ISO/TR 21958:2019

Ophthalmic optics — Review of the test methods used to assess scratch and abrasion resistance of spectacle lenses

This document describes the most commonly used test methods considered in standardization work relating to scratch and abrasion resistance of plastic spectacle lenses along with their technical capacities and limitations. It includes the ISO test method for assessment of claims for basic abrasion resistance in ISO 8980-5. This document is intended to be of benefit to any future interest in ISO standardization on scratch and abrasion resistance of spectacle lenses.

Optique ophtalmique — Revue des méthodes d'essai utilisées pour évaluer la résistance à la rayure et à l'abrasion des verres ophtalmiques

Le présent document décrit les méthodes d'essai les plus couramment considérées dans les travaux de normalisation relatifs à la résistance à la rayure et à l'abrasion des verres ophtalmiques en plastique ainsi qu'à leurs capacités et limitations techniques. Il comprend la méthode d'essai ISO pour l'évaluation des revendications de résistance basique à l'abrasion de l'ISO 8980-5. Le présent document est destiné à bénéficier à tout intérêt futur à l'égard de la normalisation ISO dans le domaine de la résistance à la rayure et à l'abrasion des verres ophtalmiques.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 17-Sep-2019
• ICS: 11.040.70 - Ophthalmic equipment
• Technical Committee: ISO/TC 172/SC 7 - Ophthalmic optics and instruments
• Drafting Committee: ISO/TC 172/SC 7/WG 3 - Spectacle lenses
• Current Stage: 6060 - International Standard published
• Start Date: 18-Sep-2019
• Completion Date: 18-Sep-2019

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 21958
First edition
2019-09
Ophthalmic optics — Review of the test
methods used to assess scratch and
abrasion resistance of spectacle lenses
Optique ophtalmique — Revue des méthodes de test utilisées
pour évaluer la résistance à la rayure et à l'abrasion des verres
ophtalmiques
Reference number
ISO/TR 21958:2019(E)
©
ISO 2019

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ISO/TR 21958:2019(E)

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Published in Switzerland
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ISO/TR 21958:2019(E)

Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Background . 1
5 Mechanisms of mechanical abrasion and scratching of lens surfaces .2
5.1 Discussion and scratch mechanisms . 2
5.2 Testing and the different forms of damage . 4
5.3 Assessing surf ace damage . 5
6 Test method description. 5
6.1 Steel wool test . 5
6.1.1 Principle . 5
6.1.2 Description . . . 5
6.1.3 Pros and cons . 7
6.2 Tumble test. 7
6.2.1 Principle . 7
6.2.2 Description . . . 8
6.2.3 Pros and cons . 9
6.3 Eraser test . 9
6.3.1 Principle . 9
6.3.2 Description . . . 9
6.3.3 Pros and cons .11
6.4 Bayer test (Oscillating abrasive grain test) .11
6.4.1 Principle .11
6.4.2 Description . . .12
6.4.3 Pros and cons .13
6.5 Nano scratch (Diamond point loading device) .13
6.5.1 Principle .13
6.5.2 Description . . .14
6.5.3 Pros and cons .14
6.6 Taber abrasion wheel test .15
6.6.1 Principle .15
6.6.2 Description . . .15
6.6.3 Pros and cons .16
6.7 ISO 8980-5 “Minimum requirements for spectacle lens surfaces claimed to be
abrasion-resistant” .16
6.7.1 Principle .16
6.7.2 Description . . .17
6.7.3 Pros and cons .17
7 Conclusion .18
Bibliography .19
© ISO 2019 – All rights reserved iii

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ISO/TR 21958:2019(E)

Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso
.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee
SC 7, Ophthalmic optics and instruments.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 21958:2019(E)
Ophthalmic optics — Review of the test methods used to
assess scratch and abrasion resistance of spectacle lenses
1 Scope
This document describes the most commonly used test methods considered in standardization work
relating to scratch and abrasion resistance of plastic spectacle lenses along with their technical
capacities and limitations. It includes the ISO test method for assessment of claims for basic abrasion
resistance in ISO 8980-5.
This document is intended to be of benefit to any future interest in ISO standardization on scratch and
abrasion resistance of spectacle lenses.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
4 Background
As the spectacle lens market shifted from glass toward plastic in the 1970s, the demand for improved
abrasion resistant coatings for plastic lenses resulted in the need to assess and compare the performance
of the new coatings in the market.
A number of very different abrasion test methods were developed over the years which employ a variety
of ways to abrade the lens. Each method uses a unique scratch or abrasion mechanism which affects
how the lens is assessed for its ability to resist damage.
In addition, different methods of assessment of test lens surface damage are used by these test methods.
Together, the different mechanisms of abrading and the different assessment methods often result
in dramatically different ranking and rating of the performances of lens surfaces that do not reflect
marketplace performance and the experience of wearers in real life conditions.
Considerable national and ISO standardization activity was directed to find one single test method that
would reliably predict wearer experience or market performance. After much work, it was realized
this goal could not be achieved and that work was abandoned.
In its place an ISO standard (ISO 8980-5) was successfully developed with a methodology capable of
determining whether a lens surface claimed to be abrasion resistant could achieve a basic performance
level. This test method follows the only known approach avoiding the possibility of using the standard
test to rank products in the market.
Further work followed the successful publishing of ISO 8980-5, this time with the aim of creating a
standard for “enhanced abrasion resistance” at a higher level than “basic level”.
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ISO/TR 21958:2019(E)

