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Rivestimenti industriali Valutazione di graffi e usura

RIVESTIMENTO INDUSTRIALE

VALUTAZIONE DEI GRAFFI E DELL'USURA MEDIANTE TRIBOMETRO

Preparato da

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

INTRODUZIONE

La vernice acrilica uretanica è un tipo di rivestimento protettivo ad asciugatura rapida ampiamente utilizzato in diverse applicazioni industriali, come la vernice per pavimenti, la vernice per auto e altre. Quando viene utilizzata come vernice per pavimenti, può essere impiegata in aree a forte traffico pedonale e di ruote gommate, come passaggi pedonali, cordoli e parcheggi.

IMPORTANZA DEI TEST DI GRAFFIATURA E USURA PER IL CONTROLLO DI QUALITÀ

Tradizionalmente, i test di abrasione Taber sono stati eseguiti per valutare la resistenza all'usura delle vernici acriliche per pavimenti secondo lo standard ASTM D4060. Tuttavia, come indicato nella norma, "per alcuni materiali, i test di abrasione che utilizzano il Taber Abraser possono essere soggetti a variazioni dovute a cambiamenti nelle caratteristiche abrasive della ruota durante il test".1 Ciò può comportare una scarsa riproducibilità dei risultati dei test e creare difficoltà nel confrontare i valori riportati da diversi laboratori. Inoltre, nei test di abrasione Taber, la resistenza all'abrasione è calcolata come perdita di peso a un determinato numero di cicli di abrasione. Tuttavia, le vernici acriliche per pavimenti hanno uno spessore del film secco raccomandato di 37,5-50 μm2.

L'aggressivo processo di abrasione di Taber Abraser può consumare rapidamente il rivestimento in uretano acrilico e creare una perdita di massa nel substrato, con conseguenti errori sostanziali nel calcolo della perdita di peso della vernice. Anche l'impianto di particelle abrasive nella vernice durante il test di abrasione contribuisce agli errori. Pertanto, una misurazione quantificabile e affidabile ben controllata è fondamentale per garantire una valutazione riproducibile dell'usura della vernice. Inoltre, il test di graffiatura consente agli utenti di rilevare cedimenti prematuri di adesivi/coesive in applicazioni reali.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, dimostriamo che i tribometri e i tester meccanici NANOVEA sono ideali per la valutazione e il controllo di qualità dei rivestimenti industriali.

Il processo di usura delle vernici acriliche per pavimenti con diversi strati di finitura viene simulato in modo controllato e monitorato utilizzando il tribometro NANOVEA. Il test del micrograffio viene utilizzato per misurare il carico necessario a causare un cedimento coesivo o adesivo della vernice.

NANOVEA T100

Il tribometro pneumatico compatto

NANOVEA PB1000

Il tester meccanico a piattaforma larga

PROCEDURA DI PROVA

Questo studio valuta quattro rivestimenti per pavimenti acrilici all'acqua disponibili in commercio che presentano lo stesso primer (base) e diversi topcoat della stessa formula con una piccola variazione nelle miscele di additivi allo scopo di migliorare la durata. Questi quattro rivestimenti sono identificati come campioni A, B, C e D.

TEST DI USURA

Per valutare il comportamento tribologico, ad esempio il coefficiente di attrito (COF) e la resistenza all'usura, è stato utilizzato il tribometro NANOVEA. Una punta a sfera SS440 (diametro 6 mm, grado 100) è stata applicata contro le vernici testate. Il COF è stato registrato in situ. Il tasso di usura, K, è stato valutato utilizzando la formula K=V/(F×s)=A/(F×n), dove V è il volume usurato, F è il carico normale, s è la distanza di scorrimento, A è l'area della sezione trasversale della pista di usura e n è il numero di giri. La rugosità superficiale e i profili delle tracce di usura sono stati valutati con il profilometro ottico NANOVEA e la morfologia delle tracce di usura è stata esaminata con il microscopio ottico.

PARAMETRI DEL TEST DI USURA

FORZA NORMALE

20 N

VELOCITÀ

15 m/min

DURATA DEL TEST

100, 150, 300 e 800 cicli

TEST DI SCRATCH

Il tester meccanico NANOVEA, dotato di uno stilo in diamante Rockwell C (raggio di 200 μm), è stato utilizzato per eseguire prove di graffiatura a carico progressivo sui campioni di vernice utilizzando la modalità Micro Scratch Tester. Sono stati utilizzati due carichi finali: 5 N per verificare la delaminazione della vernice dal primer e 35 N per verificare la delaminazione del primer dai substrati metallici. Per garantire la riproducibilità dei risultati, sono stati ripetuti tre test alle stesse condizioni su ciascun campione.

