Pomiary warunków atmosferycznych przy badaniu odporności powłok lakierniczych z wykorzystaniem stacji meteorologicznej Delta OHM - Studium przypadku F.H. Barwa

Jednym z najważniejszych zagadnień w procesie produkcji farb i powłok lakierniczych jest ich odporność na działanie warunków atmosferycznych. Aby ją określić, niezbędne jest prowadzenie odpowiednich badań na podstawie wiarygodnych danych. W maju 2020 roku z problemem dotyczącym pomiarów wybranych parametrów środowiskowych i ich rejestracją zwrócili się do nas pracownicy Laboratorium Powłok Adhezyjnych F.H. Barwa. W niniejszym artykule postaramy się przybliżyć problematykę tego niestandardowego projektu wraz z zaproponowanym rozwiązaniem wykorzystującym stację meteo producenta Delta OHM.

W skrócie

• Najważniejsze parametry i czynniki w badaniu odporności powłok lakierniczych
• Pomiar i znaczenie czynników środowiska zewnętrznego
• Gotowy system pomiarowy Delta Ohm
• Wywiad ze Zleceniodawcą
• Przybliżony czas zapoznania się z treścią: ok. 15 min.

Firma Handlowa Barwa

 ​

Przedsiębiorstwo F.H. Barwa zostało założone w Kielcach w 1990 roku. Jest partnerem handlowym PPG Industries, światowego lidera na rynku farb i lakierów. Firma dostarcza materiały wysokiej jakości oraz opracowuje nowoczesne technologie systemów powłok lakierniczych. Priorytetem działalności jest dostosowanie produktów do indywidualnych potrzeb klientów z takich gałęzi przemysłu jak przemysł samochodowy i autobusowy, rolnictwo, kolejnictwo, przemysł obronny czy lotnictwo.

Badania w Laboratorium Powłok Adhezyjnych

Jednym z filarów firmy “Barwa” jest Laboratorium Powłok Adhezyjnych, utworzone pod koniec lat dziewięćdziesiątych. Od czasu rozpoczęcia współpracy z przemysłem Laboratorium odpowiada za wysoką jakość oferowanych towarów i usług. Laboratorium prowadzi badania produktów lakierniczych w formie wyrobów ciekłych oraz utwardzonych już systemów lakierniczych. Badania prowadzone są zgodnie z normami ISO, DIN, ASTM oraz w oparciu o procedury własne i standardy producentów.


Badania te dostarczają informacji m.in. na temat właściwości fizyko-mechanicznych powłok utwardzonych, odporności na czynniki zewnętrzne czy media agresywne. Poprzez zastosowanie komór starzeniowych symulujących różne warunki środowiska zewnętrznego, oceniany jest wpływ tych czynników na degradację systemów lakierniczych.

Laboratorium Powłok Adhezyjnych dysponuje m.in.

• Komorami UV (z lampami UV-A lub UV-B)
• Komorami z lampami ksenonowymi
• Komorą cykliczną CRH
• Komorami solnymi do badania w obojętnej oraz zakwaszonej mgle solnej
• Komorą wilgotnościową

Najważniejsze czynniki: promieniowanie słoneczne, temperatura, wilgotność powietrza

Decydującymi parametrami w badaniu odporności powłok lakierniczych są promieniowanie słoneczne, temperatura i wilgotność względna powietrza. Energia dostarczona w postaci promieniowania słonecznego (szczególnie fale krótkie) potrafi znacząco wpływać na degradację żywicy oraz pigmentów. W wyniku tego destrukcyjnego oddziaływania można zaobserwować zjawisko kredowania powłoki (rozpadanie się żywicy), blaknięcia kolorów (degradacja pigmentów), pękania lakieru, rozwarstwienia między warstwami itp.

