塗料與油墨的附著及耐磨耗性量測技術——第一部分

塗料與油墨的附著及耐磨耗性量測技術——第一部分

本文為「塗料與油墨的附著及耐磨耗性量測技術」兩部曲系列的第一篇，本篇探討附著；第二篇將探討耐磨耗性，包括新型設備與量測技術。

固化後塗料與油墨的附著與耐磨耗性是兩項關鍵性能特性，對其進行量測與控制是穩健製造的關鍵。附著與耐磨耗性是各自獨立的物理特性，在失效模式分析中經常被誤判。附著不良與耐磨耗性不佳是造成現場失效、報廢與重工、利潤下降及客戶不滿的主因。目前已有量測這些特性的技術。本文介紹數種不同的測試方法與儀器，其中包括 Taber Industries 製造的新型線性磨耗儀，其設計可評估包含曲面輪廓的實際產品形狀以及平面試片（第二部分）。本文所引用的先進量測技術，正協助製造商達成卓越的產品性能與六標準差製程卓越。

重點摘要

• 附著與磨耗是不同的特性。塗層可能通過其中一項而未通過另一項，而它們在失效分析中經常被混淆。
• ASTM D3359 屬於定性方法。它只能確認達到最低值，無法量化黏接強度。
• 膠帶的變異性確實存在——獨立實驗室曾記錄到批次之間的差異高達 50%。
• 這兩項標準皆是針對金屬與混凝土等剛性基材所制定，並非針對軟質或半剛性塑膠上的塗層。
• 程序的一致性比所選方法更重要。細微的差異就會產生統計上顯著的差異。

常見問題

附著與耐磨耗性有何差異？

兩者是各自獨立的物理特性，且往往互不相容。固化後的塗層可能附著良好但耐磨性差，或反之。找出實際失效的機制——附著、內聚、磨耗或其組合——才能決定工程上的解決方法。

ASTM D3359 膠帶測試可靠嗎？

它簡單、便宜且廣泛使用，但屬於定性方法。它只能確定達到最低附著值，而非量測實際黏接強度；且由於無需校正過的設備，其準確度在設計上便取決於操作人員。此外，它是針對金屬上的延展性塗層所開發，並非針對塑膠。

為什麼不同實驗室的膠帶測試結果會不同？

原因在於膠帶。各批次膠帶本身就存在附著力變異，獨立實驗室曾記錄到高達 50% 的差異。原版 3M 710 膠帶已停產，Permacel 也隨時間改變其膠帶特性，這實際上使該測試開放使用任何壓敏膠帶。

何時應改用 ASTM D4541 拉拔測試？

當您需要定量的拉伸結果時。請注意，它通常要求產品尺寸達三吋以上，才能容納標準測試塊（dolly）；需在至少兩到三處位置測試；而固定對準式、液壓式與氣動式儀器所得結果差異相當大，彼此之間難以直接比較。

拉拔測試的測試塊應如何準備？

經機械加工或端銑的測試塊表面通常黏接較弱。可用 Scotch-Brite 菜瓜布或砂紙輕微打粗表面以形成微結構，再以酒精和乾布清潔，去除砂粒、油污與氧化物。並選用不會與塗層產生交互作用的黏著劑。

附著與磨耗

在製造過程中，必須使固化後塗料與油墨在塑膠基材上達到最佳的附著與耐磨耗性（抗性），才能生產出在整個使用壽命中經久耐用的高品質產品。這些特性可能相互依存，但往往互不相容；也就是說，固化後的塗料與油墨可能附著良好但耐磨性差，或附著不良但耐磨性佳。正確的測試以及對附著與磨耗的理解，可確保符合規格，對於解決塗裝與列印問題極具價值。找出失效機制——附著（內聚）、磨耗或兩者兼具——將決定工程製程的解決方案。目前已有傳統測試方法與新型儀器可用來量測與分析這些特性。

附著測試方法

ASTM D 3359《以膠帶測試量測附著之標準測試方法》因其簡單且成本低廉，歷來或許是最廣為人知、最常用來測試塗料與油墨附著的方法。進行膠帶測試最基本的程序包括：

• 就膠帶的選用達成共識。
• 測試前塗料與油墨須完全固化。
• 依方法 A 在膜層上劃「X」形切痕，或依方法 B 劃出每個方向六道或十一道切痕的格子圖案。
• 從膠帶捲筒座上取下並丟棄兩圈膠帶。
• 先用手指將膠帶撫平貼合，再用鉛筆末端的橡皮擦或類似物體用力摩擦（膠帶下方的顏色可作為完全接觸的良好指標）。
• 在貼上後 60 至 120 秒內，抓住膠帶自由端，以盡可能接近 180 度的角度迅速（但不可猛扯）向自身反向撕下。
• 檢視切痕區域的塗層從基材上脫落的情形，並對照預先設定的描述與圖示分級（0B、1B、2B、3B、4B、5B）評定附著等級。

早期版本的 ASTM D 3359 引用 3M 710 與 Permacel 膠帶。3M 已停產該產品，而多年來 Permacel 也改變了其膠帶的特性。ASTM 小組委員會建議使用者確認現行 Permacel 膠帶是否與原版膠帶得出可比較的結果，但這被證明並不可行，也使各家公司幾乎可使用任何類型的壓敏膠帶。如今許多公司採用 ASTM D 3359 的簡化版本，對特定的產品利基盡可能以類似方式測試，例如手機、電腦鍵盤、汽車零組件等。圖中列出數種常用的技術與壓敏膠帶。

