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Dokumentenidentifikation DE10361959A1 28.07.2005
Titel Säuredepositionssensor und Verfahren zur Bestimmung einer atmosphärischen Säurebelastung
Anmelder BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, 12205 Berlin, DE
Erfinder Torge, Manfred, Dr., 15366 Dahlwitz-Hoppegarten, DE;
Schulz, Ulrich, Dr., 14129 Berlin, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10179 Berlin
DE-Anmeldedatum 23.12.2003
DE-Aktenzeichen 10361959
Offenlegungstag 28.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.07.2005
IPC-Hauptklasse G01N 31/00
IPC-Nebenklasse G01N 17/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Säuredepositionssensor (10) zur Bestimmung einer Säurebelastung durch Niederschläge, umfassend mindestens ein Glaselement (12), das mindestens eine expondierbare Oberfläche (14) aufweist und eine Zusammensetzung besitzt mit Massenanteilen im Bereich von
SiO2 60 bis 80%,
K2O 0 bis 40%,
Na2O 0 bis 40%
CaO 0 bis 10% und
CoO 0 bis 1%,
wobei ein Massenanteil weiterer Komponenten insgesamt höchstens 1% und die Summe der Masseanteile aller Komponenten 100% beträgt. Der Sensor weist bevorzugt eine Mehrzahl von Glaselementen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und damit mit abgestufter Säureempfindlichkeit auf. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der atmosphärischen Säurebelastung.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Säuredepositionssensor und ein verfahren zur Bestimmung von atmosphärischen Säurebelastungen, insbesondere durch wässrige Niederschläge.

Die Kenntnis regionaler Säurebelastungen durch atmosphärische Niederschläge ist für viele Bereiche von Bedeutung. Beispielsweise besteht in der Automobilindustrie ein Interesse an dieser Kenntnis, um etwa die Qualität von Automobillackierungen oder von eingesetzten Kunststoffmaterialien an die Erfordernisse verschiedener Absatzregionen anzupassen. Ferner spielt die Kenntnis der Säurebelastung im Bereich des Umwelt- und Denkmalschutzes sowie in der Bauindustrie eine große Rolle. Entwickler von Laborprüfmethoden unterschiedlicher Materialien sind für die Simulation klimatischer Verhältnisse auf die Kenntnisse einzelner Klimakomponenten, zu denen die Säurebelastung zu zählen ist, angewiesen.

Eine einfache, aus der Meteorologie bekannte Methode zielt darauf ab, in speziellen Niederschlagssammlern den Niederschlag über einen festlegbaren Zeitraum zu sammeln und in der gesammelten Niederschlagsmenge den Säuregehalt über pH-Wertmessungen zu bestimmen. Diese Methode versagt in Regionen, in denen nicht nur wässrige, sondern auch feste Niederschläge in Form kalkhaltiger Staubpartikel niedergehen. Hier kommt es zu einer Neutralisation der Säure im Niederschlagssammler und damit zu einer Fehlbestimmung. Dieses Problem betrifft Gegenden mit sehr kalkhaltigen Böden und Regionen in Meeresnähe, wo bereits erhebliche Mengen von Calciumsalzen im wässrigen Niederschlag enthalten sind.

Gemäß einem standardisierten Verfahren zur Bestimmung der korrosiven Wirkung komplexer Umgebungsbedingungen werden im so genannten Mankschen Karussell Stahlbleche als Sensoren eingesetzt und der korrosiven Belastung ausgesetzt. Ein infolge der Stahlkorrosion auftretender Materialverlust dient als Messgröße für die korrosive Belastung. Bei einer weiteren bekannten Methode werden Kalksandsteinplättchen als Sensoren verwendet und ihr Materialverlust bestimmt. Beide Methoden erlauben Aussagen zur Stahl- beziehungsweise Kalksandsteinkorrosion infolge der gesamten klimatischen Belastung, jedoch keine selektive Aussage zur Säurebelastung durch Niederschläge.

