Técnicas para medir la adhesión y la durabilidad a la abrasión de recubrimientos y tintas: parte 1

Técnicas para medir la adhesión y la durabilidad a la abrasión de recubrimientos y tintas: parte 1

Esta es la primera de una serie de dos partes sobre técnicas para medir la adhesión y la durabilidad a la abrasión de recubrimientos y tintas. Esta primera entrega examinará la adhesión. La parte dos abordará la durabilidad a la abrasión, incluidos nuevos equipos y técnicas de medición.

La adhesión y la durabilidad a la abrasión de recubrimientos y tintas curados son dos propiedades de desempeño críticas, y su medición y control son esenciales para una manufactura robusta. La adhesión y la durabilidad a la abrasión son propiedades físicas distintas y con frecuencia se diagnostican mal durante el análisis de modos de falla. La mala adhesión y la escasa durabilidad a la abrasión son causas principales de fallas en campo, desperdicio y retrabajo, menores utilidades y clientes insatisfechos. Existen técnicas para medir estas propiedades. 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 (parte dos). Técnicas de medición avanzadas como las citadas en este documento están ayudando a los fabricantes a lograr un desempeño superior del producto y la excelencia de proceso Six Sigma.

Puntos clave

• La adhesión y la abrasión son propiedades distintas. Un recubrimiento puede aprobar una y fallar la otra, y en el análisis de fallas se confunden de forma rutinaria.
• ASTM D3359 es cualitativa. Confirma que se cumplió un mínimo; no puede cuantificar la resistencia de la unión.
• La variabilidad de la cinta es real: laboratorios independientes han registrado diferencias de hasta 50% entre lotes.
• Ambas normas se redactaron para sustratos rígidos, como metal y concreto, no para recubrimientos sobre plásticos flexibles o semirrígidos.
• La consistencia del procedimiento importa más que el método elegido. Pequeñas variaciones producen diferencias estadísticamente significativas.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre adhesión y durabilidad a la abrasión?

Son propiedades físicas distintas que con frecuencia son mutuamente excluyentes. Un recubrimiento curado puede mostrar buena adhesión y mala resistencia a la abrasión, o al revés. Identificar qué mecanismo falló realmente (adhesión, cohesión, abrasión o una combinación) determina la solución de ingeniería.

¿Es confiable la prueba de cinta ASTM D3359?

Es sencilla, económica y muy utilizada, pero cualitativa. Establece que se cumplió un valor mínimo de adhesión en lugar de medir la resistencia real de la unión, y su exactitud depende del operador por diseño, ya que no requiere equipo calibrado. Además, se desarrolló para recubrimientos dúctiles sobre metal, no para plásticos.

¿Por qué varían los resultados de la prueba de cinta entre laboratorios?

Por la cinta. Los lotes tienen una variabilidad de adhesión inherente, y laboratorios independientes han observado diferencias de hasta 50%. La cinta 3M 710 original se descontinuó y Permacel cambió las propiedades de su cinta con el tiempo, lo que en la práctica abrió la prueba a cualquier cinta sensible a la presión.

¿Cuándo debo usar la prueba de arrancamiento ASTM D4541?

Cuando necesita un resultado de tensión cuantitativo. Tenga en cuenta que normalmente requiere productos de tres pulgadas o más para acomodar los dollies estándar, exige probar al menos en dos o tres ubicaciones, y que los instrumentos de alineación fija, hidráulicos y neumáticos dan resultados que varían considerablemente, por lo que compararlos directamente no es práctico.

¿Cómo debe prepararse el dolly para una prueba de arrancamiento?

Las caras de dolly maquinadas o fresadas suelen producir uniones más débiles. Lije ligeramente la superficie con una almohadilla Scotch-Brite o papel de lija para crear microestructura y luego limpie con alcohol y un paño seco para eliminar partículas, aceites y oxidación. Utilice un adhesivo que no interactúe con el recubrimiento.

Adhesión frente a abrasión

Durante la manufactura debe lograrse una adhesión y una durabilidad a la abrasión (resistencia) óptimas de los recubrimientos y tintas curados sobre sustratos plásticos, para producir productos de alta calidad que perduren durante toda su vida útil. 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. Existen métodos de prueba históricos e instrumentación nueva para medir y analizar estas propiedades.