However, after some years of work, the project group responsible was unable to achieve the objective
of a single test able to predict market performance and real wear experience, so further work was
abandoned.
This document describes in detail the most common abrasion test methods used for assessing spectacle
lens surfaces developed over several decades and which were considered during standardization work,
along with their technical capabilities and limitations. It includes the ISO test method for assessment of
claims of basic abrasion resistance in ISO 8980-5.
This document also explains the different mechanisms of abrasion and scratching.
5 Mechanisms of mechanical abrasion and scratching of lens surfaces
5.1 Discussion and scratch mechanisms
When attempting to classify and quantify damage to a lens surface, the spectacle industry itself
has differences in opinions on the definitions, descriptions and classifications of damage types. A
standardized method for assessing and quantifying such damage is therefore an extremely complex
activity that will always have different views on interpretation of test results.
Two typical terms used in the spectacle lens industry to describe lens surface damage are ‘abrasion’
and ‘scratching’.
No single agreed definitions exist for these terms in the industry, however basic descriptions could be:
— SCRATCHING – A process of degrading from a pristine surface of a lens caused by initial contact /
impact of an object on a lens surface and then friction / motion of the object across the lens surface.
synonyms: score, abrade, scrape, roughen, scuff (up), lacerate, groove, gash, engrave, incise, gouge
— ABRASION – A process of degrading from a pristine surface of a lens caused by the pitting or wearing
away of the surface.
synonyms: wearing away/down, wearing, erosion, scraping, corrosion, being eaten away, chafing,
rubbing, stripping, flaying, excoriation
An example of abrasion might be when one continually rubs a lens surface with a cloth or tissue,
and with time a degradation of the surface /coating occurs that alters its appearance and function.
Scratching might occur if sand or debris were on the cloth and the drag of this particle caused specific
localized damage as it was dragged across the surface. The latter is likely to be noticed more readily by
the wearer when holding up the lens up to the light as it is less uniform in nature.
One view is that ‘Abrasion’ is an umbrella term for description of many types of damage to a lens surface
and that ‘scratching’ is just one of the subsets of damage types.
Another view is that Abrasion is typically the umbrella term to describe ‘impact’ related damage and
Scratching is typically the umbrella term used for describing friction related damage.
Scratching is the term often used to describe visible damage to a lens surface that occurs in straight lines.
Scratching is often considered to be a single occurrence of damage with a single contact point from an
object and with sustained contact, motion in a continuous direction.
Abrasion is often considered to be the damage caused by repeat occurrences of multiple contact points
of an object over a larger surface area.
Both scratching and abrasion mechanisms of damage are dependent on the interaction of factors such as
force/pressure, contact area, relative material hardness, duration of contact and repeated exposure to
the damage, friction coefficients of the surfaces, surface roughness etc. on the lens. (The ‘lens’ includes
the coating and substrate combination).
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Abrasion resistance and scratch resistance are terms that have been typically used in an interchangeable
way in the industry. The relevant ISO 8980-5 standard is titled ‘Minimum requirements for spectacle
lens surfaces claimed to be abrasion-resistant’ and uses the term ‘abrasion resistance’ whereas
marketing sectors of the industry usually use the term scratch resistance.
Damage types can be grouped as shown in the Table 1 below.
Table 1 — Damage types
friction related impact related
tearing pitting
cutting chipping
scuffing clash
Damage to a lens surface can be a single type or a combination of the types shown in the table above. It
can be linear in direction or randomized dependent on the testing mechanism.
‘Scratching’ may be considered as a combination of both Impact and Friction damage types as a scratch
can originate from an object’s contact / impact with the surface, and then translate to a friction related
mechanism of damage (tearing or cutting), as the object maintains contact and is moved across the
surface.
In real life performance, a lens claimed to have significant scratch resistance properties, might actually
tolerate one type of damage mechanism well, but perform poorly against a different damage mechanism.
Case study example:
Abrasion damage can be caused by daily wiping off dust and fingerprints from the lenses. The force
2
of our fingertips is roughly 10 N on an area of about 1 cm . Several wipes with a clean soft cloth do
not cause any damage to a clean lens surface. Only after several 1000 wipes the contact angle of
hydrophobic topcoats starts to decrease, but usually the coated surface of a lens does not show any
visible damage or a change of reflection colour. In real life neither the cloth nor the lens surface always
is perfectly clean: there are small grains of any kind of dust or even sand. When wiping over the lens
surface they cause the well-known multitude of lighter and stronger scratches, which can be detected
on lenses worn for several months. This can be understood by estimating the pressure of a sand grain
onto the lens surface. On the cloth side of the grain the soft cloth adapts to the shape of the grain. On
the lens side the sand grain and the lens surface can elastically adapt their shapes only a little bit which
means that the contact area is much smaller than the diameter of the grain. Assuming that the grain has
2
a diameter of 0,1 mm = 100 µm the contact area roughly is smaller than about (10 µm) . Because the
force is the same as at the cloth side the pressure to the contact area on the lens is 2 magnitudes higher
which causes plastic deformation i.e. scratches. Using a microscope typical scratches have a width of
1 µm to 10 µm and a depth of up to 1 µm often accompanied by coating cracks and even delamination.
In addition to cleaning of the lenses there are further typical causes for damaging lens surfaces:
— Storage behaviour, i.e. face down on a car dashboard where there is a level of constant vibration;
— Being placed face down on a hard bench / desk surface;
— Being carried around in a handbag, contacting other articles;
— Being placed in a shirt pocket, constantly rubbing against the pocket material;
— Falling off into the dirt or floor, etc.
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5.2 Testing and the different forms of damage
There is a range of current tests for assessing product ‘resilience’ to damage by scratching and/or
abrasion mechanisms but, however, no single test has been shown to align with real life experience and
the tests typically will create and measure a specific form of damage and interaction between surfaces.
Some input test parameters to the tests as mentioned earlier are: force/pressure, contact area, relative
material hardness, duration of contact and repeated exposure to the damage, abrasive media, load,
velocity and number of cycles and any combination of these can result in different results of the test, as
different mechanism of surface damage occur.
Due to the different mechanical actions employed in the various tests, different directional damage
components / forces are involved. Some have consistently linear motions giving linear damage patterns
and others have more randomized directions of damage, as shown in Figure 1 below.
Micro-hardness, elastic modulus, roughness and friction play a different role in each type of wear test
with its intrinsic predominant dynamic phenomena. Static hardness tests for example do not take into
account these dynamic phenomena.
Historically steel wool and taber tests results have shown a dependency on micro hardness and
elasticity, while the tumble test shows a dependency on surface roughness. Surface friction however,
correlates well to all three abrasion tests.
a) Bayer abrasion haze pattern b) Tumble test abrasion pattern
c) Steel wool test d) Eraser test
Figure 1 — Damage examples
4 © ISO 2019 – All rights reserved