Die DE 38 05 495 A beschreibt ein Verfahren und einen Sensor zur Bestimmung von komplexen korrosiven Umgebungsbedingungen, wobei ein Glassensor den Umwelteinflüssen ausgesetzt wird und seine Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung vor und nach der Exposition gemessen wird. Die verwendeten Glaszusammensetzungen der lichtdurchlässigen, völlig farblosen Gläser eignen sich jedoch nur zur Bestimmung gasförmiger Luftverunreinigungen und sind aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit nur unter xegengeschützten Bedingungen einsetzbar.

Insgesamt steht derzeit kein System zur Verfügung, das eine gezielte Erfassung der Säurebelastung aus wässrigen Niederschlägen ohne Verfälschung durch weitere Einflüsse erlaubt. Gerade aber bei der aggressivsten Form des Niederschlags, nämlich des sauren Taus, setzen sich beispielsweise auch Kalkpartikel auf bewitterten Materialien ab, ohne dass es zu einer Vermischung von Kalkpartikeln und sauren Tautröpfchen und damit zur Neutralisation kommt. Daher führt saurer Tau zu einer Säurebelastung von Fahrzeuglackierungen, Kunststoffen oder dergleichen, die mit derzeitigen Methoden als solche nicht erfassbar ist.

Auf der anderen Seite sind die grundlegenden Mechanismen der Glaskorrosion intensiv untersucht worden (Douglas & El-Shamy: J. Amer. Cer. soc. 50 (1967) 81-87; Newton: Glass technology 26 (1985) 21–38; Doremus, Mehrota, und Lanford: J. Mat. Sci 18 (1983) 612–622). In Abhängigkeit vom pH-Wert der das Glas angreifenden Lösung unterscheidet man zwei Reaktionsmechanismen. Im alkalischen Milieu unterliegen die Gläser einem Lösungsvorgang, bei dem die aufgelöste Glasmenge in Abhängigkeit von der Höhe der Temperatur, vom pH-Wert und von der Stabilität des Glases linear von der Zeit abhängt. Durch Netzwerkhydrolyse findet ein Abbau des silikatischen Netzwerkes statt, der zu einer völligen Auflösung des Glases führt. Im sauren und neutralen Milieu findet ein Ionenaustausch zwischen den Alkaliionen des Glases und den eindiffundierenden Wasserstoff- (H+) oder Hydroniumionen (H3O+) statt. Es bildet sich eine alkaliverarmte Oberflächenschicht – die Gelschicht – aus. Kondensationsreaktionen innerhalb dieser Schicht führen zu einer gegenüber dem Glas völlig veränderten Struktur, die häufig mit Mikrorissen durchzogen ist. Infolge von Spannungen durch auskristallisierende Korrosionsprodukte oder äußere Belastungen können die Gelschichten abplatzen und die frische Glasoberfläche korrodiert erneut. Typisch für diese als Glaskrankheit bekannten Craqueléerscheinungen ist ein feingliedriges Rissnetzwerk auf der Glasoberfläche, das infolge von Risswachstum im Glaskörper zur völligen Zerstörung des Glases führen kann. Während moderne Flachgläser sehr säureresistent sind, zeigen einige Gläser aus dem 18. und 19. Jahrhundert das Phänomen der Craquelébildung, das als Glaskrankheit bereits 1903 beschrieben wurde (Pazaurek: Kranke Gläser, Sprechsaal (1903) 46–49). Typisch für die "kranken" Gläser, die Craqueléerscheinungen zeigen, ist ein bestimmter Zusammensetzungsbereich mit einer Summe der Massenanteile der Alkalimetallionen (Na2O + K2O) größer als 20%, bei einem Gehalt an CaO von deutlich unter 10% und einem SiO2-Gehalt um 70% (Torge, Müller, Adam und Köcher: In: Die 19. und 20. Friedrichsfelder Kolloquien, S. 17–25 Verlag für neue Wissenschaft GmbH).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, eine Säurebelastung durch wässrige Niederschläge, wie Regen, Tau, Schnee oder Nebel, isoliert zu erfassen. Es sollen insbesondere Umweltfaktoren, die zu einer Beeinflussung des Ergebnnisses führen, wie neutralisierende Ablagerungen oder UV-Strahlung, nicht erfasst werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Säuredepositionssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Säuredepositionssensor zur Bestimmung einer atmosphärischen Säurebelastung umfasst mindestens ein Glaselement mit mindestens einer der Säurebelastung exponierbaren Oberfläche. Das mindestens eine Glaselement des Sensors weist eine Zusammensetzung mit folgenden Massenanteilen im Bereich von

