コーティングとインクの接着性および耐摩耗性の測定技術 – 第2回

コーティングとインクの接着性および耐摩耗性の測定技術 – 第2回

本記事は、コーティングとインクの接着性および耐摩耗性の測定技術を扱う全2回シリーズの第2回です。今回は、新しい装置や測定技術を含め、耐摩耗性について検証します。

第1回「接着性」（Plastics Decorating誌「Technology Feature」2005年1/2月号）で述べたとおり、硬化したコーティングやインクの接着性と耐摩耗性は、2つの重要な性能特性です。これらの特性は相互に依存することもありますが、両立しない場合も少なくありません。つまり、硬化したコーティングやインクは、接着性が良好でも耐摩耗性が劣る場合や、接着性が劣っても耐摩耗性が良好な場合があります。接着性と耐摩耗性を適切に試験して理解することは、仕様への適合を確保し、コーティングや印刷の問題を解決するうえで非常に有用です。不具合のメカニズムが接着（凝集）なのか、摩耗なのか、あるいはその両方なのかを特定することで、エンジニアリング上のプロセス面の解決策が決まります。本記事では、さまざまな試験方法と機器を取り上げます。その中には、Taber Industries社が製造する新しいリニアアブレーサーがあり、平面の試験片だけでなく、曲面を含む実際の製品形状を評価できるよう設計されています。本記事で紹介するような高度な測定技術は、メーカーが優れた製品性能とシックスシグマ品質のプロセスを実現するうえで役立っています。

重要なポイント

• リニアアブレーサーは、凸面、凹面、平面のいずれの実際の製品形状も試験できます。ロータリーアブレーサーは平面の試験片が必要です。
• 研磨紙は保管中に劣化します。6か月分を超えて購入しないでください。古い紙は水分を吸収して摩耗させる力が弱まります。
• ASTM D4060、D6037、F1478、SAE J365、Ford BN108-02はいずれも、Taberロータリーアブレーサーを参照しています。
• 結果は、重量減少、サイクル数、または下地の対照的な層に達するまでの目視確認によって得られます。
• 固定治具はユーザー側で用意します。製品を保持するための共通規格はなく、重要なのは試験中に剛性が保たれていることです。

よくあるご質問

曲面や輪郭のある製品でも耐摩耗性を試験できますか？

はい、リニアアブレーサーを使えば可能です。交換可能なアタッチメントを、上下に動く自由浮動のスプラインシャフトに取り付けることで、アタッチメントが凸面、凹面、平面の輪郭に追従します。従来のロータリーアブレーサーでは、輪郭のある形状を直接試験することはできません。

研磨紙はどのくらいの期間使用できますか？

技術者は、6か月分を超えて購入しないよう推奨しています。古い紙は水分を吸収するため研磨力が弱くなるので、涼しく乾燥した場所に保管してください。目安として、コア径2インチで幅11/16インチの紙で約1,800サイクル、幅1/4インチのポリエステルテープリールで約3,400サイクルとなります。

コーティングの耐摩耗性試験には、どのASTM規格が適用されますか？

Taberロータリーアブレーサーは、有機コーティング用のASTM D4060、高光沢コーティングの乾式摩耗による擦り傷耐性用のD6037、複写機やプリンターによる画像用のF1478のほか、SAE J365とFord BN108-02で参照されています。Norman Tool社のアブレーサーは、メンブレンスイッチ用のASTM F2357に適合しています。

耐摩耗性の結果はどのように定量化しますか？

指定したサイクル数での重量減少、単位厚さのコーティングを除去するのに必要なサイクル数、またはコーティングが摩耗して基材や対照的な層に達した時点で、あらかじめ定めた基準と照らして目視で評価します。試験前に、コーティングを完全に硬化させておく必要があります。

リニア摩耗試験で、製品はどのように固定すべきですか？

試験対象となる製品が多様なため、共通規格はありません。エンドユーザーが適切なクランプや治具を選びます。標準的な万力で済む場合もあれば、より手の込んだものが必要な場合もあります。必須の条件は、試験中に製品が剛に保持されることです。

