Techniki pomiaru przyczepności i odporności na ścieranie powłok i farb – część 1

Techniki pomiaru przyczepności i odporności na ścieranie powłok i farb – część 1

To pierwsza część dwuczęściowego cyklu o technikach pomiaru przyczepności i odporności na ścieranie powłok i farb. Niniejsza część dotyczy przyczepności. Część druga omówi odporność na ścieranie, w tym nowe urządzenia i techniki pomiarowe.

Przyczepność i odporność na ścieranie utwardzonych powłok i farb to dwie kluczowe właściwości użytkowe, a ich pomiar i kontrola są niezbędne dla solidnej produkcji. Przyczepność i odporność na ścieranie to odrębne właściwości fizyczne, często błędnie diagnozowane podczas analizy przyczyn uszkodzeń. Słaba przyczepność i odporność na ścieranie należą do głównych przyczyn uszkodzeń w eksploatacji, braków i poprawek, niższych zysków oraz niezadowolonych klientów. Istnieją techniki pomiaru tych właściwości. Artykuł omawia kilka różnych metod badań i przyrządów. Wśród nich jest nowy ścieracz liniowy firmy Taber Industries, przeznaczony do oceny rzeczywistych kształtów wyrobów o powierzchniach profilowanych, a także próbek płaskich (część druga). Zaawansowane techniki pomiarowe, takie jak opisane w tej pracy, pomagają producentom osiągać doskonałą wydajność produktów i doskonałość procesów na poziomie Six Sigma.

Kluczowe wnioski

• Przyczepność i ścieranie to różne właściwości. Powłoka może spełnić jedno z wymagań i nie spełnić drugiego, a w analizie uszkodzeń są one rutynowo mylone.
• ASTM D3359 jest metodą jakościową. Potwierdza osiągnięcie minimum, ale nie pozwala określić ilościowo wytrzymałości połączenia.
• Zmienność taśm jest realna – niezależne laboratoria odnotowały różnice do 50% między partiami.
• Obie normy opracowano dla podłoży sztywnych, metalu i betonu, a nie dla powłok na elastycznych lub półsztywnych tworzywach sztucznych.
• Spójność procedury jest ważniejsza niż wybrana metoda. Drobne różnice dają statystycznie istotne różnice wyników.

Często zadawane pytania

Czym różni się przyczepność od odporności na ścieranie?

To odrębne właściwości fizyczne, które często się wykluczają. Utwardzona powłoka może wykazywać dobrą przyczepność i słabą odporność na ścieranie albo odwrotnie. Ustalenie, który mechanizm faktycznie zawiódł – przyczepność, kohezja, ścieranie lub ich kombinacja – decyduje o rozwiązaniu inżynieryjnym.

Czy test taśmą ASTM D3359 jest wiarygodny?

Jest prosty, tani i powszechnie stosowany, ale jakościowy. Wykazuje, że osiągnięto minimalną wartość przyczepności, a nie mierzy rzeczywistej wytrzymałości połączenia, a jego dokładność z założenia zależy od operatora, ponieważ nie wymaga skalibrowanego sprzętu. Opracowano go również dla powłok ciągliwych na metalu, a nie dla tworzyw sztucznych.

Dlaczego wyniki testu taśmą różnią się między laboratoriami?

Przyczyną jest taśma. Partie mają naturalną zmienność przyczepności, a niezależne laboratoria odnotowały różnice do 50%. Oryginalną taśmę 3M 710 wycofano, a Permacel z czasem zmienił jej właściwości, co w praktyce otworzyło badanie na dowolną taśmę samoprzylepną.

Kiedy zamiast tego stosować badanie odrywania ASTM D4541?

Gdy potrzebny jest ilościowy wynik rozciągania. Należy pamiętać, że zazwyczaj wymaga ono wyrobów o wielkości co najmniej trzech cali, aby zmieścić standardowe przyrządy mocujące (dolly), wymaga badania w co najmniej dwóch lub trzech miejscach, a przyrządy ze stałym ustawieniem, hydrauliczne i pneumatyczne dają wyniki znacznie się różniące – ich bezpośrednie porównanie jest niepraktyczne.

