Técnicas para medir la adhesión y la durabilidad a la abrasión de recubrimientos y tintas: parte 2

Técnicas para medir la adhesión y la durabilidad a la abrasión de recubrimientos y tintas: parte 2

Esta es la segunda de una serie de dos partes sobre técnicas para medir la adhesión y la durabilidad a la abrasión de recubrimientos y tintas. Esta entrega examina la durabilidad a la abrasión, incluidos nuevos equipos y técnicas de medición.

Como se explicó en la parte 1 sobre adhesión (Plastics Decorating, «Technology Feature», enero/febrero de 2005), la adhesión y la durabilidad a la abrasión de recubrimientos y tintas curados son dos propiedades de desempeño críticas. Estas propiedades pueden ser interdependientes, pero a menudo son mutuamente excluyentes. Es decir, los recubrimientos y tintas curados pueden mostrar buena adhesión y mala abrasión, o mala adhesión y buena abrasión. Realizar las pruebas adecuadas y comprender la adhesión y la abrasión asegura el cumplimiento de las especificaciones y es invaluable para resolver problemas de recubrimiento e impresión. La identificación del mecanismo de falla (adhesión, cohesión, abrasión o ambos) determinará la solución de ingeniería del proceso. Este artículo aborda varios métodos de prueba e instrumentos diferentes. Entre ellos se encuentra un nuevo abrasímetro lineal de Taber Industries, diseñado para evaluar formas reales de producto con superficies contorneadas, así como especímenes planos. Técnicas de medición avanzadas como las citadas en este artículo están ayudando a los fabricantes a lograr un desempeño superior del producto y la excelencia de proceso Six Sigma.

Puntos clave

• El abrasímetro lineal prueba formas reales de producto (convexas, cóncavas o planas), mientras que el abrasímetro rotativo requiere especímenes planos.
• El papel abrasivo se degrada durante el almacenamiento. No compre más de seis meses de uso; el papel viejo absorbe humedad y abrasiona menos.
• ASTM D4060, D6037, F1478, SAE J365 y Ford BN108-02 hacen referencia al abrasímetro rotativo Taber.
• Los resultados se obtienen por pérdida de peso, número de ciclos o ruptura visual hasta una capa subyacente de contraste.
• La sujeción de la pieza queda a cargo del usuario. No existe un estándar universal para sujetar un producto; lo que importa es la rigidez durante la prueba.

Preguntas frecuentes

¿Se puede probar la abrasión en productos curvos o contorneados?

Sí, con un abrasímetro lineal. Accesorios intercambiables se montan en un eje ranurado de flotación libre que sube y baja para que el accesorio siga contornos convexos, cóncavos o planos. El abrasímetro rotativo tradicional no puede probar directamente geometrías contorneadas.

¿Cuánto tiempo se puede usar el papel abrasivo?

Los técnicos recomiendan no comprar más de seis meses de uso. El papel viejo es menos abrasivo porque absorbe humedad, por lo que debe almacenarse en un lugar fresco y seco. Como referencia, el papel de 11/16 de pulgada de ancho en un núcleo de 2 pulgadas produce aproximadamente 1,800 ciclos, y un carrete de cinta de poliéster de 1/4 de pulgada, aproximadamente 3,400 ciclos.

¿Qué normas ASTM se aplican a las pruebas de abrasión de recubrimientos?

El abrasímetro rotativo Taber se cita en ASTM D4060 para recubrimientos orgánicos, D6037 para la resistencia al rayado por abrasión en seco de recubrimientos de alto brillo y F1478 para imágenes de copiadoras e impresoras, además de SAE J365 y Ford BN108-02. El abrasímetro Norman Tool cumple con ASTM F2357 para interruptores de membrana.

¿Cómo se cuantifican los resultados de abrasión?

Por la pérdida de peso a un número especificado de ciclos, por el número de ciclos necesarios para eliminar una unidad de espesor de recubrimiento, o visualmente frente a estándares predeterminados cuando el recubrimiento se ha desgastado hasta el sustrato o hasta una capa de contraste. Los recubrimientos deben estar completamente curados antes de la prueba.

¿Cómo debe sujetarse un producto para la prueba de abrasión lineal?

No existe un estándar universal, dada la diversidad de productos que pueden probarse. El usuario final selecciona una abrazadera o dispositivo de sujeción adecuado: a veces un tornillo de banco estándar, a veces algo más elaborado. El requisito esencial es que el producto permanezca rígido durante toda la prueba.

Métodos de prueba de abrasión

Existen numerosos métodos de prueba de abrasión y, al igual que en las pruebas de adhesión, cada empresa debe decidir qué método(s) evalúa mejor su producto específico. Muchas industrias citan requisitos ASTM específicos según la aplicación del producto en el mercado. Norman Tool Abrader es el fabricante original del conocido probador de desgaste por abrasión «RCA». Desde 1964, Norman Tool, Inc. fabrica, distribuye y exporta probadores de desgaste por abrasión utilizados para evaluar la resistencia a la abrasión y al desgaste de acabados orgánicos pintados o chapados, láminas y letras de teclados impresas con tinta. Se utiliza comúnmente en las industrias automotriz, de electrodomésticos, de teléfonos celulares y de recubrimiento de plásticos. Con los años, el sistema se ha actualizado continuamente para mejorar su precisión y facilidad de uso.

