Materiaalitekniikka Tekijä: 20.8.2010 Simo Torniainen Aapo Nylén Paavo Ripatti Olosuhde- ja Xenon-testaus Microbe Control Finland Oy
2 1. Asiakastiedot Jouko Leppänen Microbe Control Finland Oy Pl 3 00721 Helsinki +358 40 900 9856 2. Testilaitteistojen kuvaus FRT-MicroProf 3D -profilometri Mittausalue: 200 mm x 200 mm Pinnan morfologian karakterisointi- ja pinnoitepaksuusmittaukset Mittaustarkkuusalueet: Mittausalue Mittaustarkkuus z- Mittausresoluutio suunnassa z-suunta xy-suunta 300 µm ± 100 nm ~10 nm ~2 µm 600 µm ± 200 nm ~20 nm ~2 µm 3 mm ± 1 µm ~100 nm ~6 µm Pinnoitepaksuuden mittaus alueella 2 200 µm ± 100 nm ~10 nm ~30 µm Krüss DSA 10 -pintaenergia-analysaattori Näytteen kostutuskyky ja pintaenergiamittaukset Vötsch VM 4020 olosuhdekaappi Testikammion lämpötila sekä ilmankosteus (RH) säädettävissä: - Kammion ilman lämpötila -40...180 C, - Kammion ilman suhteellinen kosteus 10-98 % Syklinen testaus Testidatan seuranta ja keräys testin ajalta Testikammion tilavuus ~ 200 l Näytetarjotin 550 mm x 550 mm Q-Sun Xe-3-HS -Xenon-testeri 3 kpl 1800 W ilmajäähdytteistä Xenon-täysspektrivaloa Suodattimet: -päivänvalosuodatin, valon intensiteetti 0,25...0,68 W/m 2 aallonpituudella 340 nm -ikkunalasisuodatin, valon intensiteetti 0,25...0,55 W/m 2 aallonpituudella 340 nm Testikammion lämpötila sekä ilmankosteus (RH) säädettävissä: -valojakson aikana eristetyn mustan paneelin lämpötila 50...120 C, kammion ilman lämpötila 35...65 C -pimeäjakson aikana eristetyn mustan paneelin lämpötila 25...50 C, kammion ilman lämpötila 25...50 C Vesisuihkusyklit (lämpöshokin ja/tai eroosion vaikutus) ohjelmoitavissa joko valo- tai pimeäjaksoon Testidatan seuranta ja keräys testin ajalta Näytetarjottimen koko 451 x 718 mm Kalibrointilaitteet intensiteetti-, lämpötila- ja kosteusparametreille
15 Kuva 9. Testinäyte 1 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 10. Testinäyte 1 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 11. Testinäyte 1 Xenon-testaus 2000 h. Kuva 12. Testinäyte 2 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 13. Testinäyte 2 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 14. Testinäyte 2 Xenon-testaus 2000 h.
16 Kuva 15. Testinäyte 3 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 16. Testinäyte 3 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 17. Testinäyte 3 Xenon-testaus 2000 h. Kuva 18. Testinäyte 4 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 19. Testinäyte 4 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 20. Testinäyte 4 Xenon-testaus 2000 h.
17 Kuva 21. Testinäyte 5 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 22. Testinäyte 5 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 23. Testinäyte 5 Xenon-testaus 2000 h. Kuva 24. Ref. 1 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 25. Ref. 1 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 26. Ref. 1 Xenon -testaus 2000 h.
18 Kuva 27. Ref. 2 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 28. Ref. 2 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 29. Ref. 2 Xenon-testaus 2000 h. Kuva 30. Ref. 3 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 31. Ref. 3 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 32. Ref. 3 Xenon-testaus 2000 h.
19 Kuva 33. Ref. 4 Olosuhdetestaus 0 h. Kuva 34. Ref. 4 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 35. Ref. 4 Xenon-testaus 2000 h. Kuva 36. Ref. 5 Olosuhdetestaus 0 h Kuva 37. Ref. 5 Olosuhdetestaus 500 h. Kuva 38. Ref. 5 Xenon-testaus 2000 h.
