Introduzione

Fino a qualche decennio fa i termini “usura” ed “abrasione” venivano usati come sinonimi mentre ora si da ad essi un significato differente. Il termine usura ha un eccezione molto ampia e comprende numerose azioni meccaniche ripetute che, combinate o meno, riducono nel tempo la prestazione di una carta o di un cartone, per cui esso è associato alle condizioni alle quali è sottoposto il materiale durante l’impiego pratico. Alcune fra le più importanti di queste azioni sono le abrasione, le sollecitazioni per trazione, piegatura, flessione, lacerazione, la degradazione del colore ecc..

La natura di questi agenti di usura è cosi varia sia nel tipo che nella severità che è virtualmente impossibile concepire un apparecchio che riproduca simultaneamente tutti questi effetti dando un duplicato delle condizioni reali di usura. Per risolvere questo problema in laboratorio si è cercato di studiare delle apparecchiature che possono provare le reazioni della carta ai singoli agenti di usura, tra i quali l’abrasione è il più importante. L’abrasione rappresenta solo un aspetto dell’usura ed il termine stesso da molto chiaramente l’idea del tipo di alterazione di un materiale risultante da forza di attrito. La resistenza all’abrasione è un indice di qualità che da delle informazioni sulla capacità di una carta a resistere ad una azione meccanica di sfregamento che tende a rimuovere progressivamente il materiale dalla sua superficie.

La resistenza all’abrasione è influenzata da molti fattori insiti nella carta stessa, come proprietà meccaniche delle fibre, dimensioni delle fibre, raffinazione, struttura del foglio, e del tipo, specie e quantità degli additivi usati nella fabbricazione.La resistenza all’abrasione è anche influenzata in maniera determinante dalle condizioni di prova, come natura del mezzo abradente, pressione tra abradente e provetta, tipo di azione meccanica di sfregamento, sviluppo e dissipazione del calore durante il ciclo di prova. Le prove di laboratorio hanno essenzialmente carattere comparativo per cui possono essere considerate attendibili solo nei casi in cui la differenza di resistenza  all’abrasione tra le varie carte è di una certa entità.

In generale la misura di laboratorio non deve essere considerata come un indice assoluto di durata per uno specifico impiego, a meno che non si sia stabilita una correlazione tra i dati di abrasione ottenuti in laboratorio e un determinato comportamento all’impiego pratico. L’apparecchio scelto è quello più usato per la determinazione della resistenza all’abrasione della carta e dei cartoni; le modalità di prova indicate nel metodo sono state fissate allo scopo di ridurre la variabilità dei risultati ottenuti da differenti operatori e laboratori. E’ stato stimato che la riproducibilità della prova eseguita con l’apparecchio taber è del = 10% per carte e cartoni a superficie normale.

Oggetto e campo di applicazione

Nel presente metodo si prescrivono le modalità operative da seguire per la determinazione della resistenza all’abrasione di una carta e di un cartone sia allo stato condizionato che umido, usando l’apparecchio taber.

Il metodo si applica a tutti i tipi di carta o di cartone, ad eccezione di quelli che sono trattati con cere, paraffine ed altri prodotti che possono intasare la superficie del mezzo abradente.

La prova ha essenzialmente carattere comparativo.

Definizioni

Abrasione: asportazione superficiale di materiale a seguito di un attrito (e quindi di uno sfregamento o di un raschiamento) contro un’altra superficie.

Resistenza all’abrasione: misura dell’entità dell’abrasione subita dalla superficie di una carta (o di un cartone) allo stato condizionato o umido dopo un determinato numero di cicli, usando superfici abrasive standard sottoposte ad un carico determinato.

Principio del metodo

Una provetta di carta, fissata ad un piatto che gira a velocità costante, è sottoposta ad una azione di sfregamento volvente da parte di due mole standard, disposte su un piano verticale, che ruotano in folle trascinante per frizione sotto un carico determinato. Le mole ruotano pertanto in direzione opposta e sono disposte sull’apparecchio in modo che uno abbia un movimento radiale verso l’esterno e l’altra verso l’interno, in quanto le direzioni di spostamento  della periferia delle mole e della provetta sono ad angolo acuto rispetto alla linea di contatto.

Si determina, dopo un numero di giri prefissato, la perdita di massa della provetta nel caso della prova allo stato condizionato e la quantità di materiale abraso nel caso della prova allo stato umido, oppure il numero di giri a cui è stata sottoposta la provetta per ottenere un determinato aspetto.

Apparecchiatura

L’apparecchio di abrasione taber è costituito e rappresentato dalle figure.