Este instrumento es un probador de abrasión de contacto puntual y puede probar productos planos y cóncavos (reales). Las pesas son de 55 gramos, 175 gramos y 275 gramos. El principio de operación y el propósito de la prueba es desgastar un acabado aplicado sobre cualquier sustrato mediante peso (carga). El punto de desgaste será aquel en que aparezca una imperfección o se atraviese la capa superior, de modo que quede expuesta una segunda superficie o recubrimiento de color o tono contrastante. El método de operación consiste en colocar el espécimen con el recubrimiento que se va a desgastar sobre un dispositivo de sujeción unido a la placa base del probador, para que no se mueva durante la abrasión. Luego se pasa el material abrasivo, papel, por la máquina y se asegura al conjunto del eje de enrollado. Una vez completadas las instrucciones de configuración, el contador se pone en cero y se encienden los motores para iniciar el ciclo de prueba. Al llegar a un número de ciclos predeterminado, la máquina se detiene y se levanta el eje vertical para evaluar el área probada. La máquina también puede operar en ciclo continuo. Cada placa de espécimen enviada a clientes de todo el mundo se verifica previamente en cuanto a precisión y reproducibilidad con el «Master RCA Abrasion Wear Tester» de Norman Tool.

Algunos técnicos recomiendan enfáticamente no comprar papel para más de seis meses de uso. El papel viejo es menos abrasivo porque ha absorbido humedad. Almacene el papel en un ambiente fresco y seco. El papel de 11/16″ de ancho x 8″ de D.E. en núcleo de 2″, sin aceite, produce aproximadamente 1,800 ciclos. El carrete de cinta de poliéster de 1/4″ de ancho produce aproximadamente 3,400 ciclos. El papel solo puede adquirirse con Norman Tool. El abrasímetro Norman Tool cumple con ASTM F 2357, Métodos de prueba estándar para determinar la resistencia a la abrasión de tintas y recubrimientos en interruptores de membrana con el abrasímetro «RCA» de Norman Tool. Norman Tool cuenta con un nuevo aparato probador de dedo neumático.

Taber Industries fabrica instrumentos de abrasión y desgaste desde 1941. El abrasímetro rotativo Taber original (que se muestra abajo) está diseñado para probar especímenes planos a velocidad constante, incluidos los pintados, recubiertos o impresos. Los productos con geometrías contorneadas no pueden probarse directamente con este aparato.

Montados en una plataforma giratoria, los especímenes se someten a la acción de fricción y desgaste de ruedas abrasivas con carga. Impulsadas por la muestra de prueba, las ruedas producen marcas de abrasión que forman un patrón de arcos cruzados sobre un anillo circular.

La resistencia a la abrasión puede calcularse por la pérdida de peso a un número especificado de ciclos de abrasión, como el número de ciclos necesarios para eliminar una unidad de espesor de recubrimiento, o visualmente por la cantidad de recubrimiento eliminado en comparación con estándares predeterminados. Para obtener resultados precisos, los recubrimientos o tintas de los especímenes de prueba deben estar completamente curados. Además, se describen procedimientos para el rectificado adecuado de las ruedas antes de cada prueba.

El abrasímetro rotativo se cita en numerosas normas, entre ellas ASTM D 4060 Método de prueba estándar para la resistencia a la abrasión de recubrimientos orgánicos con el abrasímetro Taber, ASTM D 6037 Métodos de prueba estándar para la resistencia al rayado por abrasión en seco de recubrimientos de alto brillo, ASTM F 1478 Método de prueba estándar para determinar la resistencia a la abrasión de imágenes producidas por copiadoras e impresoras (método Taber), SAE J365 Método de prueba de resistencia al rozamiento de materiales de acabado, y el método de prueba BN108-02 de Ford Motor Company, Resistencia a la abrasión – abrasímetro Taber.

La generación más reciente de máquinas de prueba de abrasión es el abrasímetro lineal Taber Modelo 5700 (que se muestra a la izquierda). Este nuevo abrasímetro lineal se desarrolló para permitir probar productos reales.

Mediante un movimiento lineal alternativo, se montan accesorios intercambiables en el extremo de un eje ranurado de flotación libre. A medida que el brazo realiza su ciclo, el eje sube o baja de modo que el accesorio sigue los contornos de la forma del producto: convexa, cóncava o plana.

