Prova di durezza al pendolo

1 Definizione di durezza e elasticità

La durezza è definita dalla norma DIN EN ISO 4618 [1]. È la resistenza di un rivestimento a una forza meccanica come la pressione o il graffio. Può essere causata dalle spazzole dell'autolavaggio, dai graffi di arbusti o rami di alberi, dalle unghie, da animali come un gatto seduto sul cofano dell'auto o dall’urto con la chiave della porta di casa o inconsapevolmente da gioielli appuntiti. L’elasticità, come definita nella norma ISO 1520 [2], è la resistenza di rivestimenti, pitture, vernici e prodotti correlati alla fessurazione e/o al distacco dal substrato o alla deformazione. L’elasticità è una resistenza dinamica del rivestimento. Può essere valutata con una deformazione veloce o lenta.

2 Smorzamento del pendolo – Una misura per l’elasticità

La prova del pendolo è spesso erroneamente definita una prova di durezza, sebbene valuti il comportamento elastico e viscoelastico di un rivestimento. In questa prova si valuta l'ampiezza di oscillazione di un pendolo. Il pendolo poggia sulla superficie del rivestimento con due sfere e viene messo in oscillazione. Quanto più velocemente diminuisce l'ampiezza, tanto più morbido è il rivestimento. Lo smorzamento del moto del pendolo si basa sul ritardo del recupero elastico del rivestimento dopo che è stato deformato dalle sfere di contatto.
Questo metodo è adatto alla valutazione oggettiva di sistemi sia monostrato che multistrato. Può essere utilizzato nello sviluppo di nuovi rivestimenti e nel controllo di qualità per i lotti.
 

3 Principio di misura della prova di durezza al pendolo

Un pendolo viene posizionato sulla superficie di un rivestimento e messo in oscillazione secondo un determinato angolo di deflessione. Lo strumento misura il periodo di tempo o il numero di oscillazioni in cui l'ampiezza dell'oscillazione scende a un valore definito dalla norma. Due tipi di pendoli sono standardizzati nelle norme ISO e ASTM, che differiscono per forma, massa, tempo di oscillazione e altri parametri [2,3]. Più breve è il tempo di oscillazione, minore è la durezza del film di vernice. A seconda delle specifiche, devono essere registrati nel rapporto di prova il numero di oscillazioni o il tempo di smorzamento in secondi.

3.1 Smorzamento del pendolo con pendolo König 

Il pendolo König ha una forma triangolare e poggia su due sfere di carburo di tungsteno di 5 mm di diametro distanti 30 mm (Fig. 2). Il peso del pendolo è di 200 g. Nel test König, il periodo di smorzamento viene misurato da 6° a 3° di deflessione.  Alla posizione di 3°, il conteggio si ferma.
Per regolare la frequenza di oscillazione naturale, all'asta di supporto verticale è fissato un contrappeso. Facendolo scorrere verso l'alto e verso il basso, il pendolo viene regolato al momento della fabbricazione. Questa calibrazione viene eseguita su una lastra di vetro piatta, impostando un periodo di oscillazione di 1,4 ± 0,02 sec. La lastra di vetro viene fornita come piastrella di riferimento per la verifica del sistema di misura, sulla quale si ottiene il valore medio di tre misurazioni.
 

3.2 Smorzamento del pendolo con pendolo Persoz  

TIl pendolo Persoz è rettangolare e poggia su due sfere di carburo di tungsteno, ciascuna di 8 mm di diametro e distanti 50 mm (Fig. 3). Il peso totale del pendolo è di 500 g. Il periodo di smorzamento viene misurato tra 12° e 4° di deflessione. Alla posizione di 4°, il conteggio si ferma.
Con il pendolo Persoz non c'è contrappeso da regolare, quindi le dimensioni, la massa totale e il baricentro del pendolo devono essere progettati con estrema precisione per ottenere una frequenza di oscillazione naturale di 1 secondo e un periodo di smorzamento di 430 secondi su una lastra di vetro piatta. La lastra di vetro viene fornita come piastrella di riferimento per la verifica del sistema di misura, sulla quale si ottiene il valore medio di tre misurazioni.

3.3 Tabella di confronto: Pendolo König vs. Pendolo Persoz

Poiché i risultati della misurazione sono fortemente influenzati dall'interazione tra il pendolo e il rivestimento e dalle proprietà elastiche e viscoelastiche del rivestimento, i risultati della misurazione dei due metodi di prova non possono essere confrontati tra loro. Pertanto, è necessario confrontare solo i risultati di un metodo.
Nel caso di superfici con un basso coefficiente di attrito, il pendolo di Persoz può slittare, falsando i risultati della misurazione. In genere, il pendolo Persoz viene utilizzato per i rivestimenti più "morbidi".
 

