تقنيات قياس متانة الالتصاق والتآكل الاحتكاكي للطلاءات والأحبار – الجزء 1

تقنيات قياس متانة الالتصاق والتآكل الاحتكاكي للطلاءات والأحبار – الجزء 1

هذا هو الجزء الأول من سلسلة من جزأين حول تقنيات قياس متانة الالتصاق والتآكل الاحتكاكي للطلاءات والأحبار. ويتناول هذا العدد الأول الالتصاق. أما الجزء الثاني فيتناول متانة مقاومة التآكل الاحتكاكي، بما في ذلك المعدات وتقنيات القياس الجديدة.

الالتصاق ومتانة مقاومة التآكل الاحتكاكي للطلاءات والأحبار المعالجة خاصيتا أداء حاسمتان، وقياسهما والتحكم فيهما ضروريان لتصنيع متين. وهما خاصيتان فيزيائيتان منفصلتان يُخطأ في تشخيصهما كثيرًا أثناء تحليل أنماط الفشل. ويُعد ضعف الالتصاق وضعف مقاومة التآكل من الأسباب الرئيسية للأعطال الميدانية والهالك وإعادة التشغيل وانخفاض الأرباح وعدم رضا العملاء. وتوجد تقنيات لقياس هاتين الخاصيتين. وتتناول هذه المقالة عدة طرق اختبار وأجهزة مختلفة، منها جهاز تآكل خطي جديد من Taber Industries صُمم لتقييم أشكال المنتجات الفعلية ذات الأسطح المنحنية إضافة إلى العينات المسطحة (الجزء الثاني). وتساعد تقنيات القياس المتقدمة كتلك المذكورة في هذه الورقة الشركات المصنّعة على تحقيق أداء متفوق للمنتج وتميز في العمليات وفق ستة سيجما.

أهم النقاط

• الالتصاق والتآكل الاحتكاكي خاصيتان مختلفتان. فقد ينجح الطلاء في إحداهما ويفشل في الأخرى، وكثيرًا ما يُخلط بينهما في تحليل الفشل.
• المعيار ASTM D3359 نوعي. فهو يؤكد تحقيق حد أدنى، ولا يمكنه تحديد قوة الالتصاق كمّيًا.
• تفاوت الشريط اللاصق حقيقي — فقد سجلت مختبرات مستقلة فروقًا تصل إلى 50% بين الدفعات.
• كُتب كلا المعيارين للركائز الصلبة، كالمعدن والخرسانة، لا للطلاءات على البلاستيك المرن أو شبه الصلب.
• اتساق الإجراء أهم من الطريقة المختارة. فالفروق الطفيفة تنتج اختلافات ذات دلالة إحصائية.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين الالتصاق ومتانة مقاومة التآكل الاحتكاكي؟

هما خاصيتان فيزيائيتان منفصلتان كثيرًا ما تتعارضان. فقد يُظهر الطلاء المعالج التصاقًا جيدًا ومقاومة تآكل ضعيفة، أو العكس. ويحدد تشخيص الآلية التي فشلت فعلًا — الالتصاق أو التماسك أو التآكل الاحتكاكي أو مزيج منها — الحل الهندسي.

هل اختبار الشريط اللاصق ASTM D3359 موثوق؟

هو بسيط ورخيص وواسع الاستخدام، لكنه نوعي. فهو يثبت تحقيق حد أدنى من قيمة الالتصاق بدلًا من قياس قوة الرابطة الفعلية، وتعتمد دقته على المشغّل بحكم تصميمه لأنه لا يتطلب معدات معايرة. كما طُوّر للطلاءات المطيلة على المعدن، لا للبلاستيك.

لماذا تختلف نتائج اختبار الشريط اللاصق بين المختبرات؟

بسبب الشريط. فالدفعات تتفاوت في الالتصاق تفاوتًا متأصلًا، وقد لاحظت مختبرات مستقلة فروقًا تصل إلى 50%. وقد توقف إنتاج شريط 3M 710 الأصلي وغيّرت Permacel خصائص شريطها بمرور الوقت، مما فتح الاختبار فعليًا أمام أي شريط حساس للضغط.

متى أستخدم اختبار الشد ASTM D4541 بدلًا من ذلك؟

عندما تحتاجون إلى نتيجة شد كمّية. وانتبهوا إلى أنه يتطلب عادةً منتجات بحجم ثلاث بوصات أو أكبر لاستيعاب القوالب القياسية (Dollies)، ويحتاج إلى الاختبار في موضعين أو ثلاثة على الأقل، وأن أجهزة المحاذاة الثابتة والهيدروليكية والهوائية تعطي نتائج متفاوتة كثيرًا — مما يجعل المقارنة المباشرة بينها غير عملية.