System lakierniczy stosuje się nie tylko w celu nadania estetycznego wyglądu malowanego elementu, ale ma na celu również m.in. wydłużenie czasu jego użytkowania (zabezpieczenie antykorozyjne). W tym przypadku kluczowy jest czas, jaki powłoka spędza wilgotna (TOW - Time Of Wetness, wyliczany ze stosunku RH do temperatury). Z uwagi na zjawisko rozszerzalności cieplnej brane są również pod uwagę temperatury maksymalne i minimalne. W przypadku badań korozyjnych wykonuje się nacięcie na powłoce specjalnym ostrzem w taki sposób, aby dociąć się do podłoża. Podczas badania ocenia się zmiany zachodzące w okolicy nacięcia.

Badanie w warunkach naturalnych

Oprócz badania w komorach starzeniowych, pracownicy Laboratorium Powłok Adhezyjnych sprawdzają również odporność powłok w naturalnych warunkach atmosferycznych. Metodyka badawcza powstała w oparciu m.in. o PN-EN ISO 2810:2005, standard ASTM S4141 oraz poradniki firm, które posiadają wieloletnie doświadczenie w tego rodzaju badaniach.

Próbki umieszczone są na specjalnym stojaku zlokalizowanym w obrębie firmy. W ustalonych odstępach czasu pracownicy laboratorium dokonują oceny zniszczeń wizualnie oraz za pomocą odpowiednich przyrządów.

Pomiar czynników środowiska zewnętrznego

Ze względu na zmienne warunki atmosferyczne (ilość promieniowania słonecznego, wahania temperatur i wilgotności) określenie odporności powłok na działanie środowiska zewnętrznego jest trudne do oszacowania. Niezbędne jest rejestrowanie danych meteorologicznych, dzięki czemu możliwa jest głębsza analiza. Pozwala to na korelację wyników ekspozycji w naturalnych warunkach środowiska z wynikami z komór starzeniowych. Wyniki z pomiarów natężenia promieniowania słonecznego, irradiancji UV-A, temperatury i wilgotności należy umieścić w raporcie z badań odporności w naturalnych warunkach atmosferycznych.

Dotychczas w Laboratorium F.H. Barwa nie gromadzono takich danych. Pracownicy mogli jedynie spekulować, czy przy ewentualnie dużych zniszczeniach powłoki nie doszło do uszkodzeń w wyniku, np. zbyt dużego promieniowania słonecznego. Przez brak pomiarów warunków atmosferycznych nie było możliwe porównanie wyników badań z danego okresu z tymi np. sprzed roku.

W maju bieżącego roku pracownicy Laboratorium zwrócili się do firmy Merserwis z prośbą o dobór przyrządów do pomiarów ilościowego i jakościowego promieniowania słonecznego oraz termohigrometru, które pozwalają na bezobsługową pracę w sposób ciągły. Najważniejszymi wymaganiami Klienta była wysoka dokładność pomiarów potwierdzona świadectwem wzorcowania przyrządów oraz możliwość montażu urządzeń na stałe w warunkach zewnętrznych.

System pomiarowy danych meteorologicznych Delta OHM

Zgodnie z życzeniem Klienta postawiliśmy na rozwiązanie najwyższej jakości. W odpowiedzi na potrzeby Laboratorium Powłok Adhezyjnych zaproponowaliśmy kompletny system pomiarowy złożony z komponentów włoskiego producenta Delta OHM. Firma Delta OHM jest jednym z wiodących przedsiębiorstw w dziedzinie pomiarów środowiskowych, a ich produkty są używane na całym świecie.


Gwarancję wysokiej jakości produktów Delta OHM zapewnia centrum kalibracji złożone z sześciu nowoczesnych laboratoriów. Wszystkie z nich uzyskały certyfikat ISO 17025 i posiadają akredytację zgodnie z wymaganiami międzynarodowego systemu akredytacji ILAC-MRA dla następujących wielkości fizycznych: temperatura, wilgotność, ciśnienie, prędkość powietrza, dźwięk oraz fotometria i radiometria.

