Tecniche per misurare l’adesione e la resistenza all’abrasione di rivestimenti e inchiostri – Parte 2

Tecniche per misurare l'adesione e la resistenza all'abrasione di rivestimenti e inchiostri – Parte 2

Questo è il secondo di una serie in 2 parti sulle tecniche per misurare l'adesione e la resistenza all'abrasione di rivestimenti e inchiostri. Questo numero esamina la resistenza all'abrasione, comprese le nuove attrezzature e tecniche di misurazione.

Come illustrato nella Parte 1 Adesione — «Technology Feature» di Plastics Decorating, gennaio/febbraio 2005, l'adesione e la resistenza all'abrasione di rivestimenti e inchiostri polimerizzati sono due proprietà prestazionali fondamentali. Tali 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. 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. Tecniche di misurazione avanzate come quelle citate in questo articolo aiutano i produttori a ottenere prestazioni superiori del prodotto e un'eccellenza di processo Six Sigma.

Punti chiave

• L'abrasimetro lineare prova la forma reale dei prodotti, convessa, concava o piana, mentre l'abrasimetro rotativo richiede provini piani.
• La carta abrasiva si deteriora durante lo stoccaggio. Non ne acquisti più di quanta ne serva per sei mesi di utilizzo: la carta vecchia assorbe umidità e abrade meno.
• ASTM D4060, D6037, F1478, SAE J365 e Ford BN108-02 fanno tutte riferimento al Taber Rotary Abraser.
• I risultati derivano dalla perdita di peso, dal numero di cicli o dal raggiungimento visivo di uno strato sottostante di colore contrastante.
• L'attrezzatura di fissaggio è a carico dell'utilizzatore. Non esiste uno standard universale per il bloccaggio di un prodotto; ciò che conta è la rigidità durante la prova.

Domande frequenti

L'abrasione può essere provata su prodotti curvi o sagomati?

Sì, con un abrasimetro lineare. Accessori intercambiabili sono montati su un albero scanalato a libero galleggiamento che si alza e si abbassa, in modo che l'accessorio segua i contorni convessi, concavi o piani. Il tradizionale abrasimetro rotativo non può provare direttamente geometrie sagomate.

Per quanto tempo la carta abrasiva rimane utilizzabile?

I tecnici raccomandano di non acquistarne più di quanta ne serva per sei mesi di utilizzo. La carta vecchia è meno abrasiva perché assorbe umidità, quindi va conservata in ambiente fresco e asciutto. A titolo indicativo, la carta larga 11/16 di pollice su anima da 2 pollici produce circa 1.800 cicli, e una bobina di nastro in poliestere da 1/4 di pollice circa 3.400 cicli.

Quali norme ASTM si applicano alle prove di abrasione dei rivestimenti?

Il Taber Rotary Abraser è citato nella ASTM D4060 per i rivestimenti organici, nella D6037 per la resistenza al danneggiamento da abrasione a secco dei rivestimenti ad alta brillantezza e nella F1478 per le immagini prodotte da fotocopiatrici e stampanti, oltre che nella SAE J365 e nella Ford BN108-02. L'abrasimetro Norman Tool è conforme alla ASTM F2357 per gli interruttori a membrana.

Come si quantificano i risultati dell'abrasione?

Tramite la perdita di peso a un numero specificato di cicli, il numero di cicli necessari per rimuovere una determinata unità di spessore di rivestimento oppure, visivamente, rispetto a standard predeterminati, quando il rivestimento si è consumato fino al substrato o a uno strato contrastante. I rivestimenti devono essere completamente polimerizzati prima della prova.

Come si deve fissare un prodotto per la prova di abrasione lineare?

Non esiste uno standard universale, data la varietà dei prodotti che si possono provare. L'utilizzatore finale sceglie un morsetto o un dispositivo di fissaggio adatto, a volte una normale morsa, a volte qualcosa di più elaborato. Il requisito essenziale è che il prodotto rimanga rigido per tutta la durata della prova.

Metodi di prova dell'abrasione

Esistono numerosi metodi di prova dell'abrasione e, come per le prove di adesione, ogni azienda deve decidere quale o quali metodi valutino meglio il proprio prodotto specifico. Molti settori citano requisiti ASTM specifici in base all'applicazione di mercato del prodotto. Norman Tool Abrader è il produttore originale del noto «RCA» Abrasion Wear Tester. Dal 1964 Norman Tool, Inc. produce, distribuisce ed esporta tester di abrasione e usura utilizzati per verificare la resistenza all'abrasione e all'usura di finiture organiche verniciate o placcate, lamine e scritte inchiostrate su tastierini. È comunemente utilizzato nei settori automotive, degli elettrodomestici, dei telefoni cellulari e dei rivestimenti per materie plastiche. Nel corso degli anni il sistema è stato costantemente aggiornato per precisione e facilità d'uso.

