Replikační páska – odhalování skrytých informací

Výsledný profil povrchu, neboli „kotvící profil“, představuje komplexní strukturu výstupků a prohlubní, které se musí správně vyhodnotit, aby se zajistilo dodržování technologic­kých nebo smluvních specifikací a došlo k úspěšné aplikaci povlaku. Obecně se uznává, že charakteristika profilu povrchu predikuje dlouho­dobou životnost nátěru. Mezi charakteristiky tryskaných povrchů patří výška výstupků, hustota výstupků, rozvinutá plocha, hranatost, ostrost a tvar.
V současné době se běžně měří pouze výška výstupků (H). Je-li tato výš­ka nedostatečná, barva nepřilne. Pokud je příliš velká, je třeba více bar­vy k vyplnění prohlubní a vysoké výstupky mohou z laku vyčnívat a stá­vají se tak centry koroze.
I když význam měření výšky výstupků je nepopíratelný, pouze jeden pa­rametr nedokáže dynamiku vztahu mezi povlakem a podkladem plně po­psat. Proto je hustota výstupků (Pd – peak density) také důležitým uka­zatelem a díky poslednímu vývoji měřicích přístrojů ji lze dnes provozně měřit.

POČÍTÁNÍ VÝSTUPKŮ
V roce 1974 Kean, Bruno a Weaver napsali v článku s názvem „Povrchový profil pro antikorozní nátěry“, že povrch připravený pro lakování pomocí tryskání nelze pouhým měřením vzdálenosti od vrcholu výstupku ke dnu prohlubně (H) plně popsat. Jejich studie podporovala zkušenosti z praxe, které naznačují, že kromě H existuje další důležitý parametr, a to je po­čet výstupků na jednotku délky (neboli Pc – peak count), nebo počet vý­stupků na jednotku plochy (Pd). Jejich studie uváděla, že kromě zvětšení rozvinuté plochy zvětšuje přidání počtu výstupků v definované oblasti ta­ké hranatost této plochy. Tím se zvýší adheze naneseného nátěru, proto­že smykové hodnoty jsou vždy vyšší než tahové. Nanesený nátěr musí sa­mozřejmě pokrývat 100 procent plochy.

Obr. 1 ukazuje zjednodušený příklad toho, proč jsou pro pochopení účin­nosti nátěru výška i hustota výstupků důležité. Oba povrchy mají různé geometrické tvary, ale jejich naměřené výšky jsou stejné. Abychom získali jasnější obraz povrchu, který je k dispozici pro přichycení nátěru, je třeba počet výstupků změřit. Obě naměřené hodnoty navíc umožňují zkoumat zvětšení rozvinuté plochy v důsledku abrazivního tryskání.
Není pochyb o tom, že měření hustoty výstupků je pro obory zabývají­cí se korozí důležité, ale problém je v tom, že až dosud nebylo snadné ty­to výstupky spočítat.
V červnu roku 2005 byl v časopise JPCL publikován významný doku­ment, který vydali Roper, Weaver a Brandon, s názvem „Vliv počtu vý­stupků na drsnost povrchu a na účinnost nátěru“, který uváděl, že počty výstupků lze kontrolovat a že mohou mít stejně jako výška výstupků vliv na účinnost nátěru. Jejich práce vyústila ve vytvoření ASTM D7127, což je „Standardní zkušební metoda pro měření drsnosti povrchu tryskaných kovových povrchů pomocí přenosného přístroje s hrotem“.
V navazujícím článku došli k závěru, že „optimální profily oceli pro ši­rokou škálu standardních průmyslových nátěrů s úplným pokrytím po­vrchu mají výšku profilu 50 až 75 μm a počet výstupků je mezi 40 až 60 výstupky na centimetr“. Autoři doporučují, aby se v odvětvích zabývají­cích se korozí používaly nástroje na měření drsnosti povrchu, což jsou nejlepší v současnosti dostupné praktické nástroje, s cílem zjistit nejdůle­žitější informace o profilu – výšku a hustotu výstupků.

