เทคนิคการวัดการยึดเกาะและความทนทานต่อการขัดสีของสารเคลือบและหมึกพิมพ์ – ตอนที่ 1

เทคนิคการวัดการยึดเกาะและความทนทานต่อการขัดสีของสารเคลือบและหมึกพิมพ์ – ตอนที่ 1

นี่คือตอนแรกของบทความสองตอนว่าด้วยเทคนิคการวัดการยึดเกาะและความทนทานต่อการขัดสีของสารเคลือบและหมึกพิมพ์ ตอนแรกนี้พิจารณาเรื่องการยึดเกาะ ส่วนตอนที่สองกล่าวถึงความทนทานต่อการขัดสี รวมถึงอุปกรณ์และเทคนิคการวัดใหม่ ๆ

การยึดเกาะและความทนทานต่อการขัดสีของสารเคลือบและหมึกพิมพ์ที่บ่มแล้วเป็นคุณสมบัติเชิงสมรรถนะที่สำคัญสองประการ และการวัดและควบคุมคุณสมบัติเหล่านี้จำเป็นต่อการผลิตที่แข็งแกร่ง การยึดเกาะและความทนทานต่อการขัดสีเป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่แยกจากกัน และมักวินิจฉัยผิดพลาดระหว่างการวิเคราะห์รูปแบบความล้มเหลว การยึดเกาะและความทนทานต่อการขัดสีที่ไม่ดีเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวในการใช้งานจริง ของเสียและการแก้ไขงาน กำไรที่ลดลง และลูกค้าที่ไม่พอใจ มีเทคนิคสำหรับวัดคุณสมบัติเหล่านี้ บทความนี้กล่าวถึงวิธีทดสอบและเครื่องมือหลายแบบ ในนั้นมีเครื่องขัดสีเชิงเส้นรุ่นใหม่ของ Taber Industries ซึ่งออกแบบมาเพื่อประเมินรูปทรงผลิตภัณฑ์จริงที่มีพื้นผิวโค้ง รวมถึงชิ้นทดสอบแบบเรียบ (ตอนที่สอง) เทคนิคการวัดขั้นสูงเช่นที่อ้างถึงในเอกสารนี้ช่วยให้ผู้ผลิตบรรลุสมรรถนะผลิตภัณฑ์ที่เหนือกว่าและความเป็นเลิศของกระบวนการระดับซิกส์ซิกมา

ประเด็นสำคัญ

• การยึดเกาะและการขัดสีเป็นคุณสมบัติที่แตกต่างกัน สารเคลือบอาจผ่านอย่างหนึ่งแต่ไม่ผ่านอีกอย่างหนึ่ง และมักสับสนกันในการวิเคราะห์ความล้มเหลว
• ASTM D3359 เป็นการทดสอบเชิงคุณภาพ ยืนยันได้เพียงว่าถึงค่าต่ำสุด ไม่สามารถวัดความแข็งแรงของการยึดติดเชิงปริมาณ
• ความแปรผันของเทปเป็นเรื่องจริง ห้องปฏิบัติการอิสระบันทึกความแตกต่างระหว่างล็อตได้สูงถึง 50%
• ทั้งสองมาตรฐานเขียนขึ้นสำหรับวัสดุรองรับที่แข็ง เช่น โลหะและคอนกรีต ไม่ใช่สำหรับสารเคลือบบนพลาสติกที่ยืดหยุ่นหรือกึ่งแข็ง
• ความสม่ำเสมอของขั้นตอนสำคัญกว่าวิธีที่เลือก ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยก็ให้ผลต่างอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ

คำถามที่พบบ่อย

การยึดเกาะและความทนทานต่อการขัดสีต่างกันอย่างไร

เป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่แยกจากกันและมักไม่ไปด้วยกัน สารเคลือบที่บ่มแล้วอาจมีการยึดเกาะดีแต่ทนการขัดสีได้ไม่ดี หรือตรงกันข้าม การระบุว่ากลไกใดล้มเหลวจริง ไม่ว่าจะเป็นการยึดเกาะ การยึดติดภายในเนื้อวัสดุ (โคฮีชัน) การขัดสี หรือหลายอย่างรวมกัน จะกำหนดแนวทางแก้ไขทางวิศวกรรม

