Invecchiamenti Accelerati

Invecchiamento accelerato di prodotti vernicianti
La Posizione di un Produttore di vernici
Convegno c/o PLASTLAB Orbassano, 27 Novembre 2013
Massimo Rei – Automotive Decorative Lab – PPG Italia
Safety – Our Actions Matter!
Presentazione personale preliminare ma rilevante - 1
Attualmente mi occupo della supervisione di Laboratori responsabili della
Formulazione («Maintenance» e «Problem Solving» compresi) delle
seguenti Tecnologie:
- Fondi (primers) 1K e 2K, Solventborne e Waterborne
- Smalti doppio strato (Basi) Solventborne e Waterborne
- Trasparenti 1K e 2K
per cicli SCOCCA e PLASTICHE
dedicati al Cliente FIAT
(Marchi: Fiat, Alfa Romeo, Lancia, Maserati, Ferrari + Indotto Plastiche «Buy»)
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Presentazione personale preliminare ma rilevante - 2
La mia conoscenza professionale inerente gli «Invecchiamenti Accelerati»
è quindi relativa agli «strati» Decorative, alle prerogative Estetiche e
Funzionali che i cicli di Primerizzazione e Smaltatura devono garantire
secondo le Specifiche del Cliente Finale
La mia Presentazione sarà quindi focalizzata sulla Tipologia (e sulle
modalità di Esecuzione) delle Prove di Invecchiamento Accelerato relative
agli strati esterni del ciclo di Verniciatura
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Cenni sulla composizione di un Sistema Verniciante Automotive
• «Legante»: miscela di polimeri generalmente solubili o disperdibili nei
comuni solventi organici o in acqua (di natura acrilica, poliestere,
epossidica, isocianica, melamminica, poliuretanica, ecc.) in grado di
reagire tra di loro («reticolare») e realizzare film a PM infinito quando
viene loro fornita sufficiente energia (di norma Calore -> essiccazione in
forno)
• «Miscele di solventi» con funzione di fluidificare il sistema e renderne
possibile l‘ applicazione sul substrato
• «Pigmenti» che costituiscono la parte solida, in sospensione, e che
hanno lo scopo principale di rendere colorato il prodotto finale.
• «Additivi»: prodotti di varia natura chimica fondamentali per impartire
particolari e fondamentali caratteristiche (es. sulla tensione superficiale,
sull’aspetto del film, resistenza ai raggi UV-Visibili, ecc).
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Cenni sulla composizione di un Sistema Verniciante Automotive
TUTTI questi Costituenti (in misura minore, ma non del tutto trascurabile,
anche i Solventi) Concorrono a Garantire Resistenze agli Invecchiamenti
Accelerati Rispondenti alle Specifiche del Cliente Finale
Caratteristiche di Garanzia all’ Invecchiamento che possono essere
riassunte nelle seguenti Categorie:
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Specifiche Fondamentali delle vernici Automotive Decorative:
• Applicabilità: adattabilità di una vernice ad un determinato sistema di
verniciatura (manuale – automatico – pneumatico – elettrostatico etc)
• Aspetto / Brillantezza: caratteristiche finalizzate a rendere il manufatto
verniciato particolarmente attraente (connotazioni di carattere psicologico)
• Durezza superficiale /Elasticità: capacità di un film di vernice di essere
maneggiabile, di resistere alle sollecitazioni meccaniche (graffi, urti,
sfregamenti, pressioni, ecc.) e di riprendere la forma che aveva prima di essere
sottoposta a sollecitazioni deformanti, senza screpolarsi
• Adesione / Colpi di pietra: resistenza che una vernice oppone all'azione di
distacco dal supporto o da un sottostante strato di vernice e alle sollecitazioni
derivanti dallo «stone-chpping» che si verifica in esercizio su strada
• Resistenze chimiche: vale a dire alle degradazioni apportate da umidità, acidi,
basi, agenti chimici vari
• Fotostabilità: capacità di una vernice di conservare inalterato il suo colore se
esposta alla luce
Metodi di valutazione:
Esposizione in Florida e Test di
• Ecc…
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Laboratorio
Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance)
Crockmeter («graffio» a secco)
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Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance)
Carwash («graffio» a umido)
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Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance)
Esempi di limiti di accettabilità
Carwash
(DIN EN ISO 20566)
Crockmeter
(carta da 9 µm)
Cicli
Reflow
Limiti (% gloss
ritenuti)
Cicli
Reflow
Limiti (% gloss
ritenuti)
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BMW
20
60' @ 60°C
VW
10
120' @ 60°C
Daimler
10
120' @ 80°C
≥60%
10 doppie passate
60' @ 60°C
≥70%
≥70%
10 doppie passate
120' @ 80°C
≥40%
eseguito ma non
presente in Norme
ufficiali
≥70%
Specifiche Fondamentali delle vernici Automotive Decorative:
Il Controllo di Tutte le Caratteristiche sopra menzionate è contemplato nei Piani
Prova di Qualificazione dei Nuovi Prodotti (alcuni di questi Test sono eseguiti per
ogni lotto di Prodotto Verniciante prodotto e i loro risultati riportati nei Certificati
di Conformità che accompagnano ogni batch)
La Durata Temporale necessaria alla verifica della Rispondenza alle Caratteristiche
Fondamentali di un Prodotto Verniciante è comunque Molto Differenziata
Ecco perché, per alcune di Esse (segnatamente la Resistenza all’ Esposizione agli
Esterni) è Necessario Definire e Seguire un Preciso e Prolungato Protocollo di Testing
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Gli Invecchiamenti Accelerati agli Esterni (luce – umidità)
Possono essere suddivisi in due Categorie:
1) Invecchiamenti con tempi «mediamente» Accelerati
Esposizione agli Esterni in Luoghi specifici -> FLORIDA Exposure
2) Invecchiamenti con tempi «fortemente» Accelerati
Mediante utilizzo di Apparecchiature specifiche
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Il Florida test
• Il sud della Florida presenta climi subtropicali estremamente deterioranti
per i prodotti vernicianti: elevata esposizione solare, alta umidità, alte
temperature
• La radiazione UV è di 2–3 volte superiore a quella normale nell’emisfero
Nord del mondo
• PPG ha creato il suo primo sito per prove atmosferiche nel 1930 in Ft.
Lauderdale vicino all’attuale aeroporto.
• Nel 1969 la locazione è stata spostata in Sunrise.
• Il sito ha una estensione di 6 ettari e riceve campioni da tutti i Laboratori
di Ricerca e da tutti i Customer Teams PPG mondiali.
• Tutti dati atmosferici e di esposizione sono monitorati e registrati in
continuo.
• I test sono eseguiti secondo le procedure ASTM e SAE o seguendo le
specifiche dei più importanti produttori automobilistici mondiali.
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Il Sito PPG di Sunrise (Fort Lauderdale – FL)
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Il Sito PPG di Sunrise (Fort Lauderdale – FL)
Latitudine: 26.14
Longitudine: -80.14
I pannelli sono esposti in
direzione SUD con un
angolazione di 5° sul piano
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La durata del Florida test
I tempi di esposizione in Florida variano in funzione delle Richieste
contenute nelle Specifiche dei vari Clienti
Non sono comunque MAI inferiori a 1 anno e arrivano, assai
frequentemente (anche per l’ Account Chrysler), fino a 5 – 7 anni
Ecco perché:
1) il «Florida» può considerarsi un Test «mediamente» accelerato (fattore
di ‘accelerazione’ circa 2 – 3)
2) è necessario possedere cospicui Database relativi alle Risultanze
Espositive di Nuovi Sistemi Leganti Polimerici e di Nuovi Pigmenti
3) si devono utilizzare Test con «fattori di di accelerazione» più elevati
che permettano di avere risultati in tempi più corti al fine di ottimizzare i
tempi di ricerca e sviluppo dei nuovi prodotti.