Le immagini panoramiche delle intere lunghezze dei graffi sono state generate automaticamente e le loro posizioni critiche di rottura sono state correlate con i carichi applicati dal software del sistema. Questa funzione del software consente agli utenti di eseguire analisi sulle tracce di graffio in qualsiasi momento, anziché dover determinare il carico critico al microscopio subito dopo i test di graffio.

PARAMETRI DEL TEST SCRATCH

TIPO DI CARICOProgressivo
CARICO INIZIALE0,01 mN
CARICO FINALE5 N / 35 N
TASSO DI CARICO10 / 70 N/min
LUNGHEZZA DELLO SCRATCH3 mm
VELOCITÀ DI SCRITTURA, dx/dt6,0 mm/min
GEOMETRIA DEL PENETRATORECono da 120º
MATERIALE INDENTATORE (punta)Diamante
RAGGIO DELLA PUNTA DEL PENETRATORE200 μm

RISULTATI DEI TEST DI USURA

Su ogni campione sono stati eseguiti quattro test di usura pin-on-disk a diversi numeri di giri (100, 150, 300 e 800 cicli) per monitorare l'evoluzione dell'usura. La morfologia superficiale dei campioni è stata misurata con un profilatore senza contatto NANOVEA 3D per quantificare la rugosità superficiale prima di eseguire i test di usura. Tutti i campioni presentavano una rugosità superficiale comparabile di circa 1 μm, come illustrato nella FIGURA 1. La COF è stata registrata in situ durante i test di usura, come mostrato in FIGURA 2. La FIGURA 4 presenta l'evoluzione delle tracce di usura dopo 100, 150, 300 e 800 cicli, mentre la FIGURA 3 riassume il tasso di usura medio dei diversi campioni nelle varie fasi del processo di usura.

 

Rispetto a un valore di COF di ~0,07 per gli altri tre campioni, il campione A presenta un COF molto più elevato, pari a ~0,15 all'inizio, che aumenta gradualmente e si stabilizza a ~0,3 dopo 300 cicli di usura. Un COF così elevato accelera il processo di usura e crea una quantità sostanziale di detriti di vernice, come indicato in FIGURA 4 - il topcoat del campione A ha iniziato a essere rimosso nei primi 100 giri. Come mostrato in FIGURA 3, il campione A presenta il tasso di usura più elevato, pari a ~5 μm2/N nei primi 300 cicli, che diminuisce leggermente a ~3,5 μm2/N a causa della migliore resistenza all'usura del substrato metallico. Il topcoat del campione C inizia a cedere dopo 150 cicli di usura, come mostrato in FIG. 4, che è anche indicato dall'aumento di COF in FIG. 2.

 

In confronto, il campione B e il campione D mostrano proprietà tribologiche migliori. Il campione B mantiene un basso COF per tutta la durata del test - il COF aumenta leggermente da~0,05 a ~0,1. Questo effetto lubrificante aumenta sostanzialmente la sua resistenza all'usura: il topcoat fornisce ancora una protezione superiore al primer sottostante dopo 800 cicli di usura. Il tasso di usura medio più basso, pari a soli ~0,77 μm2/N, è stato misurato per il campione B a 800 cicli. Lo strato superiore del campione D inizia a delaminare dopo 375 cicli, come dimostra il brusco aumento del COF in FIG. 2. Il tasso di usura medio del campione D è di circa 0,77 μm2/N. Il tasso di usura medio del campione D è di ~1,1 μm2/N a 800 cicli.

 

Rispetto alle tradizionali misure di abrasione Taber, il Tribometro NANOVEA fornisce valutazioni dell'usura ben controllate, quantificabili e affidabili, che garantiscono valutazioni riproducibili e controlli di qualità delle vernici commerciali per pavimenti/auto. Inoltre, la capacità di misurare il COF in situ consente agli utenti di correlare le diverse fasi di un processo di usura con l'evoluzione del COF, che è fondamentale per migliorare la comprensione fondamentale del meccanismo di usura e delle caratteristiche tribologiche di vari rivestimenti di vernice.

FIGURA 1: Morfologia 3D e rugosità dei campioni di vernice.

FIGURA 2: COF durante i test pin-on-disk.

