LC-0871 De QCT-condensatietester: waarom het werkt

Download Bestand

Er zijn behoorlijk wat laboratoriummethoden voor versnelde simulatie van de schade die regen en dauw aan metalen en organische stoffen veroorzaken. De ouderwetse methoden van onderdompeling in water, hoge luchtvochtigheid, mist of zoutnevel zijn echter niet helemaal bevredigend. Ze reproduceren de buitenomstandigheden niet nauwkeurig omdat ze niet zijn ontworpen om het essentiële kenmerk van een buitenvochtaanval - condensatie - te produceren en te beheersen. Daarentegen is de QCT ® condensatietester een realistischer simulatie omdat deze een gecontroleerde condensatieblootstelling produceert. 

Het basisontwerp 

De QCT-machine is gebaseerd op de Cleveland Condensing Humidity Cabinet, oorspronkelijk ontworpen en getest door de Cleveland Society for Paint Technology. Met dit ontwerp simuleert de QCT-tester regen en dauw door vloeibaar water direct op het testmonster te condenseren (afbeelding 1). Dit wordt bereikt door het water in de bodem van de testkamer te verwarmen om hete damp te genereren. De damp vult de testkamer en creëert 100% vochtigheid bij een temperatuurinstelling van ergens tussen de 40°-80°C (100°-180°F). Omdat de testpanelen het daadwerkelijke dak van de kamer vormen, koelt de kamerlucht aan de bovenkant de panelen een paar graden onder de damptemperatuur. Dit temperatuurverschil zorgt er op zijn beurt voor dat de damp condenseert als puur vloeibaar water aan de onderkant van de panelen. (Het hele proces lijkt erg op een distilleerketel). Er zijn belangrijke redenen waarom deze condensatiemethode de beste manier is om blootstelling aan natuurlijke vochtigheid te simuleren. 

Niet zomaar een vochtigheidskast 

We doen er alles aan om mensen ervan te overtuigen onze QCT-unit een "condensatietester" te noemen in plaats van een "vochtigheidstester". Het verschil is niet alleen semantisch; het vertegenwoordigt een fundamenteel andere benadering van corrosietesten. 

Vochtigheid - water in de dampfase - veroorzaakt geen corrosie. Pas wanneer waterdamp condenseert als vloeistof, begint het coatings, metalen en roestwerende middelen aan te tasten. Vergeet ook niet dat vloeibaar water zelfs bij 100% relatieve vochtigheid niet op een object zal condenseren, tenzij het object koeler is dan de omringende damp. In een conventionele vochtigheidskast bevinden de testmonsters zich volledig in de kast, dus er is geen waterdichte methode om de monsters te koelen om betrouwbare condensatie te bieden. Welke koeling (en condensatie) er ook optreedt, het is het resultaat van ongecontroleerde cyclus van de thermostaat van de kast, of het openen van de kast door de operator, of andere niet-gekwantificeerde variabelen.

Daarentegen zorgt het ontwerp van de QCT condensatietester voor positieve monsterkoeling door kamerlucht, zodat er een continue en voorspelbare toevoer van vers gecondenseerd water op het monster is. Om deze reden is de QCT-tester geen "vochtigheidskast", maar een "condensatiekast". Het gebruikt 100% vochtigheid alleen als middel om vloeibare condensatie te creëren. 

Buitenvocht door regen en dauw - een condensatieproces 

Het is over het algemeen niet bekend dat materialen, zelfs in het binnenland, een opmerkelijk hoog percentage van de tijd nat zijn. Figuur 2 toont de incidentie van vloeibaar water op monsters op een testlocatie in Florida, gemeten door een galvanische detector (Bijlage A) die een spanning genereert wanneer er vloeibaar water aanwezig is (1). Figuur 3 toont vergelijkbare natheidsmetingen op zes andere locaties in Noord-Amerika (2). De gegevens tonen aan dat de monsters ongeveer 30% van de tijd nat waren. Dat betekent dat materialen die buiten worden blootgesteld gemiddeld acht uur nat zijn per dag, of ongeveer 2900 uur nat per jaar. Deze opvallend hoge incidentie van natheid heeft belangrijke implicaties.

Ten eerste is de regenval zodanig dat deze slechts een klein deel van deze uren van nattigheid kan verklaren. Dit betekent dat de overheersende bron van nattigheid dauw of condensatie is, en dat materialen vaker en langer nat worden van dauw dan algemeen wordt aangenomen. Figuur 4 bevestigt verder de overheersing van dauw boven regen, door aan te tonen dat de grondzijde van een testpaneel dat 30° zuidwaarts is gericht, nat is dan de hemelzijde (3). 