Jak przygotować dolly do badania odrywania?

Powierzchnie dolly obrobione mechanicznie lub frezowane czołowo zwykle dają słabsze połączenia. Powierzchnię należy lekko zmatowić wkładką Scotch-Brite lub papierem ściernym, aby uzyskać mikrostrukturę, a następnie oczyścić alkoholem i suchą ściereczką, usuwając ziarna, oleje i utlenienia. Należy użyć kleju, który nie wchodzi w interakcję z powłoką.

Przyczepność a ścieranie

Optymalną przyczepność i odporność na ścieranie utwardzonych powłok i farb na podłożach z tworzyw sztucznych trzeba uzyskać podczas produkcji, aby wytwarzać wysokiej jakości wyroby, które wytrzymają cały okres eksploatacji. Właściwości te mogą być współzależne, lecz często się wykluczają. Oznacza to, że utwardzone powłoki i farby mogą wykazywać dobrą przyczepność i słabe ścieranie albo słabą przyczepność i dobrą odporność na ścieranie. Prawidłowe badanie i zrozumienie przyczepności oraz ścierania zapewnia zgodność ze specyfikacjami i jest nieocenione przy rozwiązywaniu problemów z powłokami i drukiem. Identyfikacja mechanizmu uszkodzenia – przyczepność (kohezja), ścieranie lub oba – decyduje o rozwiązaniu procesowym. Istnieją historyczne metody badań i nowe przyrządy do pomiaru i analizy tych właściwości.

Metody badania przyczepności

ASTM D 3359 – standardowa metoda pomiaru przyczepności testem taśmą – jest historycznie prawdopodobnie najbardziej znaną i najszerzej stosowaną metodą badania przyczepności powłok i farb, ze względu na prostotę i niski koszt. Najprostsza procedura wykonania testu taśmą obejmuje następujące kroki:

• Uzgodnienie wyboru taśmy.
• Pełne utwardzenie powłok i farb przed badaniem.
• Wykonanie nacięć w kształcie litery „X” w warstwie według metody A lub siatki nacięć po sześć albo jedenaście nacięć w każdym kierunku według metody B.
• Odwinięcie i wyrzucenie dwóch zwojów taśmy z dozownika rolkowego.
• Wygładzenie taśmy palcem, a następnie mocne docisknięcie gumką na końcu ołówka lub podobnym narzędziem (kolor widoczny pod taśmą dobrze wskazuje pełny kontakt).
• W ciągu 60–120 sekund od naklejenia zdjęcie taśmy przez szybkie (nie szarpiące) pociągnięcie wolnego końca do tyłu, jak najbliżej kąta 180 stopni.
• Sprawdzenie obszaru nacięć pod kątem oderwania powłoki od podłoża i ocena przyczepności względem ustalonych opisów i ilustrowanych klasyfikacji (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

Wczesne wersje ASTM D 3359 odwoływały się do taśm 3M 710 i Permacel. Firma 3M wycofała swój produkt, a Permacel z biegiem lat zmienił właściwości swojej taśmy. Podkomitet ASTM zalecił użytkownikom sprawdzenie, czy obecna taśma Permacel daje wyniki porównywalne z oryginalną. Okazało się to niepraktyczne i otworzyło drogę do stosowania przez firmy praktycznie dowolnego rodzaju taśmy samoprzylepnej. Wiele firm stosuje dziś skrócone wersje ASTM D 3359, w których określone nisze produktowe bada się możliwie podobnie, np. telefony komórkowe, klawiatury komputerowe, komponenty motoryzacyjne itp. Pokazano kilka powszechnie stosowanych technik i taśm samoprzylepnych.

