涂层与油墨附着力和耐磨性的测量技术——第 2 部分

涂层与油墨附着力和耐磨性的测量技术——第 2 部分

本文是关于涂层与油墨附着力和耐磨性测量技术的两部分系列的第二部分。本期探讨耐磨性，包括新型设备和测量技术。

如第 1 部分“附着力”——《Plastics Decorating》“技术专题”，2005 年 1/2 月刊所述，固化涂层和油墨的附着力与耐磨性是两项关键性能。这两项性能可能相互依存，但往往互相排斥：固化涂层和油墨可能表现出良好的附着力和较差的耐磨性，或较差的附着力和良好的耐磨性。正确的测试以及对附着力和耐磨性的理解，可确保符合规格要求，对解决涂层和印刷问题极为宝贵。确定失效机理是附着（内聚）、磨损还是两者兼有，将决定工程工艺解决方案。本文介绍几种不同的测试方法和仪器，其中包括 Taber Industries 制造的新型线性磨耗仪，该仪器旨在评估包含曲面轮廓的实际产品形状以及平面试样。本文所列举的先进测量技术，正在帮助制造商实现卓越的产品性能和六西格玛工艺卓越。

要点速览

• 线性磨耗仪可测试实际产品形状——凸面、凹面或平面——而旋转式磨耗仪需要平面试样。
• 磨料纸在存放中会变质。购买量不要超过六个月的使用量；旧纸会吸收水分，磨蚀性降低。
• ASTM D4060、D6037、F1478、SAE J365 和 Ford BN108-02 均引用 Taber 旋转式磨耗仪。
• 结果来自失重、循环次数，或目视磨穿至对比色的下层。
• 夹具由用户自行解决。目前没有固定产品的通用标准；关键在于测试过程中保持刚性。

常见问题

可以对曲面或异形产品进行耐磨测试吗？

可以，使用线性磨耗仪。可更换的附件安装在自由浮动的花键轴上，该轴可升降，使附件贴合凸面、凹面或平面轮廓。传统的旋转式磨耗仪无法直接测试异形几何结构。

磨料纸的可用期有多长？

技术人员建议购买量不要超过六个月的使用量。旧纸因吸收水分而磨蚀性降低，因此应存放在阴凉干燥处。作为参考，宽 11/16 英寸、2 英寸纸芯的磨料纸约可产生 1,800 次循环，1/4 英寸聚酯带卷约可产生 3,400 次循环。

涂层耐磨测试适用哪些 ASTM 标准？

Taber 旋转式磨耗仪被以下标准引用：用于有机涂层的 ASTM D4060、用于高光泽涂层干磨擦伤抗性的 D6037、用于复印机和打印机图像的 F1478，以及 SAE J365 和 Ford BN108-02。Norman Tool 磨耗仪符合用于薄膜开关的 ASTM F2357。

耐磨结果如何量化？

可通过在规定循环次数下的失重、去除单位涂层厚度所需的循环次数量化，或当涂层磨穿至基材或对比色层时，对照预定标准进行目视评定。测试前涂层必须完全固化。

线性磨耗测试时应如何固定产品？

鉴于可测试产品种类繁多，目前没有通用标准。最终用户自行选择合适的夹具——有时是标准台虎钳，有时需要更复杂的装置。关键要求是产品在整个测试过程中保持刚性。

耐磨测试方法

耐磨测试方法众多，与附着力测试类似，每家公司必须决定哪种（哪些）方法最适合评估其具体产品。许多行业根据产品的市场应用引用特定的 ASTM 要求。Norman Tool 磨耗仪是著名的“RCA”耐磨试验机的原始制造商。自 1964 年以来，Norman Tool, Inc. 一直制造、分销和出口耐磨试验机，用于测试喷漆或电镀有机饰面、箔片以及油墨印刷键盘字符的耐磨性。它常用于汽车、家电、手机和塑料涂层行业。多年来，该系统在精度和易用性方面不断升级。

该仪器是点接触式磨耗测试仪，能够测试平面和凹面（实际）产品。砝码重量为 55 克、175 克和 275 克。该测试的基本操作原理和目的是通过重量（载荷）磨穿任何基材上的涂饰层。当面漆出现瑕疵或被磨穿，露出颜色或色调对比鲜明的第二层表面或涂层时，即为磨穿点。操作方法是：将带有待磨涂层的试样置于固定在测试仪底板上的夹持装置中，使其在磨耗过程中不会移动；然后将磨料纸穿过机器并固定在卷绕轴组件上。完成设置后，计数器归零，启动电机开始测试循环。在预定循环次数时，机器停止，抬起垂直轴以评估被测点区域。机器也可连续循环运行。发送给全球客户的每块试样板均已根据 Norman Tool 的“Master RCA 耐磨试验机”预先验证其精度和重现性。

一些技术人员强烈建议，购买的磨料纸不要超过六个月的使用量。旧纸因吸收水分而磨蚀性降低。请将磨料纸存放在阴凉干燥的环境中。宽 11/16 英寸 x 外径 8 英寸、2 英寸纸芯的无油磨料纸约可产生 1,800 次循环。1/4 英寸宽聚酯带卷的纸带约可产生 3,400 次循环。磨料纸只能从 Norman Tool 购买。Norman Tool 磨耗仪符合 ASTM F 2357《使用 Norman Tool“RCA”磨耗仪测定薄膜开关上油墨和涂层耐磨性的标准试验方法》。Norman Tool 推出了新型气动手指测试装置。

