Welche Auswirkung hat gelöstes Chlorgas im Wasser auf die Oberflächenhärte der PFA-Heizung nach 1.000 Stunden?

Im Wasser ist Chlorgas (Cl₂) ein sehr starkes Oxidationsmittel und wird in vielen Desinfektionssystemen, Schwimmbädern und kommunalen Wasseraufbereitungsanlagen verwendet. Mit der Zeit zerstört das Chlor die PFA-Oberflächen. Bei normalen Mengen (1-10 ppm) führt gelöstes Chlorgas zu einer fortschreitenden Oberflächenveränderung, wohingegen Hypochloritlösungen (Bleichmittel) einen schnellen Abbau bewirken. Die PFA-Oberflächenhärte steigt um 5–10 Shore-D-Einheiten (65–68 bis 70–75) nach 1.000 Stunden Dauereinwirkung bei 40 Grad (durchschnittliche Pooltemperatur) mit 5 ppm gelöstem Cl 2 . Die Oberfläche wird spröder, die Bruchdehnung sinkt von 300 % auf 150–200 %. Der Härteanstieg beschränkt sich auf die äußere Schicht von 50–150 µm, das Grundmaterial bleibt unverändert. Die Wirkung wird bei höheren Temperaturen (60 bis 80 Grad) oder höheren Chlorkonzentrationen (20 bis 50 ppm) beschleunigt und es kann innerhalb von 500 Stunden zu Oberflächenrissen kommen.

Mechanismus des PFA-Chlorangriffs
In Wasser gelöstes Chlorgas hydrolysiert zu hypochloriger Säure (HOCl) und Salzsäure (HCl). Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl. „HOCl und HCl sind beide feindselig. HOCl ist ein starkes Oxidationsmittel, das Wasserstoffatome aus PFA-Kettenenden extrahiert (obwohl PFA relativ wenige Wasserstoffatome aufweist, gibt es einige verbleibende -CF2H-Endgruppen). Fluor wird durch Sauerstoff ersetzt und bildet Carbonylfluorid- (-COF) und Carboxylgruppen (-COOH). Diese polaren Gruppen erhöhen die Oberflächenenergie (von 18–20 mN/m auf 25–35 mN/m), was paradoxerweise zu einer Verringerung des Wasserkontaktwinkels führt und daher die Benetzbarkeit verbessern kann. Noch wichtiger ist, dass die oxidierte Oberflächenschicht vernetzt und aushärtet. Der Anstieg der Härte steht im Zusammenhang mit einem Anstieg der Kristallinität der Oberflächenschicht (von 45 % auf 55–60 %), da amorphe Bereiche bevorzugt anvisiert und reorganisiert werden.

Diese Reaktion ist temperaturabhängig. 25 Grad. Nach 1.000 Stunden bei 5 ppm Cl2 erhöht sich die Härte um 2–4 Shore D-Einheiten. Bei 40 Grad sind es 5–10 Einheiten. Bei 60 Grad sind es 10-15 Einheiten. Es bilden sich oberflächliche Mikrorisse. PFA in 5 ppm Chlorwasser bei 80 Grad versagt nach 200–500 Stunden aufgrund starker Oberflächenrisse und Versprödung. Daher sollten PFA-Heizungen in Chlordesinfektionsanlagen bei Temperaturen unter 50 Grad eingesetzt werden.

Änderung der Oberflächenhärte nach 1000 h
Temperatur (Grad) Chlorkonzentration (ppm) Anfangshärte (Shore D) Härte nach 1.000 Stunden (Shore D) Anstieg (Shore D) Oberflächenerscheinung Bruchdehnung Retention (%)
0 (Kontrolle) 40 66 66 0 Glatt, glänzend 100 % 1 40 66 68-69 2-3 Leichte Mattierung 90–95 % 5 40 66 70-73 4-7 Matt, leicht rau 70–80 %
10 40 66 72-75 6-9 Stumpfe, spürbare Mikro-Rauhigkeit 60–70 %
5 25 66 68–70 2–4 Leichte Mattierung 85–90 % 5 50 66 72–76 6–10 Matt, feine Haarrisse 65–75 % 5 60 66 75–80 9–14 Mikrorisse sichtbar bei 10× 40–60 %
5 80 66 N/A (fehlgeschlagen) N/A Oberflächenrisse, Versprödung<20% 20 40 66 74-78 8-12 Crazing, white surface layer 50-65% 50 40 66 78-82 12-16 Cracking, surface powdering 30-50%
Praktische Auswirkungen auf den Betrieb der Heizung
Bei Schwimmbadheizungen (25–30 Grad, 1–5 ppm Cl2) war der Härteanstieg nach 1.000 Stunden gering (2–5 Shore D). Die Heizung ist immer noch betriebsbereit und die Oberflächenversprödung führt bei normalem Temperaturwechsel (ΔT=10-20 Grad) nicht zu Rissen. Die Lebensdauer beträgt 5-10 Jahre. Bei kommunalen Wasseraufbereitungsanlagen mit Temperaturen von 40–50 Grad ist der Härteanstieg erheblich (5–10 Shore D). Die Oberfläche der Heizung wird stumpf und verliert ihre Elastizität. Nach 2–3 Jahren Temperaturwechsel (tägliches Ein-/Ausschalten) können feine Oberflächenrisse auftreten. Ein Austausch wird nach 3–5 Jahren empfohlen.

