study of blistering causes on polyamide strips used in thermal

SPERIMENTAZIONE
ricerca cause blistering sulle barrette di poliammide
utilizzate nei profili a taglio termico
1.Introduzione
Il profilato a Taglio Termico sta godendo di una sempre maggiore popolarità
per le prestazioni di isolamento termico che si riescono a raggiungere sui
serramenti che utilizzano tali profilati.
Il maggiore isolamento viene ottenuto
grazie all’impiego di una barretta di
poliammide che viene montata meccanicamente tra due profilati. Anche
la barretta viene pertanto sottoposta
allo stesso trattamento di verniciatura
insieme ai profilati, per questo motivo
l’utilizzatore finale ne richiede un analogo aspetto visivo; in realtà i risultati
possono essere abbastanza differenti rispetto a quello che si ottiene sui
profilati. Infatti la vernice che ricopre
la barretta può presentarsi ricca di
blistering di varie dimensioni oppure
la stessa vernice appare disuniformemente distribuita sulla sua superficie.
I verniciatori, o gli esperti del settore,
interpellati in merito, affermano giustamente che il verniciatore vernicia i
profilati di alluminio e quindi quello che
avviene sulle barrette di poliammide
non è certo di sua competenza o responsabilità. Ma il cliente insiste, con
il risultato che la diatriba si risolve o in
tribunale o verso la scelta di altri materiali, con conseguenze in ogni caso
negative per il comparto Alluminio.
Il problema deve essere studiato per
poter trovare delle soluzioni idonee.
L’associazione AITAL ha incaricato
QUALITAL di portare avanti una ricerca con lo scopo di trovare le cause del
fenomeno di blistering ed eventualmente della mancata formazione di un
film organico di aspetto uniforme.
Alla ricerca hanno partecipato
i rappresentanti delle seguenti ditte:
The representatives of the following
companies took part to the research:
Sulla base di questa richiesta si è costituito un gruppo di lavoro composto da esperti, incluso il laboratorio
QUALITAL per le prove da eseguire e
per trovare una risposta ai precedenti
quesiti.
2.Prove e risultati
Rossini
Gatti
Tirapelle
Casati
Monga
Montemartini
Fenzi
Pandolfi
BOI - SALMASO
BARBAROSSA
AKZO
ALFA SOLARE
ALU K
ESPERTO
TEChNOFORM
VIV
VIV
QUALITAL
AITAL
I risultati finora ottenuti su questa ricerca, in merito alle cause che provocano blistering, sono riportati nel presente rapporto.
L’elaborazione del programma di prove
iniziale si è basato soprattutto sui risultati della tesi di Laurea del laureando
Sig. Bobbio, nella quale, dalle prove
EXPERIMENTATION
study of blistering causes on polyamide strips used in thermal
break profiles
1. Introduction
Thermal break profiles are gaining
more and more popularity due to their
performance in terms of thermal insulation if installed on door and window
frames.
Higher insulation is achieved thanks
to one polyamide strip being mounted
mechanically between two profiles. As
a consequence the strip undergoes
the same painting treatment as the
profiles with the final user requiring to
have an equivalent aesthetic appearance. But the results may differ very
much from those obtained on the
profiles. The paint over the strip may
indeed display blisters of different sizes or be unevenly distributed over the
surface.
When questioned about these defects,
painters or painting experts rightly say
that painters paint aluminium profiles
and therefore they are not responsible for what happens on polyamide
strips. But customers insist, with the
discussion ending in courts or in the
choice of other materials, and in any
case with negative consequences for
the Aluminium industry.
The problem must be studied to get to
adequate solutions.
The Association AITAL entrusted
QUALITAL a research aimed at identifying the causes of blistering and,
possibly, of the failed formation of a
smooth-looking organic film.
Basing on this request, a working
group was created involving experts,
QUALITAL laboratory included, to carry out tests and to answer to still open
questions.
