Kỹ thuật đo độ bám dính và độ bền mài mòn của lớp phủ và mực in – Phần 2

Kỹ thuật đo độ bám dính và độ bền mài mòn của lớp phủ và mực in – Phần 2

Đây là phần thứ hai trong loạt bài 2 phần về Kỹ thuật đo độ bám dính và độ bền mài mòn của lớp phủ và mực in. Số này xem xét độ bền mài mòn, bao gồm thiết bị mới và các kỹ thuật đo.

Như đã trình bày trong Phần 1 Độ bám dính — Plastics Decorating ‘Technology Feature’ tháng 1/tháng 2 năm 2005, độ bám dính và độ bền mài mòn của lớp phủ và mực in đã đóng rắn là hai đặc tính hiệu năng then chốt. Hai đặc tính này có thể phụ thuộc lẫn nhau nhưng thường loại trừ nhau. Nghĩa là lớp phủ và mực in đã đóng rắn có thể có độ bám dính tốt nhưng chịu mài mòn kém, hoặc bám dính kém nhưng chịu mài mòn tốt. Việc thử nghiệm và hiểu đúng về độ bám dính và mài mòn giúp đảm bảo phù hợp với thông số kỹ thuật và có giá trị lớn trong việc giải quyết các vấn đề về lớp phủ và in ấn. Việc xác định cơ chế hư hỏng — bám dính (nội kết), mài mòn, hay cả hai — sẽ quyết định giải pháp quy trình kỹ thuật. Bài viết này đề cập nhiều phương pháp thử và thiết bị khác nhau. Trong đó có máy mài mòn tuyến tính mới do Taber Industries sản xuất, được thiết kế để đánh giá hình dạng sản phẩm thực tế với bề mặt có đường cong cũng như mẫu phẳng. Các kỹ thuật đo tiên tiến như những kỹ thuật nêu trong bài đang giúp nhà sản xuất đạt hiệu năng sản phẩm vượt trội và quy trình xuất sắc theo tiêu chuẩn Six Sigma.

Điểm chính

• Máy mài mòn tuyến tính thử được hình dạng sản phẩm thực tế — lồi, lõm hoặc phẳng — trong khi máy mài mòn quay yêu cầu mẫu phẳng.
• Giấy nhám xuống cấp khi lưu kho. Không mua quá lượng dùng trong sáu tháng; giấy cũ hút ẩm và mài mòn kém hơn.
• ASTM D4060, D6037, F1478, SAE J365 và Ford BN108-02 đều tham chiếu Taber Rotary Abraser.
• Kết quả được xác định qua độ hao hụt khối lượng, số chu kỳ, hoặc quan sát thấy lớp phủ mòn lộ ra lớp bên dưới có màu tương phản.
• Cố định mẫu là việc của người dùng. Không có tiêu chuẩn chung để giữ sản phẩm; điều quan trọng là mẫu phải cứng vững trong suốt quá trình thử.

Câu hỏi thường gặp

Có thể thử mài mòn trên sản phẩm cong hoặc có đường viền không?

Có, bằng máy mài mòn tuyến tính. Các đầu gá thay đổi được lắp trên trục then hoa nổi tự do, trục này nâng lên hạ xuống để đầu gá bám theo bề mặt lồi, lõm hoặc phẳng. Máy mài mòn quay truyền thống không thể thử trực tiếp các hình dạng có đường cong.

Giấy nhám dùng được bao lâu?

Các kỹ thuật viên khuyến nghị không mua quá lượng dùng trong sáu tháng. Giấy cũ kém mài mòn vì hút ẩm, do đó cần bảo quản nơi mát và khô. Để tham khảo, giấy rộng 11/16 inch trên lõi 2 inch cho khoảng 1.800 chu kỳ, còn cuộn băng polyester 1/4 inch cho khoảng 3.400 chu kỳ.

Tiêu chuẩn ASTM nào áp dụng cho thử mài mòn lớp phủ?

Taber Rotary Abraser được tham chiếu trong ASTM D4060 cho lớp phủ hữu cơ, D6037 cho khả năng chống trầy xước do mài mòn khô của lớp phủ bóng cao, và F1478 cho hình ảnh từ máy photocopy và máy in, cùng với SAE J365 và Ford BN108-02. Máy mài mòn Norman Tool phù hợp ASTM F2357 cho công tắc màng.