進行膠帶測試時有幾項重要考量，才能獲得可重複且可再現的結果，以無偏差地判定附著是否合格。製造出來的各批次（捲）膠帶本身就存在附著力變異，尤其是隨時間推移。例如，獨立實驗室曾記錄到高達 50% 的差異。膠帶測試屬於定性方法，無法精確地定量評估黏接的實際強度（僅能確認達到最低值），但確實可提供相對的附著性能。此測試方法最初是為施加於金屬基材上的延展性塗層所開發，並非針對塑膠產品上的塗料或油墨。

百格測試是一種簡單且易於預測的方法，用於評估單層或多層塗裝系統的附著。

程序

• 以適當工具在膜層上劃出格子圖案，切至基材
• 使用刷筆或膠帶在切痕上沿對角方向各刷 5 次，再以 Permacel 膠帶撕除
• 使用附照明放大鏡檢視格子區域

百格測試結果

依下列等級評定附著：

*DIN 53151 已於 1994 年 10 月廢止

因此，當軟質膠帶貼附於軟質或半剛性塑膠，而非剛性金屬時，其剝離現象與失效機制並不相同

膠帶、背材剛性與黏著劑流變性的差異，即使在同一產品上測試，也可能產生不同的結果。特定膠帶配方本質上並不會同樣良好地附著於所有塗層與塑膠。表面紋理也是重要因素。ASTM D 3359 在設計上力求簡單，無需校正過的設備，因此測試準確度取決於操作人員。

ASTM D 4541《使用可攜式附著測試儀測定塗層拉拔強度之標準測試方法》同樣是廣為人知的標準。然而與 ASTM D 3359 不同，它需要使用稱為拉拔附著測試儀的儀器設備。文中提及數種不同的儀器型號（固定對準式、液壓式、氣動式），依儀器參數與使用方式而可能得出不同的結果。拉伸附著測試可測定表面積在任何材料脫離之前所能承受的最大垂直力（拉伸），或表面在預定力量下是否保持完整（合格／不合格）。業界以這三種型號在相同表面上進行大量測試的結果差異相當大，因此難以直接比較。

無論使用哪一種拉拔附著測試儀，程序都是先以黏著劑將負載治具（稱為「測試塊」，Dolly）垂直固定於塗層表面。待黏著劑固化後，將測試裝置連接至負載治具，並對準以施加垂直於測試表面的拉力。施加於負載治具的力逐漸增加，直到材料脫離（「拉拔」）或達到指定值為止。

當施加多層塗層時，可推導出失效機制的性質，即黏著失效或內聚失效。下方列出市面上眾多裝置中的兩個範例。圖 A 與 B 為 Elcometer 106 固定對準式裝置，圖 C 與 D 為 Defelsko 液壓自動對準式裝置。

對於任何拉拔附著測試儀，測試塊的表面準備與黏著劑的施用對於獲得準確、可再現的結果都很重要。許多測試塊購買時表面為平滑的機械加工及／或端銑面，但這類表面通常黏接較弱。部分拉拔附著測試儀的使用者會以 Scotch-Brite® 菜瓜布或砂紙修整測試塊表面，使其略微粗糙，形成微結構以獲得最大黏接強度。「修整」測試塊後，必須清潔（通常使用酒精與乾布）以去除多餘的砂粒、油污與氧化物。常用的黏著劑為 Araldite 2011，這是一種雙組分環氧樹脂，可能需要長達 24 小時固化後才能進行拉拔測試。也可選用其他黏著劑，但最重要的是黏著劑不得影響塗層或與之產生交互作用，否則測試結果的價值將微乎其微。

無論選用哪一種拉拔附著測試儀，進行此測試時最關鍵的層面是測試執行方式的一致性。即使程序上的細微差異，也會造成統計上顯著的數據差異。此測試方法的許多使用者採用拋棄式鋁製測試塊。書面化的程序有助於將因設置不一致而造成的變異降至最低。

ASTM D 4541 同樣是為測試金屬、混凝土或木材等剛性結構上的塗層這一特定目的所開發。與可在相對小型零件上進行的 ASTM D 3351 不同，ASTM D 4541 通常要求產品尺寸達三吋以上，以容納標準測試塊尺寸（雖然也可購買客製化測試塊）。ASTM D 4541 程序應在零件上至少 2 至 3 處位置進行，這使其對小型產品而言可能不切實際。要採用 ASTM D 3351、ASTM D 4541 或其他附著測試，由各公司自行決定，並可能受其市場利基中歷來所進行測試的影響。

測試標準與製程卓越

許多公司採用本文所討論的部分測試方法是出於必要，亦即透過證明其製造製程符合特定產業標準來爭取業務。遺憾的是，製造商往往要到客戶退回不合格產品時，才得知現場失效的問題，並且預設歸咎於「附著不良」。若能正確理解附著失效與磨耗失效的諸多可能成因，工程師便能精準找出關鍵根本原因並實施改善措施。測試不應僅限於產品開發與疑難排解階段。運用所介紹的方法與技術以及六標準差技術，對產品進行持續的在線測試，將確保製造穩健可靠。

致謝

• 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 為 The Sabreen Group, Inc.（TSG）的創辦人暨總裁。TSG 是一家全球性工程公司，專精於塑膠二次加工製程——表面前處理、黏接、裝飾與表面加工、雷射打標及產品安全。如需更多資訊，請撥打免付費電話 (888) SABREEN，或造訪 www.sabreen.com。

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