取材自ktauniversity.com的文章Coating Adhesion Testing Using Knife/Tape Methods,作者是Ray Tombaugh

 

前言

 

附著性是塗層的重要物理特性,相關測試經常被視為基材與底漆(primer)之間及/或各塗層之間是否適當結合的指標。附著性測試可能是塗層規格的要求項目,也可能在實驗室用於驗證塗佈系統的性能。附著性測試也可以用於評估塗佈系統在長期使用的情況下,效能是否衰退、是否需要維修、產出的塗層是否要以面漆(topcoat)強化,另外,它也經常用於塗佈失效的調查。但不論測試目的為何,附著性測試必須遵循其標準試驗方法(程序),才能得到一致性的結果,特別是在進行比較分析的時候。

 

本文主要是探討依據ASTM標準進行的膠帶及刀片附著性測試方法,另外也稍微提及拉力附著性測試。

 

測試方法

 

ASTM D3359「以膠帶量測附著性的標準試驗方法(膠帶法)」及ASTM D6677「以刀片評估附著性的標準試驗方法(刀片法)」也許是最常用來評估塗層對基材附著性的兩種方法。雖然一般認為膠帶法及刀片法比拉力附著性測試來的主觀,但膠帶法及刀片法的確更能展現塗層的真實附著性質。經驗顯示有時候很容易被刀片、膠帶甚至手指挑起的塗層卻有高的拉力附著值,看起來兩者似乎互相矛盾,這主要是由試驗時施加在塗層的方向力不同所造成的。

 

依據ASTM D3359ASTM D6677實施的附著性測試是對塗層施加剪力,而依據ASTM D4541ASTM D7234實施的拉力附著性測試則是用拉力(垂直力),剪力測試通常比較可靠,因為它和塗層失效的方式比較接近,也就是說,塗層通常不會因為垂直施加在其表面的力而和基材分離,反而是因為剪力(非垂直力)的作用才從基材剝離。

 

膠帶附著性測試

 

ASTM D3359有兩種測試方式,方法AX切法(X-cut)、方法B是交叉切法(Cross-cut),方法A主要用在厚度超過5密耳(mil)的塗層,而方法B通常是用在厚度5密耳以下的塗層,這兩種方法都可以在銷售場所、製造現場或者實驗室進行。這兩種測試方法原來是用來評估塗層對鋼鐵的附著性,但也適用其他的硬基材,另外也成功地應用在較軟的基材,例如木材及熟石膏。

 

 IMG_0442  

上圖1是壓敏性膠帶的規格

 

這兩種測試方法都是用利刃在塗層上刻劃特定的圖案且深達基材,再用壓敏性膠帶黏在圖案上,最後再快速將膠帶自表面拉離。當塗層厚度超過5密耳時,用刀刻劃X形(每隻腳的長度大約1.5吋);當塗層厚度小於5密耳時,用刀刻劃交叉方格圖案,每個方向刻劃611條線,當塗層厚度小於2密耳時,用刀刻劃11條線,間距為1 mm,如果塗層厚度介於2密耳與5密耳之間,則刻劃6條線,間距2 mm。劃線的時候建議使用鋼或其他硬金屬的直尺或模板,以確保劃出來的線夠直,如果是刻劃X形,兩條線正確的交叉角度是30-45°

 

劃完線之後,將壓敏性膠帶(其黏著性質要符合標準要求,如上圖1的規格)黏在圖案上,再用橡皮擦滾實;等待約60秒後,抓住膠帶的一端以盡量接近180°的角度快速地撕下膠帶;按塗層被膠帶黏下來的量進行分級,注意這裡看的是塗層的表面,而不是膠帶的背面,因為塗層刻線的碎片經常會被膠帶一併黏起。

 

附著性是依據ASTM標準的級別進行分級,級別由0(劃線區域以外的塗層也被黏起)到5(沒有剝離或黏起);當使用方法A的時候,在附著值的後面加一個A,例如3A;當使用方法B的時候,在附著值的後面加一個B,例如3B。表1提供方法A的評估基準,表2提供方法B的評估基準。另外,方法B的標準也提供圖示指引,幫助交叉劃線法的級別判定。