auf, wobei ein Massenanteil weiterer Komponenten, die insbesondere Al2O3, Fe2O3 und/oder MnO umfassen, insgesamt höchstens 1% und die Summe der Massenanteile aller Komponenten 100% beträgt. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung des mindestens einen Glaselements führt zu einer Korrosionsempfindlichkeit gegenüber Säurebelastungen, die einerseits groß genug ist, um diese hinreichend genau zu detektieren, andererseits aber eine direkte Bewitterung des Glases mit wässrigen Niederschlägen erlaubt, ohne gleich zur völligen Zerstörung des Glases zu führen. Die exponierbare Oberfläche des Glaselements kann somit in vorzugsweise horizontaler Ausrichtung der zu bestimmenden Witterung ausgesetzt werden. Auf diese Weise kann eine tatsächlich stattfindende Belastung von Kunststoffen oder Lacken, insbesondere auch durch sauren Tau, mit guter Genauigkeit nachempfunden werden. Eine Neutralisation der Säure durch Kalk oder dergleichen findet nur insoweit statt, wie dies auch in natürlicher Weise geschieht. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht in der Unempfindlichkeit gegenüber schädlichen Strahlungen des Sonnenlichts, insbesondere gegenüber UV-Strahlung. Eine beobachtete Korrosion der exponierbaren Oberfläche kann somit ausschließlich auf die integrale Säureeinwirkung, hauptsächlich durch Schwefelsäure, Salpetersäure und Salzsäure, zurückgeführt werden. Der erfindungsgemäße Säuredepositionssensor eignet sich daher hervorragend, um eine Säurebelastung in einzelnen Regionen festzustellen und verwendete Materialien, insbesondere Kunststoffe und Automobillacke, speziell auf diese Anforderungen abzustimmen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Säuredepositionssensor mindestens zwei, insbesondere mindestens vier Glaselemente, die voneinander abweichende Zusammensetzungen im Rahmen der oben genannten Grenzen aufweisen. Dabei sind die verschiedenen Zusammensetzungen der einzelnen Glaselemente so gewählt, dass sie eine abgestufte Korrosionsempfindlichkeit gegenüber der Säurebelastung aufweisen. Auf diese Weise spricht ein aufgrund seiner Zusammensetzung besonders empfindliches Glaselement bereits bei relativ schwachen Säurebelastungen an, während ein unempfindlicheres Glaselement erst bei stärkeren Belastungen entsprechende Korrosionserscheinungen aufweist. Der Einsatz mehrerer Glaselemente mit abgestufter Korrosionsempfindlichkeit hat den Vorteil, dass die atmosphärische Säurebelastung mit einer höheren Genauigkeit erfasst werden kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Zusammensetzungen der Glaselemente derart gewählt, dass eine infolge der Säureeinwirkung erfolgende Oberflächenveränderung visuell und/oder mit optisch-apparativen Methoden, insbesondere spektroskopischen Methoden, erfassbar ist. Ein Vorteil der Erfindung ist jedoch gerade darin zu sehen, dass aufgrund der speziellen Glaszusammensetzung entsprechende Säureeinwirkungen zu den typischen Craqueléerscheinungen führen, die visuell sehr gut erfassbar und bewertbar sind. Insbesondere bei einer dunklen Einfärbung der Glaselemente, die vorzugsweise durch die Kobaltoxidkomponente CoO hervorgerufen wird, führen das feine Rissnetzwerk auf der Glasoberfläche sowie die typischen Materialabplatzungen zu einem zunehmend weißlichen, visuell gut wahrnehmbaren Schädigungsbild. Der Verzicht auf apparative Auswertungsmethoden führt zu einem preiswerten und mit geringem Aufwand durchführbaren Verfahren.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das mindestens eine Glaselement Massenanteile. von Siliziumdioxid SiO2 im Bereich von 63 bis 75 %, insbesondere im Bereich von 65 bis 70%, auf. Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die Alkalimetalloxide K2O und Na2O Massenanteile von insgesamt mindestens 20%, insbesondere im Bereich von 20 bis 35%, aufweisen. Für Calciumoxid CaO ist ein Massenanteilsbereich zwischen 0,5 und 8%, insbesondere zwischen 2,5 und 7,5% bevorzugt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die abgestufte Korrosionsempfindlichkeit der einzelnen Glaselemente dadurch erzielt, dass das Verhältnis der Massenanteile von SiO2 zu den Alkalimetalloxiden K2O und Na2O bei einem gleichzeitig konstanten Anteil von CaO variiert. In einer solchen Reihe von Glaselementen nimmt die Korrosionsempfindlichkeit mit steigendem Alkalioxidgehalt und gleichzeitig sinkendem Siliziumdioxidgehalt zu. Konkrete Beispiele für eine solche Reihe sind in den Ausführungsbeispielen gegeben.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Empfindlichkeitsabstufung erzielt, indem Glaselemente eingesetzt werden, die sich in ihren Verhältnissen von SiO2 zu CaO bei einem konstanten Gesamtanteil der Alkalimetalloxide K2O und Na2O unterscheiden. Auch diese Glaselemente weisen eine abgestufte Neigung zur Craquelébildung auf. Entsprechende vorteilhafte Zusammensetzungen sind in den Ausführungsbeispielen gegeben.

Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine exponierbare Oberfläche der Glaselemente eine möglichst glatte Oberflächenstruktur aufweist, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Insbesondere sollte die exponierbare Oberfläche poliert, vorzugsweise mechanisch poliert sein. Mechanisch polierte Gläser zeigen aufgrund ihrer empfindlichen Oberfläche Korrosionseffekte schneller und ausgeprägter als feuerpolierte Glasoberflächen, bei denen es bei der Feuerpolitur zu einer Alkaliverarmung in den oberflächennahen Bereichen kommt. Die Politur sollte ferner wasserfrei erfolgen, um die Glaszusammensetzung an der Oberfläche nicht zu verändern.

Die Herstellung der einzelnen Gläser erfolgt in an sich bekannter Weise. Insbesondere werden die oxidischen Komponenten entsprechend ihrer Zusammensetzung aufgeschmolzen und in Glasblöcke gegossen. Die Glasblöcke werden nachfolgend in Scheiben geschnitten, aus denen durch entsprechende Feinschliff- und Polierbehandlung die Glaselemente hergestellt werden. Dabei werden die Glaselemente mit Stärken zwischen 0,1 und 10 mm, insbesondere zwischen 0,5 und 2,0 mm, vorzugsweise mit einer Dicke von 1,0 mm ± 0,1 mm hergestellt. Die weiteren Abmessungen sollten so gewählt werden, dass die exponierbare Oberfläche mindestens 1 cm2, insbesondere mindestens 3 cm2, vorzugsweise mindestens 5 cm2 beträgt. Größere Oberflächen haben den Vorteil einer zuverlässigeren statistischen Absicherung.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer atmosphärischen Säurebelastung, insbesondere einer Säurebelastung durch wässrige Niederschläge wie Regen, Schnee, Tau und/oder Nebel. Hierfür wird eine exponierbare Oberfläche des mindestens einen Glaselements des erfindungsgemäßen Sensors für eine vorbestimmte Dauer, beispielsweise einer vorgegebenen Anzahl von Tagen, Wochen oder Monaten, der atmosphärischen Säurebelastung ausgesetzt und eine nach der Aussetzung erfolgte Oberflächenveränderung der exponierbaren Oberfläche visuell und/oder optisch-apparativ erfasst. Es ist besonders bevorzugt vorgesehen, einen Säuredepositionssensor gleicher Bauart als Referenzsensor einer definierten Säurebelastung auszusetzen und die erfolgte Oberflächenveränderung des eigentlichen Messsensors mit der des Referenzsensors zu vergleichen. Vorteilhafterweise wird eine Mehrzahl von Referenzsensoren eingesetzt, die unterschiedlichen Säurebelastungen ausgesetzt werden. Vorzugsweise erfolgt ferner die Aussetzung sowohl des eigentlichen Messsensors als auch der Referenzsensoren so, dass die jeweiligen exponierbaren Oberflächen im Wesentlichen horizontal ausgerichtet werden. Auf diese Weise kann die größtmögliche Schädigung infolge der Säurebelastung erfasst werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines einzelnen Glaselements eines Säuredepositionssensors und