Stacja meteorologiczna Delta OHM gwarantuje dane pomiarowe wysokiej jakości

Zaproponowaliśmy odpowiednio dobraną stację meteorologiczną składającą się z czujników irradiancji całkowitej i UVA oraz temperatury i wilgotności względnej powietrza. Nasza oferta dla Laboratorium F.H. Barwa oprócz dostawy odpowiednich elementów zawierała również kompleksową usługę montażu stacji i konfiguracji systemu oraz pełne wsparcie posprzedażowe.



Sondy pomiarowe wykorzystane w tym projekcie to:

• LPPYRA02 - Pyranometr klasy B z płaską charakterystyką widmową (ang. Spectrally flat Class B), zgodnie z ISO 9060:2018, do pomiaru całkowitego natężenia napromienienia (irradiancji)
• LPUVA02 - Sonda radiometryczna do użytku zewnętrznego do pomiaru irradiancji w zakresie spektralnym UVA (315...400 nm)
• HD9009 - Meteorologiczny przetwornik temperatury i wilgotności względnej razem z osłoną chroniącą czujnik przed promieniowaniem słonecznym

System pomiarowy został oparty na bezprzewodowym rejestratorze z serii produktów HD35. Jest to rodzina produktów przystosowanych do pracy zarówno w środowisku wewnętrznym jak i zewnętrznym. Wybrany został rejestrator sygnałów analogowych z czterema wejściami na sondy pomiarowe, model HD35EDLWH, wyposażony w wyświetlacz LCD. Może on pracować w zakresie temperatur od -20 do 70 °C, a jego stopień ochrony wynosi IP67.


Ilość pomiarów, które mogą być zapisane w pamięci rejestratora wynosi od 28 000 do 58 000 (w zależności od liczby i rodzaju podłączonych czujników). Przesyła on automatycznie dane do stacji bazowej w regularnych, konfigurowalnych odstępach czasu lub na żądanie. Transmisja odbywa się bezprzewodowo za pomocą fal radiowych o częstotliwości 868 MHz, a zasięg rejestratora wyposażonego w opcjonalną antenę zewnętrzną może przekraczać nawet 500 metrów. W tym projekcie stacją bazową systemu jest model HD35APW, która łączy się z bazą danych przez WiFi lub ETHERNET.


Źródłem energii dla zamontowanych przetworników jest moduł PV wraz z zasilaczem paneli słonecznych HD32WSF.S12. Zestaw zawiera również akumulator 12 Vdc na wypadek zbyt małego nasłonecznienia. Wszystkie elementy stacji meteorologicznej zostały zamontowane za pomocą specjalnych uchwytów na stabilnym i wytrzymałym statywie o wysokości 2 m.

Montaż, podłączenie, konfiguracja

Oprócz montażu i podłączenia wszystkich elementów udzieliliśmy również wsparcia przy konfiguracji systemu. Do zmiany ustawień, modyfikacji parametrów i całościowej obsługi systemu pomiarowego służy darmowe oprogramowanie producenta: programy HD35AP-S oraz HDServer1. Wyniki z pomiarów mogą być przechowywane na serwerze, w lokalnej bazie danych lub w bezpłatnej chmurze Delta Ohm Cloud.

Oddajmy głos Zleceniodawcy

Zazwyczaj mając do czynienia z tak ciekawym projektem znanej firmy, chcemy poznać bliżej potrzeby, wykorzystanie i zdanie Klienta o instalowanym i używanym systemie. Jest to bezcenna wiedza, która pozwala nam jeszcze lepiej zrozumieć potrzeby i przypadki podobnych firm po to, aby jak najlepiej dopasować ofertę. Rozmawiamy z Panem Karolem Wiechą, Technologiem odpowiedzialnym za projekt w F.H. Barwa.

Gdzie będą wykonywane badania? (czy w Laboratorium Powłok Adhezyjnych?)
Próbki umieszczone są na specjalnym stojaku zlokalizowanym w obrębie naszej firmy (tam też umieszczone jest urządzenie do pomiarów irradiancji, UV-A, temperatury oraz wilgotności). Są to badania odporności powłok na naturalne warunki atmosferyczne. Oceny zniszczeń w odpowiednich czasookresach (instrumentalnie oraz wzrokowo) dokonujemy w Laboratorium Powłok Adhezyjnych.