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Il Database PPG
Al fine di consentire ai propri Tecnici di Formulare Prodotti Vernicianti
contenenti Pigmenti Approvati per Adeguata Resistenza all’ Esposizione
agli Esterni (Florida), PPG ha definito, ormai da svariati lustri, un
Protocollo che prevede il test preliminare di Tutti i Nuovi Pigmenti
(alternative agli esistenti o basati su Nuove Strutture Chimiche)
Questo Protocollo, seguito dalle ns. Piattaforme Valutazione a livello
Mondiale, prevede che ogni Nuovo Pigmento sia sottoposto,
opportunamente inserito in uno Specifico Sistema legante Polimerico, a
Esposizioni Pluriennali in Florida (Sunrise), in diverse condizioni di
Concentrazione
- Durata: 2 anni (per Pigmenti già testati dal Fornitore) + WoM almeno 2500 kJ
- Concentrazioni: tinta piena e taglio (30% e 50%) con TiO2 e Alluminio
I «Customer Teams» Mondiali PPG possono utilizzare ESCLUSIVAMENTE
Pigmenti Preventivamente Approvati dalle ns Piattaforme di Valutazione
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Oltre il Database PPG
Le possibili Combinazioni che si possono realizzare (per Tipologia e
Quantità reciproca) tra i Vari Pigmenti (tanti) e i Sistemi Leganti Polimerici
tendono però ad INFINITO
Di conseguenza, OGNI Nuova proposta cromatica PPG (di Stile o
definitivamente scelta dal Cliente Finale per una Nuova Gamma Colore)
viene NUOVAMENTE sottoposta a Test di Durabilità agli Esterni
(Esposizione in Florida e in Apparecchiature di Laboratorio)
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Test con Apparecchiature da Laboratorio
• Negli ultimi decenni svariati metodi di testing sono stati sviluppati dalle
diverse case automobilistiche, in collaborazione con i Produttori di tali
Apparecchiature
• Sono pressoché sempre contemplati Cicli («estremi») alternati di
radiazione luminosa e di umidità in condizioni di temperatura elevate e
controllata. La simulazione degli effetti della luce solare avviene
attraverso l'uso di lampade e sistemi filtranti specifici. La simulazione
della rugiada e la pioggia avviene attraverso la condensa e/o uno spray
d'acqua demi.
• PPG, presso i suoi laboratori, è in grado di eseguire i test secondo le
Specifiche di tutti i suoi Clienti, a livello mondiale
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Esempio 1 -> il Test Weather-o-Meter FIAT
• Norma Materiali 50451: Invecchiamento accelerato agli agenti
atmosferici.
Metodo
Impiego
su
vettura
Campo di
applicazione
Durata
Sorgente
luminosa
Filtro
Intensità
irradiata
Temperatur
a pannello
nero
(isolato)
Umidità
relativa
A
Esterno
Rivestimenti
organici, vernici,
plastici amorfi (es.
ABS,PC,MPPO)
elastomeri
1500 h
Xenon
Boro/Boro
(taglio
 < 290
nm)
0,35 ±
0,02
W/m2 a
340 nm
65 ± 3 °C
60%
• Le radiazioni emesse dalle sorgenti luminose devono essere
opportunamente filtrate mediante filtri specifici, in modo tale che la
composizione e distribuzione spettrale sul piano dei porta provini, sia
simile alla radiazione solare naturale
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Esempio 1 -> il Test Weather-o-Meter FIAT
• Ciclo




Funzionamento lampada: continuo
Tempo umidificazione (spray + luce): 18 min
Tempo di asciugatura + luce: 102 min
Umidità relativa durante l’asciugatura: 60%
• Condizioni di prova
 Temperatura pannello nero: 65°C ± 3°C
 Temperatura aria camera: 40 °C ± 3°C
• Limiti di accettabilità:
 Adesione: Ad 0-1 (No alterazioni, variazioni di colore del rivestimento)
 Brillantezza:
 finiture brillanti e semiopache  variazione della brillantezza di ± 5
 finiture opache  variazione della brillantezza di ± 3%
 Colore: la variazione cromatica deve essere di lieve entità.
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Esempio 2 -> il Test Weather-o-Meter Chrysler
• SAEJ 2527: Performance Based Standard for Accelerated Exposure of
Automotive Exterior Material Using a Controlled Irradiance Xenon-Arc
Apparatus.