耐摩耗性の試験方法

耐摩耗性の試験方法は数多くあり、接着性試験と同様に、各社が自社製品を最もよく評価できる方法を判断しなければなりません。多くの業界では、製品の市場用途に基づき、特定のASTM要件を引用しています。Norman Tool Abraderは、有名な「RCA」摩耗試験機のオリジナルメーカーです。Norman Tool, Inc.は1964年以来、塗装またはめっきされた有機仕上げ、箔、インクで印刷されたキーパッドの文字などの耐摩耗性・耐摩擦性を試験する摩耗試験機を製造、販売、輸出してきました。自動車、家電、携帯電話、プラスチックコーティングの各業界で広く使用されています。長年にわたり、精度と使いやすさを高めるためにシステムの改良が続けられてきました。

この装置は点接触式の摩耗試験機で、平面および凹面の（実際の）製品を試験できます。荷重は55グラム、175グラム、275グラムです。この試験の動作原理と目的は、任意の基材上に施された仕上げを、荷重によって摩耗させて貫通させることです。上塗りに傷や摩耗による貫通が生じ、対照的な色や色調の第2の面またはコーティングが露出した時点が、貫通点となります。操作方法は次のとおりです。摩耗させるコーティングを施した試験片を、試験機のベースプレートに取り付けた保持装置に置き、摩耗中に動かないようにします。次に、研磨材である紙を機械に通し、巻き取りシャフトアセンブリに固定します。セットアップ手順が完了したら、カウンターをゼロに戻し、モーターを起動して試験サイクルを開始します。あらかじめ設定したサイクル数で機械を停止し、垂直シャフトを持ち上げて、試験した箇所を評価します。機械は連続運転も可能です。世界中のお客様に出荷される各試験片プレートは、Norman Tool社の「マスターRCA摩耗試験機」に基づき、精度と再現性が事前に検証されています。

一部の技術者は、紙を6か月分を超えて購入しないよう強く推奨しています。古い紙は水分を吸収しているため、研磨力が弱くなります。紙は涼しく乾燥した環境で保管してください。幅11/16インチ×外径8インチ、コア径2インチの無油紙では、約1,800サイクルとなります。幅1/4インチのポリエステルテープリールの紙テープでは、約3,400サイクルとなります。紙はNorman Tool社からのみ調達できます。Norman Tool Abraderは、Norman Tool「RCA」アブレーダーを用いたメンブレンスイッチ上のインクおよびコーティングの耐摩耗性を求める標準試験方法である、ASTM F 2357に適合しています。Norman Tool社には、新しい空気圧式フィンガーテスター装置もあります。

Taber Industries社は、1941年から摩耗・磨耗の試験機器を製造しています。オリジナルのTaberロータリーアブレーサー（下図）は、塗装、コーティング、印刷を施したものを含む平面の試験片を、一定速度で試験するよう設計されています。輪郭のある形状の製品は、この装置では直接試験できません。

回転するターンテーブルに取り付けた試験片は、荷重をかけた研磨ホイールによる摩擦摩耗を受けます。ホイールは試験サンプルによって従動し、円環上に交差する円弧のパターンをなす摩耗痕を形成します。

耐摩耗性は、指定した摩耗サイクル数での重量減少、単位厚さのコーティングを除去するのに必要なサイクル数、またはあらかじめ定めた基準と比較した除去されたコーティングの量を目視で確認する方法で算出できます。正確な結果を得るには、試験片上のコーティングやインクを完全に硬化させておく必要があります。さらに、各試験の前にホイールを適切に表面調整する手順も規定されています。

ロータリーアブレーサーは、次のような数多くの規格で参照されています。ASTM D 4060（Taberアブレーサーによる有機コーティングの耐摩耗性の標準試験方法）、ASTM D 6037（高光沢コーティングの乾式摩耗による擦り傷耐性の標準試験方法）、ASTM F 1478（複写機およびプリンターで作成された画像の耐摩耗性測定の標準試験方法（Taber法））、SAE J365（内装材の耐擦り傷性の試験方法）、Ford Motor Company試験方法BN108-02（耐摩耗性 – Taberアブレーサー）です。

最新世代の摩耗試験機は、Taberリニアアブレーサー Model 5700（左図）です。この新しいリニアアブレーサーは、実際の製品を試験できるように開発されました。

往復直線運動を利用し、交換可能なアタッチメントを自由浮動のスプラインシャフトの先端に取り付けます。アームが往復する際、シャフトが上下してアタッチメントが製品形状（凸面、凹面、平面）の輪郭に追従します。

Taber Industries社は最近、リニアアブレーサーの新バージョンModel 5750を発表しました。a) デジタル表示、b) レーザーガイドによる位置合わせ、c) 最小荷重60グラム、d) 6つのプリセットボタンを備えた2〜75の可変ストローク速度、e) 試験の汎用性を高める新しいアタッチメントなど、多くの高度な新機能が追加されています。

