Verfahren zur Messung von Haftung und Abriebfestigkeit von Beschichtungen und Tinten – Teil 1

Verfahren zur Messung von Haftung und Abriebfestigkeit von Beschichtungen und Tinten – Teil 1

Dies ist der erste Teil einer zweiteiligen Serie über Verfahren zur Messung von Haftung und Abriebfestigkeit von Beschichtungen und Tinten. Diese erste Ausgabe behandelt die Haftung. Teil zwei widmet sich der Abriebfestigkeit einschließlich neuer Geräte und Messverfahren.

Haftung und Abriebfestigkeit ausgehärteter Beschichtungen und Tinten sind zwei entscheidende Leistungseigenschaften, deren Messung und Kontrolle für eine robuste Fertigung unerlässlich sind. Haftung und Abriebfestigkeit sind voneinander getrennte physikalische Eigenschaften und werden bei der Fehleranalyse häufig falsch diagnostiziert. Mangelhafte Haftung und Abriebfestigkeit sind Hauptursachen für Feldausfälle, Ausschuss und Nacharbeit, geringere Gewinne und unzufriedene Kunden. Es gibt Verfahren, um diese Eigenschaften zu messen. Dieser Beitrag behandelt mehrere unterschiedliche Prüfverfahren und Geräte. Dazu gehört ein neuer Linearabriebprüfer von Taber Industries, der für die Bewertung tatsächlicher Produktformen mit gekrümmten Oberflächen ebenso ausgelegt ist wie für ebene Proben (Teil zwei). Fortschrittliche Messverfahren wie die hier genannten helfen Herstellern, überlegene Produktleistung und Six-Sigma-Prozessexzellenz zu erreichen.

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Haftung und Abrieb sind unterschiedliche Eigenschaften. Eine Beschichtung kann die eine Prüfung bestehen und die andere nicht, und in der Fehleranalyse werden sie regelmäßig verwechselt.
• ASTM D3359 ist qualitativ. Sie bestätigt, dass ein Mindestwert erreicht wurde; die Verbundfestigkeit lässt sich damit nicht quantifizieren.
• Die Streuung beim Klebeband ist real – unabhängige Labore haben Unterschiede von bis zu 50 % zwischen Chargen festgestellt.
• Beide Normen wurden für starre Substrate wie Metall und Beton geschrieben, nicht für Beschichtungen auf flexiblen oder halbstarren Kunststoffen.
• Die Konsistenz des Vorgehens ist wichtiger als die gewählte Methode. Geringe Abweichungen führen zu statistisch signifikanten Unterschieden.

Häufig gestellte Fragen

Worin besteht der Unterschied zwischen Haftung und Abriebfestigkeit?

Es sind voneinander getrennte physikalische Eigenschaften, die sich häufig gegenseitig ausschließen. Eine ausgehärtete Beschichtung kann gute Haftung bei schlechter Abriebfestigkeit zeigen – oder umgekehrt. Welcher Mechanismus tatsächlich versagt hat – Haftung, Kohäsion, Abrieb oder eine Kombination –, bestimmt die technische Abhilfe.

Ist der Klebebandtest nach ASTM D3359 zuverlässig?

Er ist einfach, günstig und weit verbreitet, aber qualitativ. Er stellt fest, dass ein Mindestwert der Haftung erreicht wurde, statt die tatsächliche Verbundfestigkeit zu messen, und die Genauigkeit ist konstruktionsbedingt vom Prüfer abhängig, da keine kalibrierten Geräte erforderlich sind. Zudem wurde er für duktile Beschichtungen auf Metall entwickelt, nicht für Kunststoffe.

Warum weichen Klebebandtest-Ergebnisse zwischen Laboren voneinander ab?

Das Klebeband. Chargen weisen eine inhärente Streuung der Haftung auf, und unabhängige Labore haben Unterschiede von bis zu 50 % festgestellt. Das ursprüngliche 3M-710-Band wurde eingestellt, und Permacel hat die Eigenschaften seines Bands im Lauf der Zeit verändert, wodurch der Test faktisch für jedes Haftklebeband geöffnet wurde.

Wann sollte ich stattdessen den Abreißtest nach ASTM D4541 verwenden?