Podczas wykonywania testu taśmą należy pamiętać o ważnych kwestiach, aby uzyskać powtarzalne i odtwarzalne wyniki, pozwalające bez uprzedzeń ocenić przyczepność jako akceptowalną lub nie. Partie (rolki) taśmy w stanie fabrycznym mają naturalną zmienność przyczepności, zwłaszcza w czasie. Na przykład niezależne laboratoria odnotowały różnice do 50 procent. Test taśmą jest jakościowy i nie pozwala precyzyjnie ocenić ilościowo rzeczywistej wytrzymałości połączenia adhezyjnego (osiągnięto tylko wartość minimalną). Daje jednak względną ocenę przyczepności. Metodę badania pierwotnie opracowano dla powłok ciągliwych nakładanych na podłoża metalowe, a nie dla powłok lub farb nakładanych na wyroby z tworzyw sztucznych.

Test siatki nacięć jest prostą i łatwą do przewidzenia metodą oceny przyczepności układów jedno- lub wielowarstwowych.

Procedura

• Wykonać w warstwie siatkę nacięć odpowiednim narzędziem, tnąc do podłoża
• Przeszczotkować po 5 razy w kierunku przekątnym pędzelkiem lub taśmą nałożoną na nacięcia i zdjąć taśmą Permacel
• Sprawdzić obszar siatki za pomocą podświetlanej lupy

Wyniki testu siatki nacięć

Przyczepność ocenia się zgodnie z poniższą skalą:

*Norma DIN 53151 została wycofana w październiku 1994 r.

Zatem gdy elastyczną taśmę samoprzylepną nakleja się na elastyczne lub półsztywne tworzywo sztuczne, a nie na sztywny metal, zjawisko odrywania i mechanizmy uszkodzenia są inne

Różnice w taśmach, sztywności podkładu i reologii kleju mogą dawać różne wyniki nawet dla tego samego badanego wyrobu. Dana formulacja taśmy z natury nie przylega jednakowo do wszystkich powłok i tworzyw sztucznych. Ważnym czynnikiem jest także tekstura powierzchni. ASTM D 3359 z założenia jest prosta i nie wymaga skalibrowanego sprzętu. Zatem dokładność badania zależy od operatora.

ASTM D 4541 – standardowa metoda badania wytrzymałości powłok na odrywanie przy użyciu przenośnych testerów przyczepności – to również dobrze znana norma. W przeciwieństwie do ASTM D 3359 wymaga jednak użycia przyrządów, zwanych testerami przyczepności metodą odrywania. Wymienia się kilka różnych modeli przyrządów (o stałym ustawieniu, hydrauliczne, pneumatyczne), które mogą dawać różne wyniki zależnie od parametrów i sposobu użycia przyrządu. Badanie przyczepności przy rozciąganiu określa albo największą siłę prostopadłą (rozciągającą), jaką może przenieść powierzchnia, zanim jakikolwiek materiał zostanie oderwany, albo to, czy powierzchnia pozostaje nienaruszona przy zadanej sile (spełnia/nie spełnia). Wyniki szeroko zakrojonych badań przemysłowych z trzema modelami na identycznych powierzchniach znacznie się różnią, co czyni ich bezpośrednie porównanie niepraktycznym.

Niezależnie od użytego testera przyczepności metodą odrywania procedura zaczyna się od przyklejenia prostopadle do powierzchni powłoki elementu obciążającego (zwanego „dolly”). Po utwardzeniu kleju do elementu obciążającego mocuje się przyrząd badawczy i ustawia go tak, aby przykładał rozciąganie prostopadłe do badanej powierzchni. Siłę przykładaną do elementu obciążającego stopniowo zwiększa się, aż nastąpi oderwanie materiału („pull-off”) lub osiągnięta zostanie zadana wartość.

