Maalipinnoitettujen ohutlevytuotteiden kulutuskestävyys

Miksi maalipinnoitteiden kulutuskestävyys on tärkeää? Koko maalipinnan läpäisevä naarmu tai muu kuluminen voi aiheuttaa korroosio-ongelmia, jotka lyhentävät tuotteen käyttöikää. Jos kuluminen on pinnallisempaa, on kyseessä yleensä vain visuaalinen ongelma. Molemmissa tapauksissa tuotteen valmistajalle saattaa kuitenkin tulla kulumisesta johtuvia asiakasreklamaatioita. Kulutuskestävyyttä tutkitaan menetelmillä, joilla pyritään simuloimaan maalipinnoitetun ohutlevytuotteen altistumista kulumiselle elinkaarensa aikana, kuten esimerkiksi puhdistettaessa tai asennuksen aikana tapahtuvassa hankauksessa. Maalipinnoitettua ohutlevyä käytetään materiaalina rakennusten vesikatoissa, julkisivuissa sekä sadevesijärjestelmissä. Tässä artikkelissa käsitellään biopohjaisten pinnoitteiden kulutuskestävyyden tutkimusta ohutlevytuotteissa ja esitellään alustavia tutkimustuloksia.

Biopohjaiset pinnoitetut ohutlevytuotteet -hanke

Hämeen ammattikorkeakoulun HAMK Tech -tutkimusyksikössä ohutlevytutkimus keskittyy tällä hetkellä erityisesti biomaaleilla pinnoitettujen ohutlevytuotteiden tutkimukseen. Kulutuskestävyyden tutkiminen kuuluu osana ”Biopohjaiset pinnoitetut ohutlevytuotteet” -hankkeeseen, jossa tutkitaan maalipinnoitettuja ohutlevytuotteita, joiden valmistuksessa on käytetty biopohjaisia komponentteja. Hanke tuottaa tietoa siitä, miten bio-osuuden lisääminen maaliin vaikuttaa tuotteen mekaanisiin ominaisuuksiin ja kulutuskestävyyteen sekä muovattavuuteen ja huoltomaalattavuuteen. Tavoitteena on myös kehittää uusia tutkimusmenetelmiä biomaaleilla pinnoitetuille ohutlevyille.

Hankkeessa kulutuskestävyyttä tutkitaan hankausta tuottavalla kulutusmenetelmällä, jolla voidaan simuloida ohutlevytuotteelle normaalisti tehtävää käsittelyä kuten puhdistusta, mutta myös esimerkiksi hiekan kanssa kosketuksiin joutumisesta aiheutuvaa kulumista. Ohutlevyt saattavat asennuksen yhteydessä liikkua toisiaan vasten aiheuttaen hankaavaa kulumista.

Hankauskulutustestaus

HAMK Tech -tutkimusyksikköön on hankittu hankauskulutuslaite, jolla tutkitaan enimmäkseen juuri maalipinnoitettujen ohutlevyjen kulutuskestävyyttä. Taber-hankauskulutuslaite (kuvassa 1) kehitettiin jo 1930-luvulla kiihdytettyjen kulutustestien tekemiseen. Laitteesta on kehittynyt kulutustestauksen standardi, jota käytetään maailmanlaajuisesti esimerkiksi laadunhallinnassa ja tuotekehityksessä sekä materiaalien ja pinnoitteiden ominaisuuksien tutkimisessa. Tulokset saadaan nopeasti ja testaus on yksinkertaista. Laite soveltuu hyvin laajan materiaalikirjon tutkimiseen tekstiileistä metalleihin, ja siihen viitataan useissa eri standardeissa. (Taber Industries, 2019)

Tutkimusmenetelmässä vastakkaisiin suuntiin pyörivät kulutuspyörät kuluttavat näytteen pintaan kuvan 2 mukaisen hankauskuvion. Myös näytelevy alustoineen pyörii akselinsa ympäri, maalipinnoitteiden tapauksessa nopeudella 60 kierrosta minuutissa. Kulutuspyöriä on olemassa erilaisia, mutta alumiinioksidi- tai piikarbidipartikkeleista valmistetut kulutuspyörät on todettu maalipinnoitteille parhaiten soveltuviksi. (Taber Industries, 2019) Näytelevy voi olla joko pyöreä tai neliömäinen riippuen siitä, kumman muotoinen materiaalista on helpompi valmistaa. Maalipinnoitettu ohutlevynäyte (kuvassa 2) on kuviosta 1 poiketen neliömäinen 100 x 100 millimetrin kokoinen levy, johon on porattu keskelle reikä näytealustaan kiinnitystä varten.

