Kathodische Enthaftung insbesondere bei Polyurethan Beschichtungen. Betrachtung der Grundlagen und normativen Anforderungen Ashokanand Vimalanandan

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1 Kathodische Enthaftung insbesondere bei Polyurethan Beschichtungen Betrachtung der Grundlagen und normativen Anforderungen Ashokanand Vimalanandan

2 Inhalt 2 Normative Anforderungen/Prüfungen bezüglich kathodischer Enthaftung von Beschichtungen Grundlagen der kathodischen Enthaftung von Beschichtungen CD-Test Ergebnisse von Polyurethan Beschichtungen Schlussfolgerung Was ist die kathodische Enthaftung? Ist das ein nur durch KKS bedingtes Phänomen? Welche integritätsrelevanten Auswirkungen hat die kathodische Enthaftung? Geben die normativen Prüfbedingungen die tatsächliche Performance von Beschichtungen unter KKS Bedingungen wieder?

3 Normative Anforderungen und Prüfung 3 ISO verweist auf DIN EN 21809/DIN EN Beschichtungssystem Versuchsbedingungen Enthaftungsdistanz/Prüfkriterium 3-Lagen PE DIN EN (20 C/28d/d=6 mm Fehlstelle /0,5 M NaCl, -1,5 V CSE ) Fusion Bonded Epoxy (FBE) DIN EN (20 C/28d/d=3-6 mm Fehlstelle/0,5 M NaCl, -1,58 V CSE ) Bitumenbänder DIN EN (23 C/28d/d=6 mm Fehlstelle/0,5 M NaCl, -1,58 V CSE ) Tapes DIN EN (23 C/28d/d=6 mm Fehlstelle/0,5 M NaCl, -1,58 V CSE ) Viskoelastisches Material DIN EN (23 C/28d/d=6 mm Fehlstelle/0,5 M NaCl, -1,58 V CSE ) Polyurethan DIN EN (23 C/28d/d=6 mm Fehlstelle/0,5 M NaCl, -1,58 V CSE ) Kathodische Enthaftung von Beschichtungen im Meerwasser DIN EN (23 C/6 Monate/d=10 mm Fehlstelle/Meerwasser, ~ -1,12 V CSE ) 7 mm/messung des kathodischen Stromes 8 mm/ Messung des kathodischen Stromes 20 mm Messung des kathodischen Stromes 15 mm/ Messung des kathodischen Stromes 0 mm/nach Testdauer darf keine Fehlstelle vorhanden sein/ Messung des kathodischen Stromes 10 mm/ Messung des kathodischen Stromes 20 mm / Messung des kathodischen Stromes <20 µa/mechanische Tests

4 E Grundlagen der kathodischen Enthaftung 4 Potential im intakten Bereich der Beschichtung i Gleichgewichtspotential Summenkurve i anod Potential in der Fehlstelle i Potential Fehlstelle Galvanische Kopplung i Potential Fehlstelle Potential Beschichtung i anod i kath 2H2O + O2 + 4e - 4OH - E E E i kath 2H 2 O + O 2 + 4e - 4OH - Summenkurve Fehlstelle 2H 2 O + 2e - H 2 + 2OH - Fehlstelle Beschichtung DE Distanz Aufbau eines lateralen elektrischen Feldes zwischen Fehlstelle und intakter Beschichtung Metall

5 Grundlagen der kathodischen Enthaftung 5 Unterhalb einer kathodisch enthafteten un-pigmentierten Beschichtung auf Stahl wird immer ein alkalischer ph Wert gemessen, unabhängig davon ob die Fehlstelle mit KKS geschützt wird oder nicht! Erzeugung des alkalischen Milieus erfolgt durch die Sauerstoffreduktion Erzeugung von Radikalen bei der Sauerstoffreduktion führt zum Angriff der Beschichtung und Haftungsverlust

6 Grundlagen der kathodischen Enthaftung 6 H 2 O,O 2 H 2 O,O 2 Beschichtung 2H 2 O + O 2 + 4e - 4OH - Intakte Beschichtung (hohes Potential) Bewegung der Anionen Bewegung der Kationen e - 2H 2 O + O 2 + 4e - 4OH - 2H 2 O + 2e - H 2 + 2OH - Fehlstelle (niedriges Potential/KKS) e - 2H 2 O + O 2 + 4e - 4OH - Stahl Kation Anion OH - A. Leng, H. Streckel, M. StratmannCorrosion Science (1998).

