この記事では、ドリーと接着剤の界面で強固な接着を確保するためのドリーの準備過程と、プルオフ接着試験の再現性を最大化するための重要性について説明します。
のような携帯型プルオフ付着性試験機です。 PosiTest ATのような携帯型付着性試験機は、指定された直径の塗膜を基材から引き剥がすのに必要な力を測定します。この測定された引き剥がし力によって、塗膜と基材との接着強度を直接的に示すことができます。接着剤と準備の悪いドリーの間の意図しない接着不良など、プルオフのばらつきの原因を排除することで、接着試験の結果はより有意義で予測可能なものになります。
プルオフ式付着性試験機の主な構成要素は、圧力源、圧力ゲージ、アクチュエータです。操作時には、プルスタブ（ドリー）の平らな面を評価対象の塗膜に密着させます。接着剤を硬化させた後、アクチュエーターからのカップリングコネクターをドリーに取り付けます。圧力源を作動させることにより、システム内のアクチュエータにゆっくりと圧力が加えられる。アクチュエーター内の圧力が塗膜と基板間の接着力より大きくなると、剥離が起こり、アクチュエーターとドリーのアセンブリが塗膜を基板から持ち上げます（図1参照）。システムの圧力計の最大圧力表示から、引き剥がしの発生した圧力が直接読み取れます。
Standard 引き剥がし試験の理論や要求事項の詳細については、 ISO 4624「塗料とワニス-付着力の引き剥がし試験」とASTM D4541「ポータブル付着性試験機を用いた塗膜の引き剥がし強さの試験方法」の2つの国際規格を参照してください。
プルオフ式接着試験機用のドリーは、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼を含む様々な金属で構成されています。この研究では、ASTM D 4541の付属書A5（図2参照）で提案されているDeFelskoPosiTest AT Pull-off Adhesion Testerに使用する使い捨てアルミニウムドリーに焦点を当てて試験を実施しましたが、ここで述べる原則はすべてのタイプのドリーに適用されます。ドリーの前処理は通常、脱脂、研磨、洗浄の3つの重要な工程で構成されています。
脱脂とは、接着する表面に付着した微量の油脂を除去することです。ドリーを扱う人の皮膚に付着した油分も含まれることがあります。磨耗とは、ドリー表面の形状を積極的に変化させることです。摩耗の主な目的は、接合に必要な表面積を増やすことと、酸化や錆を除去することの2つです。洗浄とは、接合する表面から、特に磨耗によって生じた緩い粒子を取り除くことです。
一部の台車は出荷前に加工され、加工工程とその後の取り扱いや梱包で汚れが除去されるため、お客様による脱脂の手間を省くことができます。
通常、メーカーはドリーを接着する前の準備を容易にするために、適切な機器、材料、指示をお客様に提供します。メーカーが推奨する準備方法は、ドリーの摩耗および洗浄方法に関する広範なラボ試験に基づいている必要があります。また、準備方法は、作業者や用途によって結果が再現できるように、明確でシンプルかつ詳細であるべきです。
以下のドリーの準備推奨事項は、一般的に受け入れられている方法の調査結果とその後の実験結果を用いて、調査対象のAnnex A5接着試験機に対して最適化されたものです1。
製品検証の設計段階で以前に実施した試験と比較の結果を検証し、まとめるために詳細な実験が開発されました。この実験の目的は、酸化とドリーの準備（脱脂、磨耗、洗浄）が接着に及ぼす影響を直接測定することでした。試験方法は、48個のアルミニウム製試験ドリーを、他の試験で選択した適切な接着剤でコーティングされた炭素鋼プレートにランダムに接着させるというものでした。この試験の目的は、接着剤とドリーの間の接着強度に影響を与える要因を評価することであったため、非常に強い接着力と凝集力を持ち、以前に選択したアラルダイト2011接着剤にもよく接着する基材とコーティングの組み合わせを開発することが試みられました。これを達成するために、同じアラルダイト2011を4ミルコーティングして、船体から取り出した厚さ1/4インチの炭素鋼板に焼き付けました。鋼板は、表面の腐食や汚れを数ミリ単位で削り取り、アルコールと乾いた布で拭いて慎重に準備しました。その結果、48回の引き剥がし接着試験で意図しないコーティングの失敗を防ぐために、十分な接着強度を持つコーティング基材を得ることができました。
試験用ドリーは、研磨方法、酸化期間、洗浄方法、接着剤の硬化時間によって均等に分けられました。ドリーの研磨方法は、機械研磨、エンドミル加工、ファイングリットサンドペーパー、スコッチブライトパッドによる研磨の4種類としました。各研磨ドリーのグループは、塗布前に3種類の時間間隔（7日間、24時間、数分間）で空気に触れさせたままにしておきました。コーティングの前に、ドリーは乾いた布で拭かれるか、アルコールを浸した綿棒で洗浄され、その後乾いた布で拭かれました。その結果、それぞれの方法で2つのサンプルを作成することができた。これらのサンプルを24時間または5日間硬化させた後、引張試験を行いました。