2 schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Säuredepositionssensors.

1. Herstellung der Glaselemente

Für die Herstellung der verschiedenen Glaselemente werden die Rohstoffe der Einzelkomponenten entsprechend ihrer Zusammensetzung ausgewogen, vermischt und im Platintiegel aufgeschmolzen. Anschließend werden die Schmelzen in Glasblöcke mit den Abmessungen 2,5 × 3 × 10 cm gegossen. Nach Abkühlung werden die Glasblöcke in Scheiben mit einer einheitlichen Scheibendicke geschnitten. Die Scheiben werden beidseitig fein geschliffen und auf einer Seite mechanisch wasserfrei poliert. Dabei entsteht eine einheitliche Scheibendicke von 1,0 ± 0,1 mm. Der durch Feinschliff und Politur erfolgende Materialverlust sollte bereits beim Schneiden der Glasblöcke berücksichtigt werden.

Die Seitenansicht eines fertigen Glaselements 12 zeigt 1. Dabei ist die mechanisch polierte exponierbare Oberfläche mit 14 bezeichnet und die von dieser abgewandte Unterseite mit 16.

2. Aufbau des Sensors

2 zeigt einen bevorzugten Aufbau eines erfindungsgemäßen Säuredepositionssensors 10 in Draufsicht. Gemäß dem dargestellten Beispiel weist der Sensor 10 insgesamt sechs durch unterbrochene Linien dargestellte Glaselemente 12 unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung auf. Die Glaselemente 12 sind mit ihrer hier nicht sichtbaren unteren Seite 16 auf eine hier ebenfalls nicht sichtbare Grundplatte, vorzugsweise aus Edelstahlblech, mit doppelseitigem Klebeband elastisch fixiert. Auf ihren polierten exponierbaren Oberflächen 14 werden die Glaselemente 12 von einer Lochmaske 18 aus Edelstahl abgedeckt. Die Lochmaske 18 weist kreisrunde Öffnungen 20 mit einem Durchmesser von etwa 20 mm auf, welche die der Witterung ausgesetzten Oberflächen 14 auf einheitliche Flächen begrenzen. Eine Fixierung von der Lochmaske 18 auf der Grundplatte erfolgt durch Schraubverbindungen 22. Als mechanischer Schutz kann zwischen den Glaselementen 12 und der Lochmaske 18 eine elastische Matte mit entsprechenden Öffnungen angeordnet sein.

Der Sensor 10 weist ferner einen säureunempfindlichen Lichtsensor 24 auf, beispielsweise den UV-Sensor WOM-CHEK IRGALITH Orange F2G (Firma CIBA-SC). Der auf der Lochmaske 18 angeordnete Lichtsensor 24 erlaubt aufgrund einer Farbveränderung zusätzlich die Bestimmung der UV-Einwirkung. Er dient ferner als Indikator für eine ordnungsgemäße Ausrichtung des Sensors 10 bei der Bewitterung zur Erfassung der atmosphärischen Säurebelastung.