Questo strumento è un tester di abrasione a contatto puntiforme, in grado di provare prodotti (reali) piani e concavi. I pesi sono di 55 grammi, 175 grammi e 275 grammi. Il principio di funzionamento e lo scopo della prova consistono nel consumare, per effetto del peso (carico), una finitura applicata su qualsiasi substrato. Il punto di usura è quello in cui, in corrispondenza di un difetto o dell'asportazione dello strato superiore, emerge una seconda superficie o un secondo rivestimento di colore o tonalità contrastante. Il metodo di funzionamento prevede che il provino con il rivestimento da abradere sia posto su un dispositivo di sostegno fissato alla piastra di base del tester, in modo da non muoversi durante l'abrasione. Il materiale abrasivo, la carta, viene quindi infilato nella macchina e fissato al gruppo dell'albero di avvolgimento. Completate le istruzioni di impostazione, il contatore viene azzerato e i motori vengono accesi per avviare il ciclo di prova. A un numero di cicli predeterminato la macchina si ferma e l'albero verticale viene sollevato per valutare l'area provata. La macchina può anche funzionare in ciclo continuo. Ogni piastra campione inviata ai clienti in tutto il mondo è verificata in anticipo per precisione e riproducibilità rispetto al «Master RCA Abrasion Wear Tester» di Norman Tool.

Alcuni tecnici raccomandano vivamente di non acquistare carta per più di sei mesi di utilizzo. La carta vecchia è meno abrasiva perché ha assorbito umidità. Si conservi la carta in un ambiente fresco e asciutto. La carta non oleata di formato 11/16″ di larghezza x 8″ di diametro esterno su anima da 2″ produce circa 1.800 cicli. Il nastro di carta, ovvero la bobina di nastro in poliestere larga 1/4″, produce circa 3.400 cicli. La carta può essere acquistata solo da Norman Tool. Norman Tool Abrader è conforme alla norma ASTM F 2357, Standard Test Methods for Determining the Abrasion Resistance of Inks and Coatings on Membrane Switches Using the Norman Tool “RCA” Abrader. Norman Tool dispone di un nuovo apparecchio di prova a dito pneumatico.

Taber Industries produce strumenti per abrasione e usura dal 1941. Il Taber Rotary Abraser originale (mostrato sotto) è progettato per provare provini piani a velocità costante, compresi quelli verniciati, rivestiti o stampati. I prodotti con geometrie sagomate non possono essere provati direttamente con questo apparecchio.

Montati su un piatto girevole, i provini sono sottoposti all'azione di sfregamento di mole abrasive sotto carico. Trascinate dal campione in prova, le mole producono segni di abrasione che formano un motivo di archi incrociati su un anello circolare.

La resistenza all'abrasione può essere calcolata in base alla perdita di peso a un numero specificato di cicli di abrasione, come numero di cicli necessari per rimuovere una determinata quantità di spessore di rivestimento, oppure visivamente in base alla quantità di rivestimento rimosso rispetto a standard predeterminati. Per risultati accurati, i rivestimenti o gli inchiostri sui provini devono essere completamente polimerizzati. Sono inoltre descritte le procedure per la corretta rettifica della superficie delle mole prima di ogni prova.

L'abrasimetro rotativo è citato in numerose norme, tra cui ASTM D 4060 Standard Test Method for Abrasion Resistance of Organic Coatings by the Taber Abraser, ASTM D 6037 Standard Test Methods for Dry Abrasion Mar Resistance of High Gloss Coatings, ASTM F 1478 Standard Test Method for Determination of Abrasion Resistance of Images Produced from Copiers and Printers (Taber Method), SAE J365 Method of Testing Resistance To Scuffing of Trim Materials e Ford Motor Company Test Method BN108-02 Resistance to Abrasion – Taber Abraser.

L'ultima generazione di macchine per prove di abrasione è il Taber Linear Abraser Modello 5700 (mostrato a sinistra). Questo nuovo abrasimetro lineare è stato sviluppato per consentire la prova dei prodotti reali.

Grazie a un moto lineare alternativo, accessori intercambiabili sono montati all'estremità di un albero scanalato a libero galleggiamento. Durante il ciclo del braccio, l'albero si alza o si abbassa in modo che l'accessorio segua i contorni della forma del prodotto: convessa, concava o piana.