2. Tests and results
The initial test schedule has been developed basing mainly on the results
of the Dissertation of Mr. Bobbio. The
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svolte presso il laboratorio QUALITAL,
si era riscontrata una forte influenza
dell’umidità presente nella barretta di
poliammide sulla formazione del blistering senza avere una precisa indicazione sui tenori minimi che potevano
causare il fenomeno. I principali risultati
della tesi sono stati presentati nell’Assemblea AITAL di Padova del 23 ottobre 2009.
Partendo da queste prime indicazioni, il
gruppo ha verificato sperimentalmente
quanto ottenuto nel lavoro di tesi ed ha
impostato ulteriori prove di laboratorio
alla ricerca delle cause del blistering.
Il programma di prove si è sviluppato
nelle seguenti riunioni con i relativi rapporti di prova:
• Riunione del 29-10-2010
con il rapporto 6712
• Riunione del 25-02-2011
con il rapporto 6880
• Riunione del 15-07-2011
con il rapporto 7110
• Riunione del 27-01-2012
con il rapporto 7410
I risultati ottenuti possono essere così
sintetizzati:
Influenza dell’umidità
Come precedentemente affermato con la Tesi di Bobbio, con una
dissertation indeed pointed out that
the tests carried out in the QUALITAL
laboratory showed that the humidity
contained in polyamide strips had a
strong influence over the formation of
blisters but no information was given
about the minimum values leading to
this phenomenon. The main results of
the dissertation were presented at the
AITAL Meeting in Padova on October
23, 2009.
Starting from these preliminary indications, the team experimentally verified
the results obtained for the dissertation
and developed further laboratory tests
to identify the causes of blistering.
The test schedule was developed during the meetings below and led to the
relevant test reports:
• Meeting of 29-10-2010
1. Essicazione in forno delle barrette di poliammide e variazione % in peso
Stoving of polyamide strips and weight % change
successiva campagna di prove si è
accertato che la poliammide può essere considerata come una spugna,
come chiaramente mostrano i risultati
(fig.1, 2 e 3) dei controlli effettuati su
cinque differenti tipologie di barrette
di poliammide.
Le barrette sono state sottoposte ai
seguenti trattamenti:
a) Essicazione
Asciugatura in forno alla Temperatura
di 120°C per 32 ore con controlli della
variazione del peso dopo 0,5-4-8-1632 ore. Per ogni tipologia di barretta la
prova è stata eseguita su 10 provini.
I valori riportati nel diagramma di fig.
1 rappresentano la media dei valori
misurati sui 10 provini di ciascuna tipologia di barrette. Tutte le tipologie
di barrette, prelevate dal magazzino,
dopo 8 ore di essicazione in forno a
120 °C mostrano una perdita di peso
di circa il 2%.
b) Trattamenti in ambienti diversi
L’operazione successiva è stata quella di inserire le barrette di poliammide
così essiccate in ambienti a differenti tenori di umidità per verificarne il
grado di assorbimento, in particolare
sono stati scelti gli ambienti seguenti:
with report 6712
• Meeting of 25-02-2010
with report 6880
• Meeting of 15-07-2011
with report 7110
• Meeting of 27-01-2012
with report 7410
a) Drying process
Stoving at a temperature of 120° C
for 32 hours with checks for weight
changes after 0.5-4-8-16-32 hours.
The test was carried out on 10 specimens per each strip type. The values
in the diagram of fig. 1 represent the
mean value of the measurements obtained on the 10 specimens of each
type of strip. All types of strips were
collected from the warehouse and
showed approximately a 2% weight
loss after an 8-hour-long stoving.
b) Treatments in different environments
The subsequent operation was that of
putting the dried polyamide strips in
environments with different humidity
so as to assess the relevant absorption degree. In detail, the environments below were chosen:
The results may be summarized as follows:
Influence of humidity
As already stated in Mr. Bobbio’s dissertation, a subsequent group of tests
ascertained that polyamide may be regarded as a sponge, as clearly shown
by the results (fig. 1, 2 and 3) of the controls carried out on five different types
of polyamide strips.