業界標準のTaberホイール材を使用して、プラスチックを含む材料の耐摩耗性を直線運動で試験します。Taberロータリーアブレーサー、Wearaser™と同様に、使用前に材料の表面を調整（リフェース）する必要があります。Model 5700/5750には、プログラム可能な自動リフェースモードが備わっています。

ストローク長、速度、荷重は、どの試験にもカスタマイズできます。プログラム可能な制御により、あらかじめ設定したストロークサイクル数まで、またはコーティングや印刷が除去されるまで連続して試験できます。ユニバーサルアタッチメントヘッドにより、ユーザーはASTM認証の研磨メディアを選べるほか、特定の業界に固有の独自の研磨材を使用することもできます。リニアアブレーサー Model 5700/5750は、スクラッチ、ラブ、コイン（ダイム、ニッケルなど）、クロックメーター試験にも構成できます。多くの摩耗試験機と同様に、結果は、重量減少、または表面のコーティングが基材またはその一部まで摩耗した時点（貫通）での目視基準によって判定できます。

クロック（色移り）試験では、クロッキングクロスにどれだけ色が移ったかを評価し、ASTM D 6279（高光沢コーティングの摩擦摩耗耐性の標準試験方法）とASTM F 1319（ビジネス用コピー製品で作成された画像の摩耗および汚れ耐性の測定の標準試験方法）に組み込まれています。Taber社は現在、リニアアブレーサー Model 5700/5750について、追加のASTM認証の取得を進めています。

リニアアブレーサーで試験できる製品は多様であるため、試験位置に製品を固定する共通規格はありません。エンドユーザーが、製品に適したクランプや治具を決定します。標準的な万力を使う場合もあれば、他の製品ではより手の込んだ治具が必要になる場合もあります。重要なのは、試験中に製品が剛に保持された状態を保つことです。

本記事で解説したNorman RCA摩耗試験機やTaberのロータリー・リニアアブレーサーのほかにも、業界のカタログや文献には、数え切れないほどの接着性・耐摩耗性の試験装置が掲載されています。国際的に認められているこれらの方法には、ASTM D 3363（鉛筆法による塗膜硬度の標準試験）、ASTM D 2197（スクレープ付着法による有機コーティングの密着性の標準試験方法）およびD5178-98(2002)（有機コーティングの擦り傷耐性の標準試験方法）に対応するバランスビーム式スクレープ密着・擦り傷試験機、DIN EN 60068-2-70に準拠し、指や手の接触動作を模擬して、さまざまな液体（汗、ローション、油）の影響下で印刷・コーティング面の摩耗を試験するABREX®があります。ABREX®は新しい機器であり、本稿の執筆時点では限られた情報しか得られていません。

これらの試験に加えて、多くの企業は、Com-TenやInstron製装置などの高度なデジタル試験システムを用い、多くのASTM手順の方法を取り入れた社内手順を策定しています。製品の使用目的によっては、性能試験に、耐薬品性・耐溶剤性試験、水没後のテープ試験、食器洗い機や洗濯機による試験なども含まれます。企業は、製品開発や製造の過程で、複数の試験方法を使うことがよくあります。

試験規格とプロセス品質の追求

多くの企業は、本記事で解説した試験方法の一部を、必要に迫られて用いています。つまり、自社の製造プロセスが特定の業界標準に適合していることを示して、受注を獲得するためです。残念ながら、メーカーは、お客様から不適合品が返品されて初めて、現場での不具合に気づくことがよくあります。その場合、「接着不良」がデフォルトの原因とされます。接着性と摩耗による不具合には多くの原因が考えられることを適切に理解することで、エンジニアは重要な根本原因を的確に特定し、是正措置を実施できます。

試験は、製品開発やトラブルシューティングのためだけに行うものではありません。本稿で紹介した方法や技術、およびシックスシグマ手法を用いて製品を継続的にインライン試験することで、堅牢な製造が確保されます。

謝辞

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

Scott R. Sabreenは、The Sabreen Group, Inc.（TSG）の創業者兼社長です。TSGは、プラスチック二次加工（表面前処理、接着、加飾・仕上げ、レーザーマーキング、製品セキュリティ）を専門とするグローバルなエンジニアリング会社です。詳細は、フリーダイヤル(888)-SABREENまでお電話いただくか、www.sabreen.comおよびwww.plasticslasermarking.comをご覧ください。

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