塗料與油墨的附著及耐磨耗性量測技術——第二部分

塗料與油墨的附著及耐磨耗性量測技術——第二部分

本文為「塗料與油墨的附著及耐磨耗性量測技術」兩部曲系列的第二篇，探討耐磨耗性，包括新型設備與量測技術。

如同在第一部分：附著——《Plastics Decorating》「技術專題」2005 年 1／2 月號中所討論，固化後塗料與油墨的附著與耐磨耗性是兩項關鍵性能特性。這兩項特性可能相互依存，但往往互不相容；也就是說，固化後的塗料與油墨可能附著良好但耐磨性差，或附著不良但耐磨性佳。正確的測試以及對附著與磨耗的理解，可確保符合規格，對於解決塗裝與列印問題極具價值。找出失效機制——附著（內聚）、磨耗或兩者兼具——將決定工程製程的解決方案。本文介紹數種不同的測試方法與儀器，其中包括 Taber Industries 製造的新型線性磨耗儀，其設計可評估包含曲面輪廓的實際產品形狀以及平面試片。本文所引用的先進量測技術，正協助製造商達成卓越的產品性能與六標準差製程卓越。

重點摘要

• 線性磨耗儀可測試實際產品形狀——凸面、凹面或平面——而旋轉式磨耗儀則需要平面試片。
• 砂紙會在儲存期間劣化。採購量請勿超過六個月的用量；舊砂紙會吸收水氣，磨耗力降低。
• ASTM D4060、D6037、F1478、SAE J365 與 Ford BN108-02 皆引用 Taber 旋轉式磨耗儀。
• 結果可依重量損失、循環次數，或目視穿透至對比色底層來判定。
• 夾治具需由使用者自行解決。目前並無固定產品的通用標準；測試期間保持剛性才是關鍵。

常見問題

能否測試曲面或具輪廓的產品之磨耗？

可以，使用線性磨耗儀即可。可更換的附件安裝在自由浮動的花鍵軸上，該軸可升降，使附件貼合凸面、凹面或平面輪廓。傳統旋轉式磨耗儀無法直接測試具輪廓的幾何形狀。

砂紙可使用多久？

技術人員建議採購量勿超過六個月的用量。舊砂紙因吸收水氣而磨耗力較低，因此應存放於陰涼乾燥處。作為參考，2 吋捲芯上寬 11/16 吋的砂紙約可產生 1,800 次循環，1/4 吋聚酯膠帶捲則約可產生 3,400 次循環。

哪些 ASTM 標準適用於塗料磨耗測試？

ASTM D4060（有機塗料）、D6037（高光澤塗料的乾磨耗抗損傷性）及 F1478（影印機與印表機所產生影像）皆引用 Taber 旋轉式磨耗儀，此外還有 SAE J365 與 Ford BN108-02。Norman Tool 磨耗儀則符合薄膜開關適用的 ASTM F2357。

磨耗結果如何量化？

可依指定循環次數下的重量損失、去除單位塗層厚度所需的循環次數，或當塗層已磨穿至基材或對比層時，對照預先設定的標準以目視判定。測試前塗料必須完全固化。

線性磨耗測試時應如何固定產品？

由於可測試的產品種類繁多，並無通用標準。由最終使用者選擇合適的夾具或治具——有時是標準虎鉗，有時則需要更精密的裝置。基本要求是產品在整個測試期間保持剛性。

磨耗測試方法

磨耗測試方法眾多，與附著測試類似，每家公司都必須自行決定哪些方法最適合評估其特定產品。許多產業根據產品的市場應用引用特定的 ASTM 要求。Norman Tool 磨耗儀是知名「RCA」磨耗磨損測試儀的原始製造商。自 1964 年以來，Norman Tool, Inc. 便製造、經銷並外銷磨耗磨損測試儀，用於測試塗裝或電鍍的有機表面處理層、箔片，以及油墨印刷按鍵字樣的耐磨耗與耐磨損性能。它常用於汽車、家電、手機及塑膠塗裝產業。多年來，該系統不斷升級，以提升精確度與易用性。

此儀器為點接觸式磨耗測試儀，可測試平面及凹面的（實際）產品。砝碼重量有 55 公克、175 公克與 275 公克。此測試的操作原理與目的，是藉由重量（負荷）磨穿任何基材上所施加的表面處理層。當面漆出現瑕疵或磨穿，露出顏色或色調對比的第二層表面或塗層時，即為磨穿點。操作方法為：將帶有待磨耗塗層的試片放置於固定在測試儀底板上的夾持裝置，使其在磨耗過程中不會移動；然後將磨耗材料（砂紙）穿過機器，並固定於捲繞軸組件。完成設定後，計數器歸零並開啟馬達，開始測試循環。在預設的循環次數時機器停止，垂直軸升起，以便評估受測區域。機器也可連續循環運轉。送往全球客戶的每一片試片板，都已根據 Norman Tool 的「主 RCA 磨耗磨損測試儀」預先驗證其精確度與再現性。

部分技術人員強烈建議，砂紙採購量不應超過六個月的用量。舊砂紙因吸收水氣而磨耗力較低。請將砂紙存放於陰涼乾燥的環境。寬 11/16 吋 x 外徑 8 吋、2 吋捲芯的無油砂紙約可產生 1,800 次循環；1/4 吋寬聚酯膠帶捲的砂紙帶約可產生 3,400 次循環。砂紙只能向 Norman Tool 採購。Norman Tool 磨耗儀符合 ASTM F 2357《使用 Norman Tool「RCA」磨耗儀測定薄膜開關上油墨與塗層耐磨耗性之標準測試方法》。Norman Tool 另有新款氣動手指測試裝置。