3. Bestimmung der atmosphärischen Säurebelastung Beispiel 1

Es wurde ein Sensor mit drei Glaselementen unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet. Die nach Punkt 1 hergestellten Glaselemente wiesen einen abnehmenden Gesamtgehalt an den Alkalimetalloxiden Na2O und K2O bei gleichzeitig zunehmendem Gehalt an SiO2 und konstantem CaO-Gehalt auf. Die Gläser dieser Reihe wiesen zudem einen konstanten Gehalt an CoO auf, das eine dunkelblaue Färbung der Gläser bewirkte. Die Zusammensetzung (Massenanteile) der drei Gläser sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1:

Der Sensor mit den Glaselementen A, B und C wurde 14 Wochen unter freiem Himmel in horizontaler Anordnung. in Jacksonville, Florida, USA bewittert. Dieser Ort ist durch häufige saure Niederschläge belastet. Die Kenntnis seiner klimatischen Bedingungen, insbesondere seiner Säurebelastung, ist aufgrund der Funktion dieses Ortes als Hauptimporthafen und Zwischenlagerungsstätte für Kraftfahrzeuge für Automobilhersteller von Interesse.

Am Ende der Bewitterungsperiode wurden die Schädigungsmuster der Glaselemente visuell begutachtet. Der Schädigungsgrad gemäß dem visuellen Erscheinungsbild jedes einzelnen Glaselements wurde entsprechend folgender Skala bewertet:

  • 1 nicht geschädigt, das heißt unveränderter Oberflächenzustand;
  • 2 kaum geschädigt, das heißt irisierende Oberfläche;
  • 3 wenig geschädigt, das heißt Korrosionsprodukte auf der Oberfläche;
  • 4 mittelstark geschädigt, das heißt Risse und Korrosionsprodukte auf der Oberfläche;
  • 5 stark geschädigt, das heißt einige wenige durchgehende Risse im Glaskörper (bulk) und auf der Oberfläche Risse und Korrosionsprodukte;
  • 6 sehr stark geschädigt, das heißt viele Risse im Glaskörper (bulk) und/oder auf der Oberfläche Korrosionsprodukte, Ausbrüche, Verlust von Teilen des Glases.

Die Ergebnisse dieser visuellen Bewertung sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Da alle Gläser in die schlechteste hydrolytische Beständigkeitsklasse einzuordnen sind, wurde zur weiteren Differenzierung zusätzlich zu der visuellen Begutachtung der bewitterten Glaselemente die so genannte Glas-Grieß-Wasserbeständigkeitsklasse der nicht bewitterten Gläser derselben Fertigungschargen nach der deutschen Industrienorm DIN/ISO 719 als Maß für die hydrolytische Beständigkeit bestimmt. Hierfür wurde die Menge an HCl bestimmt, die zur Neutralisation einer basischen Wasser-Glasgrieß-Lösung erforderlich ist. Je größer der Verbrauch an Salzsäure ist, umso unbeständiger ist das Glas. Die hydrolytische und die Säurebeständigkeit lassen sich miteinander kombinieren. Die Zerstörung des Glases erfolgt beim hydrolytischen Angriff zunächst nach den gleichen Mechanismen wie in schadstoffbelasteter Umwelt. Als Ergebnisse der Untersuchung ist in Tabelle 2 der Verbrauch an HCl in ml für die einzelnen Gläser angegeben.

Visuell weisen alle drei frei bewitterten Gläser eine starke, jedoch abgestufte Schädigung auf. Dabei zeigen die Gläser A und B die stärksten Verwitterungsschäden mit Ablagerungen von Korrosionsprodukten und Craquelérissen, gefolgt von Glas C. Nach allen Kriterien ist Glas A das empfindlichste Glas, gefolgt von Glas B und Glas C, welches das unempfindlichste Glas darstellt.

