Kỹ thuật đo độ bám dính và độ bền mài mòn của lớp phủ và mực in – Phần 1

Kỹ thuật đo độ bám dính và độ bền mài mòn của lớp phủ và mực in – Phần 1

Đây là phần đầu trong loạt bài hai phần về kỹ thuật đo độ bám dính và độ bền mài mòn của lớp phủ và mực in. Số đầu tiên này xem xét độ bám dính. Phần hai sẽ đề cập độ bền mài mòn, bao gồm thiết bị mới và các kỹ thuật đo.

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, và việc đo lường, kiểm soát chúng là thiết yếu để sản xuất ổn định. Độ bám dính và độ bền mài mòn là những đặc tính vật lý riêng biệt và thường bị chẩn đoán sai khi phân tích dạng hư hỏng. Độ bám dính và độ bền mài mòn kém là nguyên nhân hàng đầu gây lỗi tại hiện trường, phế phẩm và làm lại, lợi nhuận giảm và khách hàng không hài lòng. Đã có các kỹ thuật để đo những đặc tính này. 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 (phần hai). 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

• Độ bám dính và mài mòn là hai đặc tính khác nhau. Một lớp phủ có thể đạt phép thử này nhưng không đạt phép thử kia, và chúng thường bị nhầm lẫn trong phân tích hư hỏng.
• ASTM D3359 mang tính định tính. Phương pháp chỉ xác nhận đã đạt mức tối thiểu; không thể định lượng độ bền liên kết.
• Sự biến thiên của băng dính là có thật — các phòng thí nghiệm độc lập đã ghi nhận chênh lệch tới 50% giữa các lô.
• Cả hai tiêu chuẩn đều được viết cho vật liệu nền cứng như kim loại và bê tông, không phải cho lớp phủ trên nhựa mềm dẻo hoặc bán cứng.
• Tính nhất quán của quy trình quan trọng hơn phương pháp được chọn. Những khác biệt nhỏ cũng tạo ra chênh lệch có ý nghĩa thống kê.

Câu hỏi thường gặp

Độ bám dính và độ bền mài mòn khác nhau như thế nào?

Đó là các đặc tính vật lý riêng biệt và thường loại trừ nhau. Một lớp phủ đã đóng rắn có thể bám dính tốt nhưng chịu mài mòn kém, hoặc ngược lại. Việc xác định cơ chế nào thực sự hư hỏng — bám dính, nội kết, mài mòn hay kết hợp — sẽ quyết định giải pháp kỹ thuật.

Phép thử băng dính ASTM D3359 có đáng tin cậy không?

Phương pháp này đơn giản, rẻ và được dùng rộng rãi, nhưng mang tính định tính. Nó xác nhận đã đạt giá trị bám dính tối thiểu chứ không đo độ bền liên kết thực tế, và độ chính xác phụ thuộc vào người thực hiện theo thiết kế vì không cần thiết bị hiệu chuẩn. Phương pháp cũng được xây dựng cho lớp phủ dẻo trên kim loại, không phải cho nhựa.

Vì sao kết quả thử băng dính khác nhau giữa các phòng thí nghiệm?

Do băng dính. Các lô băng có độ biến thiên bám dính vốn có, và các phòng thí nghiệm độc lập đã ghi nhận chênh lệch tới 50%. Băng 3M 710 ban đầu đã bị ngừng sản xuất và Permacel đã thay đổi đặc tính băng theo thời gian, khiến phép thử thực tế mở ra cho bất kỳ loại băng nhạy áp nào.

Khi nào nên dùng phép thử kéo bật ASTM D4541 thay thế?

Khi cần kết quả kéo định lượng. Lưu ý rằng phương pháp này thường yêu cầu kích thước sản phẩm từ ba inch trở lên để vừa với đầu gá (dolly) tiêu chuẩn, cần thử tại ít nhất hai hoặc ba vị trí, và các thiết bị căn chỉnh cố định, thủy lực và khí nén cho kết quả khác nhau đáng kể — không thể so sánh trực tiếp giữa chúng.

Nên chuẩn bị đầu gá (dolly) như thế nào cho phép thử kéo bật?

Mặt dolly được gia công hoặc phay đầu thường cho liên kết yếu hơn. Hãy làm nhám nhẹ bề mặt bằng miếng Scotch-Brite hoặc giấy nhám để tạo vi cấu trúc, sau đó lau sạch bằng cồn và vải khô để loại bỏ hạt mài, dầu và lớp oxy hóa. Dùng loại keo không tương tác với lớp phủ.