Taber Industries 自 1941 年起便製造磨耗與磨損儀器。原始的 Taber 旋轉式磨耗儀（如下所示）設計用於以恆定速度測試平面試片，包括經塗裝、塗佈或列印的試片。具輪廓幾何形狀的產品無法以此裝置直接測試。

試片安裝在旋轉轉盤上，受到加重磨輪的摩擦磨耗作用。磨輪由試樣帶動，在圓環上產生磨痕，形成交叉圓弧的圖案。

耐磨耗性可依指定磨耗循環次數下的重量損失計算、以去除單位塗層厚度所需的循環次數表示，或依塗層去除量對照預先設定的標準以目視判定。為獲得準確結果，試片上的塗料或油墨必須完全固化。此外，也說明了每次試驗前正確修整磨輪表面的程序。

旋轉式磨耗儀被眾多標準引用，包括 ASTM D 4060《以 Taber 磨耗儀測定有機塗料耐磨耗性之標準測試方法》、ASTM D 6037《高光澤塗料乾磨耗抗損傷性之標準測試方法》、ASTM F 1478《測定影印機與印表機所產生影像耐磨耗性之標準測試方法（Taber 法）》、SAE J365《飾材抗刮擦性測試方法》，以及福特汽車公司測試方法 BN108-02《耐磨耗性——Taber 磨耗儀》。

最新一代的磨耗測試機為 Taber 線性磨耗儀 5700 型（如左圖所示）。這款新型線性磨耗儀的研發目的，是為了能夠測試實際產品。

利用往復式直線運動，可更換的附件安裝在自由浮動花鍵軸的末端。當手臂往復運動時，軸會升起或下降，使附件貼合產品形狀的輪廓——凸面、凹面或平面。

Taber Industries 最近推出了線性磨耗儀的新版本 5750 型，新增許多先進功能，包括：a) 數位顯示器、b) 雷射導引對位、c) 最小負荷 60 公克、d) 行程速度可在 2 至 75 之間調整並有六個預設按鈕，以及 e) 可提升測試多樣性的新附件。

採用業界標準的 Taber 磨輪材料，以直線運動測試包括塑膠在內的各種材料之耐磨性。與 Taber 旋轉式磨耗儀（Wearaser™）相同，材料在使用前必須修整表面。5700／5750 型機台具有可程式化的自動修整模式。

行程長度、速度與負荷皆可針對任何測試進行客製化。可程式化控制使測試能夠執行預設的行程循環次數，或持續進行直到塗層／印刷層被去除。通用附件頭可讓使用者選用通過 ASTM 認證的磨耗介質，或使用特定產業專屬的自有磨耗材料。線性磨耗儀 5700／5750 型也可配置為進行刮擦、摩擦、硬幣（Dime、Nickel 等）及摩擦色牢度（crockmeter）測試。與許多磨耗測試儀一樣，當表面塗層被磨損至基材或部分基材（穿透）時，可依重量損失或目視標準判定結果。

摩擦色牢度（crock，顏色轉移）是評估摩擦布上轉移了多少顏色，已納入 ASTM D 6279《高光澤塗料摩擦磨耗抗性之標準測試方法》與 ASTM F 1319《測定商務影印產品所產生影像耐磨耗與抗污損性之標準測試方法》。Taber 目前正為線性磨耗儀 5700／5750 型爭取更多 ASTM 認證。

由於線性磨耗儀可測試的產品種類繁多，並無將產品固定於測試位置的通用標準。最終使用者須自行決定適合產品的夾具或治具裝置。在某些情況下，使用標準虎鉗即可；其他產品則可能需要更精密的治具裝置。重點在於產品於測試期間必須保持剛性位置。

除了本文討論的 Norman RCA 磨耗磨損測試儀與 Taber 旋轉式及線性磨耗儀之外，業界型錄與文獻中還可找到無數的附著與磨耗測試設備。這些國際公認的方法包括：ASTM D 3363《以鉛筆法測定漆膜硬度之標準測試》；用於 ASTM D 2197《以刮擦附著法測定有機塗料附著力之標準測試方法》及 D5178-98(2002)《有機塗料抗損傷性之標準測試方法》的平衡樑刮擦附著與損傷測試儀；以及依 DIN EN 60068-2-70，透過模擬手指／手部接觸動作，在不同液體（汗水、乳液、油類）影響下對印刷／塗裝表面進行 ABREX® 磨耗測試。ABREX® 為新型儀器，撰寫本文時可取得的資訊有限。

除了這些測試之外，許多公司也運用 Com-Ten 與 Instron 設備等精密數位測試系統，制定內部程序，納入多種 ASTM 程序方法。依產品的預期用途，性能測試還可包括耐化學品與耐溶劑測試、浸水後膠帶測試、洗碗機與洗衣機測試等。各公司在產品開發與製造過程中，經常採用多種測試方法。

測試標準與製程卓越

許多公司採用本文所討論的部分測試方法是出於必要，亦即透過證明其製造製程符合特定產業標準來爭取業務。遺憾的是，製造商往往要到客戶退回不合格產品時，才得知現場失效的問題，並且預設歸咎於「附著不良」。若能正確理解附著失效與磨耗失效的諸多可能成因，工程師便能精準找出關鍵根本原因並實施改善措施。

測試不應僅限於產品開發與疑難排解階段。運用所介紹的方法與技術以及六標準差技術，對產品進行持續的在線測試，將確保製造穩健可靠。

致謝

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

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc.（TSG）的創辦人暨總裁。TSG 是一家全球性工程公司，專精於塑膠二次加工製程——表面前處理、黏接、裝飾與表面加工、雷射打標及產品安全。如需更多資訊，請撥打免付費電話 (888)-SABREEN，或造訪 www.sabreen.com 與 www.plasticslasermarking.com。

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