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Figure 1 a) shows many fine scratches and a hazy underlying background. Semi-randomized direction
to damage pattern – some linear component.
Figure 1 b) shows coarse heavy scratches but a clearer underlying background. Randomized
directional damage.
Figure 1 c) shows linear damage pattern from steel wool test.
Figure 1 d) shows linear damage pattern.
5.3 Assessing surfac e damage
The most common methods to assess damage are by measuring changes in luminous transmittance,
light scatter, and subjective evaluation of cosmetic appearance before and after damage has been
applied.
One problem with this approach is that results can appear to conflict with other methods of assessment.
For example, a single heavy scratch that is unacceptable cosmetically might give a satisfactory result in
a test based on a scattered light measurement methodology.
Abrasion tests that provide uniform damage (such as the Bayer test) are well suited for assessment
using scattered light (haze) measurement techniques. A test like the Tumble test might show more
realistic scratch patterns, but is not as well suited to assessment with haze techniques.
A slightly pitted surface might be acceptable in cosmetic terms but give a poor result when tested using
a scattered light measurement. Therefore, each test has to be combined with the best fitting kind of
damage measurement to get a useful evaluation. Well-proven combinations are for example Bayer
test with haze measurement and eraser test with visual examination against a light-dark-boundary as
defined in ISO 8980-5.
It may be necessary to get a better detailed understanding of abrasion / scratch resistance of coated
lenses. Usually the surface is examined with the aid of microscopes, electron microscopes or even more
expensive surface analysis tools.
6 Test method description
6.1 Steel wool test
6.1.1 Principle
The focus of the test is on the amount of force required to reach the threshold of penetration of the
surface before scratching occurs. This test was created specifically to test abrasion resistance coating
for the spectacle lens market. It’s a friction related type of damage: scratches with linear pattern. Other
versions of this test are performed with different grades of steel wool and with different number of
cycles and weight and velocity.
6.1.2 Description
6.1.2.1 Surface damage procedure summary
The procedure, for evaluating the abrasion resistance, requires a controlled movement with a specified
number of cycles under specified load conditions of a specified steel wool pad, as abrasive medium,
over the surface of plastic lenses (see Figure 2).
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Key
1 pad holder
2 block holder
3 1,8 ± 0,2 kg weight
4 metal plate
5 steel wool pad
6 rubber pad
7 test lens
Figure 2 — Steel wool test diagram
Each steel wool pad, as shown in Figure 3, is qualified following a detailed procedure and it is
fundamental to this test that control lenses of consistent manufacture are used.
One test run consists of a total of 9 lenses (6 samples plus 3 control lenses) abraded using a single steel
wool pad properly conditioned.
Key
1 press flat
Figure 3 — Folded steel wool
6.1.2.2 Method of assessment of surface damage
The parameter of interest is the average measured increase in damage (as estimated by increase in
haze detected by a suitable instrument) after 75 cycles.
Superior statistics can be achieved and confidence in the results enhanced if more data points are
available, on which a linear least squares regression can be performed.
Differences can be observed visually when they are significant but the evaluation method for the steel
wool test uses haze measurements before and after each sequence (Hazemeter).
The abrasion ratios of test lenses are calculated relative to all control lenses.
Figure 4 shows an example of steel wool damage.
6 © ISO 2019 – All rights reserved