Piatto ruotante per la prova allo stato condizionato di diametro 108 mm, rimuovibile, disposto orizzontalmente e portante al centro una vite. Esso deve ruotare praticamente su un piano, con una deviazione non superiore a = 0,05 mm misurata ad una distanza di 1,5 mm dalla sua periferia.

Dischetto metallico e dado per fissare la provetta al centro del tavolino.

Anello auto stringente con bordo per fissare la provetta nella zona periferica.

Disco di materiale morbido rivestito di gomma di durezza da 30 a 40 IRHD, di diametro 107 mm e di spessore 0,75mm.

Piatto ruotante per la prova allo stato umido di diametro 148,5 mm rimuovibile, con il bordo rialzato provvisto di un rivestimento di gomma in corrispondenza del percorso delle mole, disposto orizzontalmente e portante al centro una vite. Il rivestimento di gomma ha la forma di una corona circolare avente diametro interno di 60 mm circa e diametro esterno di 90 mm circa. Il piatto deve ruotare praticamente su un piano con una deviazione non superiore a = 0,05 mm misurata ad una distanza di 1,5 mm dalla sua periferia.

Dischetto metallico e dato per fissare la provetta al centro del tavolino.

Corona periferica metallica svasata verso l’interno per fissare la provetta nella zona periferica mediante viti e per permettere che la provetta sia ricoperta d’acqua.

Motore, collegato ad un trasformatore di tensione che fa girare il piatto e la provetta tra 65 e 75 giri al minuto.

Contatore di giri.

Due bracci paralleli fulcrati, portanti ciascuno un alloggiamento interno, montato su cuscinetti a sfere, per applicare le molle. Ciascun braccio senza massa supplementare deve esercitare un carico sulla provetta di 250 g.

Dispositivo di aspirazione per rimuovere il materiale asportato per abrasione dalla superficie di prova, nel caso della prova allo stato condizionato: i due orifizi di aspirazione devono essere regolati ad una distanza conveniente al di sopra della provetta (da 0,8 a 1,5 mm).

Mole a diversa azione abrasiva di diametro da 45 a 50 mm e di larghezza da 12,6 a 12,8 mm, di tipo resiliente a base di granuli abrasivi fini standard incorporati in una gomma medio dura e di tipo vetrificato. Il tipo di mola da impiegare deve essere stabilito d’accordo tra le due parti.

La posizione delle due mole rispetto all’asse di rotazione del piatto è asimmetrica. Le linee di contatto delle due mole con la provetta sono perpendicolari ai bracci che le sostengono e si trovano su una stessa retta, che è situata verso la parte posteriore dell’apparecchio ed è distante 26 mm circa dall’asse del piatto.

In rapporto al senso di rotazione del piatto il centro della linea di contatto del bordo esterno della mola è a 44 mm circa dal centro del piatto, quello della linea di contatto del bordo interno a 32,0 mm circa.

Le mole girano per tanto in direzione opposta e sono disposte in modo che una abbia un movimento radiale verso l’esterno e l’altra verso l’interno cosi da esercitare un’azione combinata di abrasione, compressione e torsione su un percorso circolare (corona) di circa 3000 mm² di area.

Masse, da applicarsi ai bracci, per sottoporre le mole ad un carico di 500 g o 1000 g.

Piatto rotante, simile a quello descritto ma senza anello auto stringente, per montare la carta abrasiva.

Dischi di carta abrasiva a base di carborundum per il ripristino e la pulitura delle superfici delle mole di tipo resiliente.

Pannello morbido largo circa 12 mm e con peli lunghi circa 25 mm, per allontanare dalla superficie della provetta il materiale rimosso per abrasione.

Pannello duro per pulire la superficie delle mole durante e dopo le operazioni di ripristino con la carta abrasiva.

Aria compressa per pulire le mole del tipo vetrificato.

Bilancia di sensibilità 0,1 mg.

Filtro di carta per quantitativa o crogiolo filtrante.

Campionamento e preparazione delle provette

Si effettua il campionamento secondo quanto descritto nel metodo (campionamento della carta e del cartone per le prove).

Da ogni foglio campione si devono ritagliare almeno tre provette circolari per lato, salvo accordi diversi tra le parti e nel caso di prova allo stato condizionato, un ulteriore provetta di controllo per valutare le variazioni di massa in più o in meno dipende da eventuali cambiamenti delle condizioni idrometriche ambientali. Le provette per la prova allo stato condizionato devono avere un diametro di circa 106 mm e quelle per la prova ad umidi di circa 116 mm e non devono comprendere, salvo specificazioni particolari, zone con filigrana, con pieghe od altri difetti visibili.