การทดสอบด้วยเทป ASTM D3359 เชื่อถือได้หรือไม่

เป็นวิธีที่ง่าย ราคาถูก และใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่เป็นเชิงคุณภาพ ยืนยันได้ว่าถึงค่าการยึดเกาะต่ำสุดเท่านั้น ไม่ได้วัดความแข็งแรงของการยึดติดจริง และความแม่นยำขึ้นอยู่กับผู้ปฏิบัติงานโดยการออกแบบ เนื่องจากไม่ต้องใช้อุปกรณ์ที่สอบเทียบ นอกจากนี้ยังพัฒนาขึ้นสำหรับสารเคลือบชนิดเหนียวบนโลหะ ไม่ใช่สำหรับพลาสติก

เหตุใดผลการทดสอบด้วยเทปจึงต่างกันระหว่างห้องปฏิบัติการ

สาเหตุคือเทป แต่ละล็อตมีความแปรผันของการยึดเกาะโดยธรรมชาติ และห้องปฏิบัติการอิสระบันทึกความแตกต่างได้สูงถึง 50% เทป 3M 710 ดั้งเดิมถูกยกเลิกการผลิต และ Permacel เปลี่ยนคุณสมบัติเทปตามกาลเวลา ทำให้การทดสอบเปิดกว้างให้ใช้เทปกาวไวต่อแรงกดชนิดใดก็ได้

เมื่อใดควรใช้การทดสอบแรงดึงหลุด ASTM D4541 แทน

เมื่อต้องการผลแรงดึงเชิงปริมาณ ควรทราบว่าโดยทั่วไปต้องใช้ผลิตภัณฑ์ขนาดสามนิ้วขึ้นไปจึงจะรองรับดอลลีมาตรฐาน ต้องทดสอบอย่างน้อยสองหรือสามตำแหน่ง และเครื่องมือแบบจัดแนวคงที่ แบบไฮดรอลิก และแบบนิวเมติกให้ผลที่ต่างกันมาก จึงเปรียบเทียบกันโดยตรงไม่ได้ในทางปฏิบัติ

ควรเตรียมดอลลีสำหรับการทดสอบแรงดึงหลุดอย่างไร

ผิวหน้าดอลลีที่ผ่านการกลึงหรือมิลลิ่งปลายมักให้การยึดติดที่อ่อนกว่า ควรขัดผิวเบา ๆ ด้วยแผ่น Scotch-Brite หรือกระดาษทรายเพื่อสร้างโครงสร้างจุลภาค แล้วทำความสะอาดด้วยแอลกอฮอล์และผ้าแห้งเพื่อกำจัดเศษผง น้ำมัน และออกซิเดชัน ใช้กาวที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารเคลือบ

การยึดเกาะเทียบกับการขัดสี

ต้องทำให้ได้การยึดเกาะและความทนทานต่อการขัดสี (ความต้านทาน) ที่ดีที่สุดของสารเคลือบและหมึกพิมพ์ที่บ่มแล้วบนวัสดุรองรับพลาสติกระหว่างการผลิต เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงที่ใช้งานได้ตลอดอายุการใช้งาน คุณสมบัติเหล่านี้อาจพึ่งพากัน แต่มักไม่ไปด้วยกัน กล่าวคือ สารเคลือบและหมึกพิมพ์ที่บ่มแล้วอาจมีการยึดเกาะดีแต่ทนการขัดสีไม่ดี หรือยึดเกาะไม่ดีแต่ทนการขัดสีดี การทดสอบและความเข้าใจเรื่องการยึดเกาะและการขัดสีอย่างถูกต้องช่วยให้มั่นใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนด และมีคุณค่าอย่างยิ่งในการแก้ปัญหาการเคลือบและการพิมพ์ การระบุกลไกความล้มเหลว ไม่ว่าจะเป็นการยึดเกาะ (โคฮีชัน) การขัดสี หรือทั้งสองอย่าง จะกำหนดแนวทางแก้ปัญหาด้านกระบวนการทางวิศวกรรม มีวิธีทดสอบแบบดั้งเดิมและเครื่องมือใหม่สำหรับวัดและวิเคราะห์คุณสมบัติเหล่านี้

วิธีทดสอบการยึดเกาะ

ASTM D 3359 วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับการวัดการยึดเกาะด้วยการทดสอบเทป อาจเป็นวิธีที่รู้จักและใช้กันแพร่หลายที่สุดในอดีตสำหรับการทดสอบการยึดเกาะของสารเคลือบและหมึกพิมพ์ เนื่องจากความง่ายและต้นทุนต่ำ ขั้นตอนพื้นฐานที่สุดของการทดสอบด้วยเทปประกอบด้วยสิ่งต่อไปนี้