結果は各要因ごとに集計され，12個のドリーの各セットにおける研磨方法別の平均結果を表1に示す。予想通り、準備のための重要な要因は磨耗の方法であった。ドリーの磨耗方法と結果を比較すると、予測できるパターンが浮かび上がってきた。最も接着力が弱かったのは、機械加工のみとエンドミル加工を施したドリーであった。これらのドリーは、接着剤とドリーの結合がほぼ100%失敗した。これは、どちらの加工方法でもドリーの表面は比較的滑らかであることから予想されたことですが、エンドミル加工ではドリーの表面に目に見える大きな溝が付けられました。この溝によってドリーの表面積が増加するため、接着強度がわずかに高くなり、破壊に至ったものと思われます。
これまでの試験と同様に、スコッチブライトパッドが最も高い総合接着強度を示し、サンドペーパーはその次に高い接着強度を示しました。スコッチブライトとサンドペーパーの目視による研磨結果はほぼ同じですが、スコッチブライトのような三次元研磨コンディショニングパッドによる微細構造（表面形状）が、より接着に寄与しているものと思われます。接着のためには、何らかの毛細管反応によって接着剤が微細構造内に引き込まれることが必要であり、砥粒や研磨方法によるわずかな変化が大きな影響を与える可能性があります。
もう一つの興味深い結果は、サンドペーパーとスコッチ・ブライトの間で、引き剥がしのばらつきが著しく大きいことである。この結果は、サンドペーパーの表面にアルミニウムが急速に蓄積され、使用後にクリーニングすることが困難であることと関係があると思われます。 その結果、すべての台車に同じ微細構造が得られるとは限りません。スコッチ・ブライト・パッドは、アルミニウムの粉塵をその生地を通して落下させるため、より再現性の高い微細構造を得られると思われます。また、スコッチ・ブライト・パッドは摩耗の速度が遅く、交換の頻度も少なくて済みます。
摩耗後の酸化時間に基づく平均的な接着不良を表2に示す。このように接着強度に比較的小さな差があるのは、アルミニウム製ドリーの酸化による影響が限定的であったためと考えられます。アルミニウムは通常、空気に触れるとすぐに薄い酸化アルミニウム層を生成するため、汚染されていないドリーは長期的な暴露の影響を受けないのが合理的です。他の種類のドリー、特に炭素鋼では、酸化の影響がより大きくなる可能性があります。
接着前の洗浄方法による接着不良の平均値を表 3 に示す。このわずかな差は、出荷前にドリーを加工することで、お客様が丁寧に扱う限り、使用前にドリーを脱脂する必要性がなくなるという説をさらに裏付けるものです。
仮説の立案、要因の選択と排除は、過去のいくつかのテスト、比較、実験に基づいていることに留意することが重要である。除外された要因のいくつかと、関連するテスト結果を以下に簡単に紹介する。
ショットブラストドリーの効果をエンドミル加工と比較しました。異なるメーカーによる3種類のエポキシ樹脂が利用された。2つの研磨方法を用いて合計24個のドリーを作製し，ブラスト処理された白色エポキシ樹脂コーティング鋼板に強力に接着させた．ドリーと接着界面の平均接着破壊強度は，ショットブラスト処理したドリーで2686psi，エンドミル処理したドリーで2786psiであった．その後の文献調査により，ショットブラストの期待される利点は，ドリーが調製後数時間以内にコーティングに接着した場合にのみ実現される可能性があることが指摘され，この結果の説明に役立った．2
クロム酸や硫酸でアルマイト処理され、封孔処理されたアルミニウムは、脱脂と軽い磨耗の後に接合することが一般的です。リン酸アルマイトの表面特性は前処理なしで直接接合するのに最適なものですが、処理したドリーはアルマイト処理後数時間以内に接合しないと効果がありません。2この理論を、アルマイト処理後約1週間後に接着したドリーの少量サンプルで検証しました。この接着の遅れは、輸送や取り扱いに時間がかかることが主な原因です。また、これらの接着試験用ドリーは、エンドミル加工されたドリーとの比較試験も行われました。アルマイト処理されたドリーの接着強度は20～30％低くなりました。
ドリーの接着性を最大限に高めるため、アルミニウム表面用プライマーを使用して接着試験を行いました。テストした表面プライマーは、ヘンケル社のAlodine 1132で、軍用塗料として高く評価されています。接着試験では、機械加工、エンドミル加工、サンドペーパー加工、ショットブラスト加工など、さまざまな磨耗方法のドリーを同数ずつ使用しました。さらに、6種類の2液型エポキシ樹脂が使用されました。その結果、ヘンケルを使用した場合の平均接着破壊強度は1776 psiであったのに対し、使用しなかった場合は2277 psiでした。この結果は、さまざまな要因の組み合わせによるものと思われます。その最たるものは、ヘンケル製品は非常に優れた接着剤ではあるものの、プルオフ接着試験に必要な引張強度を必ずしも備えていないことです。ヘンケル社の製品は、接着剤と研磨方法の組み合わせによってはプルオフ試験の強度を向上させることができましたが、全体としては接着試験の測定値が低くなったことに留意する必要があります。