HROTOVÉ MĚŘIČE PROFILŮ
Hrotové měřiče drsnosti povrchu zaznamenávají pohyb hrotu, který se pohybuje po povrchu nahoru a dolů (obr. 2). Měří výškový parametr na­zvaný Rt v souladu s normou ISO 4287, která uvádí vertikální vzdálenost mezi nejvyšším výstupkem a nejnižší prohlubní na dané vzdálenosti 12,5 mm. Provede se pět měření a hodnoty Rt se zprůměrují, čímž se získá průměr maximálních vzdáleností od výstupku k prohlubni.

V roce 2011 studie ASTM stanovila výšku Rt, naměřenou pomocí hroto­vého měřidla drsnosti, jako úzce související s výškou výstupků H, změře­nou hloubkovými mikrometry a replikační páskou. Ale pokud hrotové měřidlo drsnosti povrchu dokáže měřit výšku i počet výstupků na da­né vzdálenosti, proč jej odvětví, zabývající se korozí, zavádí tak pomalu?
Tato neochota pravděpodobně vychází z ekonomických a praktických důvodů. Měřidlo drsnosti je křehké, neboť obsahuje přesně kalibrovaný hrot, který často vyčnívá z tělesa samotného zařízení. Někdy se složitě seřizuje a obsluhuje a udává řadu parametrů drsnosti, které mají pro od­větví nátěrových hmot omezený význam. Všechny tyto faktory potenciál­ní uživatele pravděpodobně odrazují.
Méně známým faktem je, že měřidla drsnosti povrchů, ačkoli jsou v obo­ru obrábění kovů populární, se musejí potýkat s komplexním tvarem po­vrchu, který při abrazivním čištění vzniká. Slouží k měření pouze jedné linie na zdrsněném povrchu a většina nerovností, které se zaznamenáva­jí jako výstupky, jsou ve skutečnosti pouze úbočí výstupků, protože hrot přejde pouze přes úbočí, nikoliv přes výstupek samotný.
Jaká další řešení pro měření jsou k dispozici? Řada lidí má za to, že nej­lepší měřicí zařízení musí používat laboratorní metody, jako je interfero­metrie, polarizační mikroskopie, konfokální laserová mikroskopie nebo elektronová mikroskopie. Ale tato výkonná zařízení mají při měření slo­žitých tryskaných povrchů rovněž potíže. Navíc jsou drahá, nepřenosná a vyžadují rozsáhlé školení k nastavení nesčetných zkušebních paramet­rů pro dokonalou analýzu. Proto je žádoucí mít jedno cenově dostupné robustní provozní zařízení určené speciálně pro odvětví zabývající se korozí, které dokáže měřit H i Pd, aby měli kontroloři k dispozici smysluplný a funkční nástroj k pre­dikci vlastností nátěrů během přípravy povrchu. Toto řešení spočívá v replikační pásce.

MĚŘENÍ HUSTOTY VÝSTUPKŮ – NOVÉ ŘEŠENÍ
Replikační páska se používá k charakterizaci povrchů od konce šedesá­tých let (obr. 3). Je jednoduchá, relativně levná a zvláště užitečná na zakři­vených površích. Její používání je popsáno v řadě mezinárodních norem včetně ASTM D4417, ISO 85035 a NACE RP0287. Ve srovnání s jinými metodami je její výhodu robustnost, relativně nízké počáteční náklady, dobrá opakovatelnost a schopnost udržet fyzickou repliku hodnocené­ho povrchu.

Replikační páska je vyrobena z vrstvy stlačitelné pěny, připevněné na ne­stlačitelném polyesterovém substrátu s vysoce rovnoměrnou tloušťkou. Při zatlačení proti zdrsněnému ocelovému povrchu se pěna vytvaruje a vytvoří otisk povrchu. Umístěním stlačené pásky mezi dotyky mikro­metru a odečtením nestlačitelného podkladu, což je 50,8 μm, změříme výšku povrchového profilu.