Taber Industries ha presentado recientemente una nueva versión de su abrasímetro lineal, el Modelo 5750. Se han agregado muchas funciones nuevas y avanzadas, entre ellas a) pantalla digital, b) alineación con guía láser, c) carga mínima de 60 gramos, d) velocidad de carrera variable de 2 a 75 con seis botones preestablecidos y e) nuevos accesorios para una mayor versatilidad de prueba.

Utilizando materiales de rueda Taber estándar de la industria, la resistencia al desgaste de materiales, incluidos los plásticos, se prueba con movimiento lineal. Al igual que con el abrasímetro rotativo Taber, el Wearaser™, el material debe rectificarse antes de usarse. Los modelos 5700/5750 cuentan con un modo de rectificado (Reface) automático programable.

La longitud de carrera, la velocidad y la carga pueden personalizarse para cualquier prueba. Los controles programables permiten probar hasta un número preestablecido de ciclos de carrera o de forma continua hasta que se elimine el recubrimiento o la impresión. El cabezal de accesorios universal permite al usuario seleccionar medios abrasivos certificados por ASTM, o bien emplear su propio material abrasivo, que puede ser exclusivo de una industria específica. Los abrasímetros lineales Modelos 5700/5750 también pueden configurarse para pruebas de rayado, frotamiento, moneda (Dime, Nickel, etc.) y crockmeter. Como en muchos probadores de abrasión, los resultados pueden determinarse por pérdida de peso o por estándares visuales cuando el recubrimiento superficial se ha desgastado hasta el material del sustrato o una parte de él (ruptura).

La prueba de «crock» (transferencia de color) consiste en evaluar el paño de frotamiento para determinar cuánto color se ha transferido a él, y está incorporada en ASTM D 6279, Método de prueba estándar para la resistencia a la abrasión por frotamiento de recubrimientos de alto brillo, y en ASTM F 1319, Método de prueba estándar para determinar la resistencia a la abrasión y al manchado de imágenes producidas por productos de copiado comercial. Taber está gestionando actualmente certificaciones ASTM adicionales para los abrasímetros lineales Modelos 5700/5750.

Dada la diversidad de productos que pueden probarse en el abrasímetro lineal, no existe un estándar universal para fijar un producto en posición de prueba. El usuario final determina una abrazadera o dispositivo de sujeción adecuado para el producto. En algunos casos se utiliza un tornillo de banco estándar. Para otros productos pueden requerirse dispositivos de sujeción más elaborados. Lo importante es que el producto permanezca en una posición rígida durante la prueba.

Además del probador de desgaste por abrasión Norman RCA y de los abrasímetros rotativo y lineal Taber analizados en este artículo, existen incontables aparatos de prueba de adhesión y abrasión en catálogos y literatura de la industria. Estos métodos, aceptados internacionalmente, incluyen ASTM D 3363, Prueba estándar de dureza de película por lápiz; el probador de rayado y marcado de adhesión de viga balanceada para ASTM D 2197, Método de prueba estándar para la adhesión de recubrimientos orgánicos por rayado, y D5178-98(2002), Método de prueba estándar para la resistencia al marcado de recubrimientos orgánicos; y la prueba de abrasión ABREX® sobre superficies impresas/recubiertas bajo la influencia de distintos fluidos (sudor, loción, aceites) mediante movimiento simulado de contacto de dedo/mano según DIN EN 60068-2-70. ABREX® es un instrumento nuevo del cual había información limitada al momento de redactar este documento.

Además de estas pruebas, muchas empresas desarrollan procedimientos internos con sofisticados sistemas de prueba digitales, como equipos Com-Ten e Instron, que incorporan muchos métodos de procedimiento ASTM. Según el uso previsto de un producto, las pruebas de desempeño también pueden incluir pruebas de resistencia química y a solventes, inmersión en agua seguida de prueba de cinta, pruebas en lavavajillas y lavadora, etc. Las empresas suelen utilizar múltiples métodos de prueba durante el desarrollo y la fabricación del producto.

Normas de prueba y excelencia de proceso

Muchas empresas utilizan algunos de los métodos de prueba analizados en este artículo por necesidad, es decir, para obtener negocios demostrando que sus procesos de manufactura cumplen con normas específicas de la industria. Lamentablemente, los fabricantes a menudo pueden desconocer los problemas de falla en campo hasta que sus clientes devuelven productos no conformes. Por defecto, se culpa a la «mala adhesión». Mediante una comprensión adecuada de las múltiples causas posibles de fallas de adhesión frente a fallas por abrasión, los ingenieros pueden identificar con destreza las causas raíz críticas e implementar acciones correctivas.

Las pruebas no deben reservarse únicamente para el desarrollo de productos y la resolución de problemas. La prueba continua en línea de los productos, con los métodos y técnicas presentados y técnicas Six Sigma, asegurará una manufactura robusta.

Agradecimientos

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

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG es una empresa global de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, marcado láser y seguridad del producto. Para más información llame sin costo al (888)-SABREEN o visite www.sabreen.com y www.plasticslasermarking.com.

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