Métodos de prueba de adhesión

ASTM D 3359, Método de prueba estándar para medir la adhesión mediante prueba de cinta, es históricamente quizá el método más conocido y utilizado para probar la adhesión de recubrimientos y tintas por su sencillez y bajo costo. El procedimiento más básico para realizar la prueba de cinta incluye lo siguiente:

• Acuerdo sobre la selección de la cinta.
• Curado completo de los recubrimientos y tintas antes de la prueba.
• Realizar cortes en «X» en la película según el Método A, o un patrón de retícula con seis u once cortes en cada dirección según el Método B.
• Retirar y desechar dos vueltas de cinta del dispensador.
• Alisar la cinta en su lugar con el dedo y luego frotar con firmeza con una goma de borrar en el extremo de un lápiz, o similar (el color bajo la cinta es un buen indicador de contacto completo).
• Dentro de los 60-120 segundos posteriores a la aplicación, retirar la cinta jalando rápidamente (sin tirones) el extremo libre hacia atrás sobre sí mismo, lo más cerca posible de un ángulo de 180 grados.
• Inspeccionar el área cortada para detectar desprendimiento del recubrimiento del sustrato y calificar la adhesión conforme a descripciones e ilustraciones de clasificación predeterminadas (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

Las primeras versiones de ASTM D 3359 hacían referencia al uso de cinta 3M 710 y Permacel. 3M descontinuó su producto y, con los años, Permacel cambió las propiedades de su cinta. El subcomité de ASTM aconsejó a los usuarios verificar si la Permacel actual daba resultados comparables a los de la cinta original. Esto resultó poco práctico y abrió las puertas para que las empresas utilicen prácticamente cualquier tipo de cinta sensible a la presión. Hoy muchas empresas usan versiones abreviadas de ASTM D 3359, en las que se prueban nichos de producto específicos de la manera más parecida posible, por ejemplo teléfonos celulares, teclados de computadora, componentes automotrices, etc. Se muestran varias técnicas y cintas sensibles a la presión de uso común.

Hay consideraciones importantes que deben tenerse presentes al realizar la prueba de cinta para obtener resultados repetibles y reproducibles que permitan determinar sin sesgo si la adhesión es aceptable o inaceptable. Los lotes (rollos) de cinta, tal como se fabrican, tienen una variabilidad de adhesión inherente, especialmente con el tiempo. Por ejemplo, laboratorios independientes han observado diferencias de hasta 50 por ciento. La prueba de cinta es cualitativa y no puede evaluar con precisión de forma cuantitativa la resistencia real de la unión adhesiva (solo se cumplió un valor mínimo). Sin embargo, sí proporciona un desempeño de adhesión relativo. El método de prueba se desarrolló originalmente para recubrimientos dúctiles aplicados sobre sustratos metálicos y no para recubrimientos o tintas aplicados sobre productos plásticos.

La prueba de corte cruzado es un método sencillo y fácilmente predecible para evaluar la adhesión de sistemas de una o varias capas.

Procedimiento

• Hacer un patrón de retícula en la película con la herramienta adecuada, cortando hasta el sustrato
• Cepillar en dirección diagonal 5 veces cada una, usando un pincel o cinta sobre el corte, y retirar con cinta Permacel
• Examinar el área de la retícula con una lupa iluminada

Resultados del corte cruzado

La adhesión se califica de acuerdo con la escala siguiente:

*DIN 53151 fue retirada en octubre de 1994

Por lo tanto, cuando se aplica una cinta adhesiva flexible sobre un plástico flexible o semirrígido, en lugar de un metal rígido, el fenómeno de desprendimiento y los mecanismos de falla son distintos

Las diferencias en cintas, rigidez del respaldo y reología del adhesivo pueden dar resultados distintos incluso en el mismo producto probado. Una formulación de cinta determinada no se adhiere por igual, por naturaleza, a todos los recubrimientos y plásticos. La textura superficial también es un factor importante. ASTM D 3359 se concibió, por diseño, para ser sencilla y no requerir equipo calibrado. Por lo tanto, la exactitud de la prueba depende del operador.