Taber Industries ha recentemente introdotto una nuova versione del proprio abrasimetro lineare, il Modello 5750. Sono state aggiunte molte funzioni nuove e avanzate, tra cui a) display digitale, b) allineamento con guida laser, c) carico minimo di 60 grammi, d) velocità di corsa variabile da 2 a 75 con sei pulsanti preimpostati ed e) nuovi accessori per una maggiore versatilità di prova.

Utilizzando i materiali standard di settore per le mole Taber, la resistenza all'usura dei materiali, comprese le materie plastiche, viene provata con moto lineare. Come per il Taber Rotary Abraser, il Wearaser™, il materiale deve essere rettificato prima dell'uso. I modelli di macchina 5700/5750 dispongono di una modalità di rettifica (Reface) automatica programmabile.

Lunghezza della corsa, velocità e carico possono essere personalizzati per qualsiasi prova. I comandi programmabili consentono di eseguire la prova fino a un numero preimpostato di cicli di corsa o in continuo fino alla rimozione del rivestimento/della stampa. La testa di fissaggio universale permette all'utente di selezionare mezzi abrasivi certificati ASTM, oppure di impiegare un proprio materiale abrasivo, eventualmente specifico di un determinato settore. I Linear Abraser Modelli 5700/5750 possono inoltre essere configurati per prove di graffio, sfregamento, moneta (Dime, Nickel e così via) e crockmeter. Come in molti abrasimetri, i risultati possono essere determinati dalla perdita di peso o da standard visivi quando il rivestimento superficiale si è consumato fino al materiale del substrato o a una sua parte (breakthrough).

La prova di crock (trasferimento di colore) consiste nel valutare il panno da crock per determinare quanto colore vi si è trasferito ed è inclusa nella ASTM D 6279 Standard Test Method for Rub Abrasion Resistance of High Gloss Coatings e nella ASTM F 1319 Standard Test Method for Determination of Abrasion and Smudge Resistance of Images Produced from Business Copy Products. Taber sta attualmente perseguendo ulteriori certificazioni ASTM per i Linear Abraser Modelli 5700/5750.

Data la varietà dei prodotti che possono essere provati con l'abrasimetro lineare, non esiste uno standard universale per fissare un prodotto in posizione per la prova. L'utilizzatore finale sceglie un morsetto o un dispositivo di fissaggio adatto al prodotto. In alcuni casi si usa una normale morsa. Per altri prodotti possono essere necessari dispositivi di fissaggio più elaborati. L'aspetto importante è che il prodotto rimanga in posizione rigida durante la prova.

Oltre al Norman RCA Abrasion Wear Tester e agli abrasimetri rotativo e lineare Taber trattati in questo articolo, nei cataloghi e nella letteratura di settore si trovano innumerevoli apparecchi di prova di adesione e abrasione. Questi metodi, accettati a livello internazionale, comprendono la ASTM D 3363 Standard Test for Film Hardness by Pencil Test; il Balanced Beam Scrape Adhesion and Mar Tester per la ASTM D 2197 Standard Test Method for Adhesion of Organic Coatings by Scrape Adhesion e la D5178-98(2002) Standard Test Method for Mar Resistance of Organic Coatings; e le prove di abrasione ABREX® su superfici stampate/rivestite sotto l'influenza di diversi fluidi (sudore, lozioni, oli) tramite un moto simulato di contatto con dita/mani secondo DIN EN 60068-2-70. ABREX® è un nuovo strumento per il quale, al momento della stesura di questo documento, erano disponibili informazioni limitate.

Oltre a queste prove, molte aziende sviluppano procedure interne utilizzando sofisticati sistemi di prova digitali come le apparecchiature Com-Ten e Instron, che incorporano molti metodi delle procedure ASTM. In base all'uso previsto del prodotto, le prove prestazionali possono includere anche prove di resistenza a sostanze chimiche e solventi, immersione in acqua seguita da prova con nastro adesivo, prove in lavastoviglie e lavatrice e così via. Le aziende utilizzano spesso più metodi di prova durante lo sviluppo e la produzione del prodotto.

Standard di prova ed eccellenza di processo

Molte aziende utilizzano alcuni dei metodi di prova trattati in questo articolo 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

• American Society of Testing and Materials International
• BYK Gardner
• Gardner Company
• Norman Tool, Inc
• Taber Industries

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 e www.plasticslasermarking.com.

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