Er is een eenvoudig fysiek mechanisme dat deze grote ophoping van dauw verklaart. Om dauw te condenseren, moet een materiaal koeler zijn dan de omringende lucht. Meer specifiek, het moet onder het dauwpunt van de lucht zijn. De manier waarop materialen zo koud worden, is door warmte te verliezen via straling aan de nachtelijke hemel. Stralingswarmteoverdracht is evenredig met de 4e macht van het temperatuurverschil. Omdat de nachtelijke hemel in wezen absoluut nul is, is straling een krachtig koelmechanisme. Het snelle effect van stralingswarmteverlies na zonsondergang wordt weergegeven in Afbeelding 5. Merk op dat het zwarte paneel, vanwege zijn hogere emissiviteit, sneller warmte verliest dan het glanzende paneel. Afbeelding 6 toont de typische dagelijkse temperatuurcyclus die door dit effect wordt veroorzaakt. 

Het feit dat stralingskoeling verantwoordelijk is voor dauw heeft een aantal interessante implicaties. Als het materiaal niet naar de koude lucht "kijkt" maar naar een relatief warm object zoals wolken, zal er geen stralingswarmteoverdracht en geen dauw zijn. Voorbeelden hiervan zijn het feit dat er geen vorst optreedt op bewolkte nachten en een auto onder een carport droog blijft terwijl een nabijgelegen auto op de oprit dauw verzamelt.

Andere effecten kunnen ook helpen of hinderen bij het creëren van dauw door straling. Naarmate de relatieve vochtigheid stijgt, stijgt de dauwpunttemperatuur, dus is er niet zoveel koeling nodig om het materiaal onder het dauwpunt te brengen. Dit helpt bij de vorming van dauw, maar verzekert het op geen enkele manier. En in tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is relatieve vochtigheid geen goede maatstaf voor nattigheid (Figuur 7). Hoge vochtigheid kan op zichzelf niet leiden tot condensatie van dauw als er geen stralingswarmteverlies is (Figuur 8) (4)

Externe bronnen van warmtewinst beïnvloeden ook de vorming van dauw. Wind remt de condensatie van dauw door de convectieve warmtewinst te vergroten. Met een sterke genoeg wind zal convectieve warmtewinst ervoor zorgen dat het materiaal de temperatuur van de lucht aanneemt, en kan er geen condensatie optreden. Om soortgelijke redenen is een testmonster met multiplex achterkant geneigd om twee keer zo lang nat te zijn als een monster zonder isolerende achterkant (zie Afbeelding 9) (1). 's Nachts verliest het monster zonder achterkant warmte door straling aan de lucht, maar het krijgt warmte door convectie van de lucht en door straling van de grond. Het monster met achterkant straalt dezelfde hoeveelheid warmte uit naar de lucht, maar omdat de achterkant geïsoleerd is, krijgt het minder warmte van convectie en van grondstraling. Het netto-effect is dat een geïsoleerd monster sneller koud wordt en dus sneller nat. 

Het feit dat materialen voornamelijk worden blootgesteld aan dauw, en niet aan regen, heeft invloed op het type degradatie dat zal optreden. Ten eerste is dauw verzadigd met zuurstof. Het is vaak zo dat water op zichzelf niet destructief is, maar dat water schade veroorzaakt door zuurstof in nauw contact te brengen met het materiaal en zo oxidatie te bevorderen. Elke poging om nattigheid buitenshuis te simuleren, moet ervoor zorgen dat het water volledig en betrouwbaar verzadigd is met zuurstof. De enige manier om dit te doen is met condensatie. De alternatieve methoden van sprays, "mist" en onderdompeling slagen er allemaal niet in om de zuurstofverzadiging te beheersen. 

Het is ook belangrijk om te onthouden dat wanneer dauw condenseert, het puur gedestilleerd water is, zonder opgeloste vaste stoffen. De methode van de QCT-tester om water direct op het monster te condenseren, dupliceert deze zuiverheid. Andere testmethoden, zoals onderdompeling of zoutnevel, zijn slechte simulaties van dit aspect van nattigheid buitenshuis. En met tests waarbij water wordt gespoten, zelfs gedestilleerd water, is het erg moeilijk om opgeloste vaste stoffen volledig te elimineren. 

Het feit dat dauw urenlang op materialen blijft liggen, is ook van cruciaal belang. Hierdoor kan het water diep in het materiaal doordringen om interne oxidatie te veroorzaken. Het geeft ook tijd voor oplosbare additieven om uit het materiaal te logen. En in het geval van verflagen, geeft het het water tijd om door de coating te dringen en oplosbare stoffen tussen de coating en het substraat op te lossen. Dit creëert een osmotische cel (5). met de coating als membraan. De zuivere gecondenseerde dauw is de verdunde oplossing en het water tussen het substraat en de coatings is de geconcentreerde oplossing (zie Afbeelding 10). De resulterende osmotische druk pompt letterlijk water door de coating, wat blaasvorming en optillen van de coating veroorzaakt. 