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Figure 4 — Image of steel wool damage pattern
6.1.3 Pros and cons
6.1.3.1 Pros
— If the most prevalent mode of failure is scratching, the use of steel wool is well suited to quickly
generate scratches on the surface of a material in linear motion.
— Evaluate different optically clear materials; same coating (same film thickness) on different
substrates.
6.1.3.2 Cons
— There is no worldwide standard for grading steel wool.
— The preparation of the steel wool pad by folding and with proper fibre orientation is critical for
measurement. Conditioning of the pads is necessary for improved consistency.
— Haze assessment is not the most suitable method for a linear pattern of damage.
— Different abrasive media load, velocity and number of cycles can result in different results of the
test, as different mechanism of surface damage occurs.
— This test method has not been shown to correlate with real-life abrasion resistance of lens surfaces.
6.2 Tumble test
6.2.1 Principle
The “Tumble test” was developed at a time when tintable hard coatings on plastic lenses were first being
introduced into the marketplace. At the time, there was a significant variability in real life performance
of coatings claiming to be abrasion resistant. During the tumble test, the lens is placed inside a drum
that is rotated. A mixture of abrasive media (scrub pads, foam, wheat, sawdust, silica sand, and emery)
is free to move inside the barrel, invoking wear on the lens during the test. The amount of damage to
the test lens is compared to the amount of damage on a reference lens that was inside the drum at the
same time.
© ISO 2019 – All rights reserved 7

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6.2.2 Description
6.2.2.1 Surface damage procedure summary
The Tumble test was (and is) rather unique in that the abrasion pattern which results from the test is
not uniform. It was designed to more closely simulate what a lens surface generally looks like after a
given amount of time when worn in the field. Since wearers unintentionally expose a lens to a variety
of different abrasion sources (shirtsleeve, desktop, beach sand, etc.), it is a natural extension to realize
that a test that simulates real life patterns might correlate more actual wear.
For each test, an uncoated ADC lens was included in the batch under test. Generally the patterns were
different enough between the control and test lens to leave little doubt which surface was worse than
the other. For good coatings, the obvious improvement from the uncoated sample was clear evidence
that the coating was superior to uncoated.
A tumble barrel with a specified rotation speed was used and lenses placed in the barrel. T
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 21958
Première édition
2019-09
Optique ophtalmique — Revue des
méthodes d'essai utilisées pour
évaluer la résistance à la rayure et à
l'abrasion des verres ophtalmiques
Ophthalmic optics — Review of the test methods used to assess
scratch and abrasion resistance of spectacle lenses
Numéro de référence
ISO/TR 21958:2019(F)
©
ISO 2019

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ISO/TR 21958:2019(F)

DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Tél.: [phone]
Fax: [phone]
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Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés

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ISO/TR 21958:2019(F)

Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Contexte . 1
5 Mécanismes d'abrasion et de rayure mécaniques sur les surfaces des verres .2
5.1 Discussion et mécanismes de rayure . 2
5.2 Essais et les différentes formes de dommages . 4
5.3 Évaluation de l'endommagement de la surface . 5
6 Description de la méthode d'essai . 6
6.1 Essai à la paille de fer . 6
6.1.1 Principe . 6
6.1.2 Description . . . 6
6.1.3 Avantages et inconvénients . 8
6.2 Essai Tumble . 8
6.2.1 Principe . 8
6.2.2 Description . . . 9
6.2.3 Avantages et inconvénients .10
6.3 Essai de la gomme .10
6.3.1 Principe .10
6.3.2 Description . . .11
6.3.3 Avantages et inconvénients .12
6.4 Essai Bayer (essai du grain abrasif oscillant) .13
6.4.1 Principe .13
6.4.2 Description . . .13
6.4.3 Avantages et inconvénients .14
6.5 Nano rayure (dispositif de charge à pointe diamant) .15
6.5.1 Principe .15
6.5.2 Description . . .15
6.5.3 Avantages et inconvénients .16
6.6 Essai d’abrasion Taber .17
6.6.1 Principe .17
6.6.2 Description . . .17
6.6.3 Avantages et inconvénients .17
6.7 ISO 8980-5 «Exigences minimales pour les surfaces de verres de lunettes
déclarées être résistantes à l'abrasion» .18
6.7.1 Principe .18
6.7.2 Description . . .18
6.7.3 Avantages et inconvénients .19
7 Conclusion .19
Bibliographie .21
© ISO 2019 – Tous droits réservés iii

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ISO/TR 21958:2019(F)

Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-
comité SC 7, Optique et instruments ophtalmiques.
Il convient que l'utilisateur adresse tout retour d'information ou toute question concernant le présent
document à l'organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l'adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés

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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 21958:2019(F)
Optique ophtalmique — Revue des méthodes d'essai
utilisées pour évaluer la résistance à la rayure et à
l'abrasion des verres ophtalmiques
1 Domaine d'application
Le présent document décrit les méthodes d'essai les plus couramment considérées dans les travaux de
normalisation relatifs à la résistance à la rayure et à l'abrasion des verres ophtalmiques en plastique
ainsi qu'à leurs capacités et limitations techniques. Il comprend la méthode d’essai ISO pour l'évaluation
des revendications de résistance basique à l'abrasion de l'ISO 8980-5.
Le présent document est destiné à bénéficier à tout intérêt futur à l'égard de la normalisation ISO dans
le domaine de la résistance à la rayure et à l'abrasion des verres ophtalmiques.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Aucun terme n'est défini dans le présent document.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http:// www .electropedia .org/
4 Contexte
Le marché des verres ophtalmiques s’étant détourné du verre au profit du plastique dans les
années 1970, il est devenu nécessaire, face à la demande en traitements pour verres de ophtalmiques
en plastique améliorés résistant à l'abrasion, d’évaluer et de comparer les performances des nouveaux
traitements disponibles sur le marché.
Au fil des années ont été élaborées un certain nombre de méthodes d'essai de résistance à l'abrasion très
différentes qui emploient un large éventail de façons d'abraser le verre des lunettes. Chaque méthode
utilise un mécanisme de rayure ou d'abrasion unique, ce qui affecte la façon dont la capacité du verre à
résister aux dommages est évaluée.
En outre, ces méthodes d'essai utilisent des méthodes différentes d'évaluation de l'endommagement de
surface du verre d'essai.
Ensemble, les différents mécanismes d'abrasion et les méthodes différentes d'évaluation produisent
souvent des différences radicales dans le classement et l'évaluation des performances des surfaces des
verres, qui ne reflètent pas les performances sur le marché et l'expérience des utilisateurs en conditions
réelles.
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D'importants efforts de normalisation nationale et ISO ont été consentis dans le but de trouver une
méthode d'essai unique qui prédirait de façon fiable l'expérience de l’utilisateur ou les performances
sur le marché. Au terme d'un travail considérable, il est apparu que cet objectif ne pouvait être atteint,
et ce travail a été abandonné.
À la place, une norme ISO (ISO 8980-5) a été élaborée avec succès à l'aide d'une méthode capable de
déterminer si la surface d'un verre déclaré comme étant résistant à l'abrasion pouvait atteindre un
niveau basique de performances. Cette méthode d'essai suit la seule approche connue qui évite la
possibilité d'utiliser l'essai standard pour classer les produits du marché.
D'autres travaux ont suivi la publication de l'ISO 8980-5, cette fois dans le but de créer une norme pour
une «résistance avancée à l'abrasion» à un niveau supérieur au «niveau basique».
Cependant, après quelques années de travail, le groupe de projet responsable n'a pas été en mesure
d'atteindre l'objectif d'un essai unique capable de prédire les performances sur le marché et l'expérience
d'usure réelle, c'est pourquoi les travaux supplémentaires ont été abandonnés.
Le présent document décrit de façon détaillée les méthodes d'essai de résistance à l'abrasion les
plus courantes utilisées pour évaluer les surfaces des verres ophtalmiques élaborées sur plusieurs
décennies et qui ont été prises en compte lors des travaux de normalisation, ainsi que leurs capacités
et limitations techniques. Il comprend la méthode d’essai ISO pour l'évaluation des revendications de
résistance basique à l'abrasion de l'ISO 8980-5.
Le présent document explique également les différents mécanismes d'abrasion et de rayure.
5 Mécanismes d'abrasion et de rayure mécaniques sur les surfaces des verres
5.1 Discussion et mécanismes de rayure
Lorsqu'il s'agit de chercher à catégoriser et à quantifier les dommages occasionnés à une surface
de verre, l'industrie des verres ophtalmiques elle-même a des divergences d'opinions au sujet des
définitions, des descriptions et des catégories de types de dommages. Une méthode normalisée pour
l'évaluation et la quantification de ces dommages représente donc une activité extrêmement complexe
qui produira toujours des opinions différentes quant à l'interprétation des résultats des essais.
Deux termes types utilisés dans l'industrie des verres ophtalmiques pour décrire l'endommagement de
la surface du verre sont «abrasion» et «rayure».
Il n'existe dans ce secteur d'activité aucune définition unique convenue pour ces termes; cependant, des
descriptions basiques pourraient être:
— RAYURE – Processus de dégradation d'une surface intacte d'un verre causé par le contact/l’impact
initial d'un objet sur la surface d'un verre, puis par le frottement/mouvement de l'objet sur la surface
du verre
synonymes: entailler, abraser, rendre rugueux, érafler, lacérer, rainurer, entamer, graver,
inciser, évider;
— ABRASION – Processus de dégradation d'une surface intacte d'un verre causé par la piqûre ou
l'usure de la surface
synonymes: usure, érosion, grattage, corrosion, être mangé, frottement, ponçage, décapage,
écorchage, excoriation.
Un exemple d'abrasion pourrait être lorsque la surface d'un verre est frottée de façon continue à
l'aide d'un chiffon ou d'un mouchoir, et qu'au fil du temps se produit une dégradation de la surface/
du traitement qui altère son apparence et son fonctionnement. Une rayure pourrait se produire si du
