Scratch visibility of polymeric materials

Polymers are being frequently used in applications where tribological properties are required. Surface quality is crucial not only for aesthetic purposes but also to preserve product functionality and possibly even its structural integrity. In light of this, polymer scratch behavior has been widely studied over the last three decades. Researchers have been focusing on two main aspects: the first relates to determining how scratch resistance is dependent on polymer mechanical properties, aiming at establishing a clear relationship between them. The second, instead, deals with scratch visibility, which is obviously susceptible to the scratch deformation mechanism determined by their mechanical response. However, scratch visibility may be also influenced by other parameters such as gloss, color and texture. This second part has been only partly studied in literature. Therefore, the aim of the present thesis is to investigate scratch visibility, possibly establishing a link with the material mechanical behavior. The quantification of scratch visibility requires the identification of key parameters able to somehow approximate the human eye perception. To do so, injection molded polycarbonate has been chosen a suitable candidate for the present investigation. A set of colored coatings was sprayed onto the polycarbonate substrate in order to broaden the array of color and gloss levels. Several techniques were used to quantify the scratch visibility, including glossmeter, colorimeter and a standardized black box. Specifically, contrast between the scratch and the undamaged surroundings was chosen as the key parameter to determine the “critical load for the onset of visibility”, allowing a quantitative determination of polymer scratch visibility. The effect of physical aging on the mechanical properties of polycarbonate was studied as well. A relationship between polymer mechanical properties, such as compressive yield, and scratch visibility was found. Previous works have already demonstrated the effect of mechanical properties on the scratch resistance, most frequently identified with the so called “scratch hardness”. However, scratch visibility is what eventually matters from an aesthetic point of view. Therefore, establishing a relationship between mechanical response and visibility is instrumental to guide production of scratch resistant polymers. Also, the effect of the material recycling on scratch visibility has been investigated: it appears that material remolding does not affect scratch visibility. The study is briefly reported in the Annex A. At the same time, the effects of the dominant scratch deformation mechanism and its resulting geometry were highlighted with the aim to understand how the geometrical configuration of the scratch affects scratch visibility. The last chapter deals with the effect of color on scratch visibility. It was shown that the perception of the human eye may vary depending on the relative orientation among illuminant – scratch – observer and the color of the sample itself. It was shown that visibility may also be significantly affected by the original sample color. Despite the complexity of the underlying physical phenomena is not fully understood yet, and the need to couple relevant findings with a systematic description of human eye perception, this study presents some important findings that pave the way to future research. The work focuses on a few aspects of scratch visibility; however, it shows that this complex phenomenon involves several aspects, such as material mechanical properties, scratch deformation mechanisms, surface color and gloss, illuminant characteristics, observer position, etc. that eventually determine the final outcome of scratch damage.

I polimeri sono spesso utilizzati in applicazioni che richiedono lo studio delle loro proprietà tribologiche. La qualità della superficie è fondamentale non solo per fini estetici, ma anche per preservare la funzionalità del prodotto e per la sua integrità strutturale. Alla luce di ciò, il comportamento al graffio dei polimeri è stato ampiamente studiato negli ultimi tre decenni. I ricercatori si sono concentrati su due aspetti principali: il primo riguarda la determinazione di come la resistenza al graffio dipenda dalle proprietà meccaniche del polimero, con l'obiettivo di stabilire una chiara relazione tra di esse. Il secondo, invece, riguarda la visibilità dei graffi, che è ovviamente sensibile al meccanismo di deformazione (al graffio), a sua volta determinato dalla loro risposta meccanica. Tuttavia, la visibilità dei graffi può essere influenzata anche da altri parametri, come la finitura superficiale (superficie lucida o opaca), il colore ed eventuali texture presenti sulla superficie. Questa seconda parte è stata meno studiata in letteratura. Pertanto, l'obiettivo della presente tesi è quello di indagare la visibilità dei graffi, stabilendo un legame con il comportamento meccanico del materiale. La quantificazione della visibilità dei graffi richiede l'identificazione di parametri chiave in grado di approssimare in qualche modo la percezione dell'occhio umano. A tal fine, il policarbonato stampato a iniezione è stato scelto come candidato adatto per la presente indagine. Diverse vernici in varie colorazioni sono state depositate sul substrato di policarbonato per ampliare la gamma di colori e livelli di lucentezza. Per quantificare la visibilità del graffio sono state utilizzate diverse tecniche, tra cui glossmetro, colorimetro e una “black box” tramite una procedura standardizzata. In particolare, il “contrasto” tra il graffio e la superficie non danneggiata limitrofa è stato scelto come parametro chiave per determinare il "carico critico per l'inizio della visibilità", consentendo di determinare quantitativamente la visibilità del graffio. È stato studiato anche l'effetto dell'invecchiamento fisico sulle proprietà meccaniche del policarbonato. Una relazione tra le proprietà meccaniche del polimero, come la resistenza alla compressione, e la visibilità dei graffi viene evidenziata. Precedentiricerche hanno già dimostrato l'effetto delle proprietà meccaniche sulla resistenza al graffio, più spesso identificata con la cosiddetta “durezza al graffio” ("scratch hardness"). Tuttavia, la visibilità dei graffi è ciò che conta dal punto di vista estetico. Pertanto, stabilire una relazione tra risposta meccanica e visibilità è fondamentale per guidare la produzione di polimeri resistenti ai graffi. Inoltre, è stato studiato l'effetto del riciclo del materiale sulla visibilità dei graffi: sembra che il riciclo ben controllato del materiale non influisca sulla visibilità dei graffi. Lo studio è brevemente riportato nell'allegato A. Allo stesso tempo, sono stati evidenziati gli effetti del meccanismo di deformazione dominante del graffio e della geometria che ne deriva, con l'obiettivo di capire come la configurazione geometrica del graffio influisca sulla visibilità del graffio stesso. L'ultimo capitolo tratta l'effetto del colore sulla visibilità del graffio. È stato dimostrato che la percezione dell'occhio umano può variare a seconda dell'orientamento relativo tra illuminante - graffio - osservatore e del colore del campione stesso. La visibilità del graffio può essere influenzata in modo significativo anche dal colore del campione originale. Nonostante la complessità dei fenomeni fisici sottostanti non sia ancora del tutto compresa e nonostante la necessità di associare i risultati a una descrizione sistematica della percezione dell'occhio umano, questo studio presenta alcuni risultati importanti che aprono la strada a ricerche future. Il lavoro si concentra su alcuni aspetti della visibilità dei graffi, ma dimostra che questo complesso fenomeno coinvolge diversi aspetti, come le proprietà meccaniche del materiale, i meccanismi di deformazione dei graffi, il colore e la finitura della superficie (opaca o lucida), le caratteristiche dell'illuminante, la posizione dell'osservatore e così via, che alla fine determinano il risultato finale del danno da graffio.