪不符合中国颜色测量标准
的要求，并非理想的黑度检测仪器。
6 GB/T 7048 规定的反射率黑度适合 CIE 色度学标准
6.1 反射率黑度适合 CIE 色度学标准的重要意 义
《GB/T 7048 色素炭黑 黑度的测定》所规定的 反射率黑度是否适合CIE色度学标准，关系到反射 率黑度能否用普通的测色仪测量出来，关系到反
射率黑度能否被颜色工作者普遍理解和接受，关 系到反射率黑度能否在数值上与同样建立在 CIE 色度学理论基础上的其它国家的黑度标准相互表 示、相互换算。
6.2 反射率黑度适合 CIE 色度学标准的事实依 据
反射率黑度适合 CIE 色度学标准的事实依据 是埃里克森着色试验仪 527 与 FHD-1 型反射式黑 度仪的《产品使用说明书》。
埃里克森着色试验仪 527(ERICHSEN 527 灰 度计)的《产品说明书》表明：ERICHSEN 527 灰 度计的“色调探头结合了 45/0
世界标准的测量角 度，带C型照明光源。光源传感光电池的光谱反应 通过一个特别选择的 Y 滤光器校正。从而使测量 值符合CIE
1931标准色度系统中的明度敏感度”[6]。 这就是说，埃里克森着色试验仪527所测定的黑度 是 CIE XYZ 色度空间里的 Y 值。
《FHD-1型反射式黑度仪使用说明书》介绍， 该黑度仪采用了45/0光学结构，《使用说明书》给 出了两种黑度表示方法为：
式中 Ys: 试样反射率的 30 倍值(显示值)
Rr: 试样的反射率
B: 试样的黑度值[7]。
需要说明的是，公式(2)中的Ys指仪器显示 屏输出或输入的样片绿刺激值 Y，即 Ys=Y，用 Ys
除以30，是因为仪器采用30倍的光电信号放大器，以提高精度。
不难看出，Rr才是真正意义上的反射率黑度， 在数值上等于试样绿刺激值Y相对于光源绿刺激 值 Yn 的比;B 黑度则采用了色密度的表示方法，
与德国的My 黑度、美国的Mc 黑度一样，同为CIE XYZ 色度学标准的明度表示方法。
埃里克森着色试验仪 527 与 FHD-1 型反射式 黑度仪同为建立在 CIE XYZ 色度学标准之上的测
色仪器，这是标准国际化潮流的必然结果，如果仪 器的生产商不按照国际统一标准进行设计，半成 品原料如何采购，产品如何销售?
7 反射式黑度定义简析
7.1 研究反射率黑度值与 CIE XYZ 色度空间中 Y 值关系的试验
中国的反射率炭黑黑度同样以CIE XYZ标准为 基础，那么反射率黑度的值必然与CIE XYZ系统中 的绿刺激Y相关，因为只有Y值表示的是明度(黑
白)。为了了解反射率黑度值与Y值的关系，笔者 设计了一个大胆的试验，即选择一种功能更为强大 的分光测色仪来测几种标准炭黑色浆的Y值。
选择的分光测色仪为同样采用 45/0 光学结构 的日本美能达公司产品 MINOLTA CM-2500C，其 主要技术性能如表 2 所示：
MINOLTA CM-2500C 对 密 封 度 有 极 高 的 要 求，没有设置用来“调零”、“校正”的手动旋钮，
但仪器带有专用软件，可以连接电脑，设置测色所 需的模式，“调零”(黑度为零)采用使反射光线 绝对为零的特殊技术，“校正”使用标准白板(GB/ T
9086)，通过点击联系计算机的鼠标自动完成。
按照《色素炭黑 黑度的测定》(GB/T 7048- 2012)规定的方法制待测炭黑样品的墨膜，采用 45/0 光学结构、D65
标准光源、CIE1931 标准观测 者模式测色，测得 3# 标准炭黑、IRB 7(N330)、 IRB 8(N330)三种标准炭黑的绿刺激值 Y 如表 3
所示：
可见，3#标准炭黑的绿刺激值约为0.5248，绿 刺激值反射率为：
按GB/T 7048对3#标准炭黑亮度(明度)的定 义(50 个“刻度”)，如不考虑误差，若中国的反 射率黑度用 Fy 表示，应有：
Fy=100Y=10000Rr。
7.2 中国反射率黑度的定义方法
通过以上分析，中国的反射率炭黑黑度 Fy 应 定义为：
对于样品炭黑，按照《色素炭黑 黑度的测定》 (GB/T 7048-2012)规定的方法取样、磨浆、制
膜，选择45/0光学结构的分光测色仪，在D65标准 光源、CIE1931XYZ标准观测者模式下进行测量， 所得墨膜的亮度值即为该炭黑样品的反射率黑 度。
若用 Rr 表示物体色(样片)相对于光源的绿 刺激值的比(反射率)，用Fy表示反射率黑度值， 在数量上，反射率黑度的计算公式为：
7.3 需要特殊说明的反射率黑度理解误区
“反射率”是指反射光与入射光强度的比，本 文将《色素炭黑黑度的测定》(GB/T 7048)所规 定的炭黑黑度称为“反射率黑度”，记为 Fy。
另一方面，由公式(1)、(2)知，Rr 是物体 (样片)反射光绿刺激值 Y 与光源光绿刺激值 Yn 的比，这才是真正意义上的反射率。
而，Fy=10000Rr。
因此，在使用“反射率黑度”概念时，《色素 炭黑 黑度的测定》(GB/T 7048)容易将人带入误 区，需要注意区分“反射率”一词在不同语言环境
下的不同意义。
8 结 论
本文对中国反射率黑度定义的研究过程及所 得结论可概括为图 9所示的逻辑图：
参考文献
[1] GB/T 7048-2012，色素炭黑黑度的测定[S].
[2] 荆其诚，色度学[M]，1978：2.
[3] GB/T 3977，颜色的表示方法[S].
[4] GB/T 3978，标准照明体和几何条件[S].
[5] GB/T 20147，CIE 标准色度观测者[S].
[6] ERICHSEN，埃里克森着色试验仪527产品说明书[Z].
[7] 温州仪表厂，FHD-1型反射式黑度仪产品说明书[Z].