ASTM D 4541, Método de prueba estándar para la resistencia al arrancamiento de recubrimientos mediante probadores de adhesión portátiles, también es una norma muy conocida. A diferencia de ASTM D 3359, sin embargo, requiere el uso de aparatos instrumentales denominados probadores de adhesión por arrancamiento. Se citan varios modelos de aparato (de alineación fija, hidráulicos, neumáticos) que pueden dar resultados distintos según los parámetros y el uso del instrumento. La prueba de adhesión por tensión determina la mayor fuerza perpendicular (en tensión) que un área superficial puede soportar antes de que se desprenda cualquier material, o bien si la superficie permanece intacta a una fuerza predeterminada (aprobado/reprobado). Los resultados de pruebas industriales extensas con los tres modelos sobre superficies idénticas varían considerablemente, por lo que la comparación directa no es práctica.

Sin importar qué probador de adhesión por arrancamiento se utilice, el procedimiento comienza fijando con un adhesivo un dispositivo de carga (llamado «dolly») perpendicular a la superficie del recubrimiento. Una vez curado el adhesivo, se conecta un aparato de prueba al dispositivo de carga y se alinea para aplicar tensión normal a la superficie de prueba. La fuerza aplicada al dispositivo de carga se incrementa gradualmente hasta que ocurre el desprendimiento del material («arrancamiento») o se alcanza el valor especificado.

Cuando se aplican múltiples recubrimientos, se determinará la naturaleza del mecanismo de falla, adhesiva o cohesiva. A continuación se muestran dos ejemplos de los muchos dispositivos disponibles comercialmente. Las figuras A y B muestran el aparato de alineación fija Elcometer 106 y las figuras C y D muestran el aparato hidráulico autoalineable Defelsko.

Con cualquiera de los probadores de adhesión por arrancamiento, la preparación de la superficie del dolly y la aplicación del adhesivo son importantes para obtener resultados precisos y reproducibles. Muchos dollies, tal como se compran, tienen superficies lisas maquinadas y/o fresadas; sin embargo, normalmente producen uniones más débiles. Algunos usuarios de probadores de adhesión por arrancamiento modifican la superficie del dolly con una almohadilla Scotch-Brite® o papel de lija para obtener una superficie ligeramente rugosa que cree microestructuras y maximice la resistencia de la unión. Después de «acondicionar» el dolly, debe limpiarse (normalmente con alcohol y un paño seco) para eliminar el exceso de partículas, aceites y oxidación. Un adhesivo común es Araldite 2011, un epóxico de dos componentes que puede requerir hasta 24 horas de curado antes de poder realizar la prueba de arrancamiento. Pueden seleccionarse otros adhesivos, pero es fundamental que el adhesivo no afecte ni interactúe con el recubrimiento, o los resultados de la prueba tendrán un valor mínimo.

Sin importar el probador de adhesión por arrancamiento que se seleccione, el aspecto más crítico de esta prueba es la consistencia con que se realiza. Incluso pequeñas variaciones en el procedimiento producirán resultados estadísticamente significativos. Muchos usuarios de este método de prueba emplean dollies de aluminio desechables. Los procedimientos documentados ayudarán a minimizar la variación causada por una preparación inconsistente.

ASTM D 4541 también se desarrolló con el propósito específico de probar recubrimientos sobre estructuras rígidas como metal, concreto o madera. A diferencia de ASTM D 3351, que puede realizarse en piezas relativamente pequeñas, ASTM D 4541 normalmente requiere productos de tres pulgadas o más para acomodar los tamaños estándar de dolly (aunque pueden comprarse dollies a la medida). El procedimiento ASTM D 4541 debe realizarse en al menos 2-3 ubicaciones de una pieza, lo que puede hacerlo poco práctico para productos pequeños. La decisión de usar ASTM D 3351, ASTM D 4541 u otras pruebas de adhesión corresponde a cada empresa y puede estar influida por las pruebas históricas realizadas en su nicho de mercado.

Normas de prueba y excelencia de proceso

Muchas empresas utilizan algunos de los métodos de prueba analizados en este documento 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

• 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 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.

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