• ตกลงเรื่องการเลือกเทป
• บ่มสารเคลือบและหมึกพิมพ์ให้สมบูรณ์ก่อนการทดสอบ
• ทำรอยตัดรูปตัว “X” บนฟิล์มตาม Method A หรือรอยตัดแบบตารางที่มีหกหรือสิบเอ็ดรอยในแต่ละทิศทางตาม Method B
• ดึงเทปออกจากม้วนและทิ้งสองรอบ
• ปาดเทปให้แนบด้วยนิ้ว จากนั้นถูให้แน่นด้วยยางลบที่ปลายดินสอหรือสิ่งที่คล้ายกัน (สีใต้เทปเป็นตัวบ่งชี้ที่ดีว่าสัมผัสกันสมบูรณ์)
• ภายใน 60-120 วินาทีหลังติดเทป ดึงเทปออกโดยดึงปลายอิสระกลับเข้าหาตัวเองอย่างรวดเร็ว (ไม่กระชาก) ให้ใกล้มุม 180 องศามากที่สุด
• ตรวจสอบบริเวณรอยตัดว่ามีสารเคลือบหลุดจากวัสดุรองรับหรือไม่ และให้คะแนนการยึดเกาะตามคำอธิบายและภาพประกอบที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B)

ASTM D 3359 ฉบับแรก ๆ อ้างถึงการใช้เทป 3M 710 และ Permacel 3M ยกเลิกผลิตภัณฑ์นี้ และหลายปีที่ผ่านมา Permacel เปลี่ยนคุณสมบัติของเทป คณะอนุกรรมการ ASTM แนะนำให้ผู้ใช้ตรวจสอบว่า Permacel ปัจจุบันให้ผลเทียบเท่าเทปดั้งเดิมหรือไม่ ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าทำไม่ได้จริง และเปิดโอกาสให้บริษัทต่าง ๆ ใช้เทปกาวไวต่อแรงกดแทบทุกชนิด ปัจจุบันหลายบริษัทใช้ ASTM D 3359 ฉบับย่อ ซึ่งทดสอบผลิตภัณฑ์เฉพาะกลุ่มให้คล้ายกันมากที่สุด เช่น โทรศัพท์มือถือ คีย์บอร์ดคอมพิวเตอร์ ชิ้นส่วนยานยนต์ เป็นต้น มีการแสดงเทคนิคและเทปกาวไวต่อแรงกดที่ใช้กันทั่วไปหลายแบบ

มีข้อพิจารณาสำคัญที่ต้องคำนึงถึงเมื่อทดสอบด้วยเทป เพื่อให้ได้ผลที่ทำซ้ำได้และทวนซ้ำได้ในการกำหนดว่าการยึดเกาะยอมรับได้หรือไม่ได้โดยปราศจากอคติ เทปที่ผลิตแต่ละล็อต (ม้วน) มีความแปรผันของการยึดเกาะโดยธรรมชาติ โดยเฉพาะเมื่อเวลาผ่านไป ตัวอย่างเช่น ห้องปฏิบัติการอิสระบันทึกความแตกต่างได้สูงถึง 50 เปอร์เซ็นต์ การทดสอบด้วยเทปเป็นเชิงคุณภาพและไม่สามารถประเมินความแข็งแรงที่แท้จริงของการยึดติดเชิงปริมาณได้อย่างแม่นยำ (ทราบเพียงว่าถึงค่าต่ำสุด) อย่างไรก็ตาม ให้สมรรถนะการยึดเกาะเชิงเปรียบเทียบ วิธีทดสอบนี้พัฒนาขึ้นแต่เดิมสำหรับสารเคลือบชนิดเหนียวบนวัสดุรองรับโลหะ ไม่ใช่สำหรับสารเคลือบหรือหมึกพิมพ์บนผลิตภัณฑ์พลาสติก

การทดสอบรอยตัดไขว้เป็นวิธีที่ง่ายและคาดเดาได้สำหรับประเมินการยึดเกาะของระบบเคลือบชั้นเดียวหรือหลายชั้น

ขั้นตอน

• ทำรอยตัดแบบตารางบนฟิล์มด้วยเครื่องมือที่เหมาะสม โดยตัดลึกถึงวัสดุรองรับ
• ปัดในทิศทางแนวทแยงแห่งละ 5 ครั้ง โดยใช้ปากกาแปรงหรือเทปทับรอยตัด แล้วดึงออกด้วยเทป Permacel
• ตรวจสอบพื้นที่ตารางด้วยแว่นขยายแบบมีไฟส่อง