Let op dat bij blootstelling aan zoutmist de geconcentreerde oplossing zich aan de buitenkant van de coating bevindt, dus de osmotische gradiënt voorkomt dat water door de coating heen dringt. Zoutmist keert dus de omstandigheden om die bij blootstelling aan natuurlijke dauw voorkomen.

Temperatuur versnelt condensatie 

Ten slotte legt het feit dat materialen zo'n groot deel van hun leven buitenshuis nat zijn, een speciale last op versnelde tests. Met materialen buitenshuis die acht uur per dag nat zijn, is het vrijwel onmogelijk om condensatieschade te versnellen door het aantal uren natheid te verhogen. Er moeten andere middelen worden gebruikt. De QCT-machine versnelt door de temperatuur van natheid te verhogen tot 40°-60°C (104°-140°F). Dit behoudt de essentiële kenmerken van zuivere gecondenseerde dauw, terwijl het een hoge mate van versnelling biedt. Het is niet ongewoon om te ontdekken dat een toename van 10% in condensatietemperatuur resulteert in een verdubbeling van de snelheid van verslechtering (zie afbeelding 11) (2). Om natheid buitenshuis te versnellen, heb je zowel lange periodes van natheid als verhoogde temperaturen nodig. En tenzij je de temperatuur van natheid zorgvuldig controleert, heb je geen controle over de versnellingssnelheid. 

Bijlage A: Tijd van nattigheidsmeter 

De Time of Wetness Meter (TOW Meter) die gebruikt wordt om de data hier te verzamelen, werd oorspronkelijk ontwikkeld door de National Research Council of Canada. Verschillende ASTM-commissies hebben de meter vervolgens onderzocht. De TOW-sensor (Figuur 12) bestaat uit een zinkplaat met twee platina-elektroden die op de voorkant zijn gelijmd. Het platina is ongeveer 1 mm van het zink verwijderd met een isolerende lijm. Elektrische draden zijn bevestigd aan de twee verschillende metalen. Wanneer vloeibaar water de ruimte tussen de twee metalen overbrugt, hebben we een zink/platina-batterij die tot 1 volt genereert. Wanneer de spanning boven de 2 volt komt, wordt een looptijdmeter geactiveerd om de natheidstijd te registreren. De platina/zink-interface is 53 cm (21 inch) lang en de elektrische schakeling is zodanig dat 02 microampère de stroom is zodra het natheidsinterval is gestart.

Het is belangrijk om op te merken dat dit een nieuwe en andere methode is om nattigheid te meten. Andere "nattigheids"-detectoren die in gebruik zijn, hebben een lont die veranderingen in elektrische geleidbaarheid meet als reactie op veranderingen in relatieve vochtigheid in de lucht. Hoewel vochtigheid mogelijk correleert met nattigheid, geven dergelijke detectoren geen daadwerkelijke directe meting van nattigheid op het testoppervlak. De zink/platina-sensor vertelt ons echter wel wanneer er een daadwerkelijke vloeibare elektrolyt aanwezig is op de interface van de twee metalen. 

Recent onderzoek naar de TOW-meter heeft zich geconcentreerd op de ontwikkeling van een koper/goudsensor om de zink/platinacel te vervangen. De nieuwe koper/goudsensor wordt vervaardigd volgens hetzelfde proces als gewone printplaten. Dit proces zou sensoren moeten opleveren die kleiner, gemakkelijker te standaardiseren en veel goedkoper zijn. Anders werkt de koper/goudsensor als de zink/platinasensor.

Referenties 

1. Grossman, PR, "Onderzoek naar atmosferische blootstellingsfactoren die de nattigheidsduur van buitenconstructies bepalen", Atmosferische factoren die de corrosie van technische materialen beïnvloeden, ASTM STP 646, Coburn, SK, red., American Society for Testing and Materials. 1978, pp. 516.

2. Guttman, H., en Sereda, PJ, "Meting van atmosferische factoren die de corrosie van metalen beïnvloeden" Metaalcorrosie in de atmosfeer, ASTM STP 435, American Society for Testing and Materials, 1968, pp. 326-359.

3. Sereda, PJ, "Meting van oppervlaktevocht, voortgangsrapport", ASTM Bulletin, nr. 228, 1968, pp. 53-55.

4. Verwarmings-, ventilatie- en airconditioninggids 1958, American Society of Heating and Ventilating Engineers, 1958, p. 177.

5. McSweeney, EE, "Water en metalen", officieel overzicht van de Federation of Societies for Paint Technology, Vol. 37. Nr. 485, 1965.