Techniques de mesure de l’adhérence et de la résistance à l’abrasion des revêtements et des encres – partie 1

Techniques de mesure de l'adhérence et de la résistance à l'abrasion des revêtements et des encres – partie 1

Voici le premier volet d'une série en deux parties consacrée aux techniques de mesure de l'adhérence et de la résistance à l'abrasion des revêtements et des encres. Ce premier numéro traite de l'adhérence. La partie 2 abordera la résistance à l'abrasion, avec de nouveaux équipements et de nouvelles techniques de mesure.

L'adhérence et la résistance à l'abrasion des revêtements et encres durcis sont deux propriétés de performance essentielles, dont la mesure et la maîtrise sont indispensables à une fabrication robuste. Ce sont des propriétés physiques distinctes, souvent mal diagnostiquées lors de l'analyse des modes de défaillance. Une mauvaise adhérence et une mauvaise résistance à l'abrasion sont des causes majeures de défaillances sur le terrain, de rebuts et de retouches, de marges réduites et de clients insatisfaits. Des techniques existent pour mesurer ces propriétés. Cet article présente plusieurs méthodes d'essai et instruments. Parmi eux, un nouvel abrasimètre linéaire de Taber Industries, conçu pour évaluer des formes réelles de produits comportant des surfaces galbées ainsi que des éprouvettes planes (partie 2). Les techniques de mesure avancées citées dans cet article aident les fabricants à atteindre des performances produit supérieures et l'excellence de procédé Six Sigma.

Points clés à retenir

• L'adhérence et l'abrasion sont des propriétés différentes. Un revêtement peut réussir l'un des essais et échouer à l'autre, et on les confond couramment dans l'analyse des défaillances.
• L'ASTM D3359 est qualitative. Elle confirme qu'un minimum a été atteint ; elle ne peut pas quantifier la force de liaison.
• La variabilité des rubans est réelle : des laboratoires indépendants ont relevé jusqu'à 50 % d'écart entre lots.
• Les deux normes ont été rédigées pour des substrats rigides, métal et béton, et non pour des revêtements sur plastiques souples ou semi-rigides.
• La constance du mode opératoire compte plus que la méthode choisie. De légères variations produisent des écarts statistiquement significatifs.

Foire aux questions

Quelle est la différence entre l'adhérence et la résistance à l'abrasion ?

Ce sont des propriétés physiques distinctes, souvent mutuellement exclusives. Un revêtement durci peut présenter une bonne adhérence et une mauvaise résistance à l'abrasion, ou l'inverse. Identifier le mécanisme qui a réellement fait défaut (adhérence, cohésion, abrasion ou combinaison) détermine la correction à apporter au procédé.

L'essai au ruban ASTM D3359 est-il fiable ?

Il est simple, peu coûteux et très répandu, mais qualitatif. Il établit qu'une valeur minimale d'adhérence a été atteinte sans mesurer la force de liaison réelle, et sa précision dépend de l'opérateur par conception, puisqu'aucun équipement étalonné n'est requis. Il a en outre été développé pour des revêtements ductiles sur métal, et non pour des plastiques.

Pourquoi les résultats de l'essai au ruban varient-ils d'un laboratoire à l'autre ?

À cause du ruban. Les lots présentent une variabilité d'adhérence intrinsèque, et des laboratoires indépendants ont relevé des écarts allant jusqu'à 50 %. Le ruban 3M 710 d'origine a été arrêté et Permacel a modifié les propriétés de son ruban au fil du temps, ce qui a de fait ouvert l'essai à n'importe quel ruban autoadhésif.

Quand utiliser plutôt l'essai d'arrachement ASTM D4541 ?

Lorsque vous avez besoin d'un résultat de traction quantitatif. Sachez qu'il exige généralement des produits d'au moins trois pouces pour accueillir les plots standard, qu'il faut tester en au moins deux ou trois endroits, et que les instruments à alignement fixe, hydrauliques et pneumatiques donnent des résultats très variables : les comparer directement n'est pas réaliste.

Comment préparer le plot pour un essai d'arrachement ?

Les faces de plots usinées ou fraisées donnent généralement des liaisons plus faibles. Rugosifiez légèrement la surface avec un tampon Scotch-Brite ou du papier abrasif pour créer une microstructure, puis nettoyez à l'alcool avec un chiffon sec pour éliminer grains, huiles et oxydation. Utilisez un adhésif qui n'interagit pas avec le revêtement.

Adhérence et abrasion

Une adhérence et une résistance à l'abrasion optimales des revêtements et encres durcis sur substrats plastiques doivent être obtenues pendant la fabrication afin de produire des articles de haute qualité qui dureront pendant toute leur vie utile. Ces propriétés peuvent être interdépendantes, mais sont souvent mutuellement exclusives : des revêtements et encres durcis peuvent présenter une bonne adhérence et une mauvaise résistance à l'abrasion, ou l'inverse. Des essais rigoureux et une bonne compréhension de l'adhérence et de l'abrasion garantissent la conformité aux spécifications et sont précieux pour résoudre les problèmes de revêtement et d'impression. L'identification du mécanisme de défaillance (adhérence (cohésion), abrasion, ou les deux) détermine la solution à apporter au procédé. Des méthodes d'essai historiques et de nouveaux instruments permettent de mesurer et d'analyser ces propriétés.

