Invecchiamento accelerato di prodotti vernicianti La Posizione di un Produttore di vernici

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1 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

2 Presentazione personale preliminare ma rilevante - 1 Attualmente mi occupo della supervisione di Laboratori responsabili della Formulazione («Maintenance» e «ProblemSolving» 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»)

3 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 Primerizzazionee 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

4 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)..

5 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:

6 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

7 Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance) Crockmeter («graffio» a secco) Crockmeter DIN ISO 105-X12

8 Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance) Carwash(«graffio» a umido) Carwash ISO 20566

9 Cenni su Test di Resistenza al «Graffio» (Mar Resistance) Esempi di limiti di accettabilità Carwash (DIN EN ISO 20566) Crockmeter (carta da 9 µm) BMW VW Daimler Cicli Reflow 60 C 60 C 80 C Limiti (% gloss ritenuti) 60% 70% 70% Cicli 10 doppie passate 10 doppie passate eseguito ma non Reflow 60 C 80 C presente in Norme Limiti (% gloss ufficiali ritenuti) 40% 70%

10 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

11 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

12 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. Ilsitohaunaestensionedi6 ettariericevecampionidatuttiilaboratori diricercaedatuttiicustomerteamsppgmondiali. 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.

13 Il Sito PPG di Sunrise (Fort Lauderdale FL)

14 Il Sito PPG di Sunrise(Fort Lauderdale FL) Latitudine: Longitudine: I pannelli sono esposti in direzione SUD con un angolazione di 5 sul piano

15 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.

16 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 Protocolloche 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) + WoMalmeno 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

17 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 NUOVAMENTEsottoposta a Test di Durabilità agli Esterni (Esposizione in Florida e in Apparecchiature di Laboratorio)

18 Test con Apparecchiature da Laboratorio Negli ultimi decenni svariati metodi di testingsono 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

19 Esempio 1 -> il Test Weather-o-MeterFIAT 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 λ< 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

20 Ciclo Esempio 1 -> il Test Weather-o-MeterFIAT Funzionamento lampada: continuo Tempo umidificazione(spray + luce): 18 min Tempodiasciugatura+luce:102min Umidità relativa durante l asciugatura: 60% Condizioni di prova Temperatura pannello nero: 65 C ± 3 C Temperaturaariacamera: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.

21 Esempio 2 -> il Test Weather-o-MeterChrysler SAEJ 2527: Performance Based Standard for Accelerated Exposure of Automotive Exterior Material Using a Controlled Irradiance Xenon-Arc Apparatus. Impiego su vettura Esterno Ciclo: Campo di applicazione Componenti Scocca 60 minuti di buoi con spruzzatura anteriore e posteriore del pannello 40minutidiluce 20 minuti di luce con spruzzatura anteriore del pannello 60minutidiluce Durata 2500 Kj/m Kj/m2 Sorgente luminosa Xenon Filtro Boro/Boro (taglio λ< 290 nm) Intensità irradiata 0,55 ± 0,02 W/m2 a 340 nm Temperatur a pannello nero (isolato) Umidità relativa 65 ±3 C 60%

22 Esempio 2 -> il Test Weather-o-MeterChrysler 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 E CMC.

23 L algoritmo del DE CMC dove l = 2 e c = 1

24 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 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: kjc.ca = a 1,5 anni di Florida kjc.ca = a 3anni di Florida - ecc

25 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

26 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)

27 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

28 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)