sable ou des débris se trouvaient sur le chiffon et que le glissement de cette particule a occasionné un
dommage localisé spécifique car elle a été frottée sur toute la surface. Cette dernière est susceptible
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d'être remarquée plus facilement par l’utilisateur lorsqu'il regarde le verre à la lumière car elle est de
nature moins uniforme.
Certains estiment qu'«abrasion» est un terme générique permettant de décrire de nombreux types de
dommages à la surface d'un verre et que «rayure» n'est qu'un sous-ensemble des types de dommages.
D'autres estiment qu'«abrasion» est habituellement le terme générique permettant de décrire les
dommages liés à un «impact» et que «rayure» est habituellement le terme générique utilisé pour décrire
les dommages liés aux frottements.
Rayure est le terme souvent utilisé pour décrire les dommages visibles à la surface d'un verre qui se
produisent en lignes droites.
La rayure est souvent considérée comme étant une occurrence de dommage unique avec un point
de contact unique causé par un objet et avec contact prolongé et un mouvement dans une direction
constante.
L'abrasion est souvent considérée comme étant le dommage causé par la survenue répétée de points de
contact multiples d'un objet sur une plus grande surface.
Les mécanismes d'endommagement de la rayure et de l'abrasion dépendent tous deux de l'interaction
de facteurs tels que la force/la pression, la surface de contact, la dureté relative du matériau, la durée
du contact et l'exposition répétée au dommage, les coefficients de frottement des surfaces, la rugosité
de surface, etc. sur le verre (le «verre» comprend la combinaison du traitement et du substrat).
La résistance à l'abrasion et la résistance aux rayures sont des termes qui sont généralement utilisés
de manière interchangeable dans l'industrie. L'ISO 8980-5 concernée s'intitule «Exigences minimales
pour les surfaces des verres ophtalmiques déclarées être résistantes à l'abrasion» et utilise le terme
«résistance à l'abrasion» tandis que les services marketing de cette industrie utilisent généralement le
terme résistance à la rayure.
Les types de dommages peuvent être regroupés tel que représenté au Tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1 — Types de dommages
liés aux frottements liés aux chocs
déchirure piqûre
coupure écaillage
éraflure choc
Le dommage à la surface d'un verre peut être d'un seul type ou être une combinaison des types indiqués
dans le tableau ci-dessus. Sa direction peut être linéaire ou être aléatoire en fonction du mécanisme
d'essai.
La «rayure» peut être considérée comme une combinaison des types de dommages liés aux chocs et
aux frottements car une rayure peut provenir du contact/de l'impact d'un objet avec la surface, puis se
traduire en mécanisme d'endommagement lié aux frottements (déchirure ou coupure), puisque l'objet
reste en contact et est déplacé sur toute la surface.
Dans les performances en conditions réelles, un verre déclaré comme affichant des propriétés de
résistance élevée aux rayures pourrait en réalité bien tolérer un type de mécanisme d'endommagement,
mais offrir de mauvaises performances face à un mécanisme d'endommagement différent.
Exemple d'étude de cas:
Le dommage par abrasion peut être causé par l'essuyage quotidien de la poussière et des traces de doigts
présents sur les verres. La force exercée par l’extrémité de nos doigts est d'environ 10 N sur une surface
2
d'environ 1 cm . Plusieurs essuyages avec un chiffon doux propre ne causent aucun dommage à une
surface de verre propre. Ce n'est qu'après environ 1 000 essuyages que l'angle de contact des couches
«top coat» hydrophobes commence à diminuer, mais en règle générale la surface traitée d'un verre
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ne présente aucun dommage visible ou aucune variation de la couleur réfléchie. Dans des conditions
réelles, ni le chiffon ni la surface du verre ne sont jamais parfaitement propres: il y a de petits grains
de toute sorte de poussière ou même de sable. Lors de l'essuyage de la surface du verre, ils causent de
nombreuses rayures plus légères et plus prononcées, phénomène bien connu qui peut être observé sur
les verres portés après plusieurs mois. Cela peut être compris en estimant la pression exercée par un
grain de sable sur la surface du verre. Du côté du grain du chiffon, le chiffon doux s'adapte à la forme
du grain. Du côté du verre, le grain de sable et la surface du verre ne peuvent adapter que légèrement
leur forme respective du point de vue élastique, ce qui signifie que la zone de contact est largement
inférieure au diamètre du grain. En supposant que le grain a un diamètre de 0,1 mm = 100 µm, la surface
2
de contact approximative est inférieure à environ (10 µm) . La force exercée étant la même que du côté
chiffon, la pression au niveau de la zone de contact sur le verre est 2 fois plus grande, ce qui provoque
la déformation plastique, c'est-à-dire des rayures. Observées à l'aide d'un microscope, les rayures types
mesurent entre 1 μm et 10 μm de largeur et jusqu'à 1 µm de profondeur, et sont souvent accompagnées
de fissures et même d’un décollement du traitement.
Outre le nettoyage des verres, il existe d'autres causes types d'endommagement de la surface des verres:
— comportement au stockage, c'est-à-dire tournés vers le bas sur un tableau de bord de voiture où des
vibrations permanentes ont lieu;
— verres posés tournés vers le bas sur la surface dure d'un banc ou d’un bureau;
— transport dans un sac à main, où ils entrent en contact avec d'autres objets;
— rangement dans la poche d'une chemise, où ils frottent en permanence contre le matériau de la poche;
— chute au sol ou dans la poussière, etc.
5.2 Essais et les différentes formes de dommages