Tabelle 2:
Beispiel 2

Es wurde ein Sensor mit drei Glaselementen unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet. Die nach Punkt 1 hergestellten Glaselemente wiesen einen zunehmenden Gehalt an CaO auf bei gleichzeitig abnehmendem Gehalt an SiO2 und einem konstanten Gesamtgehalt an den Alkalimetalloxiden Na2O und K2O. Die Gläser dieser Reihe wiesen zudem einen konstanten Gehalt an CoO auf, resultierend in einer dunkelblauen. Färbung der Gläser. Die Zusammensetzungen der drei Gläser sind in Tabelle 3 zusammengefasst.

Tabelle 3:

Der Sensor wurde gemäß Beispiel 1 in Jacksonville bewittert. Die Ergebnisse der visuellen Begutachtung nach der Bewitterung sowie der Bestimmung der hydrolytischen Beständigkeit der nicht bewitterten Proben sind in Tabelle 4 zusammengefasst.

Auch hier ist ein deutlicher Zusammenhang zwischen dem bei der Freibewitterung entstandenen Schadensbild und der im Laborversuch ermittelten hydrolytischen Beständigkeit erkennbar. Es ergibt sich hier eine Abnahme der Empfindlichkeit von Glas D nach Glas F, das heißt mit abnehmendem SiO2- und zunehmendem CaO-Anteil.

Tabelle 4:

Setzt man nun Referenzsensoren gleicher Bauart wie die in den Beispielen 1 und 2 verwendeten Sensoren ein und bewittert sie unter definierten Laborbedingungen mit unterschiedlichen Säurebelastungen, so können die visuell erfassten Schädigungsgrade gemäß der oben erläuterten werteskala dokumentiert werden und als Kennwerte zur Quantifizierung der am Messort vorliegenden Säurebelastung dienen. Desgleichen können die Erscheinungsbilder der Referenzsensoren auch beispielsweise fotografisch dokumentiert werden.

Aufgrund der Verwendung mehrerer Glaselemente mit abgestufter Empfindlichkeit lassen sich anhand des Beginns einer Schädigung eines bestimmten Glaselements Schwellenwerte für die Säurebelastung bereits visuell mit guter Genauigkeit ermitteln. Alternativ kann auch ein Mittelwert des Schädigungsgrades der unterschiedlichen Glaselemente eines Sensors ausgewertet werden.

Der erfindungsgemäße Sensor kann zudem bei der Freibewitterung von zu untersuchenden Materialien und Werkstoffen, insbesondere Kunststoffen und Lackierungen, mit ausgesetzt und parallel bewittert werden. Das Sensorergebnis erlaubt dann eine kritische Bewertung der Aussagekraft des jeweiligen Freibewitterungsversuchs, beispielsweise ob der durch den Anteil saurer Niederschläge geprägte "Worst Case" der möglichen Umweltbedingungen im Versuch getroffen wurde oder nur eine aufgrund saisonaler Schwankungen milde Säurebelastung.

10Säuredepositionssensor 12Glaselement 14exponierbare Oberfläche 16Unterseite 18Lochmaske 20Lochöffnungen 22Verschraubung 24Lichtsensor

Anspruch[de]
  1. Säuredepositionssensor (10) zur Bestimmung einer atmosphärischen Säurebelastung, umfassend mindestens ein Glaselement (12), das mindestens eine exponierbare Oberfläche (14) aufweist und eine Zusammensetzung besitzt mit Massenanteilen im Bereich von