Taber Industries 自 1941 年以来一直制造耐磨和磨损仪器。原版 Taber 旋转式磨耗仪（如下图所示）设计用于以恒定速度测试平面试样，包括已喷漆、涂覆或印刷的试样。具有异形几何结构的产品无法用该设备直接测试。

试样安装在旋转转台上，受到加重磨轮的摩擦磨损作用。磨轮由试样带动，产生的磨痕在圆环上形成交叉弧线图案。

耐磨性可通过规定磨耗循环次数下的失重、去除单位涂层厚度所需的循环次数，或对照预定标准通过被去除涂层量的目视评定来计算。为获得准确结果，测试试样上的涂层或油墨必须完全固化。此外，标准还描述了每次试验前对磨轮进行正确修整的程序。

旋转式磨耗仪被众多标准引用，包括 ASTM D 4060《Taber 磨耗仪测定有机涂层耐磨性的标准试验方法》、ASTM D 6037《高光泽涂层干磨擦伤抗性的标准试验方法》、ASTM F 1478《测定复印机和打印机所产生图像耐磨性的标准试验方法（Taber 法）》、SAE J365《装饰材料抗擦伤试验方法》，以及 Ford Motor Company 试验方法 BN108-02《耐磨性——Taber 磨耗仪》。

最新一代耐磨试验机是 Taber 线性磨耗仪 5700 型（如左图所示）。这款新型线性磨耗仪的研发目的是能够测试实际产品。

该仪器采用往复直线运动，可更换的附件安装在自由浮动花键轴的末端。随着臂的往复运动，轴会升降，使附件贴合产品形状的轮廓——凸面、凹面或平面。

Taber Industries 最近推出了其线性磨耗仪的新版本 5750 型，新增了许多先进功能，包括：a) 数字显示屏，b) 激光导向对位，c) 最小载荷 60 克，d) 2-75 可变行程速度并带六个预设按钮，e) 用于提升测试多样性的新附件。

采用行业标准的 Taber 磨轮材料，通过直线运动测试包括塑料在内的材料的耐磨性。与 Taber 旋转式磨耗仪 Wearaser™ 一样，使用前必须对材料进行修整。5700/5750 型机器具有自动可编程的修整模式。

行程长度、速度和载荷可针对任何测试进行定制。可编程控制器可使测试运行至预设的行程循环次数，或连续运行直至涂层/印刷层被去除。通用附件头允许用户选择经 ASTM 认证的磨料介质，或使用特定行业专有的自备磨料。线性磨耗仪 5700/5750 型还可配置用于刮擦、摩擦、硬币（一角硬币、五分硬币等）和摩擦色牢度仪测试。与许多耐磨测试仪一样，当表面涂层被磨至基材或部分磨穿（磨透）时，可通过失重或目视标准确定结果。

摩擦色牢度（颜色转移）测试需评估摩擦布，以确定有多少颜色转移到布上，并被纳入 ASTM D 6279《高光泽涂层摩擦耐磨性的标准试验方法》和 ASTM F 1319《测定商业复印产品所产生图像耐磨及抗污性的标准试验方法》。Taber 目前正在为线性磨耗仪 5700/5750 型争取更多 ASTM 认证。

鉴于线性磨耗仪可测试的产品种类繁多，目前没有将产品固定就位进行测试的通用标准。最终用户自行确定适合产品的夹具或固定装置。在某些情况下使用标准台虎钳；对于其他产品，则可能需要更复杂的夹具装置。重点是产品在测试过程中必须保持刚性位置。

除了本文讨论的 Norman RCA 耐磨试验机以及 Taber 旋转式和线性磨耗仪之外，行业目录和文献中还有无数附着力和耐磨测试设备。这些国际公认的方法包括：ASTM D 3363《铅笔法测定漆膜硬度的标准试验方法》；用于 ASTM D 2197《刮擦法测定有机涂层附着力的标准试验方法》和 D5178-98(2002)《有机涂层抗擦伤性标准试验方法》的平衡梁刮擦附着力和擦伤测试仪；以及依据 DIN EN 60068-2-70，通过模拟手指/手部接触运动，在不同液体（汗液、乳液、油类）影响下对印刷/涂覆表面进行 ABREX® 耐磨测试。ABREX® 是一种新仪器，撰写本文时可获得的信息有限。

除这些测试外，许多公司还使用 Com-Ten 和 Instron 设备等精密数字测试系统开发内部程序，并纳入许多 ASTM 程序方法。根据产品的预期用途，性能测试还可包括耐化学品和耐溶剂测试、水浸后胶带测试、洗碗机和洗衣机测试等。公司在产品开发和制造过程中经常使用多种测试方法。

测试标准与工艺卓越

许多公司使用本文讨论的某些测试方法是出于需要，即通过证明其制造工艺符合特定行业标准来获取业务。遗憾的是，制造商往往直到客户退回不合格产品才意识到现场失效问题，而默认的原因就是“附着力差”。通过正确理解附着失效与磨损失效的多种可能原因，工程师可以准确识别关键根本原因并实施纠正措施。

测试不应仅用于产品开发和故障排查。使用本文所述的方法和技术以及六西格玛技术对产品进行持续的在线测试，将确保稳健的制造。

致谢

• 美国材料与试验协会国际组织（ASTM International）
• BYK Gardner
• Gardner Company
• Norman Tool, Inc
• Taber Industries

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc.（TSG）的创始人兼总裁。TSG 是一家全球工程公司，专注于塑料二次加工制造工艺——表面预处理、粘接、装饰与表面精饰、激光打标以及产品安全。如需了解更多信息，请致电免费电话 (888)-SABREEN，或访问 www.sabreen.com 和 www.plasticslasermarking.com。

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