NOVÝ PŘÍSTUP K INFORMACÍM
Přestože je tento výrobek široce rozšířen, není běžně známo, že tyto otis­ky povrchů obsahují mnohem více informací, než jen výšku výstupků, změřenou mikrometrem. Významná data jsou k dispozici pomocí digi­tálního zobrazení.
Nový přístup k měření spočívá v tom, že se využije vlastnosti pásky, kte­rá souvisí s její schopnosti replikovat povrchy. Jedná se o zvýšení průhled­nosti pásky v místě, kde je stlačena. Na základě tohoto principu lze vytvořit z optického skenu vytvarované replikační pásky trojrozměr­nou mapu povrchu. Počty výstupků lze určit jednoduchým spočítáním světlých skvrn na snímku pořízeném digitálním obrazovým snímačem.

Fotografie podsvícené pásky odhalí světlé, více stlačené oblasti (výstupky) a tmavé, méně stlačené oblasti (prohlubně), jak je patrné z obr. 4. Přenos­ný přístroj pak dokáže výstupky spočítat a určit jejich plošnou hustotu, tedy kolik výstupků se nachází na čtverečném milimetru, neboli Pd, jak je stanoveno v ASME B46.1.

3-D MAPOVÁNÍ POVRCHU
Když půjdeme ještě o krok dále, jakmile aplikujeme vztah tloušťka/ průhlednost na intenzitu obrazu pomocí 3-D vizualizačního softwaru, můžeme vyčíst další parametry povrchu. Výsledkem je 3-D mapa tryska­ného ocelového povrchu při mnohem nižších nákladech, než vyžadují in­terferometrická nebo konfokální profilovací zařízení. Příklad toho, jak tento proces funguje, je znázorněn na obr. 5.

KORELACE MĚŘENÍ POMOCÍ REPLIKAČNÍ PÁSKY SE ZAVEDENÝMI MĚŘICÍMI TECHNIKAMI
K ověření měření pomocí 3-D replikační pásky se naměřené parametry získané z pásky (H a Pd) porovnaly se dvěma zavedenými povrchovými metodami měření drsnosti: konfokální mikroskopií a hrotovým měřid­lem drsnosti.
Prvním krokem bylo ověřit, zda zobrazování intenzity světla pomocí rep­likační pásky poskytovalo hodnoty srovnatelné s výsledky získanými po­mocí známých laboratorních metod. Studie byla provedena pomocí tří ocelových panelů otryskaných abrazivem Amasteel G-50, GMA Garnet Coarse a Amasteel S-230/G40. Panely byly zaslány do univerzitní labora­toře spolu se třemi sadami protlačených replikačních pásek k měření po­mocí konfokálního mikroskopu. Bylo zjištěno, že výsledky měření pomo­cí 3-D replikační pásky úzce korelují s laboratorními metodami (tab. 1).

Pro porovnání měření z 3-D snímků replikačních pásek s hodnotami sta­novenými pomocí hrotového profiloměru bylo provedeno měření husto­ty výstupků na pěti panelech používaných ve studii ASTM z roku 2011. Dvourozměrná měření pomocí profiloměru nejsou s 3-D optickými měřeními replikační pásky přímo srovnatelná. Nicméně, přímá korela­ce byla pozorována.

TESTOVÁNÍ PŘILNAVOSTI
S ohledem na předchozí výzkum korelace mezi přilnavostí a H a Pd ze strany Ropera a dalších byla provedena studie adheze s cílem zjistit, zda zobrazovací metody využívající 3-D replikační pásky dávaly podobné vý­sledky. Bylo připraveno dvacet pět vzorků oceli za použití různých abra­ziv a byla provedena měření pomocí 3-D zobrazovače replikační pásky. Vzorky byly poté nastříkány třemi nátěry (epoxidovým, dvousložkovým akrylátovým a směsným polymerovým) a nechaly se vytvrdit. Poté by­ly provedeny tři odtrhové zkoušky pomocí zkušební metody popsané v ASTM D4541 pomocí hydraulického odtrhoměru.