Wenn Sie ein quantitatives Zugergebnis benötigen. Beachten Sie, dass er in der Regel Produktgrößen von drei Zoll oder mehr erfordert, um Standard-Prüfstempel (Dollies) aufzunehmen, an mindestens zwei oder drei Stellen geprüft werden muss und dass Geräte mit fester Ausrichtung, hydraulische und pneumatische Geräte erheblich voneinander abweichende Ergebnisse liefern – ein direkter Vergleich zwischen ihnen ist nicht praktikabel.

Wie sollte der Prüfstempel (Dolly) für einen Abreißtest vorbereitet werden?

Gefräste oder stirngefräste Stempelflächen ergeben typischerweise schwächere Verbindungen. Rauen Sie die Oberfläche leicht mit einem Scotch-Brite-Pad oder Schleifpapier an, um eine Mikrostruktur zu erzeugen, und reinigen Sie sie anschließend mit Alkohol und einem trockenen Tuch, um Schleifpartikel, Öle und Oxidation zu entfernen. Verwenden Sie einen Klebstoff, der nicht mit der Beschichtung wechselwirkt.

Haftung versus Abrieb

Optimale Haftung und Abriebfestigkeit (Beständigkeit) ausgehärteter Beschichtungen und Tinten auf Kunststoffsubstraten müssen bereits in der Fertigung erreicht werden, damit hochwertige Produkte entstehen, die ihre gesamte Nutzungsdauer überdauern. Diese Eigenschaften können voneinander abhängen, schließen sich aber oft gegenseitig aus. Das heißt, ausgehärtete Beschichtungen und Tinten können gute Haftung bei schlechter Abriebfestigkeit zeigen oder schlechte Haftung bei guter Abriebfestigkeit. Sachgerechte Prüfung und ein fundiertes Verständnis von Haftung und Abrieb stellen die Spezifikationskonformität sicher und sind bei der Lösung von Beschichtungs- und Druckproblemen unschätzbar. Die Identifikation des Versagensmechanismus – Haftung (Kohäsion), Abrieb oder beides – bestimmt die verfahrenstechnische Lösung. Es gibt bewährte Prüfverfahren und neue Geräte, um diese Eigenschaften zu messen und zu analysieren.

Haftungsprüfverfahren

ASTM D 3359 Standardprüfverfahren zur Messung der Haftung mittels Klebebandtest ist historisch vermutlich das bekannteste und am weitesten verbreitete Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen und Tinten, wegen seiner Einfachheit und niedrigen Kosten. Das grundlegende Vorgehen beim Klebebandtest umfasst Folgendes:

• Einigung auf die Auswahl des Klebebands.
• Vollständige Aushärtung der Beschichtungen und Tinten vor der Prüfung.
• Anbringen von „X“-Schnitten im Film gemäß Verfahren A oder eines Gittermusters mit sechs oder elf Schnitten je Richtung gemäß Verfahren B.
• Entfernen und Verwerfen von zwei Lagen Klebeband von der Abrollvorrichtung.
• Glattstreichen des Klebebands mit dem Finger und anschließendes kräftiges Andrücken mit einem Radiergummi am Ende eines Bleistifts o. Ä. (die Farbe unter dem Klebeband ist ein guter Indikator für vollständigen Kontakt).
• Abziehen des Klebebands innerhalb von 60–120 Sekunden nach dem Aufbringen, indem das freie Ende zügig (nicht ruckartig) in einem Winkel möglichst nahe 180 Grad zurückgezogen wird.
• Untersuchen des Schnittbereichs auf abgelöste Beschichtung vom Substrat und Bewerten der Haftung anhand vorgegebener Beschreibungen und Abbildungen (Klassifizierungen 0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

Frühe Fassungen von ASTM D 3359 verwiesen auf die Verwendung von 3M-710- und Permacel-Band. 3M stellte sein Produkt ein, und Permacel veränderte im Lauf der Jahre die Eigenschaften seines Bands. Der ASTM-Unterausschuss riet Anwendern, zu prüfen, ob das aktuelle Permacel-Band mit dem ursprünglichen Band vergleichbare Ergebnisse liefert. Dies erwies sich als nicht praktikabel und öffnete Unternehmen Tür und Tor, praktisch jedes Haftklebeband zu verwenden. Viele Unternehmen nutzen heute verkürzte Fassungen von ASTM D 3359, in denen spezifische Produktnischen möglichst ähnlich geprüft werden, z. B. Mobiltelefone, Computertastaturen, Automobilkomponenten usw. Mehrere gebräuchliche Verfahren und Haftklebebänder sind dargestellt.