Kết quả mài mòn được định lượng như thế nào?

Bằng độ hao hụt khối lượng sau một số chu kỳ xác định, bằng số chu kỳ cần thiết để mài đi một đơn vị chiều dày lớp phủ, hoặc bằng quan sát so với các chuẩn định trước khi lớp phủ đã mòn đến vật liệu nền hoặc lớp tương phản. Lớp phủ phải đóng rắn hoàn toàn trước khi thử.

Nên cố định sản phẩm như thế nào khi thử mài mòn tuyến tính?

Không có tiêu chuẩn chung do sản phẩm thử nghiệm rất đa dạng. Người dùng cuối tự chọn kẹp hoặc đồ gá phù hợp — đôi khi là êtô thông thường, đôi khi là loại phức tạp hơn. Yêu cầu thiết yếu là sản phẩm luôn cứng vững trong suốt quá trình thử.

Các phương pháp thử mài mòn

Có rất nhiều phương pháp thử mài mòn và, tương tự thử độ bám dính, mỗi công ty phải quyết định phương pháp nào đánh giá tốt nhất sản phẩm của mình. Nhiều ngành viện dẫn các yêu cầu ASTM cụ thể tùy theo ứng dụng thị trường của sản phẩm. Norman Tool Abrader là nhà sản xuất gốc của máy thử mài mòn “RCA” nổi tiếng. Từ năm 1964, Norman Tool, Inc. đã sản xuất, phân phối và xuất khẩu các máy thử mài mòn dùng để thử khả năng chống mài mòn và hao mòn của lớp hoàn thiện hữu cơ sơn hoặc mạ, lá kim loại và chữ trên bàn phím in mực. Máy thường được dùng trong các ngành ô tô, thiết bị gia dụng, điện thoại di động và lớp phủ nhựa. Qua nhiều năm, hệ thống liên tục được nâng cấp để tăng độ chính xác và dễ sử dụng.

Thiết bị này là máy thử mài mòn tiếp xúc điểm, có khả năng thử sản phẩm (thực tế) phẳng và lõm. Các quả cân nặng 55 gam, 175 gam và 275 gam. Nguyên lý vận hành và mục đích của phép thử là mài mòn xuyên qua lớp hoàn thiện đã phủ trên bất kỳ vật liệu nền nào bằng tải trọng (khối lượng). Điểm mòn xuyên là lúc xuất hiện vết hỏng hoặc lớp phủ ngoài bị mòn hết, làm lộ ra bề mặt hoặc lớp phủ thứ hai có màu hoặc sắc độ tương phản. Cách vận hành: mẫu có lớp phủ cần mài được đặt lên thiết bị giữ gắn với tấm đế của máy để không dịch chuyển khi mài. Sau đó luồn vật liệu mài, tức giấy, qua máy và cố định vào cụm trục cuộn. Sau khi hoàn tất các bước cài đặt, đưa bộ đếm về không và bật động cơ để bắt đầu chu kỳ thử. Ở số chu kỳ định trước, máy dừng và trục đứng được nâng lên để đánh giá vùng đã thử. Máy cũng có thể chạy chu kỳ liên tục. Mỗi tấm mẫu gửi đến khách hàng trên toàn thế giới đều được kiểm tra trước về độ chính xác và khả năng tái lập dựa trên “Master RCA Abrasion Wear Tester” của Norman Tool.

Một số kỹ thuật viên đặc biệt khuyến nghị không mua giấy quá lượng dùng trong sáu tháng. Giấy cũ mài mòn kém do đã hút ẩm. Hãy bảo quản giấy ở nơi mát, khô. Giấy không tẩm dầu khổ rộng 11/16” x đường kính ngoài 8” trên lõi 2” cho khoảng 1.800 chu kỳ. Băng giấy: cuộn băng polyester rộng 1/4” cho khoảng 3.400 chu kỳ. Giấy chỉ có thể mua từ Norman Tool. Norman Tool Abrader phù hợp ASTM F 2357 Standard Test Methods for Determining the Abrasion Resistance of Inks and Coatings on Membrane Switches Using the Norman Tool “RCA” Abrader. Norman Tool có thiết bị thử ngón tay khí nén mới.