Hankkeessa käytetyt biomaalatut näytemateriaalit

Maalissa yleisesti käytettyjä komponentteja ovat sideaine, liuotin, pigmentit ja lisäaineet. Biomaalilla tarkoitetaan tässä yhteydessä maalia, jossa jokin maalin komponenteista on korvattu ympäristöystävällisemmällä vaihtoehdolla. Esimerkiksi ympäristölle haitallisia liuottimia on voitu korvata osittain tai kokonaan, tai maalin valmistuksessa on käytetty kierrätettyjä komponentteja. Perinteisiin, ei-biopohjaisiin pinnoitteisiin verrattuna, tutkituissa pinnoitteissa merkittävä osa fossiilisesta öljystä on korvattu rypsiöljyllä, joka jääkin pysyväksi osaksi pinnoitetta ja täten ilmaan pääsee vähemmän haitallisia aineita. Näin on saatu tuotteen hiilijalanjälkeä pienennettyä. (SSAB, 2020; Markkula, 2018)

Hankkeessa tutkittavat näytteet on jaettu niin sanottuihin ensimmäisen, toisen ja kolmannen sukupolven biomaalattuihin ohutlevypinnoitteisiin, joiden välisenä erona on lisätty bio-osuuden määrä tai tyyppi. Toisen sukupolven biomaalatuissa ohutlevyissä on enemmän bio-osuutta kuin ensimmäisen sukupolven tuotteissa, ja kolmannen sukupolven tuotteissa käytetty biokomponentti on puolestaan eri. Mukana on eri sideaineisiin pohjautuvia ja eri sävyisiä pinnoitteita. Erityisesti kulutuskokeessa eri sävyisiä näytteitä ei valitettavasti voida täysin verrata keskenään, sillä erilaiset pigmentit käyttäytyvät kulutuskokeessa eri tavoin. Mustilla näytteillä on aiemmissakin tutkimuksissa todettu olevan hyvä hankauskulutuksenkesto, johtuen joko pigmenttien laadusta tai määrästä. Jos esimerkiksi mustaa ja valkoista näytettä verrataan keskenään, mustassa pigmenttien määrä on selvästi pienempi kuin valkoisessa, toisaalta siis kulutettavaa sideainetta on suhteessa enemmän. Hiilimustalla pigmentillä saattaa polymeerien yhteydessä olla kulutuskestävyyttä parantava vaikutus toimiessaan eräänlaisena voiteluaineena. (Koivunen, 2018)

Miten kulutuskestävyyttä selvitettiin?

Tulosten tarkastelussa on aiemmissa tutkimuksissa käytetty kahta eri menetelmää. Ensimmäisessä menetelmässä on visuaalisesti arvioitu, milloin näytettä on kulutettu pohjamaaliin asti, ja tuloksena on ilmaistu kulutettu kierrosmäärä. Toisessa menetelmässä näytettä on kulutettu tietty kierrosmäärä, aiemmissa tutkimuksissa vain 250 kierrosta, jonka jälkeen näytteestä on mitattu painohäviö. (Koivunen, 2018) Hankkeen puitteissa on kasvatettu sekä testin kierrosmäärää että rinnakkaisnäytteiden määrää.

Visuaalisen arvion tueksi konenäköä?

Visuaalinen arvio kuvaa pinnoitteen todellista hankauskulutuskestävyyttä parhaiten, mutta menetelmässä on monia haastellisia puolia. Ensinnäkin on täysin testaajasta riippuvaista, milloin pinnoite katsotaan kuluneeksi pohjamaaliin asti. Toiseksi, jotkin maalipinnoitetyypit kestävät kulutusta jopa yli 2000 kierrosta, ja systemaattisesti toteutettuna näin pitkä testiaika ei ole yksittäiselle näytteelle kovin kannattavaa. Myös virheen mahdollisuus kasvaa kierrosmäärän kasvaessa. Lisäksi laitteen kulutuspyörät on uudelleenhiottava aina vähintään 1000 kierroksen jälkeen, mikä kasvattaa kokonaistestiaikaa entisestään. Uudelleenhionta puhdistaa kulutuspyörien pinnat näytteestä irronneesta materiaalista. (SFS-EN 13523-16, 2004) Pinnoitteen kulumiskäyttäytymisen tunteminen ennalta auttaa testaajaa kyseistä menetelmää käytettäessä. Kuvassa 2 on esitetty rinnakkain näytteet, joista vasemmanpuoleista ei ole kulutettu pohjamaaliin asti, eli näyte on visuaalisesti arvioituna vielä kulumaton; oikeanpuoleinen on kulutettu jo pohjamaaliin asti.

Visuaalisen arvioinnin menetelmän tueksi kulutettuja näytteitä on tarkoitus tarkastella myös HAMK Tech -tutkimusyksikköön vasta hankitulla hyperspektrikameralla, ja selvittää erottaako kamera näytteen kulumisen ennen kuin ihmissilmä arvioi sen kuluneeksi. Siksi näytteissä on mukana sekä kulumattomaksi tulkittuja että pohjamaaliin asti kulutettuja näytteitä. Pääpaino valituissa näytteissä on hankalimmin tulkittavissa olevissa harmaan- ja metallinsävyisissä näytteissä, sillä myös pohjamaali on yleensä harmaa.