Strips underwent the following treatments:
• Immersion - Immersione in H2O alla
temperatura di 40°C (2 barrette per tipo)
• Hum - camera umidostatica (40°C
e 80% di umidità relativa) (2 barrette
per tipo)
• RT - camera a temperatura ed umidità controllata (23°C e 50% di umidità relativa) (2 barrette per tipo)
Per ognuna di queste condizioni sono
stati inseriti 2 provini per ogni tipologia. I valori riportati nel diagramma
rappresentano la media dei valori misurati sui due provini di ciascuna tipologia di barrette.
I risultati, fig. 2, mostrano chiaramente
come la barretta di poliammide sia in
grado di assorbire una notevole quantità di umidità con risultati abbastanza
omogenei per tipo di invecchiamento.
L’assorbimento in acqua demineralizzata è pari a circa il 5%, mentre in
camera umidostatica è tra il 2,5 - 3%.
Ovviamente il più basso è quello lasciato in camera termostatata. In tutte le situazioni si nota la tendenza ad
aumentare il tenore di umidità con il
tempo.
c) Condizionamento
A questo punto, le barrette che erano
state sottoposte alle prove precedenti sono state condizionate in camera
a Temperatura ed Umidità controllate
per verificare se anche in questo caso
avviene uno scambio di umidità con
l’ambiente.
Questi i risultati:
• Lo scambio di umidità viene confermato, ovviamente è abbastanza lento
e dopo 16 giorni non è ancora completo come si può vedere dalla figura 3.
• Immersion - Immersion in H2O at a
temperature of 40°C (2 strips per type)
• Hum - humidity chamber (40°C and
80% relative humidity) (2 strips per
type)
• RT - controlled temperature and humidity chamber (23°C and 50% relative humidity) (2 strips per type)
For each condition 2 specimens per
type were tested. The values in the
diagram represent the mean value of
the measurements obtained on the
2. Variazione % del tenore di umidità nei vari ambienti
% change in humidity content for the different environments
3. La barretta di poliammide si adatta alle condizioni ambientali e in un tempo
più o meno lungo raggiunge le condizioni di equilibrio
con l’ambiente circostante
The polyamide strip adapts to existing environmental conditions and reaches
a balance with the surrounding environment in a longer or shorter time
two specimens of each type of strip.
The results - fig. 2 - clearly show that
the polyamide strip can absorb a great
quantity of humidity with almost homogeneous results on each type of
ageing.
Absorption in demineralised water is
approximately 5%, while in the humidity chamber is between 2.5 and 3%.
Obviously, the lower value was obtained in the thermostatic chamber. In
all the situations the humidity content
tends to increase over time.
c) Conditioning
At this stage, the strips of the previous
tests were conditioned in a controlled
temperature and humidity chamber to
check if the humidity exchange with
the environment happens also in this
case.
These are the results:
• The humidity exchange is confirmed
even though it is obviously rather slow,
and after 16 days it is still incomplete
as shown in picture 3.
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d) Influenza delle condizioni iniziali
di umidità sulla fase di polimerizzazione dei prodotti vernicianti
A questo punto si è voluta verificare
l’influenza che i diversi tenori di umidità
possono avere sui campioni di barrette
di poliammide sottoposti ad un ciclo
termico (200 °C per 20 min) a simulazione di un ciclo di polimerizzazione
del rivestimento verniciato con prodotti
vernicianti in polvere termoindurente.
In particolare nella tesi si sono ottenuti i
risultati riportati nel diagramma di fig. 4.
e) Applicazione del prodotto verniciante in polvere
Applicando un rivestimento organico
su diversi tipi di barrette con diversi livelli di umidità, si è voluto verificare il
loro aspetto visivo dopo il forno di polimerizzazione
Aspetto visivo
Il campione lasciato nella camera a
temperatura e umidità controllata non
presenta fenomeni superficiali a livello
visivo (fig. 5), mentre sia il campione
posto precedentemente in umidostato
(fig. 6) che quello posto in acqua (fig.
7), presentano dei rigonfiamenti superficiali (bolle). Le Foto 5-6-7 dimostrano
che il fenomeno del blistering ha una
stretta correlazione con il tenore di umidità presente all’interno della barretta.