Gdy nałożono wiele powłok, ustala się charakter mechanizmu uszkodzenia – adhezyjny lub kohezyjny. Poniżej pokazano dwa przykłady z wielu dostępnych na rynku urządzeń. Rysunki A i B przedstawiają urządzenie o stałym ustawieniu Elcometer 106, a rysunki C i D – samoustawne urządzenie hydrauliczne Defelsko.

W przypadku każdego testera przyczepności metodą odrywania przygotowanie powierzchni dolly i nałożenie kleju są ważne dla uzyskania dokładnych, powtarzalnych wyników. Wiele dolly w stanie fabrycznym ma gładkie powierzchnie obrobione mechanicznie i/lub frezowane czołowo, jednak zwykle dają one słabsze połączenia. Niektórzy użytkownicy testerów odrywania modyfikują powierzchnię dolly wkładką Scotch-Brite® lub papierem ściernym, aby uzyskać lekko zmatowioną powierzchnię, tworzącą mikrostruktury dla maksymalnej wytrzymałości połączenia. Po „przygotowaniu” dolly należy je oczyścić (zwykle alkoholem i suchą ściereczką), usuwając nadmiar ziaren, olejów i utlenień. Powszechnie stosowanym klejem jest Araldite 2011, dwuskładnikowa żywica epoksydowa, która może wymagać do 24 godzin utwardzania przed wykonaniem próby odrywania. Można wybrać inne kleje, ale kluczowe jest, aby klej nie wpływał na powłokę ani z nią nie wchodził w interakcję, w przeciwnym razie wyniki badania będą mało przydatne.

Niezależnie od wybranego testera przyczepności metodą odrywania najważniejszym aspektem wykonania tego badania jest spójność sposobu jego prowadzenia. Nawet niewielkie różnice w procedurze powodują statystycznie istotne różnice w wynikach. Wielu użytkowników tej metody stosuje jednorazowe aluminiowe dolly. Udokumentowane procedury pomogą zminimalizować zmienność wynikającą z niespójnego przygotowania.

ASTM D 4541 opracowano również z myślą o badaniu powłok na sztywnych konstrukcjach, takich jak metal, beton lub drewno. W przeciwieństwie do ASTM D 3351, którą można stosować na stosunkowo małych częściach, ASTM D 4541 zazwyczaj wymaga wyrobów o wielkości co najmniej trzech cali, aby zmieścić standardowe rozmiary dolly (choć można zakupić dolly niestandardowe). Procedurę ASTM D 4541 należy wykonywać w co najmniej 2–3 miejscach na części, co może być niepraktyczne w przypadku małych wyrobów. Decyzja o zastosowaniu ASTM D 3351, ASTM D 4541 lub innych badań przyczepności należy do każdej firmy i może być uzależniona od historycznych badań prowadzonych w jej niszy rynkowej.

Normy badawcze i doskonałość procesów

Wiele firm stosuje niektóre z omówionych w tej pracy metod badań z konieczności, tzn. aby zdobywać zlecenia, wykazując, że ich procesy produkcyjne spełniają określone normy branżowe. Niestety producenci często nie wiedzą o problemach z uszkodzeniami w eksploatacji, dopóki klienci nie zwrócą niezgodnych wyrobów. Domyślnie za wszystko obwinia się „słabą przyczepność”. Dzięki właściwemu zrozumieniu wielu możliwych przyczyn uszkodzeń związanych z przyczepnością i ze ścieraniem inżynierowie mogą zręcznie identyfikować kluczowe przyczyny źródłowe i wdrażać działania korygujące. Badania nie powinny być zarezerwowane wyłącznie dla rozwoju wyrobu i wyszukiwania usterek. Ciągłe badanie wyrobów w linii produkcyjnej z użyciem przedstawionych metod i technik oraz technik Six Sigma zapewni solidną produkcję.

Podziękowania

• 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 jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG to globalna firma inżynieryjna specjalizująca się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych – obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu, znakowaniu laserowym oraz bezpieczeństwie produktu. Więcej informacji: bezpłatna infolinia (888) SABREEN lub strona www.sabreen.com.

---