HAMK Tech -tutkimusyksikössä on kehitteillä myös konenäköjärjestelmä, jota pystyttäisiin hyödyntämään monessa muussakin sellaisessa tutkimusmenetelmässä, joita tällä hetkellä voidaan arvioida vain visuaalisesti. Hankauskulutustutkimuksessa konenäöstä olisi selkeästi hyötyä, jos sen avulla saadaan kulutuslaite pysäytettyä heti, kun pinnoitteen pohjamaali on tullut juuri esiin. Tämä poistaisi menetelmän subjektiivisuuden tulosten tulkinnassa.

Kulutuskestävyyden arviointi painohäviön avulla

Aiemmin käytetty painohäviöön perustuva menetelmä 250 kulutuskierroksen perusteella laskettuna ei kuvaa pinnoitteen todellista kestävyyttä kovinkaan hyvin, jos kyseessä onkin pinnoite, joka kestää kulutusta 1000–2500 kierroksen verran. Menetelmää on hankkeen puitteissa tarkoitus kehittää siihen suuntaan, että tulosten tulkinnasta tulisi vähemmän tekijäriippuvaista ja tuloksena saataisiin selkeä numeroarvo, jonka perusteella maalipinnoitteiden kulutuskestävyyttä pystyttäisiin paremmin arvioimaan ja vertailemaan keskenään. Tämän vuoksi on tutkittu viittä rinnakkaisnäytettä, sillä hajonta on aiemmissa tutkimuksissa ollut välillä hyvinkin suurta pelkkiä painohäviöitä mitattaessa. Näytteitä on lisäksi kulutettu useamman kierrosmäärän verran (250, 500 ja 1000 kierrosta), sen mukaisesti, mitä kukin pinnoite on vähintään kestänyt kulutusta. Näyte on punnittu ennen ja jälkeen joka kulutuksen, ja painohäviön perusteella on laskettu niin sanottu Taber Wear Index (TWI, kaavassa 1), jossa on otettu huomioon painohäviön lisäksi pinnoitteen kuivatiheys ja kulutettu kierrosmäärä. Mitä pienempi indeksi, sitä parempi on pinnoitteen hankauskulutuksenkesto. (Taber Industries, 2019)

Kyseinen menetelmä ei vaadi näytteen jatkuvaa tarkastelua testiajon aikana, mikä on selkeä etu. Toki ajon jälkeen on varmistettava, että näyte on vielä punnitukseen kelpaava; toisin sanoen, ettei kuluminen ole vielä edennyt pohjamaaliin (SFS-EN 13523-16, 2004). Sen verran visuaalisesti tulkittava ja tekijästä riippuvainen on tämä laskentamenetelmäkin.

Biopohjaisilla pinnoitteilla saavutettuja testituloksia

Taulukossa 1 on esitetty laskentamenetelmällä saavutettuja tuloksia biopohjaisille maalipinnoitteille. Tulokset ovat keskiarvoja ja kierrosmäärällä (250/500/1000) tarkoitetaan lukua, jonka pinnoite on kestänyt kulutusta ilman, että pohjamaali on vielä tullut esille. Mukana on ollut sekä kiiltävä- että mattapintaisia maalipinnoitteita. Värikoodaus (vihreä/keltainen/punainen) on tehty helpottamaan kulutuskestävyyden vertailua eri pinnoitteiden kesken. Vihreällä merkityt pinnoitteet ovat kestäneet hankaavaa kulutusta erinomaisesti (TWI alle 30), keltaisella merkityt hyvin (TWI 30–50) ja punaisella merkityt tyydyttävästi (TWI yli 50).

Taulukko 1. Laskentamenetelmällä saavutettuja tuloksia.

Biopohjaiset polyuretaani- (PUR) sekä polyvinyylidieenifluoridi- (PVDF) pinnoitteet ovat kestäneet testissä pääosin erinomaisesti. Muut taulukon pinnoitteet perustuvat polyesterisideaineeseen, jonka kulutuksenkestävyys on vaihdellut erinomaisesta tyydyttävään. Toisen sukupolven (BT2) biopinnoitteiden kulutuksenkestävyydessä ei ole ollut merkittävää eroa ensimmäisen sukupolven pinnoitteisiin, ottaen huomioon testattujen näytteiden eri sävyt. Kolmannen sukupolven ainoalla toistaiseksi koeajetulla pinnoitteella (PURMATBT3) painohäviö on ollut hieman suurempi ja ajettu kierrosmäärä pienempi kuin erinomaisen kestävyyden omaavalla ensimmäisen sukupolven PUR-pinnoitteella (PURMATBT1). Huomioitavaa on kuitenkin toistaiseksi pieni otanta kolmannen sukupolven pinnoitteista ja vertailunäytteiden eri sävyt, joten kovin suuria johtopäätöksiä ei ole vielä pystytty tekemään bio-osuuden tyypin vaikutuksesta kulutuskestävyyteen, vaan lisätestejä tarvitaan.