Ulteriori studi sono stati portati avanti
per definire il livello massimo di umidità
che una barretta può contenere perché
non si formino le bolle sulla superficie
verniciata e si è potuto riscontrare che
fino all’1% di umidità il film di vernice
presente si distende regolarmente senza alcuna presenza di bolle, vedi foto
seguente di fig. 8.
4. Variazioni di umidità dopo un ciclo termico di 200°C per 20’, a partire
da diverse condizioni iniziali
Humidity changes after a thermal cycle of 200°C for 20’,
with different starting conditions
d) Influence of the initial conditions of humidity on the
curing of powder coatings
At this stage the influence of the different contents of humidity was assessed for the different polyamide specimens after a thermal cycle (200°C for 20 min) simulating
the curing cycle of coatings painted with thermosetting
powders.
In detail, the dissertation showed the results indicated in
the diagram of fig. 4.
e) Application of powder coatings
An organic coating was applied on different types of strips
with different degrees of humidity to check their appearance after treatment in the curing oven
5.
Aspetto barretta
con un minimo
tenore di umidità (<1%)
Appearance of strip
with low humidity
content (<1%)
6.
Aspetto barretta
con un tenore
di umidità di 2-3%
Appearance
of strip with 2-3%
of humidity content
7.
Aspetto barretta
con un elevato tenore
di umidità (>5%)
Appearance of strip
with high humidity
content (>5%)
Appearance
On a visual inspection the specimen left in the controlled
temperature and humidity chamber does not show surface
phenomena (fig. 5), whereas both the specimen placed in
the humidity chamber (fig.6) and the one submerged in water (fig. 7) display surface swelling (blisters).
Figg. 5-6-7 show that blistering is strictly connected to
the humidity content of the strip. Further studies were
carried out to calculate the maximum level of humidity that a strip can contain before blisters form over the
coated surface. The results showed that up to 1% humidity the paint film distributes evenly without any bubble (see fig. 8 below).
8. RH1%
9. RH1,5%
10. RH2%
Con un grado di umidità tra l’1% ed
il 2% la superficie (cfr. figg. 9 e 10) si
presenta leggermente rugosa a causa
della formazione di piccole bolle del
tipo mostrate anche in sezione nelle
figg. 11, 12, 13 e 14. Le foto in sezione seguenti di figg. 11, 12, 13 e 14
mostrano che il fenomeno delle bolle
avviene anche a livelli inferiori al 2%.
In questo caso le bolle sono così piccole da alterare l’aspetto visivo rendendo
la superficie apparentemente opaca.
11. RH1%
13. RH1,5%
When the humidity degree is between 1% and 2% the surface (see
pictures 9 and 10) appears slightly
rough due to the formation of small
blisters similar to those appearing
also in the cross section in figg. 11,
12, 13 and 14.
The cross section photographs in
figg. 11, 12, 13 and 14 show that
blister formation happens also with
12. RH1,5%
3. Conclusioni
14. RH2%
Le prove di laboratorio mostrano chiaramente che il fenomeno del blistering
è esclusivamente dovuto alla presenza
di umidità nelle barrette. Infatti quando l’acqua contenuta nelle barrette a
causa del calore in fase di polimerizzazione cerca di evaporare, si trova la
strada sbarrata del rivestimento organico che sta già cambiando stato da
polvere a fluido semisolido rimanendo
intrappolata nel film di vernice.
Si è anche accertato che l’entità del
fenomeno dipende dalla quantità di
acqua contenuta nella barretta, come
le foto hanno mostrato.
levels of humidity below 2%. In this
case bubbles are so small that the
appearance of the strip is altered and
its surface matt.
3. Conclusions
Laboratory tests clearly show that
blistering is caused exclusively by
the presence of humidity in polyamide strips. Indeed when the water
contained in the strips tries to evaporate due to the heat of the curing
stage, the organic coating - passing
from powder to semi-solid fluid status - blocks and traps it inside the
paint film. The tests also assessed
that the extent of the phenomenon
depends on the quantity of water
contained in the strip, as shown by
the photographs.
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