Impiego
su
vettura
Campo di
applicazione
Durata
Sorgente
luminosa
Filtro
Intensità
irradiata
Temperatur
a pannello
nero
(isolato)
Umidità
relativa
Esterno
Componenti
2500 Kj/m2
Xenon
Boro/Boro
(taglio
 < 290
nm)
0,55 ±
0,02
W/m2 a
340 nm
65 ± 3 °C
60%
4500 Kj/m2
Scocca
• Ciclo:




60 minuti di buoi con spruzzatura anteriore e posteriore del pannello
40 minuti di luce
20 minuti di luce con spruzzatura anteriore del pannello
60 minuti di luce
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Esempio 2 -> il Test Weather-o-Meter Chrysler
• CICLO
• Condizioni di prova:
 Temperatura pannello nero: 70°C luce/38°C buio
 Temperatura aria camera: 47°C luce/38°C buio
• Limiti di accettabilità:
 Adesione: nessuna indicazione
 Brillantezza: il Gloss può cambiare fino ad un massimo del 10%
 Colore: la variazione cromatica deve inferiore a 3 DECMC .
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L’ algoritmo del DECMC
dove l = 2 e c = 1
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Perché i Test di Laboratorio sono «veramente» Accelerati ?
• CICLO
• Per avere Risultati Significativi dal Florida Test è necessario attendere
ALMENO 12 mesi (maggiore Significatività ad almeno 24 – 36 mesi)
• I test di Laboratorio necessitano, invece, di Tempi di attesa che variano
tra i circa 2 mesi (1500 ore) ai circa 5 mesi (4500 kJ)
• Con una discreta correlazione con la reale Esposizione in Florida:
- 2500 kJ c.ca = a 1,5 anni di Florida
- 4500 kJ c.ca = a 3 anni di Florida
- ecc
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Cenni su uno Specifico test PPG di Invecchiamento Accelerato
La «Jacksonville Exposure» - 1
Test che viene condotto in Florida (originariamente nella città portuale di
Jacksonville, particolarmente calda, umida, soleggiata ed inquinata per
«pioggia acida») e negli ultimi anni nella Location PPG Sunrise
Ha come obiettivo la definizione della Resistenza all’ Attacco Acido di
Vernici Trasparenti (o di Smalti Mano Unica)
Viene condotto in un preciso periodo di tempo (da Maggio a Settembre –
periodo più soleggiato e caldo) su pannelli applicati con smalti (nel caso di
Trasparenti, con basi doppio strato) di colore Nero, per massimizzare l’
Irraggiamento Assorbito e l’ Evidenza del Difetto
La Valutazione è condotta seguendo una Scala di Riferimento 1 (best) – 10
(worst) . È quindi necessaria sempre la presenza di uno Std interno
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Cenni su uno Specifico test PPG di Invecchiamento Accelerato
La «Jacksonville Exposure» - 2
Trattandosi di un Test all’ Esterno di breve durata, è necessario tenere in debito conto le
condizioni climatiche realizzate in quel preciso anno (per paragonare i risultati ottenuti in
differenti annate)
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Armonizzazione FIAT/Chrysler - 1
L’ esperienza che PPG ha maturato nel corso degli ultimi mesi analizzando
le Norme Esistenti nei Capitolati Fiat e Chrysler ha permesso di
evidenziare le differenti «Filosofie» con cui i due Costruttori hanno
definito le loro rispettive Specifiche
Le principali differenze possono essere così riassunte:
Fiat -> grande Attenzione all’ Aspetto, alla resistenza al Graffio («mar») e all’ Umidità
Chrysler -> forte Accento sull’ Intensità del Test di WoM e sulle Resistenze Chimiche
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Armonizzazione FIAT/Chrysler - 2
Negli ultimi mesi i team tecnici di FIAT, Chrysler e PPG hanno quindi
focalizzato la loro attenzione sulla necessità di creare delle specifiche
armonizzate per l’omologazione dei nuovi prodotti vernicianti
L’esito di tale lavoro ha permesso di creare 4 nuove specifiche:
 PROVE DI AUTOQUALIFICAZIONE PRODOTTI VERNICIANTI PER SCOCCA
(NUOVE TECNOLOGIE)
 PROVE DI AUTOQUALIFICAZIONE PRODOTTI VERNICIANTI PER SCOCCA
(TECNOLOGIA ESISTENTE)
 PROVE DI AUTOQUALIFICAZIONE PRODOTTI VERNICIANTI PER SUPPORTI
PLASTICI (NUOVE TECNOLOGIE)
 PROVE DI AUTOQUALIFICAZIONE PRODOTTI VERNICIANTI PER SUPPORTI
PLASTICI (TECNOLOGIA ESISTENTE)
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