Bien qu'il existe actuellement un éventail d'essais permettant d'évaluer la «résilience» d'un produit face
aux dommages dus aux mécanismes de rayure et/ou d'abrasion, aucun essai unique n'a démontré être
représentatif des conditions réelles. En outre, les essais créent et mesurent généralement une forme
bien précise de dommage et d'interaction entre les surfaces.
Certains des paramètres d'entrée des essais tels qu'indiqués plus haut sont la force/pression, la
zone de contact, la dureté relative du matériau, la durée des contacts et l'exposition répétée aux
dommages, les supports abrasifs, la charge, la vitesse et le nombre de cycles, et toute combinaison de
ces paramètres peut produire des résultats d'essai différents, étant donné que différents mécanismes
d'endommagement de la surface sont à l'œuvre.
En raison des différentes actions mécaniques utilisées dans les différents essais, différentes
composantes/forces d'endommagement directionnel sont en jeu. Certaines utilisent des mouvements
systématiquement linéaires qui produisent des trames d'endommagement linéaires et d'autres
présentent des directions d'endommagement plus aléatoires, tel que représenté à la Figure 1 ci-dessous.
La micro-dureté, le module d'élasticité, la rugosité et les frottements jouent un rôle différent dans
chaque type d'essai d'usure avec leurs phénomènes dynamiques prédominants intrinsèques. Les essais
de dureté statiques ne tiennent par exemple pas compte de ces phénomènes dynamiques.
Historiquement, les résultats des essais à la paille de fer et des essais Taber ont montré une dépendance
vis-à-vis de l'élasticité et de la micro-dureté, alors que l'essai Tumble présente une dépendance à la
rugosité de surface. Le frottement superficiel présente toutefois une bonne corrélation avec chacun des
trois essais d'abrasion.
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a)  Trame de diffusion avec abrasion de Bayer b)  Trame d'abrasion de l'essai Tumble
c)  Essai à la paille de fer d)  Essai de la gomme
Figure 1 — Exemples de dommages
La Figure 1 a) montre de nombreuses rayures fines et un fond voilé. Direction semi-aléatoire de la trame
d'endommagement – une certaine composante linéaire.
La Figure 1 b) montre de grosses rayures mais un fond plus clair. Dommage directionnel aléatoire.
La Figure 1 c) montre une trame d'endommagement linéaire causée par l'essai à la paille de fer.
La Figure 1 d) montre une trame d'endommagement linéaire.
5.3 Évaluation de l'endommagement de la surface
Les méthodes d'évaluation des dommages les plus courantes sont la mesure des variations du facteur
de transmission lumineuse, de la diffusion de la lumière et l'évaluation subjective cosmétique avant et
après l'endommagement.
Le problème avec cette approche est que les résultats peuvent sembler être en contradiction avec
d'autres méthodes d'évaluation. Par exemple, une unique rayure profonde qui est inacceptable d'un
point de vue cosmétique pourrait donner un résultat satisfaisant dans un essai fondé sur une méthode
de mesure de la lumière diffuse.
Les essais d'abrasion qui fournissent un endommagement uniforme (tels que l'essai Bayer) sont bien
adaptés à l'évaluation à l'aide de techniques de mesure de la lumière diffuse (diffusion). Un essai tel
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que l'essai Tumble pourrait présenter des trames de rayure plus réalistes, mais il ne convient pas à une
évaluation basée sur une mesure de la diffusion.
Une surface légèrement piquée pourrait être acceptable en termes cosmétiques, mais elle donne de
mauvais résultats lors d'un essai à l'aide d'une mesure de la lumière diffuse. Par conséquent, chaque
essai doit être associé au type de mesure des dommages le mieux adapté pour obtenir une évaluation
pertinente. Exemples d'associations éprouvées: essai Bayer avec mesure de la diffusion et essai de la
gomme avec examen visuel contre une limite clair-obscur tel que défini dans l'ISO 8980-5.
Il peut être nécessaire d'avoir une meilleure compréhension détaillée de la résistance à l'abrasion/aux
rayures des verres avec traitement. La surface est généralement examinée à l'aide de microscopes, de
microscopes électroniques ou d'outils d'analyse de la surface encore plus onéreux.
6 Description de la méthode d'essai
6.1 Essai à la paille de fer
6.1.1 Principe
L'essai se focalise sur la force nécessaire pour atteindre le seuil de pénétration de la surface avant
l'apparition d'une rayure. Cet essai a été créé spécialement pour soumettre à essai les traitements
résistants à l'abrasion pour le marché des verres ophtalmiques. Il s'agit d'un type de dommage lié aux
frottements: des rayures présentant une trame linéaire. D'autres versions de cet essai sont réalisées
avec différentes qualités de paille de fer et avec un nombre de cycles, un poids et une vitesse différents.
6.1.2 Description
6.1.2.1 Récapitulatif de la procédure d'endommagement de la surface
La procédure d'évaluation de la résistance à l'abrasion nécessite le mouvement contrôlé, selon un
nombre spécifié de cycles et dans des conditions de charge spécifiées, d'un tampon de paille de fer
spécifié, utilisé comme support abrasif, sur la surface des verres ophtalmiques en plastique (voir la
Figure 2).
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Légende
1 porte-tampon
2 porte-bloc
3 poids de 1,8 ± 0,2 kg
4 plaque métallique
5 Tampon de paille de fer
6 tampon en caoutchouc
7 verre d'essai
Figure 2 — Schéma de l'essai à la paille de fer
Chaque tampon de paille de fer, tel qu'illustré à la Figure 3, est qualifié à la suite d'une procédure
détaillée et il est impératif pour cet essai que des verres de contrôle de qualité uniforme soient utilisés.
Un cycle d'essais se comp
...