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Safety – Our Actions Matter!

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


Presentazione personale preliminare ma rilevante - 1Attualmente 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 PLASTICHEdedicati al Cliente FIAT

(Marchi: Fiat, Alfa Romeo, Lancia, Maserati, Ferrari + Indotto Plastiche «Buy»)


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


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).

• .


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:


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

• Ecc…Metodi di valutazione:

Esposizione in Florida e Test di Laboratorio


Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance)Crockmeter («graffio» a secco)

Crockmeter DIN ISO 105-X12


Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance)Carwash («graffio» a umido)

Carwash ISO 20566


Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance)Esempi di limiti di accettabilità

BMW VW Daimler

Carwash (DIN EN ISO

20566)

Cicli 20 10 10Reflow 60' @ 60°C 120' @ 60°C 120' @ 80°CLimiti (% gloss ritenuti) ≥60% ≥70% ≥70%

Crockmeter (carta da 9 µm)

Cicli 10 doppie passate eseguito ma non presente in Norme

ufficiali

10 doppie passateReflow 60' @ 60°C 120' @ 80°CLimiti (% gloss ritenuti) ≥40% ≥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


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


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.


Il Sito PPG di Sunrise (Fort Lauderdale – FL)


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


La durata del Florida testI 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.


Il Database PPGAl 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

I «Customer Teams» Mondiali PPG possono utilizzare ESCLUSIVAMENTE Pigmenti Preventivamente Approvati dalle ns Piattaforme di Valutazione

- 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


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)


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


Esempio 1 -> il Test Weather-o-Meter FIAT • Norma Materiali 50451: Invecchiamento accelerato agli agenti

atmosferici.

• 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

Metodo Impiego su

vettura

Campo di applicazione

Durata Sorgente luminosa

Filtro Intensità irradiata

Temperatura 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%


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.


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.

• 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

Impiego su

vettura

Campo di applicazione

Durata Sorgente luminosa

Filtro Intensità irradiata

Temperatura pannello

nero (isolato)

Umidità relativa

Esterno Componenti

Scocca

2500 Kj/m2

4500 Kj/m2

Xenon Boro/Boro (taglio < 290

nm)

0,55 ± 0,02

W/m2 a 340 nm

65 ± 3 °C 60%


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 .


L’ algoritmo del DECMC

dove l = 2 e c = 1


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


Cenni su uno Specifico test PPG di Invecchiamento Accelerato

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

La «Jacksonville Exposure» - 1

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


Cenni su uno Specifico test PPG di Invecchiamento Accelerato

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)

La «Jacksonville Exposure» - 2


Armonizzazione FIAT/Chrysler - 1L’ 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


Armonizzazione FIAT/Chrysler - 2Negli 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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