Immagine 1 Principio di misurazione della prova del pendolo

Immagine 2 byko-swing con pendolo König

Immagine 3 byko-swing con pendolo Persoz

4 Condizioni di prova e preparazione del campione

Per ottenere risultati di misura comparabili e riproducibili, è importante definire sia le condizioni ambientali (temperatura e umidità) durante la prova, sia lo spessore del substrato e del rivestimento. I risultati dello smorzamento del pendolo di un rivestimento su vetro, metallo o plastica saranno molto diversi. 
I pannelli devono essere piatti e privi di distorsioni. Devono essere rigidi o sufficientemente spessi da non deformarsi durante il test. Si consiglia di utilizzare lastre di metallo o di vetro di dimensioni pari a 100 mm x 100 mm x 5 mm. 
Il rivestimento deve essere uniforme e privo di difetti, mentre i risultati della misurazione dipendono fortemente dallo spessore del rivestimento. Lo spessore minimo del rivestimento deve essere di 30 µm. Inoltre, i campioni rivestiti devono essere essiccati o cotti secondo le specifiche concordate e condizionati a temperatura ambiente (23 ± 2 °C) e umidità relativa (50 ± 5%) per almeno 16 ore.   
Nel caso di sistemi elastici o viscoelastici, la norma raccomanda di controllare regolarmente i pannelli per un determinato periodo di tempo (giorni, settimane), in modo da poter registrare i valori di qualsiasi cambiamento dovuto all'ulteriore indurimento.
 

5 Esempi di applicazioni tipiche per la prova del pendolo

5.1 Elasticità di vernici per pavimenti in legno

Per i pavimenti in legno sigillati, le proprietà elastiche della vernice sono un importante criterio di qualità. Esiste un'ampia gamma di vernici trasparenti con aspetto lucido da alto a opaco. Il requisito per la vernice trasparente è che deve resistere a un'ampia varietà di carichi. Ad esempio, se un tavolo o una sedia vengono trascinati sul pavimento, non devono essere visibili segni di attrito. Lo stesso vale per il carico durante la pulizia del pavimento con una lavasciuga o una spazzola. Inoltre, in questo caso il pavimento in legno duro non deve presentare alcun segno. In altre parole, la sfida consiste nel garantire che il rivestimento trasparente sia da un lato duro, in modo da essere durevole, e dall'altro elastico, in modo da potersi rilassare senza problemi dopo il carico.

5.2 Elasticità di vernici automotive per parti esterne in plastica

Soprattutto i rivestimenti automobilistici su substrati in plastica devono essere elastici. A seconda della temperatura (calda o fredda), le plastiche cambiano le loro dimensioni molto più dei substrati metallici. Si flettono molto di più sotto carico e tendono a deformarsi piuttosto che a rompersi. Per questo motivo, nella formulazione della vernice vengono utilizzati componenti più elastici rispetto alla verniciatura OEM per la carrozzeria. Pertanto, la lucidatura della superficie di un paraurti in plastica rappresenta una sfida anche per il trasparente. Il suo compito è quello di mostrare una grande elasticità per far fronte agli scenari descritti sopra, ma allo stesso tempo non deve essere troppo morbido, perché altrimenti anche una piccola scheggia di pietra si manifesterebbe in una mini-ammaccatura permanente sulla superficie della vernice che non si recupererebbe più. Il test di smorzamento al pendolo simula molto bene le sollecitazioni dei movimenti di lucidatura e valuta in modo oggettivo l'elasticità del trasparente.  

Immagine 4 Pulizia di pavimento in legno

Immagine 5 Lucidatura di componente auto

6 Precisione e ambiguità dei risultati di misura

Si raccomanda di eseguire una prova in tre punti diversi dello stesso pannello campione. Sia il valore medio che l'intervallo di valori misurati devono essere documentati nel rapporto di prova. Per valutare la significatività dei risultati di misura nelle prove di confronto, sono state eseguite prove di ripetibilità all'interno di un laboratorio e prove di riproducibilità tra laboratori diversi, documentate nelle dichiarazioni di precisione della norma ISO 1522 e della norma ASTM D 4366.

6.1    6.1    Precisione secondo ISO 1522

TLa ripetibilità (r) è la differenza tra due misurazioni ripetute a un livello di confidenza del 95%. Entrambi i test sono stati eseguiti dallo stesso operatore in un laboratorio con due misurazioni ciascuna su un pannello.
La riproducibilità (R) è la differenza tra due risultati di prova ottenuti da operatori e laboratori diversi sullo stesso materiale di prova a un livello di confidenza del 95%. Per ciascun laboratorio, è stato indicato il valore medio di due risultati di prova.

6.2   6.2    Precisione secondo ASTM D 4366

La dichiarazione di precisione in ASTM D4366 è stata eseguita per il metodo Persoz con cinque laboratori su sei pannelli rivestiti con un ampio intervallo di durezza. Per ogni pannello campione è stata presa la media di 2-3 misurazioni. 
I risultati sono stati gli stessi della ISO 1522 con un livello di confidenza pari al 95%.
 

7 Sommario

Il metodo dello smorzamento a pendolo è adatto per valutare l'elasticità dei rivestimenti. L'obiettivo è quello di fornire ai rivestimenti una specifica resistenza alla deformazione. Il tipo di deformazione da valutare in questo metodo rappresenta uno sfregamento sulla superficie (ad esempio, lucidatura di vernici per autoveicoli o pulizia di pavimenti in legno duro). Questo tipo di usura può essere valutato in modo oggettivo con il metodo di smorzamento del pendolo, in cui un pendolo poggia su due sfere sulla superficie e viene messo in oscillazione.   
Un test automatizzato è di grande vantaggio, in quanto la ripetibilità può essere aumentata notevolmente. Il byko-swing offre una procedura di prova completamente automatizzata, in cui il campione viene posizionato automaticamente, il pendolo viene portato nella posizione di spostamento corretta e il tempo di smorzamento viene registrato automaticamente. Inoltre, la fornitura comprende una copertura protettiva in acrilico di alta qualità (già premontata) per garantire che nessuna corrente d'aria possa falsare i risultati durante il test.