7 Grundlagen der kathodischen Enthaftung 7 In Anlehnung an A. Leng, H. Streckel, M. StratmannCorrosion Science (1998). Folgende Faktoren und eine Kombination dieser führt zu einer beschleunigten kathodischen Enthaftung: je höher der Potentialunterschied zwischen der Fehlstelle und der intakten Beschichtung je höher die Sauerstoffkonzentration und Diffusion durch die Beschichtung je kleiner der hydrodynamische Radius des Kations im Elektrolyten je höher die Konzentration der Salze im Elektrolyten

8 CD-Tests mit PUR Beschichtungen-Prüfbedingung 8 In Anlehnung an DIN EN ,25 M Na 2 SO 4 statt 0,5 M NaCl Lösung (Beibehaltung der Na + Konzentration) Vermeidung der Chlorid Oxidation -1,58 V CSE Fehlstellendurchmesser: 6 mm 14 Tage, 28 Tage, 84 Tage, 130 Tage, 252 Tage und 365 Tage Prüfdauer mit einer PUR Beschichtung nach DIN EN Tage Prüfdauer in Sand und 0,25 M Na 2 SO 4 28 Tage und 84 Tage Prüfdauer mit einer modifizierten (quervernetzten) PUR Beschichtung

9 CD-Tests mit PUR Beschichtungen-Ergebnisse 9 Keine Korrosion Neutrale bis leicht alkalische ph-werte in den Fehlstellen, außer bei der Probe mit Sand erfolgt eine bessere Fixierung des ph Wertes aufgrund Konzentrationspolarisation Alkalische ph-werte unter der enthafteten Beschichtung

10 CD-Tests mit PUR Beschichtungen-Ergebnisse 10

11 CD-Tests mit PUR Beschichtungen-Ergebnisse 11 Gesamtergebnis Zunehmende Enthaftungsdistanz mit zunehmender Prüfdauer Enthaftungsdistanz unabhängig vom gemessenen mittleren Strom Bei beiden Proben ist die Ionenkonzentration in der Fehlstelle und die Potentialdifferenz nahezu gleich

12 CD-Tests mit PUR Beschichtungen-Ergebnisse 12 Bei 28 Tagen Prüfdauer ist die Enthaftungsdistanz der modifizierten PUR Beschichtung kleiner als die der unmodifizierten Nach 84 Tagen Prüfdauer ist die Enthaftungsdistanz der modifizierten PUR Beschichtung größer als die der unmodifzierten Resultiert aus der unterschiedlichen Induktionszeit für den Beginn der Enthaftung Normative Prüfbedingungen erlauben keinen Vergleich der Beschichtungsperformance!

13 Enthaftungsdistanz 28 Tage CD-Tests mit PUR Beschichtungen-Ergebnisse 13 Normativ festgelegte Prüfdauer erfasst weder die Langzeitperformance einer Beschichtung noch ist ein Vergleich der Beschichtungen untereinander möglich Zeit Enthaftungsdistanz als Funktion der Zeit erlaubt eine Prognose über die Beschichtungsperformance unter stark eingestellten KKS Zusätzliche Aufnahme des Stromes nach ermöglicht eine Aussage der Versprödung der Beschichtung

14 Zusammenfassung 14 Was ist die kathodische Enthaftung? Ist das ein durch KKS bedingtes Phänomen? Ursache für die kathodische Enthaftung ist die Potentialdifferenz zwischen intakter Beschichtung und der Fehlstelle. Es ist die Sauerstoffreduktion und deren Produkte unterhalb der Beschichtung, die zu einem Haftungsverlust führen. Dieses Phänomen lässt sich auch bei einer frei korrodierenden Fehlstelle ohne KKS beobachten. Welche integritätsrelevanten Auswirkungen hat die kathodische Enthaftung? Aufgrund des unter der Beschichtung ausbildenden alkalischen ph-wertes und der Formstabilität der Beschichtungen hat es keine integritätsrelevante Auswirkung! Geben die normativen Prüfbedingungen die tatsächliche Performance von Beschichtungen unter KKS Bedingungen wieder? Die festgelegten Prüfbedingungen sind für eine produktionsbegleitende Qualitätskontrolle ausreichend, jedoch erlauben diese Prüfbedingungen weder eine Aussage über die Langzeitperformance der Beschichtungen noch dürfen diese als Performance Vergleich zwischen zweier Beschichtungen herangezogen werden.

15 Schlussfolgerung 15 Für betriebliche Interessen sind Prüfbedingungen nach DIN EN aussagekräftiger Aufnahme eines Stromstärke-Kriteriums Aufnahme von mechanischen Kennwerten nach dem Test Aufnahme des Enthaftungsverlaufs Nachstellung eines korrosionsrelevanten Worst-case Kriteriums unter turbulenten fließenden Bedingungen und mittlerer KKS-Einstellung auf einem rohrförmigen Prüfkörper