    SiO2 60 bis 80%,

    K2O 0 bis 40%,

    Na2O 0 bis 40%,

    CaO 0 bis 10%, und

    CoO 0 bis 1%,

    wobei ein Massenanteil weiterer Komponenten insgesamt höchstens 1% und die Summe der Massenanteile aller Komponenten 100% beträgt.
  2. Säuredepositionssensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) mindestens zwei Glaselemente (12), insbesondere mindestens vier Glaselemente (12), mit voneinander abweichenden Zusammensetzungen gemäß Anspruch 1 umfasst.
  3. Säuredepositionssensor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Glaselemente (12) infolge ihrer unterschiedlichen Zusammensetzungen unterschiedliche Korrosionsempfindlichkeiten gegenüber Säurebelastungen aufweisen.
  4. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine infolge von Säureeinwirkung erfolgte Oberflächenveränderung des mindestens einen Glaselements (12) visuell und/oder mit optisch-apparativen Methoden erfassbar ist.
  5. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Glaselement (12) Massenanteile von SiO2 im Bereich von 63 bis 75%, insbesondere im Bereich von 65 bis 70%, aufweist.
  6. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Glaselement (12) Massenanteile der Alkalimetalloxide K2O und Na2O von zusammen mindestens 20%, insbesondere im Bereich von 20 bis 35%, aufweist.
  7. Säuredepositionssensor (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Glaselemente (12) sich in ihren Verhältnissen von SiO2 zu den Alkalimetalloxiden K2O und Na2O bei einem konstanten Anteil von CaO unterscheiden.
  8. Säuredepositionssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Glaselemente (12) gewählt sind aus der Gruppe von Gläsern folgender Zusammensetzungen
    wobei jeder wert eine relative Abweichung von ± 3 aufweisen kann.
  9. Säuredepositionssensor (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Glaselemente (12) sich in ihren Verhältnissen von SiO2 zu CaO bei einem konstanten Anteil der Alkalimetalloxide K2O und Na2O unterscheiden.
  10. Säuredepositionssensor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Glaselemente (12) gewählt sind aus der Gruppe von Gläsern folgender Zusammensetzungen
    wobei jeder Wert eine relative Abweichung von ± 3 aufweisen kann.
  11. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Glaselement (12) eine Tönung aufweist, insbesondere hervorgerufen durch die CoO-Komponente.
  12. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Komponenten der Zusammensetzung ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Al2O3, Fe2O3 und MnO.
  13. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die exponierbare Oberfläche (14) des mindestens einen Glaselements (12) poliert ist, insbesondere mechanisch poliert.
  14. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die exponierbare Oberfläche (14) mindestens 1 cm2, insbesondere mindestens 3 cm2, speziell mindestens 5 cm2, beträgt.
  15. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Glaselement (12) eine Stärke von 0,1 bis 10,0 mm, insbesondere von 0,5 bis 2,0 mm, speziell von 1,0 mm ±0,1 mm, aufweist.
  16. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) eine Lochmaske (18) mit mindestens einer Lochöffnung (20) aufweist, wobei die Lochöffnung (20) über der exponierbaren Oberfläche (14) angeordnet ist.
  17. Säuredepositionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) einen säureunempfindlichen Lichtsensor (24) aufweist.
  18. Verwendung eines Säuredepositionssensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Bestimmung einer atmosphärischen Säurebelastung, insbesondere einer Säurebelastung durch wässrige Niederschläge.
  19. Verfahren zur Bestimmung einer atmosphärischen Säurebelastung, insbesondere einer Säurebelastung durch wässrige Niederschläge, wobei ein Säuredepositionssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 verwendet wird und eine exponierbare Oberfläche (14) des mindestens einen Glaselements (12) des Sensors (10) für eine vorbestimmte Dauer der atmosphärischen Säurebelastung ausgesetzt wird und nach der Aussetzung eine Oberflächenveränderung der mindestens einen exponierbaren Oberfläche (14) visuell und/oder optisch-apparativ erfasst wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Referenzsensor gleicher Bauart wie der Säuredepositionssensor (10) einer definierten Säurebelastung ausgesetzt wird und die Oberflächenveränderung des mindestens einen Glaselements (12) des Säuredepositionssensors (10) mit der des mindestens einen Referenzsensors verglichen wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Referenzsensoren unterschiedlichen definierten Säurebelastungen ausgesetzt werden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine exponierbare Oberfläche (14) in im wesentlichen horizontaler Ausrichtung der atmosphärischen Säurebelastung ausgesetzt wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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