 

1-方法A的附著性分級

 

級別

評估標準

5A

塗層無剝離或黏起

4A

沿刻線方向或者在交叉處有些微剝離或黏起

3A

刻線兩側有高達1.6 mm的塗層被黏起且呈現鋸齒狀

2A

刻線兩側有高達3.2 mm的塗層被黏起且呈現鋸齒狀

1A

X區域內的塗層大部分被黏起

0A

X區域外的塗層都被黏起

 

 

2-方法B的附著性分級

 

級別

評估標準

5B

刻線的邊緣極為平滑且正方形格子的塗層沒有任何脫離

4 B

刻線交錯處有小片塗層脫離,但受到影響的面積小於5%

3 B

刻線的邊緣及交錯處有小片塗層脫離,受到影響的面積為5%15%

2 B

正方形格子的邊緣及內部有小片塗層脫離,受到影響的面積為15%35%

1 B

沿刻線邊緣的塗層以帶狀成片脫離,並且整個正方形格子也有脫離的現象,受到影響的面積為35%65%

0 B

成片剝離或脫離的現象比1B級還差

 

 

 

3-方法B的附著性分級(加圖示):照片來源hardcore.com

 

 淺談塗層的百格測試  

 

適當的時候記錄分離的性質及位置,內聚分離(cohesive separation)是發生在塗層內,而黏附分離(adhesive separation)則是發生在塗層與基材之間。一般而言,級別54表示附著性佳,級別32代表附著性接近臨界值,而級別10則表示附著性差。

 

刀片附著性測試

 

和膠帶附著性測試類似,以刀片評估附著性的標準試驗方法(ASTM D6677)可以用來評估塗層對鋼及其他硬基材的附著性。但是以這個方法測試具有高內聚強度的塗層時,可能會有其附著性比易脆及易裂塗層來的差的假象,所以要特別注意。另外,這個方法也不適合用於過厚以致於普通刀刃無法一次切到基材的塗層。

 

刀片附著性測試和膠帶附著性測試方法A的程序相似,都是用刀刃在塗層刻劃一個X字母(每隻腳的長度大約1.5吋,交叉角度是30-45°)且深達基材,然後將刀刃插入X的交叉點,並試著將塗層從基材挑起。

 

附著性是以010的偶數來分級,10最好,0最差,附著性評估標準的說明見下表4

 

4-刀片附著性測試分級標準

 

級別

評估標準

10

塗層極難移除:就算以刀刃極費力的挑起,碎片的尺寸也不大於0.8 mm x 0.8 mm

8

塗層難移除:就算以刀刃費力的挑起,碎片的尺寸不大於1.6 mm x 1.6 mm

6

塗層有點難移除:就算以刀刃有點費力的挑起,碎片的尺寸不大於3.2 mm x 3.2 mm

4

塗層有點難移除:但以刀刃施加輕微力量,可以挑起大於6.3 mm x 6.3 mm的碎片

2

塗層容易移除:挑起的塗層可以用手指抓住並輕易地撕下至少6.3 mm長的碎片

0

塗層很容易從基材剝離且長度大於6.3 mm

 

  

一般而言,級別108表示附著性佳,級別64代表附著性接近臨界值,而級別20則表示附著性差。

 

附著性測試結果的詮釋

 

本文所述的膠帶及刀片附著性測試程序有一些灰色地帶需要測試需求單位及執行單位的協商,有些時候標準測試程序及方法無法對塗層附著性提供明確的結果,例如實驗室測試通常是在溫度及濕度受到管制的標準實驗室條件下進行,而現場測試則會受天候的影響,且大致不在管制狀態,因此溫度及濕度的變異可能會影響測試方法的效力。

 

簡言之,ASTM標準測試程序有其限制,當依據測試結果進行判斷或決定時,必須將這些限制考慮在內。尤其要確認的是在開始測試之前,所有的灰色地帶都已考慮在內並且利害關係人也都知悉。

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