Od kiedy w Państwa firmie istnieje Laboratorium Powłok Adhezyjnych?
Decyzja o utworzeniu laboratorium została podjęta w końcu lat dziewięćdziesiątych wraz z decyzją o rozpoczęciu współpracy z przemysłem. Od tego czasu laboratorium jest systematycznie rozbudowywane. Współpracujemy też z ośrodkami naukowymi głównie Politechniką Świętokrzyską, Politechniką Krakowską, Instytutem Kolejnictwa i Wojskowym Instytutem Techniki Inżynieryjnej.

Do czego będą wykorzystywane pomiary irradiancji, UVA oraz temperatury i wilgotności?
Rok do roku naturalne warunki atmosferyczne mogą się znacznie różnić (ilość promieniowania słonecznego, temperatury maksymalne, minimalne). Gromadząc te dane z urządzenia możemy później poddać uzyskane wyniki głębszej analizie, która może nam pomóc w korelacji wyników ekspozycji w naturalnych warunkach środowiska, z wynikami z komór starzeniowych.

W laboratorium Powłok Adhezyjnych dysponujemy m.in.

• komorami UV (z lampami UV-A lub UV-B) – badanie powłok pod kątem odporności na najagresywniejszy wycinek promieniowania słonecznego
• komorami z lampami ksenonowymi – widmo uzyskane za pomocą tych lamp jest bardzo zbliżone do widma promieniowania słonecznego
• komorą cykliczną CRH – możliwe zaprogramowanie różnego rodzaju cykli z wykorzystaniem rozpylonej mgły roztworu wody z solą z fazami suchymi, wilgotnymi, ciepłymi, zimnymi itd.
• komory solne do badania w obojętnej mgle solnej (NSS) oraz zakwaszonej (AASS) – ekspozycja w sposób ciągły
• komora wilgotnościowa (warunki badania: 100% RH, 40°C)

Porównując uzyskane zniszczenia w komorach starzeniowych z tymi w naturalnych warunkach (dysponując dodatkowo danymi z zakupionego urządzenia) będzie można spróbować określić współczynnik korelacji między badaniami w naturalnych warunkach, a komorami.
Dodatkowo pomiary IRR, UV-A, temperatury oraz RH są informacjami które należy umieścić w raporcie z badań odporności w naturalnych warunkach atmosferycznych.

Jaki negatywny wpływ na Państwa produkty ma promieniowanie słoneczne, UVA, warunki atmosferyczne?
Całkowite widmo promieniowania słonecznego docierającego na powierzchnię ziemi składa się w 44% z promieniowania w zakresie widzialnym (ok. 400- 700 nm), 3 % UV-A i UV-B (280-400 nm) a resztę stanowi promieniowanie IR (>700 nm).

Energia dostarczona w postaci promieniowania słonecznego (szczególnie ale krótkie) potrafi wpływać na degradację substancji błonotwórczej (żywicy), oraz pigmentów, które występują w szeroko rozumianej powłoce lakierniczej. W wyniku tego destrukcyjnego oddziaływania można zaobserwować zjawisko kredowania powłoki (rozpadanie się żywicy), blaknięcia kolorów (degradacja pigmentów), pękania lakieru, rozwarstwienia między warstwami itp.

System lakierniczy stosuje się nie tylko w celu nadania estetycznego wyglądu malowanego elementu, ale ma na celu również m.in. wydłużenie czasu jego użytkowania (zabezpieczenie antykorozyjne). W tym przypadku kluczowy jest czas, jaki powłoka spędza wilgotna (TOW – Time Of Wetness, wyliczany ze stosunku RH do temperatury). Oczywiście temperatury (maksymalne oraz minimalne) też nie są bez znaczenia z uwagi na zjawisko rozszerzalności cieplnej. W przypadku badań korozyjnych wykonuje się nacięcie na powłoce specjalnym ostrzem w taki sposób, aby dociąć się do podłoża. Podczas badania ocenia się zmiany zachodzące w okolicy nacięcia.