FIGURA 3: Evoluzione del tasso di usura di diverse vernici.

FIGURA 4: Evoluzione delle tracce di usura durante i test con i perni su disco.

RISULTATI DEI TEST DI USURA

La FIGURA 5 mostra il grafico della forza normale, della forza di attrito e della profondità reale in funzione della lunghezza del graffio per il campione A come esempio. È possibile installare un modulo opzionale di emissione acustica per fornire ulteriori informazioni. Con l'aumento lineare del carico normale, la punta dell'indentazione affonda gradualmente nel campione testato, come dimostra l'aumento progressivo della profondità reale. La variazione delle pendenze delle curve della forza di attrito e della profondità reale può essere utilizzata come una delle implicazioni dell'inizio della rottura del rivestimento.

FIGURA 5: Forza normale, forza d'attrito e profondità reale in funzione della lunghezza del graffio per il prova di graffiatura del Campione A con un carico massimo di 5 N.

Le FIGURE 6 e 7 mostrano i graffi completi di tutti e quattro i campioni di vernice testati con un carico massimo di 5 N e 35 N, rispettivamente. Il campione D ha richiesto un carico maggiore di 50 N per delaminare il primer. Le prove di graffiatura a 5 N di carico finale (FIG. 6) valutano il cedimento coesivo/adesivo della vernice superiore, mentre quelle a 35 N (FIG. 7) valutano la delaminazione del primer. Le frecce nelle micrografie indicano il punto in cui il rivestimento superiore o il primer iniziano a essere completamente rimossi dal primer o dal substrato. Il carico in questo punto, il cosiddetto Carico Critico (Lc), viene utilizzato per confrontare le proprietà coesive o adesive della vernice, come riassunto nella Tabella 1.

 

È evidente che il campione di vernice D ha la migliore adesione interfacciale - mostrando i più alti valori di Lc di 4,04 N alla delaminazione della vernice e di 36,61 N alla delaminazione del primer. Il campione B mostra la seconda migliore resistenza ai graffi. L'analisi dei graffi dimostra che l'ottimizzazione della formula della vernice è fondamentale per il comportamento meccanico, o più specificamente, per la resistenza ai graffi e l'adesione delle vernici acriliche per pavimenti.

Tabella 1: Sintesi dei carichi critici.

FIGURA 6: Micrografie del graffio completo con carico massimo di 5 N.

FIGURA 7: Micrografie del graffio completo con carico massimo di 35 N.

CONCLUSIONE

Rispetto alle tradizionali misure di abrasione Taber, il tester meccanico e il tribometro NANOVEA sono strumenti superiori per la valutazione e il controllo di qualità dei rivestimenti commerciali per pavimenti e per autoveicoli. Il NANOVEA Mechanical Tester in modalità Scratch può rilevare problemi di adesione/coesione in un sistema di rivestimento. Il Tribometro NANOVEA fornisce un'analisi tribologica ben controllata, quantificabile e ripetibile sulla resistenza all'usura e sul coefficiente di attrito delle vernici.

 

Sulla base delle analisi tribologiche e meccaniche complete sui rivestimenti acrilici per pavimenti a base d'acqua testati in questo studio, dimostriamo che il campione B possiede il COF e il tasso di usura più bassi e la seconda migliore resistenza ai graffi, mentre il campione D mostra la migliore resistenza ai graffi e la seconda migliore resistenza all'usura. Questa valutazione ci permette di valutare e selezionare il miglior candidato in base alle esigenze dei diversi ambienti di applicazione.

 

I moduli Nano e Micro del tester meccanico NANOVEA includono tutti modalità di indentazione, graffio e usura conformi alle norme ISO e ASTM, fornendo la più ampia gamma di test disponibili per la valutazione delle vernici su un unico modulo. Il tribometro NANOVEA offre test di usura e attrito precisi e ripetibili utilizzando modalità rotative e lineari conformi alle norme ISO e ASTM, con moduli opzionali per l'usura ad alta temperatura, la lubrificazione e la tribocorrosione disponibili in un unico sistema pre-integrato. La gamma impareggiabile di NANOVEA è la soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà meccaniche/tribologiche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri, tra cui durezza, modulo di Young, tenacità alla frattura, adesione, resistenza all'usura e molte altre. Sono disponibili profilatori ottici senza contatto NANOVEA opzionali per l'acquisizione di immagini 3D ad alta risoluzione di graffi e tracce di usura, oltre ad altre misure di superficie come la rugosità.

PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE

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