KORELACE PŘILNAVOSTI S VÝŠKOU POVRCHOVÉHO PROFILU
Ve studii Ropera a dalších z roku 2006 byla vyslovena hypotéza, že „opti­mální profily oceli pro širokou škálu standardních průmyslových nátěrů s plně smáčenými povrchy, mají výšku profilu 50 až 75 μm“. Nejvyšší ad­hezní síly byly pozorovány v rozmezí 50 až 75 μm, přičemž hodnoty ad­heze klesají s tím, jak se výška profilu zvyšuje nad 75 μm, pravděpodobně proto, že nátěr zcela nesmočil podklad. Zjištění této studie tuto hypotézu podle všeho potvrzují, i když vzorky výšek profilů pod 50 μm nebyly poří­zeny. Předpokládá se, že adheze začíná pod tímto číslem klesat z důvodu nedostatečného profilu pro ukotvení nátěru. Hypotetický trend při kon­stantním Pd je vynesen nad daty z této studie na obr. 6.

KORELACE PŘILNAVOSTI S HUSTOTOU VÝSTUPKŮ PD
Zdá se, že existuje silná korelace mezi hustotou výstupků a přilnavostí, což posiluje Roperovu hypotézu, že počet výstupků je pro účinnost ná­těrů důležitý. Studie tvrdila, že „optimální profily oceli pro širokou škálu standardních průmyslových nátěrů s plně smáčenými povrchy mají ma­ximální počet výstupků mezi 40 až 60 na cm“.

Jak bylo uvedeno výše, hrotový profiloměr spočítá počet výstupků v pří­mém směru, zatímco čtečka replikační pásky spočítá výstupky na jed­notku plochy. Jelikož autoři použili ve svém výzkumu hrotový profilo­měr, jejich čísla nejsou s údaji v této studii přímo srovnatelná. Nicméně na základě naší studie byla pozorována optimální 3-D hustota asi osmi výstupků na čtvereční milimetr. Předpokládá se, že pozorovaná přímá úměra mezi pevností adheze a hustotou výstupků by neměla přetrvávat při hustotě výstupků větší než je ta, která byla pozorována v této studii. Tento teoretický vztah mezi adhezí a Pd s konstantním H je znázorněn na obr. 8.

ZÁVĚR
Obecně se uznává, že povaha abrazivně upravovaných ocelových po­vrchů určuje dlouhodobou odolnost nátěru. Odvětví, které se zabývá ko­rozí, dynamiku tohoto složitého problému plně nechápe, ale má k dis­pozici několik měřitelných parametrů, jako je výška výstupků, hustota výstupků, plocha, hranatost, ostrost a tvar. Běžně se má za to, že zvýše­ním těchto parametrů se zlepší dlouhodobá odolnost nátěru. Empirické údaje však naznačují, že věc není tak jednoduchá.
Nejdůležitější z těchto parametrů, H (výška výstupku), se dnes běžně měří a je obvykle jediným uváděným parametrem. I když je jeho význam nepopiratelný, jeden parametr sám nedokáže dynamiku vztahu povlaku a podkladu vyčerpávajícím způsobem popsat.
Pd je rovněž důležitým ukazatelem, i když také nemůže být jediným měřeným údajem, jako tomu po desetiletí bylo s H, umožňuje spolu s H lepší předpověď dlouhodobé odolnosti nátěru, jak bylo posouzeno odtr­hovou zkouškou.

Tento vztah pomáhá vysvětlit, proč samotné měření H nebylo vždy spo­lehlivou metodou pro předpovídání odolnosti u všech typů nátěrů. Ná­těr se může vázat na povrch s nízkou výškou H a vysokou hustotou Pd stejně dobře, jako na povrch s vysokou H a nízkou Pd. Z tohoto důvo­du by se měly uvádět obě hodnoty, aby si zákazníci mohli nejlepší po­měr pro své konkrétní použití nátěru určit sami. Oba tyto parametry lze ovlivňovat pomocí správného výběru typu a velikosti abrazivního materiálu. Možná, že se v budoucnu podaří specifikovat nějaký hybrid­ní parametr.
(Original article courtesy of DeFelsko Corporation, preklad TSI System)

Příspěvek odzněl na Mezinárodním odborném semináři – Progresivní a netradiční technologie povrchových úprav, Brno, 2015

Literatura:
[1] Beamish, D.: Replica Tape – Unlocking Hidden Information. Journal of Protective Coatings and Linings. July 2015.
[2] Beamish, D.: Replica Tape – Relating 3 Surface Profile Parameters to Pull-off Adhesion. DeFelsko Corp. February 2015.

TEXT/FOTO DAVID BEAMISH