Méthodes d'essai d'adhérence

L'ASTM D 3359, méthode d'essai normalisée de mesure de l'adhérence par essai au ruban, est historiquement peut-être la méthode la plus connue et la plus utilisée pour tester l'adhérence des revêtements et des encres, en raison de sa simplicité et de son faible coût. Le mode opératoire de base de l'essai au ruban comprend les étapes suivantes :

• Accord sur le choix du ruban.
• Durcissement complet des revêtements et encres avant l'essai.
• Réalisation d'incisions en « X » dans le film selon la méthode A, ou d'un quadrillage de six ou onze incisions dans chaque direction selon la méthode B.
• Retrait et mise au rebut de deux tours de ruban du dévidoir.
• Lissage du ruban à la main, puis frottement ferme avec une gomme fixée à l'extrémité d'un crayon ou équivalent (la couleur visible sous le ruban est un bon indicateur d'un contact complet).
• Dans les 60 à 120 secondes suivant l'application, retrait du ruban en tirant rapidement (sans à-coup) l'extrémité libre sur elle-même, à un angle aussi proche que possible de 180 degrés.
• Inspection de la zone incisée pour vérifier si du revêtement a été retiré du substrat, et notation de l'adhérence par rapport à des descriptions et illustrations prédéfinies (classes 0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

Les premières versions de l'ASTM D 3359 faisaient référence aux rubans 3M 710 et Permacel. 3M a arrêté son produit et, au fil des ans, Permacel a modifié les propriétés de son ruban. Le sous-comité ASTM a conseillé aux utilisateurs de vérifier si le Permacel actuel donne des résultats comparables à ceux du ruban d'origine. Cela s'est révélé irréalisable et a ouvert la porte à l'utilisation de pratiquement n'importe quel type de ruban autoadhésif. Aujourd'hui, de nombreuses entreprises utilisent des versions abrégées de l'ASTM D 3359, dans lesquelles des niches de produits spécifiques sont testées de façon aussi similaire que possible, par exemple les téléphones mobiles, les claviers d'ordinateur, les composants automobiles, etc. Plusieurs techniques et rubans autoadhésifs couramment utilisés sont présentés.

Plusieurs points importants sont à garder à l'esprit lors de l'essai au ruban pour obtenir des résultats répétables et reproductibles et déterminer sans biais si l'adhérence est acceptable ou non. Les lots (rouleaux) de ruban, tels que fabriqués, présentent une variabilité d'adhérence intrinsèque, surtout dans le temps. Par exemple, des laboratoires indépendants ont relevé des écarts allant jusqu'à 50 pour cent. L'essai au ruban est qualitatif et ne peut pas évaluer précisément et quantitativement la force réelle de la liaison adhésive (seul un minimum a été atteint). Il fournit cependant une performance d'adhérence relative. La méthode d'essai a été développée à l'origine pour des revêtements ductiles appliqués sur des substrats métalliques, et non pour des revêtements ou encres appliqués sur des produits plastiques.

L'essai de quadrillage est une méthode simple et facilement prévisible pour évaluer l'adhérence de systèmes monocouche ou multicouches.

Mode opératoire

• Réaliser un quadrillage dans le film avec l'outil approprié, en coupant jusqu'au substrat
• Brosser 5 fois dans chaque direction diagonale, avec un pinceau ou en appliquant un ruban sur les incisions, puis retirer avec du ruban Permacel
• Examiner la zone quadrillée à l'aide d'une loupe éclairée

Résultats de l'essai de quadrillage

L'adhérence est notée selon l'échelle ci-dessous :

*La DIN 53151 a été retirée en octobre 1994

Ainsi, lorsqu'un ruban adhésif souple est appliqué sur un plastique souple ou semi-rigide plutôt que sur un métal rigide, le phénomène de pelage et les mécanismes de défaillance sont différents

Les différences de rubans, de rigidité du support et de rhéologie de l'adhésif peuvent donner des résultats différents, même sur un même produit testé. Une formulation de ruban donnée n'adhère pas, par nature, de façon égale à tous les revêtements et plastiques. La texture de surface est aussi un facteur important. L'ASTM D 3359 a été conçue, par construction, pour être simple et ne pas nécessiter d'équipement étalonné. La précision de l'essai dépend donc de l'opérateur.