最後に注目すべきは、ドリーの脱脂・洗浄である。簡単にまとめると，研磨され，丁寧に扱われたドリーは，特別な脱脂洗浄方法を必要としなかった。メチルエチルケトン、アセトン、アルコールで拭いても、乾いた布で拭いても、接着破壊強度に統計的な有意差は見られなかった。ドリーを研磨した後、洗浄や脱脂を行わずに直接接着した場合、ドリーと接着剤の界面における平均接着強度は低くなりました。顕微鏡で観察したところ、このような不具合で塗膜に残った接着剤は、表面に目に見える汚染物質が多い傾向があり（特にサンディングなどの磨耗による）、接着強度が低いことが確認されました。
その結果、ショットブラスト、アルマイト、化成皮膜、脱脂などの工程を追加するとコストが高くなることから、よりシンプルで、お客様の現場で実施しやすいプロセスを開発することになりました。
ドリーの準備に直接関係するお客様からのお問い合わせで多いのが、使い捨てのドリーの再利用です。このような要望は、通常、より高価なスチール製ドリーを使用する付着性試験機に慣れているお客様から出されます。このようなアプリケーションでは、ドリーのコーティングと接着剤を加熱と時間のかかる擦過で除去できるような装置をカスタマイズして提供しています。ドリーの再利用回数は、再利用前のドリー表面の磨耗によってのみ制限されるのが一般的です。
多くの検査官との議論によると、試験結果の重要な証拠としてドリーを維持する必要性があるため、ドリーの再利用という考え方を無視することが多いようです。また、ドリーを品質記録として永久保存し、引き剥がしの成功を証明するとともに、引き剥がした塗膜の厚さなどの関連情報を提供することを選択するお客様もいらっしゃいます。ドリーの再利用をなくすための一つの方法として、より安価な使い捨てドリーを用意し、お客様が試験後に保存または廃棄することを選択できるようにすることがあります。
台車を元の状態に戻すことができれば、再使用に支障はないと思われます。しかし、ドリーに著しい損傷や摩耗が生じた場合は、再使用を強くお勧めしません。アルミニウム製ドリーの場合、高圧引き抜き時にクイックカップリングによって傷がつくことがよくあり、そのような場合はすぐに再利用できます。ドリーの表面は、以前のテストコーティングや接着剤を洗浄する際に、繰り返しサンディングや機械加工を行ったため、凹凸がある場合があります。
この記事で紹介した実験、試験、比較は、再現性のあるプルオフ接着試験のためにドリーを適切に準備するために必要な装置と方法をメーカーが提供する必要性を示しています。ドリーを準備するための化学的および機械的な解決策は無限にありますが、ドリーを研磨するためのより簡単で安価な方法が存在する可能性があることを示唆しています。調査した特定のアルミニウム製ドリーの場合、スコッチブライトパッドによる研磨と乾いた布によるクリーニングで、接着剤とドリーの不具合によるプルオフ接着試験の失敗をなくすには十分すぎるほどの効果が得られました。
また、記事の中で簡単に触れている実験結果は、異なる材料と接着剤の組み合わせでも、それぞれに最適な準備方法がある可能性を示しています。実験では、研磨方法を変えることで、ある種類の接着剤では接着強度が上がり、別の種類の接着剤では接着強度が下がることが分かりました。特定の接着剤とそれに関連するドリーの準備工程では、予備的な接着破壊強度がやはり著しく低かったため、これらの代替案すべてが十分に検討されたわけではありません。塗膜の適合性や硬化時間などの要因により、特定の接着剤の使用が制限される場合があります。この記事で取り上げた要因を、メーカーが推奨するドリーの準備方法をお客様が変更した場合の選択と検証の枠組みとして使用することをお勧めします。
詳細については、当社の PosiTest AT接着力テストの資料、ドリーをご覧ください。
DeFelskoは、Vantico社のデザインエンジニアであるMike Munsell氏から貴重な技術支援を受け、またBill Corbett氏とKTA-Tator社からは、PosiTestのテスト段階でサンプルを提供し、現場経験を共有していただいたことに感謝いたします。
Œ スコッチブライトは3M社の登録商標です。
1"Adhesion and Adhesives Technology", Dr. Alphonsus V. Pocius, ハンザー出版, Cincinnati, Ohio, USA
2"表面処理と前処理", Vantico Ltd, Duxford, Cambridge, UK