Beim Klebebandtest sind wichtige Aspekte zu beachten, damit wiederholbare und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden und sich akzeptable oder nicht akzeptable Haftung ohne Verzerrung feststellen lässt. Chargen (Rollen) von Klebeband weisen fertigungsbedingt eine inhärente Streuung der Haftung auf, insbesondere im Zeitverlauf. So haben unabhängige Labore beispielsweise Unterschiede von bis zu 50 Prozent festgestellt. Der Klebebandtest ist qualitativ und kann die tatsächliche Festigkeit der Klebverbindung nicht präzise quantitativ bewerten (es wurde lediglich ein Mindestwert erreicht). Er liefert jedoch die relative Haftungsleistung. Das Prüfverfahren wurde ursprünglich für duktile Beschichtungen auf Metallsubstraten entwickelt und nicht für Beschichtungen oder Tinten auf Kunststoffprodukten.

Der Gitterschnitttest ist ein einfaches und leicht vorhersagbares Verfahren zur Bewertung der Haftung von Ein- oder Mehrschichtsystemen.

Vorgehen

• Mit dem passenden Werkzeug ein Gittermuster in den Film schneiden, bis zum Substrat
• Jeweils 5-mal in diagonaler Richtung mit einem Pinselstift oder Klebeband über den Schnitt streichen und mit Permacel-Band abziehen
• Den Gitterbereich mit einer beleuchteten Lupe untersuchen

Ergebnisse des Gitterschnitttests

Die Haftung wird gemäß der folgenden Skala bewertet:

*DIN 53151 wurde im Oktober 1994 zurückgezogen

Wird also ein flexibles Klebeband auf einen flexiblen oder halbstarren Kunststoff statt auf ein starres Metall aufgebracht, unterscheiden sich das Schälverhalten und die Versagensmechanismen

Unterschiede bei Klebebändern, Trägersteifigkeit und Klebstoffrheologie können selbst am selben geprüften Produkt zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Eine bestimmte Klebebandrezeptur haftet grundsätzlich nicht auf allen Beschichtungen und Kunststoffen gleich gut. Auch die Oberflächentextur ist ein wichtiger Faktor. ASTM D 3359 wurde konstruktionsbedingt einfach gehalten und erfordert keine kalibrierten Geräte. Daher ist die Genauigkeit der Prüfung vom Prüfer abhängig.

ASTM D 4541 Standardprüfverfahren zur Abreißfestigkeit von Beschichtungen mit tragbaren Haftfestigkeitsprüfern ist ebenfalls eine bekannte Norm. Anders als ASTM D 3359 erfordert sie jedoch den Einsatz von Geräten, die als Abreiß-Haftfestigkeitsprüfer bezeichnet werden. Es werden mehrere verschiedene Gerätemodelle genannt (mit fester Ausrichtung, hydraulisch, pneumatisch), die je nach Geräteparametern und Anwendung unterschiedliche Ergebnisse liefern können. Der Zughaftungstest bestimmt entweder die größte senkrechte Kraft (auf Zug), die eine Oberfläche aufnehmen kann, bevor sich Material ablöst, oder ob die Oberfläche bei einer vorgegebenen Kraft intakt bleibt (bestanden/nicht bestanden). Die Ergebnisse umfangreicher Industrieprüfungen mit den drei Modellen auf identischen Oberflächen weichen erheblich voneinander ab, sodass ein direkter Vergleich nicht praktikabel ist.

Unabhängig davon, welcher Abreiß-Haftfestigkeitsprüfer verwendet wird, beginnt das Verfahren damit, eine Lastvorrichtung (als „Dolly“ bezeichnet) mit einem Klebstoff senkrecht zur Beschichtungsoberfläche zu befestigen. Nach dem Aushärten des Klebstoffs wird ein Prüfgerät an der Lastvorrichtung angebracht und so ausgerichtet, dass es senkrecht zur Prüffläche Zug ausübt. Die auf die Lastvorrichtung ausgeübte Kraft wird schrittweise gesteigert, bis entweder eine Materialablösung („Abriss“) eintritt oder der vorgegebene Wert erreicht ist.

Werden mehrere Beschichtungen aufgebracht, lässt sich die Art des Versagensmechanismus – adhäsives oder kohäsives Versagen – ableiten. Nachfolgend sind zwei Beispiele der vielen kommerziell erhältlichen Geräte dargestellt. Die Abbildungen A und B zeigen das Elcometer 106 mit fester Ausrichtung, die Abbildungen C und D das hydraulische, selbstausrichtende Gerät von Defelsko.

