Tecniche per misurare l’adesione e la resistenza all’abrasione di rivestimenti e inchiostri – Parte 1

Tecniche per misurare l'adesione e la resistenza all'abrasione di rivestimenti e inchiostri – Parte 1

Questo è il primo di una serie in due parti sulle tecniche per misurare l'adesione e la resistenza all'abrasione di rivestimenti e inchiostri. Questo primo numero esamina l'adesione. La seconda parte tratterà la resistenza all'abrasione, comprese le nuove attrezzature e tecniche di misurazione.

L'adesione e la resistenza all'abrasione di rivestimenti e inchiostri polimerizzati sono due proprietà prestazionali fondamentali, e la loro misurazione e il loro controllo sono essenziali per una produzione robusta. Adesione e resistenza all'abrasione sono proprietà fisiche distinte e vengono spesso diagnosticate in modo errato nell'analisi dei modi di guasto. Una scarsa adesione e una scarsa resistenza all'abrasione sono tra le principali cause di difetti sul campo, scarti e rilavorazioni, minori profitti e clienti insoddisfatti. Esistono tecniche per misurare queste proprietà. Questo articolo tratta diversi metodi di prova e strumenti, tra cui un nuovo abrasimetro lineare prodotto da Taber Industries, progettato per valutare la forma reale dei prodotti, comprese le superfici sagomate, oltre ai provini piani (parte seconda). Tecniche di misurazione avanzate come quelle citate in questo documento aiutano i produttori a ottenere prestazioni superiori del prodotto e un'eccellenza di processo Six Sigma.

Punti chiave

• Adesione e abrasione sono proprietà diverse. Un rivestimento può superare una prova e fallire l'altra, e nell'analisi dei guasti vengono regolarmente confuse.
• La ASTM D3359 è qualitativa. Conferma il raggiungimento di un valore minimo, ma non può quantificare la resistenza del legame.
• La variabilità del nastro è reale: laboratori indipendenti hanno registrato differenze fino al 50% tra un lotto e l'altro.
• Entrambe le norme sono state scritte per substrati rigidi, metallo e calcestruzzo, non per rivestimenti su materie plastiche flessibili o semirigide.
• La costanza della procedura conta più del metodo scelto. Lievi variazioni producono differenze statisticamente significative.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra adesione e resistenza all'abrasione?

Sono proprietà fisiche distinte, spesso in contrasto tra loro. Un rivestimento polimerizzato può mostrare una buona adesione e una scarsa resistenza all'abrasione, o viceversa. Identificare quale meccanismo è realmente venuto meno (adesione, coesione, abrasione o una combinazione) determina la correzione ingegneristica.

La prova con nastro ASTM D3359 è affidabile?

È semplice, economica e molto diffusa, ma qualitativa. Stabilisce che è stato raggiunto un valore minimo di adesione, senza misurare l'effettiva resistenza del legame, e per sua natura la precisione dipende dall'operatore, poiché non richiede attrezzature tarate. È stata inoltre sviluppata per rivestimenti duttili su metallo, non per le materie plastiche.

Perché i risultati della prova con nastro variano da un laboratorio all'altro?

A causa del nastro. I lotti hanno una variabilità intrinseca di adesione e laboratori indipendenti hanno rilevato differenze fino al 50%. Il nastro originale 3M 710 è stato interrotto e Permacel ha modificato nel tempo le proprietà del proprio nastro, il che ha di fatto aperto la prova a qualsiasi nastro sensibile alla pressione.

Quando conviene usare invece la prova di strappo ASTM D4541?

Quando serve un risultato quantitativo a trazione. Si tenga presente che in genere richiede prodotti di dimensioni pari o superiori a tre pollici per alloggiare i dolly standard, che la prova va eseguita in almeno due o tre punti e che gli strumenti ad allineamento fisso, idraulici e pneumatici forniscono risultati molto diversi tra loro: il confronto diretto è poco pratico.

Come si deve preparare il dolly per una prova di strappo?

Le facce dei dolly lavorate alla macchina o fresate in testa danno in genere legami più deboli. Si irruvidisca leggermente la superficie con un tampone Scotch-Brite o carta abrasiva per creare una microstruttura, quindi la si pulisca con alcol e un panno asciutto per rimuovere granelli, oli e ossidazione. Si utilizzi un adesivo che non interagisca con il rivestimento.

Adesione e abrasione a confronto

Durante la produzione occorre ottenere un'adesione e una resistenza all'abrasione ottimali di rivestimenti e inchiostri polimerizzati sui substrati plastici, per realizzare prodotti di alta qualità che durino per tutta la vita utile. Queste proprietà possono essere interdipendenti, ma spesso si escludono a vicenda: rivestimenti e inchiostri polimerizzati possono cioè mostrare una buona adesione e una scarsa resistenza all'abrasione, oppure una scarsa adesione e una buona resistenza all'abrasione. Una corretta esecuzione delle prove e una buona comprensione di adesione e abrasione garantiscono la conformità alle specifiche e sono preziose per risolvere i problemi di rivestimento e stampa. L'identificazione del meccanismo di rottura (adesione, coesione, abrasione o entrambi) determina la soluzione di processo. Esistono metodi di prova storici e nuova strumentazione per misurare e analizzare queste proprietà.