Taber Industries sản xuất các thiết bị đo mài mòn và hao mòn từ năm 1941. Taber Rotary Abraser nguyên bản (hình bên dưới) được thiết kế để thử mẫu phẳng ở tốc độ không đổi, kể cả mẫu đã sơn, phủ hoặc in. Các sản phẩm có hình học đường cong không thể thử trực tiếp bằng thiết bị này.

Mẫu được gắn trên bàn xoay và chịu tác động cọ mòn của các bánh mài có tải. Được dẫn động bởi mẫu thử, các bánh mài tạo ra vết mòn thành hình các cung giao nhau trên một vòng tròn.

Khả năng chống mài mòn có thể được tính bằng độ hao hụt khối lượng sau một số chu kỳ mài mòn xác định, bằng số chu kỳ cần thiết để mài đi một đơn vị chiều dày lớp phủ, hoặc bằng quan sát lượng lớp phủ bị mài đi so với các chuẩn định trước. Để có kết quả chính xác, lớp phủ hoặc mực in trên mẫu thử phải đóng rắn hoàn toàn. Ngoài ra, tài liệu còn mô tả quy trình mài lại bề mặt bánh mài đúng cách trước mỗi lần thử.

Rotary Abraser được tham chiếu trong nhiều tiêu chuẩn, gồm ASTM D 4060 Standard Test Method for Abrasion Resistance of Organic Coatings by the Taber Abraser, ASTM D 6037 Standard Test Methods for Dry Abrasion Mar Resistance of High Gloss Coatings, ASTM F 1478 Standard Test Method for Determination of Abrasion Resistance of Images Produced from Copiers and Printers (Taber Method), SAE J365 Method of Testing Resistance To Scuffing of Trim Materials, và Ford Motor Company Test Method BN108-02 Resistance to Abrasion – Taber Abraser.

Thế hệ máy thử mài mòn mới nhất là Taber Linear Abraser Model 5700 (hình bên trái). Máy mài mòn tuyến tính mới này được phát triển để cho phép thử các sản phẩm thực tế.

Sử dụng chuyển động tịnh tiến tuyến tính, các đầu gá thay đổi được lắp ở đầu một trục then hoa nổi tự do. Khi cánh tay chuyển động theo chu kỳ, trục nâng lên hoặc hạ xuống để đầu gá bám theo đường viền của hình dạng sản phẩm – lồi, lõm hoặc phẳng.

Taber Industries gần đây đã giới thiệu phiên bản mới của máy mài mòn tuyến tính, Model 5750. Nhiều tính năng mới và tiên tiến đã được bổ sung, gồm a) màn hình số, b) căn chỉnh bằng tia laser dẫn hướng, c) tải tối thiểu 60 gam, d) tốc độ hành trình thay đổi từ 2-75 với sáu nút cài đặt sẵn, và e) các đầu gá mới giúp đa dạng hóa phép thử.

Sử dụng vật liệu bánh mài Taber tiêu chuẩn ngành, khả năng chống mài mòn của vật liệu, kể cả nhựa, được thử bằng chuyển động tuyến tính. Cũng như Taber Rotary Abraser, Wearaser™, vật liệu phải được mài lại bề mặt trước khi sử dụng. Các model máy 5700/5750 có chế độ mài lại (Reface) tự động có thể lập trình.

Chiều dài hành trình, tốc độ và tải trọng có thể tùy chỉnh cho mọi phép thử. Bộ điều khiển lập trình được cho phép thử đến một số chu kỳ hành trình định trước hoặc chạy liên tục cho đến khi lớp phủ/lớp in bị mài hết. Đầu gá vạn năng cho phép người dùng chọn vật liệu mài đạt chứng nhận ASTM, hoặc dùng vật liệu mài riêng có thể đặc thù cho từng ngành. Linear Abraser Model 5700/5750 cũng có thể được cấu hình để thử trầy xước, cọ xát, đồng xu (Dime, Nickel, v.v.) và crockmeter. Như nhiều máy thử mài mòn khác, kết quả có thể xác định bằng độ hao hụt khối lượng hoặc theo chuẩn quan sát khi lớp phủ bề mặt đã mòn đến vật liệu nền hoặc một phần của nó (mòn xuyên).