PFA wird unabhängig von der Konzentration nicht für die industrielle Desinfektion von Chlor bei hohen Temperaturen (50–80 Grad) empfohlen. Die Kombination aus hoher Temperatur und Chlor führt zu einer schnellen Oberflächenschädigung und Rissbildung und schließlich zum Eindringen in den Metallkern. Andere Materialien für den Einsatz von Chlor bei hohen Temperaturen sind Titan (passiviert in Chlorwasser) oder ECTFE (Halar), das hinsichtlich der Chlorbeständigkeit PFA überlegen ist.

Zustandsbewertung der Oberflächenhärteprüfung
Bei PFA-Heizgeräten im Chlorbetrieb wird durch jährliche Oberflächenhärteprüfungen die verbleibende Lebensdauer geschätzt. Verwenden Sie ein tragbares Shore-D-Härtemessgerät (ASTM D2240). Messen Sie an drei Stellen (unten, in der Mitte, oben) am eingetauchten Teil. Wenn die Härte gegenüber dem ursprünglichen Wert (66–68) um ​​5-10 Einheiten angestiegen ist, ist dies ein Hinweis auf eine mäßige Verschlechterung. Die Heizung wird wahrscheinlich noch 2-3 Jahre halten. Ein Anstieg der Härte um 10–15 Einheiten weist auf eine erhebliche Verschlechterung hin und ein Austausch sollte innerhalb von 12 Monaten erfolgen. Steigt die Härte um mehr als 15 Einheiten oder treten offensichtliche Risse an der Oberfläche auf, ist ein Austausch erforderlich. Der Zusammenhang zwischen verbleibender Lebensdauer und zunehmender Härte ist empirisch. Bei chlorgeschädigtem PFA ist es jedoch zuverlässig.

Wenn die Heizelemente bereits einen Härteanstieg aufweisen, verringern Sie nach Möglichkeit die Arbeitstemperatur. Die Abbaurate halbiert sich bei jeder Absenkung um 5 Grad (Arrhenius-Verhalten). Eine Heizung bei 50 Grad mit einer Erhöhung der Härte um 10 Einheiten und einer Absenkung auf 40 Grad verdoppelt die verbleibende Lebensdauer auf 4 Jahre.

Schlussfolgerungen: Härte um 5–10 Einheiten nach 1.000 Stunden bei 40 Grad/5 ppm Cl2 erhöht
The surface hardness of PFA heater increased by 5–10 Shore D units (from 66–68 to 70–75) after exposure to dissolved chlorine gas (5 ppm) in water at 40°C for 1,000 hours. The surface was embrittled, the elongation at break decreased from 300 % to 70-80 %. The degradation is confined to the outer 50–150 ?m layer and does not cause immediate failure, but it weakens the resistance of the heater to thermal cycling and mechanical stress. For normal pool and municipal water disinfection (25 to 40 deg C, 1 to 5 ppm), PFA heaters have adequate 5-10 year life. PFA is not recommended for industrial usage above 50°C. Annual tests of Shore D hardness offer an easy, non-destructive way to measure degradation and forecast replacement dates. Replacement of heater required if hardness increases >15 Einheiten oder offensichtliche Oberflächenrisse. So überwachen Sie die Härte, halten die Temperatur aufrecht und ersetzen es, bevor es ausfällt. Chlor und hohe Temperaturen sind die Feinde von PFA. Beherrschen Sie beides und Ihre Heizung wird überleben.