Metodi di prova dell'adesione

La ASTM D 3359 Standard Test Method for Measuring Adhesion by Tape Test è storicamente forse il metodo più noto e più utilizzato per provare l'adesione di rivestimenti e inchiostri, per la sua semplicità e il basso costo. La procedura più elementare per eseguire la prova con nastro comprende quanto segue:

• Accordo sulla scelta del nastro.
• Polimerizzazione completa di rivestimenti e inchiostri prima della prova.
• Esecuzione di tagli a «X» nel film secondo il Metodo A, oppure di un reticolo con sei o undici tagli in ciascuna direzione secondo il Metodo B.
• Rimozione e scarto di due giri di nastro dal rotolo nel dispenser.
• Stesura del nastro con le dita e successivo sfregamento energico con una gomma da cancellare posta all'estremità di una matita, o simile (il colore visibile sotto il nastro è un buon indicatore del contatto completo).
• Entro 60-120 secondi dall'applicazione, rimozione del nastro tirando rapidamente (senza strappare) l'estremità libera all'indietro su se stessa, il più vicino possibile a un angolo di 180 gradi.
• Ispezione dell'area tagliata per verificare la rimozione del rivestimento dal substrato e valutazione dell'adesione rispetto a descrizioni e illustrazioni di classificazione predeterminate (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

Le prime versioni della ASTM D 3359 facevano riferimento all'uso dei nastri 3M 710 e Permacel. 3M ha interrotto la produzione del proprio prodotto e, nel corso degli anni, Permacel ha modificato le proprietà del proprio nastro. Il sottocomitato ASTM ha consigliato agli utenti di verificare se l'attuale nastro Permacel fornisse risultati paragonabili a quelli del nastro originale. Ciò si è rivelato poco pratico e ha spalancato le porte all'uso, da parte delle aziende, di praticamente qualsiasi tipo di nastro sensibile alla pressione. Oggi molte aziende utilizzano versioni abbreviate della ASTM D 3359, in cui specifiche nicchie di prodotto vengono provate nel modo più simile possibile, ad esempio telefoni cellulari, tastiere di computer, componenti automotive e così via. Sono mostrate diverse tecniche di uso comune e nastri sensibili alla pressione.

Nell'eseguire la prova con nastro occorre tenere presenti alcune importanti considerazioni, affinché si ottengano risultati ripetibili e riproducibili per stabilire senza pregiudizi se l'adesione è accettabile o meno. I lotti (rotoli) di nastro, così come prodotti, hanno una variabilità intrinseca di adesione, soprattutto nel tempo. Ad esempio, laboratori indipendenti hanno rilevato differenze fino al 50 per cento. La prova con nastro è qualitativa e non può valutare con precisione, in termini quantitativi, l'effettiva resistenza del legame adesivo (è stato raggiunto solo un valore minimo). Fornisce tuttavia una prestazione di adesione relativa. Il metodo di prova è stato sviluppato in origine per rivestimenti duttili applicati a substrati metallici e non per rivestimenti o inchiostri applicati a prodotti plastici.

La prova a taglio incrociato è un metodo semplice e facilmente prevedibile per valutare l'adesione di sistemi a uno o più strati.

Procedura

• Realizzare un reticolo nel film con l'utensile appropriato, tagliando fino al substrato
• Spazzolare in direzione diagonale 5 volte per ciascuna direzione, usando una penna a pennello oppure nastro sopra il taglio, e rimuovere con nastro Permacel
• Esaminare l'area del reticolo con una lente d'ingrandimento illuminata

Risultati del taglio incrociato

L'adesione viene valutata secondo la scala riportata di seguito:

*La DIN 53151 è stata ritirata nell'ottobre 1994

Pertanto, quando un nastro adesivo flessibile viene applicato a una materia plastica flessibile o semirigida anziché a un metallo rigido, il fenomeno di distacco e i meccanismi di rottura sono diversi

Differenze nei nastri, nella rigidità del supporto e nella reologia dell'adesivo possono produrre risultati diversi anche sullo stesso prodotto sottoposto a prova. Una data formulazione di nastro, per sua natura, non aderisce in modo uguale a tutti i rivestimenti e a tutte le materie plastiche. Anche la texture superficiale è un fattore importante. La ASTM D 3359, per progetto, è stata concepita per essere semplice e non richiedere attrezzature tarate. Di conseguenza, la precisione della prova dipende dall'operatore.