Al centro della provetta si pratica, mediante una fustella, un foro di circa 6,4 mm di diametro per poter infilare la provetta stessa nella vite centrale del tavolino. Per la prova ad umidi di cartone con spessore superiore a 3 mm circa può essere necessario sfaldare o ridurre convenientemente lo spessore della provetta ma in questo caso si deve avere cura che la superficie di prova non si deteriori e che il retro sia in piano.

Per la prova allo stato condizionato si condizionano le provette in ambiente conforme a quanto prescritto nel metodo (condizionamento della carta e del cartone per le prove).

Condizioni e procedimento di prova

Prova allo stato condizionato. Si eseguono le determinazioni in ambiente conforme a quanto prescritto nel metodo (condizionamento della carta e del cartone per le prove).

Determinazione per la perdita di massa.

Si puliscono accuratamente con il pennello morbido la superficie di prova ed i bordi di tutte le provette, compresa quella di controllo, e si pesano con l’approssimazione di 1 mg (m₁).

Si inserisce la provetta, con il lato da esaminare rivolto verso l’alto, nella vite centrale del piatto, si infila il dischetto metallico e lo si fissa con il dato. Si applica l’anello e lo si serra mediante l’apposita vite avendo cura che la provetta sia perfettamente in piano e senza grinze.

Si azzera il contagiri, si montano le mole del tipo stabilito d’accordo tra le parti, avendo cura di non toccare con le dita la loro superficie abrasiva e di rispettare le indicazioni (faccia interna) e (faccia esterna) stampigliate su ciascuna mola, e si abbassano sulla provetta sotto la massa prestabilita.

Si mette in funzione l’apparecchi e durante la prova si allontana il materiale abraso mediante aspirazione regolata in modo che non sia troppo forte, o di tanto in tanto mediante il pennello morbido, senza però rimuovere la provetta dal piatto. Non si deve asportare il materiale abraso mediante insufflazione di aria.

Dopo che è stato effettuato il numero di giri concordato tra le patri oppure quello necessari a rimuovere lo strato superficiale della provetta o a far apparire il primo forellino o rottura, si toglie la provetta dal tavolino, se ne pulisce la superficie abrasa e la si lascia condizionare.

Dopo aver sottoposto ad abrasione tutte le provette e dopo che l’ultima è stata lasciata nell’ambiente di prova per un tempo sufficiente al suo condizionamento, si pesano con l’approssimazione di 1 mg, contemporaneamente a quella di controllo (m₂).

Determinazione per aspetto. Si determina il numero di giri necessario a produrre un determinato effetto quale asportazione di un determinato strato, formazione del primo forellino o rottura, operando secondo quanto descritto.

Prova allo stato umido. Si pulisce accuratamente l’apposito piatto con il bordo rialzato, si inserisce la provetta, con il lato da esaminare rivolto verso l’alto, nella vite centrale del tavolino, si infila il dischetto metallico e lo si fissa con il dato, si sistema la corona periferica metallica e la si fissa con le viti avendo cura che non si formino grinze sulla provetta.

Si versa nel piatto una quantità d’acqua distillata, alla temperatura dell’ambiente di prova, sufficiente a ricoprire completamente la provetta.

Si azzera il contagiri, si montano le mole del tipo stabilito d’accordo tra le parti e si abbassano sulla provetta sotto la massa prestabilita.

Si mette in funzione l’apparecchio e lo si fa girare per il numero di cicli concordato tra le parti o finché lo strato superficiale della provetta è rimosso o finché appare il primo forellino o rottura.

Terminata la prova si estrae il piatto e si versa l’acqua in un bicchiere; in questo viene anche raccolto, mediante il getto d’acqua di una spruzzata, il materiale abraso aderente alla provetta tolta dal piatto, al piatto stesso e alle mole.

Si filtra il tutto su un filtro di carta o su un crogiolo filtrante previamente tarati (m₁), si secca a 150° = 3° C fino a massa costante e si pesa con l’approssimazione di 1 mg (m₂).

Calcolo ed espressione dei risultati

Prova allo stato condizionato.

Determinazione per perdita di massa.

La resistenza all’abrasione si calcola dall’espressione:

          100 (m₁-m₂) = Dm₀

P =

                         N

Dove:

P = perdita di massa per 100 giri, in milligrammi;

m₁ = massa della provetta condizionata prima della prova, in milligrammi;

m₂ = massa della provetta condizionata dopo la prova, in milligrammi;

Dm₀ = variazione di massa, in più o in meno, a seguito di eventuali cambiamenti idrometrici ambientali, riscontrati sulla provetta di confronto tra il momento della pesata iniziale e quella della pesata finale, in milligrammi;

n = numero giri di prova.