ผลการทดสอบรอยตัดไขว้

ให้คะแนนการยึดเกาะตามมาตราส่วนด้านล่าง

*DIN 53151 ถูกยกเลิกในเดือนตุลาคม 1994

ดังนั้น เมื่อติดเทปกาวยืดหยุ่นบนพลาสติกที่ยืดหยุ่นหรือกึ่งแข็ง แทนที่จะเป็นโลหะแข็ง ปรากฏการณ์การลอกและกลไกความล้มเหลวจะต่างกัน

ความแตกต่างของเทป ความแข็งของวัสดุรองหลังเทป และริโอโลยีของกาว อาจให้ผลต่างกันแม้ทดสอบบนผลิตภัณฑ์เดียวกัน สูตรเทปหนึ่ง ๆ โดยธรรมชาติไม่ยึดเกาะกับสารเคลือบและพลาสติกทุกชนิดเท่ากัน ลักษณะพื้นผิวก็เป็นปัจจัยสำคัญ ASTM D 3359 ถูกออกแบบให้เรียบง่ายและไม่ต้องใช้อุปกรณ์ที่สอบเทียบ ดังนั้นความแม่นยำของการทดสอบจึงขึ้นอยู่กับผู้ปฏิบัติงาน

ASTM D 4541 วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับความแข็งแรงแรงดึงหลุดของสารเคลือบโดยใช้เครื่องทดสอบการยึดเกาะแบบพกพา ก็เป็นมาตรฐานที่รู้จักกันดีเช่นกัน แต่ต่างจาก ASTM D 3359 ตรงที่ต้องใช้เครื่องมือที่เรียกว่าเครื่องทดสอบการยึดเกาะแบบดึงหลุด มีการอ้างอิงรุ่นเครื่องมือหลายแบบ (แบบจัดแนวคงที่ แบบไฮดรอลิก แบบนิวเมติก) ซึ่งอาจให้ผลต่างกันตามพารามิเตอร์และการใช้งานของเครื่องมือ การทดสอบการยึดเกาะด้วยแรงดึงกำหนดแรงตั้งฉากสูงสุด (ในแรงดึง) ที่พื้นที่ผิวรับได้ก่อนที่วัสดุใด ๆ จะหลุดออก หรือกำหนดว่าพื้นผิวยังคงสภาพเดิมที่แรงที่กำหนดไว้ล่วงหน้าหรือไม่ (ผ่าน/ไม่ผ่าน) ผลจากการทดสอบในอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวางด้วยสามรุ่นบนพื้นผิวเดียวกันแตกต่างกันมาก จึงเปรียบเทียบกันโดยตรงไม่ได้ในทางปฏิบัติ

ไม่ว่าจะใช้เครื่องทดสอบการยึดเกาะแบบดึงหลุดชนิดใด ขั้นตอนเริ่มจากการยึดอุปกรณ์รับแรง (เรียกว่า “ดอลลี”) ให้ตั้งฉากกับพื้นผิวสารเคลือบด้วยกาว หลังกาวบ่มแล้ว ติดตั้งอุปกรณ์ทดสอบเข้ากับอุปกรณ์รับแรงและจัดแนวให้ให้แรงดึงตั้งฉากกับพื้นผิวทดสอบ แรงที่กระทำต่ออุปกรณ์รับแรงจะเพิ่มขึ้นทีละน้อยจนเกิดการหลุดของวัสดุ “ดึงหลุด” หรือถึงค่าที่กำหนด

เมื่อมีการเคลือบหลายชั้น จะระบุลักษณะของกลไกความล้มเหลวได้ว่าเป็นแบบยึดเกาะหรือโคฮีชัน ตัวอย่างสองแบบจากอุปกรณ์เชิงพาณิชย์จำนวนมากแสดงไว้ด้านล่าง รูป A และ B แสดงอุปกรณ์แบบจัดแนวคงที่ Elcometer 106 และรูป C และ D แสดงอุปกรณ์แบบไฮดรอลิกปรับแนวเองของ Defelsko