Anche la ASTM D 4541 Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers è una norma molto nota. A differenza della ASTM D 3359, però, richiede l'uso di apparecchiature strumentali dette tester di adesione a strappo. Sono citati diversi modelli di apparecchiature (ad allineamento fisso, idrauliche, pneumatiche) che possono fornire risultati diversi a seconda dei parametri e dell'uso dello strumento. La prova di adesione a trazione determina la forza perpendicolare (in trazione) massima che una superficie può sopportare prima che si stacchi del materiale, oppure se la superficie rimane integra a una forza predeterminata (esito positivo/negativo). I risultati di ampie prove di settore con i tre modelli su superfici identiche variano considerevolmente, rendendo poco pratico il confronto diretto.

Indipendentemente dal tester di adesione a strappo utilizzato, la procedura inizia fissando con un adesivo un elemento di carico (detto «dolly») perpendicolarmente alla superficie del rivestimento. Dopo la polimerizzazione dell'adesivo, un apparecchio di prova viene collegato all'elemento di carico e allineato in modo da applicare la trazione in direzione normale alla superficie di prova. La forza applicata all'elemento di carico viene aumentata gradualmente fino a quando si verifica il distacco del materiale («strappo») o si raggiunge il valore specificato.

Quando sono applicati più rivestimenti, si ricava la natura del meccanismo di rottura, adesivo o coesivo. Di seguito sono mostrati due esempi dei molti dispositivi disponibili in commercio. Le figure A e B mostrano l'apparecchio ad allineamento fisso Elcometer 106 e le figure C e D l'apparecchio idraulico autoallineante Defelsko.

Per qualsiasi tester di adesione a strappo, la preparazione della superficie del dolly e l'applicazione dell'adesivo sono importanti per ottenere risultati accurati e riproducibili. Molti dolly, come acquistati, hanno superfici lisce lavorate alla macchina e/o fresate in testa, ma in genere danno legami più deboli. Alcuni utilizzatori di tester di adesione a strappo modificano la superficie del dolly con un tampone Scotch-Brite® o carta abrasiva per ottenere una superficie leggermente irruvidita, creando microstrutture per la massima resistenza del legame. Dopo la «rifinitura» del dolly, questo deve essere pulito (di solito con alcol e un panno asciutto) per rimuovere granelli in eccesso, oli e ossidazione. Un adesivo comune è l'Araldite 2011, un epossidico bicomponente che può richiedere fino a 24 ore di polimerizzazione prima di poter eseguire la prova di strappo. Si possono scegliere altri adesivi, ma è fondamentale che l'adesivo non influisca né interagisca con il rivestimento, altrimenti i risultati della prova avranno un valore minimo.

Indipendentemente dal tester di adesione a strappo scelto, l'aspetto più critico dell'esecuzione di questa prova è la costanza con cui essa viene condotta. Anche lievi variazioni della procedura producono risultati statisticamente significativi. Molti utilizzatori di questo metodo di prova usano dolly monouso in alluminio. Procedure documentate contribuiranno a ridurre al minimo la variazione dovuta a impostazioni incoerenti.

Anche la ASTM D 4541 è stata sviluppata con lo scopo specifico di provare rivestimenti su strutture rigide come metallo, calcestruzzo o legno. A differenza della ASTM D 3351, che può essere eseguita su parti relativamente piccole, la ASTM D 4541 richiede in genere prodotti di dimensioni pari o superiori a tre pollici per alloggiare le dimensioni standard dei dolly (sebbene si possano acquistare dolly personalizzati). La procedura ASTM D 4541 deve essere eseguita in almeno 2-3 punti di un pezzo, il che può renderla poco pratica per i prodotti piccoli. La decisione di utilizzare la ASTM D 3351, la ASTM D 4541 o altre prove di adesione spetta a ciascuna azienda e può essere influenzata dalle prove storiche condotte nella propria nicchia di mercato.

Standard di prova ed eccellenza di processo

Molte aziende utilizzano alcuni dei metodi di prova trattati in questo documento per necessità, ovvero per acquisire clienti dimostrando che i propri processi produttivi sono conformi a specifici standard di settore. Purtroppo i produttori possono spesso ignorare i problemi sul campo finché i clienti non restituiscono prodotti non conformi. Per impostazione predefinita, la colpa viene attribuita alla «scarsa adesione». Comprendendo correttamente le molte possibili cause dei difetti di adesione rispetto a quelli di abrasione, gli ingegneri possono individuare con abilità le cause profonde critiche e attuare azioni correttive. Le prove non dovrebbero essere riservate solo allo sviluppo del prodotto e alla risoluzione dei problemi. Il controllo continuo in linea dei prodotti, con i metodi e le tecniche presentati e le tecniche Six Sigma, garantirà una produzione robusta.

Ringraziamenti

• 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 è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG è una società globale di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura, marcatura laser e sicurezza del prodotto. Per maggiori informazioni chiami il numero verde (888) SABREEN o visiti: www.sabreen.com.

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