20 Kuva 39. Testatut näytekeppaleet. 7. Kiihdytettyjen testaustulosten (valonkeston ja ilmastovaikutus) ajallinen vastaavuus luonnolliseen vanhenemiseen Kiihdytetyn Xenon-testauksen ajallista vastaavuutta normaalin ilmaston aiheuttamiin väri- tai muihin muutoksiin voidaan arvioida jollakin tasolla esimerkiksi EOTA Technical Report TR 010:n mukaisesti (saatavilla: http://www.eota.be/html/technical-reports.htm), joka alun perin on laadittu kattomateriaalien testauksen ohjeistamiseksi. Ajallista vastaavuutta laskettaessa tulee huomioida epävarmuustekijät, jotka johtuvat valotyypistä, näytteiden ja valon välisestä etäisyydestä, testauskammion ilmanlämpötilasta sekä xenon-kaarivalon säteilyn intensiteetin muuttumisesta valolähteen ikääntyessä. Taulukossa 20 on esitetty EN ISO 4892-2/3:n mukaiset säteilyintensiteetit eri valonlähdetyypeille: Taulukko 20. Wavelength range Irradiance (W/m2)
21 Testauksen ajallista vastaavuutta arvioitaessa tulee määrittää ilmasto-olosuhteet, jotka jaetaan leutoon (moderate) ja ankaraan (severe). Jaottelu perustuu vuosittaiseen auringon säteilyyn vaakapinnalla sekä vuoden lämpimimmän kuukauden keskilämpötilaan taulukon 21 mukaisesti. Taulukko 21. Kuva 40 esittää keskimääräisen vuosittaisen auringon säteilyn määrän [GJ/m 2 ] kartalla näkyvällä alueella. Jotta keinotekoisen vanhentamisen vertailu luonnolliseen vanhenemiseen olisi jollain tasolla mahdollista, laskennassa huomioidaan vain UV-aallonpituusalue välillä 300 400 nm, joka on ~6 % koko auringon säteilyn intensiteetistä. 67 % lisäkorjauksella huomioidaan kesäkuukausien säteilyn korkeampi lämpötila. Tällöin esimerkiksi Suomen alueellinen korjattu säteilyenergia yhdelle vuodelle on 0,67 x 0,06 x 3,2 GJ/m 2 = 128,6 MJ/m 2. Xenon-testilaitteen koko spektriä vastaava aikakeskiarvotettu säteilyteho (E) ISO 4892-2:n mukaisesti on 60 W/m 2, joka vastaa 0,51 W/m 2 nm säteilytehoa 340 nm:n kohdalta. Vuosittaista säteilyenergiaa vastaava Xenon-testausaika voidaan laskea jakamalla 128 MJ/ m 2 aikakeskiarvotetulla säteilyteholla. Tällöin vuosittaista säteilyenergiaa vastaa ~600 tunnin testausaika. Koekappaleille toteutetun Xenon-testauksen (2000 h) voidaan arvioida vastaavan noin 3,4 vuoden ajanjaksolla kertyvää kompensoitua säteilyenergiaa. Kuva 40. Keskimääräinen vuosittainen auringon säteilyn intensiteetti [GJ/m 2 ]
22 8. Johtopäätökset Toteutettujen testauksien tavoitteena oli altistaa testatut näytteet vaativille olosuhteille. Olosuhdetestauksen tavoitteena oli kondensoida vettä testattujen materiaalien pintakerroksiin ja nopealla jäähdytyksellä aikaansaada jännitystiloja näytemateriaalissa. Olosuhdetestauksen vastaavuutta luonnon olosuhteisiin on vaikea arvioida. Xenon-testauksen tavoitteena oli altistaa näytekappaleet UV-säteilylle, korotetulle lämpötilalle ja kosteudelle sekä lämpöshokeille. Edellisen kappaleen mukaisesti Xenon-testaus vastaa n. 3,4 vuoden ajanjaksolla kertyvää kompensoitua säteilyenergiaa. Todellinen säteilyenergian kertymä vaihtelee kuitenkin monikertaisesti