STRUMENTO DI CARATTERIZZAZIONE PER LA MISURA DEGLI INDICI PRESTAZIONALI LEGATI A
II.3 Case studies
II.3.1 Sostituzione dei processi galvanici nel settore automotive con processi a ridotto impatto ambientale
Il progetto ha avuto come obiettivo la realizzazione di rivestimenti con determinate proprietà estetiche e funzionali utilizzando processi a ridotto impatto ambientale. Attualmente la quasi totalità dei componenti decorativi presenti sugli autoveicoli, sono prodotti con tecnologie galvaniche. Tuttavia tali tecnologie hanno un elevato impatto ambientale, per cui si presenta la necessità di sostituirli.
In aggiunta lo smaltimento dei liquidi elettrolitici comporta un aumento dei costi di produzione nonchè l’impiego e la manipolazione di sostanze chimiche, tossiche e pericolose come il cromo esavalente che risulta essere particolarmente cancerogeno. Nel settore automotive si assiste ad un aumento significativo dell’utilizzo di profilati e modanature cromate con substrato plastico in sostituzione dei precedenti profilati metallici. Ciò è da attribuire al basso costo del componente e alla facilità di adattamento alla scocca.
L’utilizzo di substrati plastici, ha reso più complesso e critico il processo di produzione galvanica poiché, come noto, le materie plastiche non sono conduttive.
1. durante la fase di produzione dei componenti plastici inserendo all’interno filler metallici;
2. realizzando un preventivo rivestimento (di solito di Nickel o Rame) applicato mediante electroless deposition.
L’utilizzo di processi PVD (Physical Vapour Deposition) risolve tutte le problematiche sopra elencate, ottenendo prodotti competitivi. Infatti per questa tipologia di processo, la conducibilità del substrato è ininfluente, lo spessore è omogeneo su tutta la superficie esposta (a differenza dei processi galvanici che sono soggetti all’effetto punta) e come conseguenza le proprietà termo-meccaniche, oltre ad essere uguali e/o superiori ai rivestimenti galvanici, risultano le stesse in ogni punto del componente rivestito. Infine sono processi più veloci rispetto ai galvanici (maggior rivestimenti prodotti a parità di tempo) ed environmental friendly.
Il progetto è stato sviluppato con una prima fase di scounting durante la quale è stata realizzata una caratterizzazione completa di componenti cromati attualmente presenti nel settore automotive (marche nazionali ed internazionali). Questa fase è stata necessaria per determinare gli standard di riferimento dello stato dell’arte per poi procedere alla progettazione e realizzazione di componenti innovativi concorrenziali. La caratterizzazione effettuata in tale ambito e nello sviluppo successivo del progetto, è stata basata su capitolati automotive utilizzati comunemente per l’accettazione dei componenti cromati. In tale ambito è stato inoltre verificato che la quasi totalità dei componenti cromati era provvisto di substrato plastico.
Facendo riferimento esclusivamente alle analisi effettuate con lo strumento per la misura dell’angolo di contatto, la prima analisi è stata volta ad esaminare le proprietà chimico- fisiche dei differenti substrati tipicamente utilizzati per questo tipo di applicazione. In particolare sono stati analizzati polimeri rigenerati di Acrilonitrile-Butadiene-Stirene (ABS) ed una miscela ABS- Policarbonato (ABS-PC).
Le misure sono state effettuate utilizzando l’acqua distillata, la glicerina e il diiodometano, secondo il modello di Van Oss-Chadhury-Good (ref. Paragrafo I.3 e II.1).
(a) (b)
Figura II.6 angolo di contatto dell’ ABS/PC. (b) angolo di contatto dell’ABS
Come dimostrato dalle micrografie precedenti si evidenzia che la bagnabilità dell’ABS/PC è pari a 81.5° mentre nel caso del ABS è di 83,6°.
I singoli valori degli angoli di contatto e l’energia superficiale, nelle differenti componenti, sono riportati nelle seguenti tabelle:
(a)
(b)
Figura II.7 (a) angoli di contatto ed energia superficiale dell’ ABS/PC rigenerato. (b) angoli di contatto ed energia superficiale dell’ ABS rigenerato.
Dai risultati riportati in Figura II.7, si evidenzia che le energie superficiali, per questo tipo di materiale, sono molto basse, pertanto, la possibilità di applicare un rivestimento di cromo PVD ben compatto ed aderente al substrato è particolarmente difficile.