Taber-kulutustesti on maalipinnoitteille käytettynä kohtalaisen tuore tutkimusmenetelmä. Suurin osa hankkeen yhteistyöyrityksen tuotannossa olevista maalipinnoitteista on jo biopohjaisia. Näistä syistä on haasteellista verrata biopohjaisia pinnoitteita ei-biopohjaisiin, koska Taber-kulutustestituloksia ei-biopohjaisista pinnoitteista on olemassa vain vähän. PVDF-pinnoitteiden kohdalla vertailua on ollut kuitenkin mahdollista tehdä aiempiin tutkimuksiin pohjautuen, ja biopohjaisilla PVDF-pinnoitteilla hankauskulutuksenkesto on ollut samalla tasolla, jollei jopa parempikin, kuin ei-biopohjaisilla PVDF-pinnoitteilla. Vertailu perustuu kuitenkin vain muutaman rinnakkaisnäytteen tuloksiin ja laskelmiin ainoastaan 250 kulutuskierroksen perusteella. Taulukkoon 1 kootut tulokset ovat vain hankkeen biopohjaisista näytteistä ja erilaisten arviointimenetelmien takia aiemmin testattuja ei-biopohjaisten pinnoitteiden tuloksia ei ole taulukkoon lisätty. (Koivunen, 2018)

Yhteenveto ja tutkimuksen jatkuminen

Menetelmänkehitys biomaalattujen ohutlevyjen hankauskulutuskestävyyden määrittämiseen on vielä kesken. Toistaiseksi voidaan kuitenkin jo todeta, että eri pinnoitteiden hankauskulutuskestävyydessä on havaittu selkeitä eroja, sekä visuaalisesti arvioiden että painohäviöön perustuvalla laskentamenetelmällä. Nämä kaksi menetelmää korreloivat keskenään kohtalaisen hyvin joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta.

Ei-biopohjaisiin pinnoitteisiin verrattuna biopohjaisilla on päästy kulutuskestävyydessä vähintään samalle tasolle, mutta kyseistä vertailua on pystytty tekemään vain joillakin pinnoitteilla ja pienellä otannalla. Eri sukupolvien biomaalien välistä kulutuskestävyyttä ei täysin ole pystytty vertailemaan näytteiden eri sävyjen takia.

Tulosten hajonta on suurella osalla pinnoitteista ollut melko pientä, joten tulevissa mittauksissa kolmen rinnakkaisnäytteen käyttäminen viiden näytteen sijaan ei oletettavasti muuttaisi tulosten luotettavuutta merkittävästi mutta vähentäisi työmäärää selvästi.

Biomaalin sideaineella on suurin vaikutus pinnoitteen hankauskulutuskestävyyteen. Muita vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa pinnoitepaksuus, sävy ja pigmentit sekä muut partikkelit. Pinnankarheuden vaikutusta hankauskulutuskestävyyteen olisi myös mielenkiintoista tutkia tuloksissa ilmenneiden epäloogisuuksien takia. Kiiltävä- ja mattapintaisten pinnoitteiden välillä oli nähtävissä selkeä trendi, jonka mukaan visuaalisesti arvioiden mattapinnoitteilla olisi lähes systemaattisesti parempi kulutuksenkestävyys kuin kiiltävillä pinnoitteilla. Laskentamenetelmällä tätä ilmiötä ei kuitenkaan ollut nähtävissä niin selkeästi. Tähän saattaa vaikuttaa myös se, että mattapinnoitteilla kiiltoero ennen testiä ja testin jälkeen ei ole niin suuri kuin kiiltävillä pinnoitteilla. Kiillon muutos vaikuttaa suoraan visuaaliseen tulkintaan.

Tutkimus jatkuu edelleen jo koeajetuilla toisen sukupolven ja mahdollisesti uusilla kolmannen sukupolven pinnoitteilla, sekä aiemmin mainituilla konenäön kehitystyöllä ja hyperspektrikamerakuvaustutkimuksella.

Biopohjaiset pinnoitetut ohutlevytuotteet -hanke toteutetaan 30.11.2018-31.5.2021 välisenä aikana, ja sitä rahoittavat Business Finland ja hankkeeseen osallistuvat yritykset: Piristeel Oy, Ruukki Construction Oy, Samesor Oy, SSAB Europe Oy, Tikkurila Oyj ja Weckman Steel Oy.