Thử Crock (truyền màu) là đánh giá vải crock để xác định lượng màu đã truyền sang vải, và được đưa vào ASTM D 6279 Standard Test Method for Rub Abrasion Resistance of High Gloss Coatings và ASTM F 1319 Standard Test Method for Determination of Abrasion and Smudge Resistance of Images Produced from Business Copy Products. Taber hiện đang theo đuổi thêm các chứng nhận ASTM cho Linear Abraser Model 5700/5750.

Do sản phẩm có thể thử trên máy mài mòn tuyến tính rất đa dạng, không có tiêu chuẩn chung để cố định sản phẩm vào vị trí thử. Người dùng cuối tự xác định kẹp hoặc đồ gá phù hợp với sản phẩm. Trong một số trường hợp dùng êtô thông thường. Với các sản phẩm khác, có thể cần đồ gá phức tạp hơn. Điều quan trọng là sản phẩm phải giữ vị trí cứng vững trong suốt quá trình thử.

Ngoài Norman RCA Abrasion Wear Tester và Taber Rotary và Linear Abraser được thảo luận trong bài, còn vô số thiết bị thử độ bám dính và mài mòn khác trong catalog và tài liệu ngành. Các phương pháp được quốc tế chấp nhận này gồm ASTM D 3363 Standard Test for Film Hardness by Pencil Test; Balanced Beam Scrape Adhesion and Mar Tester cho ASTM D 2197 Standard Test Method for Adhesion of Organic Coatings by Scrape Adhesion và D5178-98(2002) Standard Test Method for Mar Resistance of Organic Coatings; và thử mài mòn ABREX® trên bề mặt in/phủ dưới tác động của các chất lỏng khác nhau (mồ hôi, kem dưỡng, dầu) thông qua chuyển động mô phỏng tiếp xúc ngón tay/bàn tay theo DIN EN 60068-2-70. ABREX® là thiết bị mới mà tại thời điểm viết bài chỉ có thông tin hạn chế.

Ngoài các phép thử này, nhiều công ty xây dựng quy trình nội bộ sử dụng hệ thống thử kỹ thuật số hiện đại như thiết bị Com-Ten và Instron, kết hợp nhiều phương pháp theo ASTM. Tùy theo mục đích sử dụng của sản phẩm, thử nghiệm hiệu năng còn có thể gồm thử kháng hóa chất và dung môi, ngâm nước rồi thử bằng băng dính, thử máy rửa chén và máy giặt, v.v. Các công ty thường dùng nhiều phương pháp thử trong quá trình phát triển và sản xuất sản phẩm.

Tiêu chuẩn thử nghiệm và quy trình xuất sắc

Nhiều công ty áp dụng một số phương pháp thử nêu trong bài vì bắt buộc, tức là để giành đơn hàng bằng cách chứng minh quy trình sản xuất của mình phù hợp với các tiêu chuẩn ngành cụ thể. Đáng tiếc, nhà sản xuất thường không biết đến sự cố tại hiện trường cho đến khi khách hàng trả lại sản phẩm không đạt. Theo mặc định, “độ bám dính kém” bị quy là nguyên nhân. Nhờ hiểu đúng nhiều nguyên nhân có thể gây hư hỏng do bám dính so với mài mòn, kỹ sư có thể khéo léo xác định nguyên nhân gốc rễ then chốt và thực hiện hành động khắc phục.

Thử nghiệm không nên chỉ dành cho giai đoạn phát triển sản phẩm và khắc phục sự cố. Thử nghiệm liên tục trên dây chuyền bằng các phương pháp, kỹ thuật được trình bày cùng kỹ thuật Six Sigma sẽ đảm bảo sản xuất ổn định, bền vững.

Lời cảm ơn

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

Scott R. Sabreen là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG là công ty kỹ thuật toàn cầu chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp – tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí & hoàn thiện bề mặt, khắc laser và bảo mật sản phẩm. Để biết thêm thông tin, gọi số miễn phí (888)-SABREEN hoặc truy cập www.sabreen.com và www.plasticslasermarking.com.

---