Bei jedem Abreiß-Haftfestigkeitsprüfer ist die Oberflächenvorbereitung des Prüfstempels und das Aufbringen des Klebstoffs entscheidend für genaue, reproduzierbare Ergebnisse. Viele Prüfstempel haben im Lieferzustand glatte, gefräste und/oder stirngefräste Oberflächen, die jedoch typischerweise schwächere Verbindungen ergeben. Manche Anwender von Abreiß-Haftfestigkeitsprüfern modifizieren die Stempeloberfläche mit einem Scotch-Brite®-Pad oder Schleifpapier, um eine leicht angeraute Oberfläche zu erhalten und Mikrostrukturen für maximale Verbundfestigkeit zu schaffen. Nach dem „Zurichten“ muss der Stempel gereinigt werden (üblicherweise mit Alkohol und einem trockenen Tuch), um überschüssige Schleifpartikel, Öle und Oxidation zu entfernen. Ein gebräuchlicher Klebstoff ist Araldite 2011, ein Zweikomponenten-Epoxid, das bis zu 24 Stunden zum Aushärten benötigen kann, bevor der Abreißtest durchgeführt werden kann. Andere Klebstoffe können gewählt werden, doch ist es entscheidend, dass der Klebstoff die Beschichtung nicht beeinflusst und nicht mit ihr wechselwirkt, sonst haben die Prüfergebnisse kaum Wert.

Unabhängig vom gewählten Abreiß-Haftfestigkeitsprüfer ist der kritischste Aspekt dieser Prüfung die Konsistenz der Durchführung. Bereits geringe Abweichungen im Vorgehen führen zu statistisch signifikanten Unterschieden in den Daten. Viele Anwender dieses Prüfverfahrens verwenden Einweg-Prüfstempel aus Aluminium. Dokumentierte Verfahren helfen, Streuung durch uneinheitliches Einrichten zu minimieren.

ASTM D 4541 wurde ebenfalls speziell für die Prüfung von Beschichtungen auf starren Strukturen wie Metall, Beton oder Holz entwickelt. Anders als ASTM D 3351, die an relativ kleinen Teilen durchgeführt werden kann, erfordert ASTM D 4541 in der Regel Produktgrößen von drei Zoll oder mehr, um Standard-Stempelgrößen aufzunehmen (kundenspezifische Stempel sind jedoch erhältlich). Das Verfahren nach ASTM D 4541 sollte an mindestens 2–3 Stellen eines Teils durchgeführt werden, was es für kleine Produkte unpraktikabel machen kann. Die Entscheidung für ASTM D 3351, ASTM D 4541 oder andere Haftungsprüfungen liegt bei jedem Unternehmen und kann durch historisch in der jeweiligen Marktnische durchgeführte Prüfungen beeinflusst sein.

Prüfnormen und Prozessexzellenz

Viele Unternehmen wenden einige der in diesem Beitrag behandelten Prüfverfahren aus Notwendigkeit an, d. h. um Aufträge zu gewinnen, indem sie nachweisen, dass ihre Fertigungsprozesse bestimmten Industrienormen entsprechen. Leider sind sich Hersteller Feldausfällen oft nicht bewusst, bis Kunden nicht konforme Produkte zurückgeben. Standardmäßig wird dann „schlechte Haftung“ verantwortlich gemacht. Durch ein fundiertes Verständnis der vielen möglichen Ursachen von Haftungs- versus Abriebversagen können Ingenieure die entscheidenden Grundursachen gezielt identifizieren und Korrekturmaßnahmen umsetzen. Prüfungen sollten nicht nur der Produktentwicklung und der Fehlersuche vorbehalten bleiben. Eine kontinuierliche Inline-Prüfung von Produkten mit den vorgestellten Verfahren und Techniken sowie mit Six-Sigma-Methoden stellt eine robuste Fertigung sicher.

Danksagung

• 3M Corporation Industrial Tape & Specialties
• Division American Society of Testing and Materials International
• BYK Gardner
• Defelsko Corporation
• Elcometer Inc
• Gardner Company
• Permacel (Nitto Denko Company)

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident der The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG ist ein globales Ingenieurunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung, Laserbeschriftung und Produktsicherheit. Weitere Informationen erhalten Sie gebührenfrei unter (888) SABREEN oder auf: www.sabreen.com.

---