Czy i jak te parametry były wcześniej mierzone?
Parametry te nie były wcześniej mierzone. Jedynie można było spekulować, przy ewentualnie dużych zniszczeniach powłoki, czy nie mieliśmy do czynienia z np. wyjątkowo słonecznym latem, a co za tym idzie: energia która przyczynia się do degradacji powłoki, nie była znacznie wyższa niż rok wcześniej.

Jakie inne wielkości są mierzone, które mają znaczący wpływ na farby, produkty lakiernicze?
Jeśli chodzi o trwałość ciekłych produktów najważniejsze są jedynie temperatura i wilgotność powietrza. Pierwsza wielkość może skrócić czas w jakim farba w puszce może zostać wykorzystana do malowania, a drugi ma wpływ głównie na opakowanie (wykonane ze stali. Jak wiemy – stal nie lubi wilgoci).

Poza tym wpływ na trwałość estetyki powłoki lakierniczej ma np. sposób czyszczenia powłok lakierniczych (zwłaszcza jeśli chodzi o myjnie automatyczne), zawartość w otoczeniu zanieczyszczeń przemysłowych typu NO2, SO2, O3, soli itp.

Czy badanie jest na podstawie ISO czy metodykach własnych? Jak wygląda badanie wpływu UV na Państwa produkt?
Badanie, do którego została zakupiona aparatura od Państwa, polega na ekspozycji w naturalnych warunkach atmosferycznych specjalnie przygotowanych paneli wykonanych z różnego rodzaju podłoży metalicznych (głównie stopy stali i aluminium), pokrytych naszymi systemami powłokowymi.

Panele takie montowane są na specjalnych stojakach. Jedna część paneli jest ustawiona czołem w kierunku równika, i nachylona pod kątem ok. 5° w stosunku do podłoża. Druga część paneli jest zwrócona w kierunku północnym, i umieszczona jest pod kątem 90° w stosunku do podłoża. Panele zwrócone czołem w kierunku północnym narażone są przez dłuższy czas na oddziaływanie wilgoci, z tego względu w takim ułożeniu testowane są powłoki pod kątem zabezpieczenia antykorozyjnego.

Metodyka badawcza odporności systemów powłokowych w naturalnych warunkach atmosferycznych powstała w oparciu o kilka dokumentów. Podstawowymi są oczywiście normy:
- PN-EN ISO 2810:2005 Farby i lakiery – Powłoki w naturalnych warunkach atmosferycznych – ekspozycja i ocena
- Amerykańska ASTM S4141

Wspieraliśmy się także poradnikami firm, które posiadają wieloletnie doświadczenie w badaniach w naturalnych warunkach atmosferycznych – Atlas oraz Q-lab. Są to producenci komór starzeniowych do przyspieszonych badań.

Co skłoniło Państwa do wyboru naszej oferty i produktów Delta Ohm?
Przede wszystkim zaangażowanie z Państwa strony w pomocy przy wyborze tak niestandardowego rozwiązania, jakiego szukaliśmy.

Podsumowanie

Zadowolenie Klienta i realizacja jego wymagań jest dla nas zawsze na pierwszym miejscu. Tym bardziej czujemy dumę, jeśli zaproponowane rozwiązania spełniają oczekiwania, szczególnie przy tak niestandardowym projekcie. Jesteśmy przekonani, że wysoka jakość produktów i mocna konstrukcja stacji pogodowej pomoże pracownikom Laboratorium F.H. Barwa w ich długotrwałych badaniach.

Zachęcamy do współpracy wszystkich zainteresowanych rozwiązaniami do pomiarów warunków atmosferycznych. Zapraszamy do zapoznania się z produktami z naszej oferty przyrządów meteorologicznych, w tym autonomicznych stacji meteorologicznych, deszczomierzy, anemometrów ultradźwiękowych i pyranometrów do pomiaru natężenia promieniowania słonecznego.