Độ bám dính so với mài mòn

Độ bám dính và độ bền mài mòn (khả năng chống mài mòn) tối ưu của lớp phủ và mực in đã đóng rắn trên vật liệu nền nhựa phải đạt được ngay trong quá trình sản xuất để tạo ra sản phẩm chất lượng cao, bền trong suốt vòng đời sử dụng. Các 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. Đã có các phương pháp thử truyền thống và thiết bị mới để đo và phân tích các đặc tính này.

Các phương pháp thử độ bám dính

ASTM D 3359 Standard Test Method for Measuring Adhesion by Tape Test có lẽ là phương pháp được biết đến nhiều nhất và dùng rộng rãi nhất từ trước đến nay để thử độ bám dính của lớp phủ và mực in nhờ sự đơn giản và chi phí thấp. Quy trình cơ bản nhất để thực hiện phép thử băng dính gồm các bước sau:

• Thống nhất về việc chọn loại băng dính.
• Lớp phủ và mực in phải đóng rắn hoàn toàn trước khi thử.
• Tạo các vết cắt hình chữ “X” trên màng theo Phương pháp A hoặc mẫu lưới sáu hoặc mười một vết cắt theo mỗi hướng theo Phương pháp B.
• Tháo và bỏ hai vòng băng đầu tiên khỏi cuộn trên bộ phân phối.
• Dùng ngón tay miết băng vào đúng vị trí rồi chà mạnh bằng cục tẩy ở đầu bút chì hoặc vật tương tự (màu dưới lớp băng là chỉ báo tốt cho thấy tiếp xúc hoàn toàn).
• Trong vòng 60-120 giây sau khi dán, bóc băng bằng cách kéo nhanh đầu tự do ngược lại về phía chính nó (không giật) theo góc càng gần 180 độ càng tốt.
• Kiểm tra vùng cắt xem lớp phủ có bị bong khỏi vật liệu nền hay không và đánh giá độ bám dính theo các mô tả và hình minh họa phân loại định trước (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

Các phiên bản đầu của ASTM D 3359 tham chiếu việc dùng băng 3M 710 và Permacel. 3M đã ngừng sản xuất sản phẩm này và qua nhiều năm Permacel đã thay đổi đặc tính băng của mình. Tiểu ban ASTM khuyến nghị người dùng kiểm tra xem băng Permacel hiện tại có cho kết quả tương đương băng ban đầu hay không. Điều này tỏ ra không khả thi và mở đường cho các công ty dùng hầu như bất kỳ loại băng nhạy áp nào. Ngày nay nhiều công ty dùng phiên bản rút gọn của ASTM D 3359, trong đó các nhóm sản phẩm chuyên biệt được thử càng giống nhau càng tốt, ví dụ điện thoại di động, bàn phím máy tính, linh kiện ô tô, v.v. Một số kỹ thuật và loại băng nhạy áp thường dùng được trình bày.

Có những điểm quan trọng cần lưu ý khi thực hiện phép thử băng dính để đạt được kết quả lặp lại và tái lập nhằm xác định độ bám dính chấp nhận được hay không chấp nhận được mà không thiên lệch. Các lô (cuộn) băng khi sản xuất có độ biến thiên bám dính vốn có, đặc biệt theo thời gian. Ví dụ, các phòng thí nghiệm độc lập đã ghi nhận chênh lệch tới 50 phần trăm. Phép thử băng dính mang tính định tính và không thể đánh giá định lượng chính xác độ bền thực tế của liên kết bám dính (chỉ đạt một giá trị tối thiểu). Tuy nhiên, nó cho biết hiệu năng bám dính tương đối. Phương pháp thử ban đầu được xây dựng cho lớp phủ dẻo trên vật liệu nền kim loại và không dành cho lớp phủ hoặc mực in trên sản phẩm nhựa.

Phép thử cắt ô vuông (cross-cut) là phương pháp đơn giản và dễ dự đoán để đánh giá độ bám dính của hệ phủ một lớp hoặc nhiều lớp.

Quy trình

• Tạo mẫu lưới trên màng bằng dụng cụ phù hợp, cắt xuống tới vật liệu nền
• Dùng bút chổi hoặc băng dính quét theo hướng chéo 5 lần mỗi hướng lên vùng đã cắt, rồi bóc bằng băng Permacel
• Kiểm tra vùng lưới bằng kính lúp có chiếu sáng

Kết quả thử cắt ô vuông

Độ bám dính được đánh giá theo thang dưới đây:

*DIN 53151 đã bị hủy bỏ vào tháng 10 năm 1994

Do đó, khi băng dính mềm được dán lên nhựa mềm dẻo hoặc bán cứng thay vì kim loại cứng, hiện tượng bóc và cơ chế hư hỏng sẽ khác

Sự khác biệt về băng dính, độ cứng của lớp lót và lưu biến của keo có thể cho kết quả khác nhau ngay cả trên cùng một sản phẩm được thử. Một công thức băng dính nhất định vốn không bám đều trên mọi lớp phủ và loại nhựa. Kết cấu bề mặt cũng là yếu tố quan trọng. ASTM D 3359 theo thiết kế được làm đơn giản và không cần thiết bị hiệu chuẩn. Vì vậy, độ chính xác của phép thử phụ thuộc vào người thực hiện.