Determinazione per aspetto. La resistenza all’abrasione è data dal numero di giri necessario per ottenere il determinato effetto richiesto.

Prova allo stato umido.

Determinazione del materiale asportato. La resistenza all’abrasione si calcola dall’espressione:

           1000 (m₂-m₁)

P_u =

              n. 0,93

Dove:

P_u = massa di materiale asportato per 1000 giri, in milligrammi;

m₁ = massa a secco a 150° = 3° C del filtro di carta o del crogiolo filtrante prima della filtrazione, in milligrammi;

m₂ = massa secca a 105° = 3° C del filtro di carta o del crogiolo filtrante dopo la filtrazione, in milligrammi;

0,93 = fattore di correzione convenzionale per tener conto del contenuto medio di umidità di carta allo stato condizionato;

n = numero di giri di prova.

Determinazione per aspetto. La resistenza all’abrasione è data dal numero di giri necessario per ottenere il determinato effetto richiesto.

Resoconto della prova

Nel resoconto della prova si devono indicare:

- le informazioni indispensabili per l’identificazione del campione;

- il riferimento al presente metodo;

- l’atmosfera normalizzata di condizionamento;

- il tipo di apparecchio usato;

- la media aritmetica dei risultati di almeno tre provette separatamente per ciascuna faccia, approssimata all’unità (milligrammi o numero di giri);

- il tipo delle mole usate;

- il carico applicato alle mole;

- se la prova è stata effettuata allo stato condizionato o allo stato umido;

- il numero di giri effettuato nel caso della valutazione per perdita di massa (stato condizionato) o del materiale asportato ( stato umido);

- il tipo di alterazione raggiunto se la prova di resistenza all’abrasione è stata effettuata per asporto;

- il numero delle provette esaminate;

- tutte le eventuali modifiche apportate al metodo e gli eventuali fattori che possono aver influenzato i risultati..

Avvertenze

L’invecchiamento del disco di gomma può influenzare i risultati; poiché non è possibile fissare un metodo di controllo per la sua idoneità si raccomanda che sia in buone condizioni di aspetto e di mano e che sia sostituito di tanto in tanto.

Le mole del tipo resiliente e quelle del tipo vetrificato sono vendute dalla Taber Instrument Corporation rispettivamente con i nomi commerciali di (calibrase) e di (calibrade). Le mole del tipo resiliente consigliate sono: CS 10 per una abrasione leggera e CS 17 per una abrasione un po’ più spinta.Le mole del tipo vetrificato consigliate sono: H18 per una abrasione piuttosto forte e H 22 per una abrasione molto energica. L’invecchiamento delle mole di tipo resiliente può influenzare i risultati; poiché non è possibile fissare un metodo di controllo si raccomanda che siano in buone condizioni di aspetto e di mano.

I dischi di carta abrasiva sono venduti dalla Taber Instrument Corporation con la sigla (S-11).

La severità dell’abrasione dipende ovviamente oltre che dal tipo della mola abradente, anche dalla pressione applicata: alte pressioni riducono il numero di giri necessario per ottenere il punto finale di prova ma una prova troppo accelerata può portare a delle conclusioni errate.

Il numero delle provette da esaminare per ogni foglio campione dipende dalla variabilità della carta o del cartone e dalla precisione desiderata.

Appendice A

Ripristino e pulitura delle mole.

A causa dell’usura disuniforme delle mole del tipo resiliente e dell’intasamento della superficie abradente con le particelle fibrose, materie collanti, patine ecc., le mole stesse devono essere ripristinate e pulite ad intervalli prestabiliti, e precisamente dopo ogni prova se il numero di giri della singola prova è inferiore a 300-500, altrimenti dopo ogni 300-500 giri. Il ripristino deve essere effettuato usando un disco di carta abrasiva. S 11 montato su un appropriato piatto girevole che viene sistemato sull’apparecchio al posto del piatto porta provette.

Si abbassano le mole con il carico prefissato e si fa compiere all’apparecchio un numero di 30 giri o superiore fino alla scomparsa della traccia colorata iniziale che si presenta sul disco abrasivo. Il disco di carta abrasiva S 11 si deve utilizzare una volta sola. Durante l’operazione di ripristino e di pulitura si devono rimuovere continuamente dalle mole e dal disco le particelle asportate impiegando un pennello duro o un getto d’aria. Le mole devono essere sostituite quando il loro diametro risulta inferiore a 45 mm.

Le mole del tipo vetrificato non si usurano disuniformemente, e di conseguenza non richiedono un ripristino della loro superficie abrasiva, a meno che non si scheggino o si danneggino accidentalmente.