كيف يجب تحضير القالب (Dolly) لاختبار الشد؟

تعطي أوجه القوالب المشغولة آليًا أو المفرزة الطرفية عادةً روابط أضعف. اخشّنوا السطح برفق باستخدام وسادة Scotch-Brite أو ورق صنفرة لتكوين بنية مجهرية، ثم نظفوه بالكحول وقطعة قماش جافة لإزالة الحُبيبات والزيوت والأكسدة. واستخدموا مادة لاصقة لا تتفاعل مع الطلاء.

الالتصاق مقابل التآكل الاحتكاكي

يجب تحقيق الالتصاق ومتانة مقاومة التآكل الاحتكاكي المثلى للطلاءات والأحبار المعالجة على الركائز البلاستيكية أثناء التصنيع لإنتاج منتجات عالية الجودة تصمد طوال عمرها الافتراضي. وقد تكون هاتان الخاصيتان مترابطتين، لكنهما كثيرًا ما تتعارضان. أي أن الطلاءات والأحبار المعالجة قد تُظهر التصاقًا جيدًا ومقاومة تآكل ضعيفة، أو التصاقًا ضعيفًا ومقاومة تآكل جيدة. ويضمن الاختبار السليم وفهم الالتصاق والتآكل الاحتكاكي المطابقة للمواصفات، وهو لا يُقدَّر بثمن في حل مشكلات الطلاء والطباعة. ويحدد تشخيص آلية الفشل — الالتصاق (التماسك) أو التآكل الاحتكاكي أو كليهما — الحل الهندسي للعملية. وتوجد طرق اختبار تاريخية وأجهزة جديدة لقياس هاتين الخاصيتين وتحليلهما.

طرق اختبار الالتصاق

يُعد ASTM D 3359 طريقة الاختبار القياسية لقياس الالتصاق باختبار الشريط اللاصق، تاريخيًا، ربما أشهر الطرق وأوسعها استخدامًا لاختبار التصاق الطلاءات والأحبار بفضل بساطتها وانخفاض تكلفتها. ويتضمن أبسط إجراء لاختبار الشريط ما يلي:

• الاتفاق على اختيار الشريط.
• اكتمال معالجة الطلاءات والأحبار قبل الاختبار.
• عمل قطوع على شكل «X» في الطبقة وفق الطريقة A، أو نمط شبكي بستة أو أحد عشر قطعًا في كل اتجاه وفق الطريقة B.
• إزالة لفتين من الشريط من حامل الرول وتجاهلهما.
• تسوية الشريط في مكانه بالإصبع ثم فركه بقوة بممحاة في نهاية قلم رصاص أو ما شابهه (ويُعد اللون تحت الشريط مؤشرًا جيدًا على التلامس الكامل).
• خلال 60-120 ثانية من التطبيق، نزع الشريط بسحب طرفه الحر بسرعة (دون رَجّ) عائدًا على نفسه بأقرب زاوية ممكنة من 180 درجة.
• فحص منطقة القطع للتحقق من انفصال الطلاء عن الركيزة وتقييم الالتصاق مقارنةً بتصنيفات الأوصاف والرسوم التوضيحية المحددة مسبقًا (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

أشارت الإصدارات الأولى من ASTM D 3359 إلى استخدام شريطي 3M 710 وPermacel. وقد أوقفت 3M إنتاج منتجها، وغيّرت Permacel خصائص شريطها على مر السنين. ونصحت اللجنة الفرعية في ASTM المستخدمين بالتحقق مما إذا كان شريط Permacel الحالي يعطي نتائج مماثلة للشريط الأصلي. وثبت أن ذلك غير عملي، مما فتح الباب على مصراعيه أمام الشركات لاستخدام أي نوع تقريبًا من الأشرطة الحساسة للضغط. وتستخدم شركات كثيرة اليوم نسخًا مختصرة من ASTM D 3359 تُختبر فيها مجالات منتجات متخصصة بأكبر قدر ممكن من التماثل، مثل الهواتف الخلوية ولوحات مفاتيح الحواسيب ومكونات السيارات وغيرها. ويُعرض عدد من التقنيات والأشرطة الحساسة للضغط شائعة الاستخدام.