A seguito di questa prima analisi sono stati investigati anche dei campioni nuovi di polimeri puri quali ABS e Policarbonato prodotti da Goodfellow (grado di purezza superiore al 99%).
Di seguito si riportano i valori di bagnabilità riferita all’acqua e i singoli valori degli angoli di contatto ed energia superficiale.
(a) (b)
Figura II.8 (a) Bagnabilità (riferita all’acqua), valori degli angoli di contatto ed energia superficiale per ABS (a) e PC (b)
Da questa indagine è stato dimostrato che i materiali che si prestano meglio a questo tipo di applicazione sono l’ABS ed il policarbonato della Goodfellow, infatti per quanto concerne la bagnabilità, essi presentano valori paragonabili con i restanti materiali, mentre hanno valori di energia superficiale al di sopra degli altri due materiali investigati in precedenza (Figura II.9).
Figura II.9 Confronto delle energie superficiali delle quattro tipologie di substrati polimerici
L’incremento di energia superficiale è legato a due aspetti fondamentali: la chimica e la morfologia della superficie. Per quanto concerne la chimica i primi due materiali, sono materiali rigenerati e presentano di conseguenza contaminanti superficiali, mentre i due materiali Goodfellow hanno un elevato grado di purezza chimica certificata dalla ditta produttrice.
In questo tipo di caratterizzazione, come descritto nel paragrafo I.4, la rugosità rappresenta un aspetto cruciale. Sulla base di questa considerazione sono state effettuate delle analisi tramite Microscopia Elettronica a Scansione (SEM) sui quattro materiali, volte ad identificare la morfologia della superficie.
(a) (b)
Figura II.10 (a) Campione di ABS rigenerato – SEM – SE – 15 kV – 10.000X. (b) Campione di ABS Goodfellow - SEM – SE – 15 kV – 10.000X.
Nelle micrografie di Figura II.10 sono state confrontate, a titolo di esempio, le morfologie del campione di ABS rigenerato e quella dell’ ABS puro della Goodfellow. Si dimostra che la superficie di quest’ultimo campione appare più liscia e meno porosa rispetto a quella dello stesso materiale rigenerato. L’incremento sostanziale di energia superficiale nel campione della Goodfellow è dovuto al fatto che si crea un contatto completo tra le gocce dei liquidi usati e la superficie, invece nel caso dell’ABS rigenerato, probabilmente, in alcune zone si verificano regimi di Cassie-Baxter (ref paragrafo I.4) secondo i quali rimangono delle bolle d’aria intrappolate all’interno delle asperità della superficie che non consentono ai liquidi di penetrare all’interno. Tale fenomeno comporta una riduzione significativa del valore dell’energia superficiale, pertanto ai fini di questa attività sono stati presi in esame come substrati solamente i due polimeri puri (ABS e PC).
I due substrati sono stati rivestiti tramite spruzzatura con un bondcoat polimerico Marbo volto a livellare la superficie del substrato; al di sopra di questo interlayer, è stato depositato uno strato di Cromo mediante processo PVD.
L’attività a valle dell’individuazione del substrato è stata orientata all’ottimizzazione del bondcoat e dello strato di Cromo (ottimizzazione dei parametri di deposizione) al fine di avere un rivestimento che avesse le medesime proprietà e prestazioni del comune rivestimento cromato per via galvanica.
Durante la fase di ottimizzazione del rivestimento sono stati effettuati differenti test secondo le normative di accettazione automotive delle principali case automobilistiche nazionali ed internazionali (Tabella II-3).
L’obbiettivo di questi test è stato quello di caratterizzare in modo completo i rivestimenti realizzati in modo da ottenere un prodotto che avesse le medesime proprietà dei rivestimenti galvanici attualmente impiegati nel settore automotive.
Il risultato ottimale è stato ottenuto tramite la realizzazione di un rivestimento di 30 nm di Cromo che dal punto di vista estetico (aspetto superficiale, brillantezza e colore), di aderenza al substrato e di resistenza a corrosione e cicli termici è confrontabile ed in alcuni casi superiore a quello galvanico.
Si sottolinea che la misura di bagnabilità ed energia superficiale rappresenta un metodo di caratterizzazione previsionale dell’adesione del coatings sul substrato; tale tecnica è complementare allo scratch test o al cutting & tape test che valutano l’effettiva adesione del rivestimento a seguito della deposizione.
È evidente l’utilizzo sinergico di entrambe le tecniche, infatti mentre la misura della bagnabilità e dell’energia superficiale possono essere impiegate prima della deposizione, le altre due caratterizzano il materiale a valle della deposizione.