riippuen suojauspinnoitteen käyttökohteesta ja sijainnista. Silmämääräisesti arvioituna testinäyte 1 sekä referenssi 1 eroavat muista näytteistä ehyemmällä pinnallaan. Tämä ero on havaittavissa myös käytetyillä mittausmenetelmillä erityisesti testinäytteessä 1. Pinnoittamattomassa koekappaleessa (Ref. 5) oli havaittavissa kalkkikertymä testin päätyttyä. Vastaavia kalkkikertymiä ei ollut havaittavissa suoja-aineella pinnoitetuissa kappaleissa. Värimittausten perusteella testattavat näytteet pysyivät suhteellisen stabiileina E -kokonaismuutosarvon ollessa 1,52 3,51. Selvimmät erot värimuutoksissa tapahtui Xenon-testauksen aikana, jolloin E kokonaismuutosarvo oli välillä 1,30 3,20, kun taas olosuhdetestauksen aikana vastaava muutos oli 0,38 2,13. Poikkeuksena näytteissä oli testinäyte 1, jolla a*-värikomponentin ja b*-värikomponentin muutos oli huomattavasti pienempi kuin muilla testinäytteillä. Värimittausten perusteella muutokset stabiloituvat ~1000 tunnin Xenon-testauksen jälkeen. Kiiltomittaukset osoittivat näytteiden pysyvän lähes muuttumattomina GU-arvon muutoksen ollessa 0,4 yksikköä lukuun ottamatta testinäytettä 1, jolla vastaava muutos oli 1,4 cd / lx m 2. Samoin referenssinäyte 1 erosi muista näytteistä kiiltävämmällä pinnalla, mutta tämän muutos testin aikana säilyi suhteellisen pienenä muutoksen ollessa alle 0,1 cd / lx m 2. Pinnoitteen hajoaminen ei ole kuitenkaan selvästi havaittavissa kiiltomittausten avulla. 3D-profilometrimittaustulosten pinnoitettujen näytteiden pinnankarheusarvo R a pääsääntöisesti laskee (erittäin vähäinen muutos) toteutettujen testien vaikutuksesta, taulukot 4 8. Referenssinäytteissä R a - arvoissa on havaittavissa lievää kasvua, taulukot 9 13. Pinnankarheusparametrien avulla pinnoitemäärän vähentymistä tai suojauskyvyn heikkenemistä ei kuitenkaan voida varmuudella analysoida. Kontaktikulmamittausten perusteella pinnoitteen hajoamisnopeus hidastuu noin 1500 Xenon-testaustunnin jälkeen. Mittausten perusteella ko. altistusaika pienentää kontaktikulmaa noin 50 % suhteellisena muutoksena arvioituna. Kokonaisuudessaan pinnoitettujen materiaalien kontaktikulma muuttuu testauksen aikana ~120 :sta (vertailunäytteiden ka.) ~43 :een. Taulukon 15 perusteella ensin suoritettu 500 h mittainen olosuhdetestaus ei heikennä pinnoitteen suojauskykyä. Toteutettujen altistustestien ja erityisesti kontaktikulmamittausten perusteella voidaan todeta, että teflonpinnoittaminen parantaa tiilen pinnan hydrofobisuusominaisuuksia merkittävästi, sillä pinnoittamaton tiili on pintaominaisuuksiltaan täysin hydrofiilinen. Kontaktikulmamittausten perusteella pinnan hydrofobisuus vähenee 2000 tunnin mittaisen Xenon-testauksen aikana selvästi, mutta ei häviä kokonaan. Taulukon 14 ja graafin 3 avulla matemaattisesti arvioituna (eksponentiaalinen sovitus kontaktikulmien keskiarvoihin eri mittausajankohtina) kontaktikulma pienenee 0 :een n. 5000 Xenon-testaustunnin jälkeen. Tämä vastaa laskennallisesti arvioituna n. 8 vuoden luonnollista vanhenemista.