هناك اعتبارات مهمة يجب مراعاتها عند إجراء اختبار الشريط للحصول على نتائج قابلة للتكرار وإعادة الإنتاج لتحديد الالتصاق المقبول أو غير المقبول دون تحيز. فدفعات (رولات) الشريط كما تُصنَّع تتفاوت في الالتصاق تفاوتًا متأصلًا، خاصة بمرور الوقت. فعلى سبيل المثال، لاحظت مختبرات مستقلة فروقًا تصل إلى 50 بالمئة. واختبار الشريط نوعي ولا يستطيع التقييم الكمّي الدقيق لقوة الرابطة اللاصقة الفعلية (إذ تحقق حد أدنى فقط)، لكنه يوفر أداء الالتصاق النسبي. وقد طُوّرت طريقة الاختبار في الأصل للطلاءات المطيلة المطبقة على ركائز معدنية، لا للطلاءات أو الأحبار المطبقة على المنتجات البلاستيكية.

اختبار القطع المتقاطع طريقة بسيطة يسهل التنبؤ بنتائجها لتقييم التصاق أنظمة الطلاء أحادية الطبقة أو متعددة الطبقات.

الإجراء

• عمل نمط شبكي في الطبقة بالأداة المناسبة، مع القطع حتى الركيزة
• التنظيف بالفرشاة في الاتجاه القطري 5 مرات لكل اتجاه باستخدام قلم فرشاة أو شريط لاصق فوق القطع، ثم النزع بشريط Permacel
• فحص منطقة الشبكة باستخدام عدسة مكبرة مضيئة

نتائج القطع المتقاطع

يُقيَّم الالتصاق وفق المقياس أدناه:

*سُحب المعيار DIN 53151 في أكتوبر 1994

وبالتالي، عند تطبيق شريط لاصق مرن على بلاستيك مرن أو شبه صلب بدلًا من معدن صلب، تختلف ظاهرة النزع وآليات الفشل

قد تؤدي الفروق في الأشرطة وصلابة الظهر ورينولوجيا المادة اللاصقة إلى نتائج مختلفة حتى على المنتج نفسه المُختبَر. فتركيبة الشريط الواحدة لا تلتصق بالتساوي مع جميع الطلاءات والبلاستيك بطبيعتها. ويُعد ملمس السطح أيضًا عاملًا مهمًا. وقد صُمم ASTM D 3359 عن قصد ليكون بسيطًا ولا يتطلب معدات معايرة. وبالتالي، تعتمد دقة الاختبار على المشغّل.

يُعد ASTM D 4541 طريقة الاختبار القياسية لقوة نزع الطلاءات باستخدام أجهزة اختبار الالتصاق المحمولة معيارًا معروفًا أيضًا. لكنه، خلافًا لـASTM D 3359، يتطلب استخدام جهاز يُعرف بأجهزة اختبار الالتصاق بالنزع. وتُذكر عدة طرازات مختلفة من الأجهزة (محاذاة ثابتة وهيدروليكية وهوائية) وقد تعطي نتائج مختلفة بحسب معاملات الجهاز وطريقة استخدامه. ويحدد اختبار الالتصاق بالشد إما أكبر قوة عمودية (شدًا) يمكن أن تتحملها مساحة سطح قبل انفصال أي مادة، أو ما إذا كان السطح يبقى سليمًا عند قوة محددة مسبقًا (نجاح/فشل). وتتفاوت النتائج تفاوتًا كبيرًا في الاختبارات الصناعية الواسعة بالطرازات الثلاثة على أسطح متطابقة، مما يجعل المقارنة المباشرة غير عملية.

وبصرف النظر عن جهاز اختبار الالتصاق بالنزع المستخدم، يبدأ الإجراء بتثبيت أداة تحميل (تُسمى «Dolly») بشكل عمودي على سطح الطلاء بمادة لاصقة. وبعد معالجة المادة اللاصقة، يُوصل جهاز الاختبار بأداة التحميل ويُحاذى لتطبيق الشد عموديًا على سطح الاختبار. وتُزاد القوة المطبقة على أداة التحميل تدريجيًا حتى يحدث انفصال المادة «نزع» أو تُبلغ القيمة المحددة.

عند تطبيق طلاءات متعددة، تُستنتج طبيعة آلية الفشل، أي فشل لاصق أو تماسكي. ويُعرض أدناه مثالان من الأجهزة الكثيرة المتوافرة تجاريًا. تعرض الشكلان A وB جهاز Elcometer 106 ذا المحاذاة الثابتة، وتعرض الشكلان C وD جهاز Defelsko الهيدروليكي ذاتي المحاذاة.