ASTM D 4541 Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers cũng là một tiêu chuẩn nổi tiếng. Tuy nhiên, khác với ASTM D 3359, phương pháp này yêu cầu dùng thiết bị gọi là máy thử độ bám dính kéo bật. Nhiều mẫu thiết bị khác nhau được nêu (căn chỉnh cố định, thủy lực, khí nén) và có thể cho kết quả khác nhau tùy thông số và cách sử dụng thiết bị. Phép thử độ bám dính kéo xác định lực vuông góc (kéo) lớn nhất mà một diện tích bề mặt chịu được trước khi bất kỳ vật liệu nào bị tách ra, hoặc liệu bề mặt có còn nguyên vẹn ở một lực định trước (đạt/không đạt). Kết quả từ các thử nghiệm rộng rãi trong ngành với ba mẫu thiết bị trên các bề mặt giống hệt nhau khác biệt đáng kể, khiến việc so sánh trực tiếp là không khả thi.

Bất kể dùng máy thử độ bám dính kéo bật nào, quy trình đều bắt đầu bằng việc cố định một đồ gá tải (gọi là “Dolly”) vuông góc với bề mặt lớp phủ bằng keo. Sau khi keo đóng rắn, thiết bị thử được gắn vào đồ gá tải và căn chỉnh để tác dụng lực kéo vuông góc với bề mặt thử. Lực tác dụng lên đồ gá tải được tăng dần cho đến khi vật liệu bị tách ra “kéo bật” hoặc đạt giá trị quy định.

Khi phủ nhiều lớp, bản chất của cơ chế hư hỏng, hư hỏng bám dính hay nội kết, sẽ được xác định. Hai ví dụ trong số nhiều thiết bị có bán trên thị trường được trình bày bên dưới. Hình A và B là thiết bị căn chỉnh cố định Elcometer 106 và hình C và D là thiết bị tự căn chỉnh thủy lực Defelsko.

Với mọi máy thử độ bám dính kéo bật, việc chuẩn bị bề mặt dolly và phủ keo rất quan trọng để có kết quả chính xác, tái lập. Nhiều dolly khi mua có bề mặt gia công nhẵn và/hoặc phay đầu, nhưng thường cho liên kết yếu hơn. Một số người dùng máy thử độ bám dính kéo bật sửa bề mặt dolly bằng miếng Scotch-Brite® hoặc giấy nhám để tạo bề mặt hơi nhám, tạo vi cấu trúc cho độ bền liên kết tối đa. Sau khi “xử lý” dolly, phải làm sạch (thường bằng cồn và vải khô) để loại bỏ hạt mài thừa, dầu và lớp oxy hóa. Một loại keo thường dùng là Araldite 2011, epoxy hai thành phần có thể cần tới 24 giờ để đóng rắn trước khi tiến hành phép kéo. Có thể chọn các loại keo khác, nhưng điều tối quan trọng là keo không ảnh hưởng hoặc tương tác với lớp phủ, nếu không kết quả thử sẽ có rất ít giá trị.

Bất kể chọn máy thử độ bám dính kéo bật nào, khía cạnh quan trọng nhất khi thực hiện phép thử này là tính nhất quán của cách tiến hành. Ngay cả những khác biệt nhỏ trong quy trình cũng gây ra kết quả dữ liệu chênh lệch có ý nghĩa thống kê. Nhiều người dùng phương pháp này dùng dolly nhôm dùng một lần. Quy trình được văn bản hóa sẽ giúp giảm thiểu sai lệch do cài đặt không nhất quán.

ASTM D 4541 cũng được xây dựng với mục đích riêng là thử lớp phủ trên kết cấu cứng như kim loại, bê tông hoặc gỗ. Khác với ASTM D 3351, có thể thực hiện trên các chi tiết tương đối nhỏ, ASTM D 4541 thường yêu cầu kích thước sản phẩm từ ba inch trở lên để vừa kích thước dolly tiêu chuẩn (dù có thể mua dolly tùy chỉnh). Quy trình ASTM D 4541 nên được thực hiện tại ít nhất 2-3 vị trí trên chi tiết, điều này có thể không khả thi với sản phẩm nhỏ. Quyết định dùng ASTM D 3351, ASTM D 4541 hay các phép thử độ bám dính khác tùy thuộc từng công ty và có thể chịu ảnh hưởng của các thử nghiệm trước đây trong phân khúc thị trường của họ.

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

• 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 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.

---