Quel est l'effet du chlore gazeux dissous dans l'eau sur la dureté de surface du réchauffeur PFA après 1 000 heures ?

Dans l'eau, le chlore gazeux (Cl₂) est un agent oxydant très puissant et est utilisé dans de nombreux systèmes de désinfection, piscines et stations d'épuration municipales. Au fil du temps, le chlore détruira les surfaces en PFA. En quantités normales (1 à 10 ppm), le chlore gazeux dissous produit une altération progressive de la surface, tandis que les solutions d'hypochlorite (eau de Javel) provoquent une dégradation rapide. La dureté de surface du PFA augmente de 5 à 10 unités Shore D (65-68 à 70-75) après 1 000 heures d'exposition continue à 40 degrés (température moyenne de la piscine) avec 5 ppm de Cl dissous 2 .. La surface devient plus cassante, l'allongement à la rupture diminue de 300 % à 150-200 %. L'augmentation de la dureté se limite à la couche externe de 50 à 150 µm, le matériau en vrac reste inchangé. L'action est accélérée à des températures plus élevées (60 à 80 degrés) ou à des concentrations de chlore plus élevées (20 à 50 ppm), et des fissures superficielles peuvent se produire dans les 500 heures.

Mécanisme d’attaque du chlore PFA
Dans l'eau, le chlore gazeux dissous s'hydrolyse pour créer de l'acide hypochloreux ( HOCl ) et de l'acide chlorhydrique ( HCl ). Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl. « HOCl et HCl sont tous deux hostiles. HOCl est un oxydant puissant qui extrait les atomes d'hydrogène des extrémités de la chaîne PFA (bien que le PFA contienne relativement peu d'hydrogène, il reste quelques groupes terminaux - CF2H résiduels). Le fluor est remplacé par l'oxygène, formant des groupes fluorure de carbonyle (-COF) et carboxyle (-COOH). Ces groupes polaires augmentent l'énergie de surface (de 18-20 mN/m à 25-35 mN/m), ce qui entraîne paradoxalement une réduction de l'angle de contact avec l'eau et peut donc améliorer la mouillabilité. Plus important encore, la couche superficielle oxydée réticule et durcit. L'augmentation de la dureté est liée à une augmentation de la cristallinité de la couche superficielle (de 45 % à 55-60 %) car les régions amorphes sont préférentiellement ciblées et réorganisées.

Cette réaction dépend de la température. 25 degré. Après 1 000 heures à 5 ppm de Cl2, la dureté augmente de 2 à 4 unités Shore D. À 40 degrés, c'est 5 à 10 unités. À 60 degrés, c'est 10-15 unités. Des microfissures superficielles se forment. Le PFA dans de l'eau chlorée à 5 ppm à 80 degrés échoue après 200 à 500 heures en raison de graves fissures et fragilisations de la surface. Ainsi, les radiateurs PFA dans les systèmes de désinfection au chlore doivent être utilisés à une température inférieure à 50 degrés.

Modification de la dureté superficielle après 1000 h
Température (degrés) Concentration de chlore (ppm) Dureté initiale (Shore D) Dureté après 1 000 heures (Shore D) Augmentation (Shore D) Apparence de surface Allongement à la rupture Rétention (%)
0 (contrôle) 40 66 66 0 Lisse, brillant 100 % 1 40 66 68-69 2-3 Légèrement terne 90-95 % 5 40 66 70-73 4-7 Mat, légèrement rugueux 70-80 %
10 40 66 72-75 6-9 Micro-rugosité terne et visible 60 à 70 %
5 25 66 68–70 2–4 Légère matité 85–90 % 5 50 66 72–76 6–10 Mat, fine craquelure 65–75 % 5 60 66 75–80 9–14 Microfissures apparentes à 10× 40–60 %
5 80 66 N/A (échec) N/A Fissuration de surface, fragilisation<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%
Implications pratiques pour le fonctionnement du chauffage
Pour les chauffe-piscines (25-30 degrés, 1-5 ppm Cl2), l'augmentation de la dureté après 1 000 heures était faible (2-5 Shore D). Le réchauffeur est toujours opérationnel et la fragilisation de la surface n'induit pas de fissuration pendant le cycle thermique normal (ΔT=10-20 degré). La durée de vie est de 5 à 10 ans. Pour les systèmes municipaux de traitement de l'eau avec des températures de 40 à 50 degrés, l'augmentation de la dureté est significative (5 à 10 Shore D). La surface du radiateur devient terne et perd son élasticité. Après 2-3 ans de cycles thermiques (marche/arrêt quotidien), de fines fractures superficielles peuvent apparaître. Remplacement conseillé à 3-5 ans.

Le PFA n'est pas recommandé pour la désinfection industrielle du chlore à haute température (50-80 degrés) quelle qu'en soit la concentration. La combinaison de températures élevées et de chlore entraîne une détérioration rapide de la surface, des fissures et éventuellement une perméation jusqu'au noyau métallique. D'autres matériaux destinés au service du chlore à haute température sont le titane (passivation dans l'eau chlorée) ou l'ECTFE (Halar), qui est supérieur au PFA en ce qui concerne la résistance au chlore.

Évaluation de l'état Test de dureté de surface
Pour les réchauffeurs PFA en service au chlore, des tests annuels de dureté de surface estiment la durée de vie restante. Utilisez un duromètre Shore D portable (ASTM D2240). Mesurez à trois positions (en bas, au milieu, en haut) sur la partie immergée. Si la dureté a augmenté de 5 -10 unités par rapport à la valeur d'origine (66-68), cela indique une dégradation modérée. Il lui restera probablement 2 à 3 ans. Une augmentation de la dureté de 10 à 15 unités indique une dégradation importante et le remplacement doit avoir lieu dans les 12 mois. Si la dureté augmente de plus de 15 unités ou si des fissures superficielles évidentes se produisent, un remplacement est nécessaire. L'association entre la durée de vie restante et l'augmentation de la dureté est empirique. Cependant, il est fiable pour les PFA endommagés par le chlore.

Si les éléments chauffants présentent déjà une augmentation de dureté, réduisez si possible la température de fonctionnement. Le taux de dégradation est réduit de moitié à chaque baisse de 5 degrés (comportement d'Arrhenius). Un chauffage à 50 degrés, avec une augmentation de dureté de 10 unités, descendant jusqu'à 40 degrés, double la durée de vie restante à 4 ans.

Conclusions : Dureté augmentée de 5 à 10 unités après 1 000 heures à 40 degrés/5 ppm Cl2
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 unités ou toute fissure superficielle évidente. Comment surveiller la dureté, maintenir la température et remplacer avant une panne ? Le chlore et les températures élevées sont les ennemis du PFA. Gérez les deux et votre chauffage survivra.