بالنسبة لأي من أجهزة اختبار الالتصاق بالنزع، فإن تحضير سطح القالب (Dolly) وتطبيق المادة اللاصقة مهمان للحصول على نتائج دقيقة وقابلة للتكرار. فكثير من القوالب كما تُشترى لها أسطح ملساء مشغولة آليًا و/أو مفرزة الأطراف، لكنها تعطي عادةً روابط أضعف. وقد يعدّل بعض مستخدمي أجهزة اختبار الالتصاق بالنزع سطح القالب باستخدام وسادة Scotch-Brite® أو ورق صنفرة للحصول على سطح مخشّن قليلًا، وتكوين بنى مجهرية لأقصى قوة ربط. وبعد «تجهيز» القالب، يجب تنظيفه (عادةً بالكحول وقطعة قماش جافة) لإزالة الحُبيبات الزائدة والزيوت والأكسدة. ومن المواد اللاصقة الشائعة Araldite 2011، وهي إيبوكسي ثنائي المكونات قد تحتاج إلى 24 ساعة للمعالجة قبل إجراء اختبار النزع. ويمكن اختيار مواد لاصقة أخرى، لكن من الجوهري ألا تؤثر المادة اللاصقة في الطلاء أو تتفاعل معه، وإلا فستكون نتائج الاختبار قليلة القيمة.

وبصرف النظر عن جهاز اختبار الالتصاق بالنزع المختار، فإن أهم جانب في إجراء هذا الاختبار هو اتساق طريقة إجرائه. فحتى التباينات الطفيفة في الإجراء تؤدي إلى نتائج ذات دلالة إحصائية. ويستخدم كثير من مستخدمي طريقة الاختبار هذه قوالب ألومنيوم يمكن التخلص منها. وتساعد الإجراءات الموثقة في تقليل التفاوت الناتج عن الإعداد غير المتسق.

وقد طُوّر ASTM D 4541 أيضًا لغرض محدد هو اختبار الطلاءات على الهياكل الصلبة كالمعدن أو الخرسانة أو الخشب. وخلافًا لـASTM D 3351 الذي يمكن إجراؤه على قطع صغيرة نسبيًا، يتطلب ASTM D 4541 عادةً منتجات بحجم ثلاث بوصات أو أكبر لاستيعاب أحجام القوالب القياسية (رغم إمكان شراء قوالب مخصصة). ويجب إجراء إجراء ASTM D 4541 في موضعين أو ثلاثة على الأقل من القطعة، مما قد يجعله غير عملي للمنتجات الصغيرة. ويعود قرار استخدام ASTM D 3351 أو ASTM D 4541 أو اختبارات التصاق أخرى إلى كل شركة، وقد يتأثر باختبارات تاريخية أُجريت في مجال سوقها المتخصص.

معايير الاختبار وتميز العمليات

تستخدم شركات كثيرة بعض طرق الاختبار التي نوقشت في هذه الورقة بدافع الضرورة، أي للفوز بأعمال بإثبات مطابقة عمليات التصنيع لديها لمعايير صناعية محددة. وللأسف، قد لا تدرك الشركات المصنّعة مشكلات الفشل الميداني إلا عندما يعيد عملاؤها منتجات غير مطابقة. وتُلقى اللائمة افتراضيًا على «ضعف الالتصاق». وبفهم سليم للأسباب الكثيرة المحتملة لحالات فشل الالتصاق مقابل التآكل الاحتكاكي، يستطيع المهندسون تحديد الأسباب الجذرية الحاسمة بمهارة وتنفيذ الإجراءات التصحيحية. ولا ينبغي أن يقتصر الاختبار على تطوير المنتج واستكشاف الأعطال. فالاختبار المستمر للمنتجات على خط الإنتاج باستخدام الطرق والتقنيات المعروضة وأساليب ستة سيجما يضمن تصنيعًا متينًا.

شكر وتقدير

• 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 هو مؤسس The Sabreen Group, Inc. (TSG) ورئيسها. وTSG شركة هندسية عالمية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوي للبلاستيك — المعالجات الأولية للسطح، والربط، والتزيين والتشطيب، والوسم بالليزر، وأمن المنتج. لمزيد من المعلومات، اتصلوا على الرقم المجاني (888) SABREEN أو زوروا: www.sabreen.com.

---