สำหรับเครื่องทดสอบการยึดเกาะแบบดึงหลุดทุกชนิด การเตรียมพื้นผิวของดอลลีและการทาการยึดติดมีความสำคัญต่อการได้ผลที่แม่นยำและทำซ้ำได้ ดอลลีจำนวนมากที่ซื้อมามีผิวเรียบที่ผ่านการกลึงและ/หรือมิลลิ่งปลาย แต่มักให้การยึดติดที่อ่อนกว่า ผู้ใช้เครื่องทดสอบบางรายปรับผิวดอลลีด้วยแผ่น Scotch-Brite® หรือกระดาษทรายเพื่อให้พื้นผิวหยาบเล็กน้อย สร้างโครงสร้างจุลภาคเพื่อความแข็งแรงของการยึดติดสูงสุด หลัง “ปรับผิว” ดอลลีแล้วต้องทำความสะอาด (ปกติใช้แอลกอฮอล์และผ้าแห้ง) เพื่อกำจัดเศษผงส่วนเกิน น้ำมัน และออกซิเดชัน กาวที่ใช้กันทั่วไปคือ Araldite 2011 ซึ่งเป็นอีพอกซีสององค์ประกอบที่อาจต้องบ่มนานถึง 24 ชั่วโมงก่อนจึงจะทดสอบดึงได้ เลือกใช้กาวอื่นได้ แต่ต้องไม่ให้กาวส่งผลหรือทำปฏิกิริยากับสารเคลือบ มิฉะนั้นผลการทดสอบจะมีคุณค่าน้อยมาก

ไม่ว่าจะเลือกใช้เครื่องทดสอบการยึดเกาะแบบดึงหลุดชนิดใด สิ่งสำคัญที่สุดในการทดสอบนี้คือความสม่ำเสมอของวิธีทดสอบ แม้ความแตกต่างของขั้นตอนเพียงเล็กน้อยก็ให้ผลข้อมูลที่ต่างกันอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ ผู้ใช้วิธีทดสอบนี้จำนวนมากใช้ดอลลีอะลูมิเนียมแบบใช้แล้วทิ้ง เอกสารขั้นตอนที่เป็นลายลักษณ์อักษรช่วยลดความแปรผันจากการตั้งค่าที่ไม่สม่ำเสมอ

ASTM D 4541 ยังพัฒนาขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะในการทดสอบสารเคลือบบนโครงสร้างแข็ง เช่น โลหะ คอนกรีต หรือไม้ ต่างจาก ASTM D 3351 ที่ทำกับชิ้นส่วนขนาดค่อนข้างเล็กได้ ASTM D 4541 โดยทั่วไปต้องใช้ผลิตภัณฑ์ขนาดสามนิ้วขึ้นไปเพื่อรองรับขนาดดอลลีมาตรฐาน (แม้จะสั่งซื้อดอลลีแบบกำหนดเองได้) ขั้นตอน ASTM D 4541 ควรทำอย่างน้อย 2-3 ตำแหน่งบนชิ้นงาน ซึ่งอาจไม่เหมาะกับผลิตภัณฑ์ขนาดเล็ก การตัดสินใจใช้ ASTM D 3351, ASTM D 4541 หรือการทดสอบการยึดเกาะอื่นเป็นดุลยพินิจของแต่ละบริษัท และอาจได้รับอิทธิพลจากการทดสอบในอดีตในกลุ่มตลาดเฉพาะของบริษัทนั้น

มาตรฐานการทดสอบและความเป็นเลิศของกระบวนการ

หลายบริษัทใช้วิธีทดสอบบางวิธีที่กล่าวถึงในเอกสารนี้ด้วยความจำเป็น กล่าวคือเพื่อให้ได้ธุรกิจโดยแสดงว่ากระบวนการผลิตเป็นไปตามมาตรฐานอุตสาหกรรมเฉพาะ น่าเสียดายที่ผู้ผลิตมักไม่ทราบปัญหาความล้มเหลวในการใช้งานจริงจนกว่าลูกค้าจะส่งคืนผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นไปตามข้อกำหนด โดยปริยาย “การยึดเกาะที่ไม่ดี” มักถูกโทษ เมื่อเข้าใจสาเหตุที่เป็นไปได้หลายประการของความล้มเหลวด้านการยึดเกาะเทียบกับการขัดสีอย่างถูกต้อง วิศวกรจะระบุสาเหตุรากเหง้าที่สำคัญได้อย่างชำนาญและดำเนินการแก้ไข ไม่ควรสงวนการทดสอบไว้เฉพาะการพัฒนาผลิตภัณฑ์และการแก้ไขปัญหา การทดสอบผลิตภัณฑ์ในสายการผลิตอย่างต่อเนื่องด้วยวิธีและเทคนิคที่นำเสนอ ร่วมกับเทคนิค Six Sigma จะช่วยให้การผลิตแข็งแกร่ง

กิตติกรรมประกาศ

• 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 เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. (TSG) ซึ่งเป็นบริษัทวิศวกรรมระดับโลกที่เชี่ยวชาญกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว การมาร์กด้วยเลเซอร์ และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ สอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่หมายเลขโทรฟรี (888) SABREEN หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com

---