L'ASTM D 4541, méthode d'essai normalisée de résistance à l'arrachement des revêtements à l'aide de testeurs d'adhérence portables, est elle aussi une norme bien connue. Contrairement à l'ASTM D 3359, elle exige toutefois l'emploi d'instruments appelés testeurs d'adhérence par arrachement. Plusieurs modèles d'instruments sont cités (à alignement fixe, hydrauliques, pneumatiques) et peuvent donner des résultats différents selon les paramètres et l'usage de l'instrument. L'essai d'adhérence par traction détermine soit la force perpendiculaire maximale (en traction) qu'une surface peut supporter avant qu'un matériau ne se détache, soit si la surface reste intacte à une force prédéterminée (réussite/échec). Les résultats d'essais industriels approfondis réalisés avec les trois modèles sur des surfaces identiques varient considérablement, ce qui rend toute comparaison directe irréaliste.

Quel que soit le testeur d'adhérence par arrachement utilisé, le mode opératoire commence par la fixation, à l'aide d'un adhésif, d'un dispositif de charge (appelé « plot ») perpendiculairement à la surface du revêtement. Après durcissement de l'adhésif, un appareil d'essai est fixé au dispositif de charge et aligné pour appliquer une traction normale à la surface d'essai. La force appliquée au dispositif de charge est augmentée progressivement jusqu'à ce qu'un détachement de matière (« arrachement ») se produise ou que la valeur spécifiée soit atteinte.

Lorsque plusieurs revêtements sont appliqués, la nature du mécanisme de défaillance, adhésive ou cohésive, peut être déterminée. Deux exemples parmi les nombreux dispositifs disponibles dans le commerce sont présentés ci-dessous. Les figures A et B montrent l'appareil à alignement fixe Elcometer 106 et les figures C et D l'appareil hydraulique à alignement automatique Defelsko.

Pour tous les testeurs d'adhérence par arrachement, la préparation de surface du plot et l'application de l'adhésif sont importantes pour obtenir des résultats précis et reproductibles. De nombreux plots, tels qu'achetés, ont des surfaces lisses usinées et/ou fraisées, mais celles-ci donnent généralement des liaisons plus faibles. Certains utilisateurs modifient la surface du plot avec un tampon Scotch-Brite® ou du papier abrasif pour obtenir une surface légèrement rugueuse, créant des microstructures qui maximisent la force de liaison. Après ce « dressage », le plot doit être nettoyé (généralement à l'alcool avec un chiffon sec) pour éliminer l'excès de grains, d'huiles et d'oxydation. Un adhésif couramment utilisé est l'Araldite 2011, une époxy bicomposant pouvant nécessiter jusqu'à 24 heures de durcissement avant l'essai de traction. D'autres adhésifs peuvent être choisis, mais il est primordial que l'adhésif n'affecte pas le revêtement et n'interagisse pas avec lui, faute de quoi les résultats de l'essai seront de peu de valeur.

Quel que soit le testeur d'adhérence par arrachement retenu, l'aspect le plus critique de cet essai est la constance de sa réalisation. Même de légères variations du mode opératoire produisent des résultats statistiquement significatifs. De nombreux utilisateurs de cette méthode emploient des plots jetables en aluminium. Des procédures documentées aident à minimiser la variation due à un montage irrégulier.

L'ASTM D 4541 a aussi été développée dans le but précis de tester des revêtements sur des structures rigides telles que le métal, le béton ou le bois. Contrairement à l'ASTM D 3351, qui peut être réalisée sur des pièces relativement petites, l'ASTM D 4541 exige généralement des produits d'au moins trois pouces pour accueillir les tailles de plots standard (des plots sur mesure peuvent toutefois être achetés). Le mode opératoire ASTM D 4541 doit être réalisé en au moins 2 à 3 endroits d'une pièce, ce qui peut le rendre irréaliste pour les petits produits. Le choix d'utiliser l'ASTM D 3351, l'ASTM D 4541 ou d'autres essais d'adhérence appartient à chaque entreprise et peut être influencé par les essais historiques menés dans sa niche de marché.

Normes d'essai et excellence de procédé

De nombreuses entreprises utilisent certaines des méthodes d'essai présentées ici par nécessité, c'est-à-dire pour remporter des marchés en démontrant que leurs procédés de fabrication sont conformes à des normes sectorielles précises. Malheureusement, les fabricants ignorent souvent les problèmes de défaillance sur le terrain jusqu'à ce que leurs clients retournent des produits non conformes. Par défaut, on incrimine une « mauvaise adhérence ». En comprenant bien les nombreuses causes possibles des défaillances d'adhérence par opposition aux défaillances d'abrasion, les ingénieurs peuvent identifier avec adresse les causes profondes critiques et mettre en œuvre des actions correctives. Les essais ne doivent pas être réservés au développement de produits et au dépannage. Un contrôle continu en ligne des produits, selon les méthodes et techniques présentées et les techniques Six Sigma, garantira une fabrication robuste.

Remerciements

• 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 est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG est une société d'ingénierie internationale spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, collage, décoration et finition, marquage laser et sécurité des produits. Pour en savoir plus, appelez le numéro gratuit (888) SABREEN ou consultez www.sabreen.com.

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