ISO 16773-4:2009

Paints and varnishes — Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) on high-impedance coated specimens — Part 4: Examples of spectra of polymer-coated specimens

ISO 16773-4:2009 gives some typical examples of impedance spectra of high-impedance coated metal samples. Some guidance on interpretation of such spectra is also given.

Peintures et vernis — Spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) sur des éprouvettes revêtues de haute impédance — Partie 4: Exemples de spectres d'éprouvettes revêtues de polymères

L'ISO 16773-4:2009 fournit des exemples types de spectres d'impédance d'éprouvettes de métal revêtues de haute impédance. Des recommandations d'interprétation sont également fournies.

General Information

• Status: Withdrawn
• Publication Date: 23-Apr-2009
• Withdrawal Date: 23-Apr-2009
• ICS: 87.040 - Paints and varnishes
• Technical Committee: ISO/TC 35/SC 9 - General test methods for paints and varnishes
• Drafting Committee: ISO/TC 35/SC 9/WG 29 - Electrochemical methods
• Current Stage: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Completion Date: 20-Mar-2017

Relations

• Revised: ISO 16773-4:2017 - Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) on coated and uncoated metallic specimens — Part 4: Examples of spectra of polymer-coated and uncoated specimens
• Effective Date: 23-Jun-2012

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16773-4
First edition
2009-05-01


Paints and varnishes — Electrochemical
impedance spectroscopy (EIS) on high-
impedance coated specimens —
Part 4:
Examples of spectra of polymer-coated
specimens
Peintures et vernis — Spectroscopie d'impédance électrochimique
(SIE) sur des éprouvettes revêtues de haute impédance —
Partie 4: Exemples de spectres d'éprouvettes revêtues de polymères




Reference number
ISO 16773-4:2009(E)
©
ISO 2009

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ISO 16773-4:2009(E)
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Published in Switzerland

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ISO 16773-4:2009(E)
Contents Page
Foreword. iv
1 Scope .1
2 Theoretical background .1
Annex A (informative) Examples .5
Annex B (informative) Composition of concentrated artificial rain water.17
Bibliography .18

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ISO 16773-4:2009(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 16773-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 35, Paints and varnishes, Subcommittee SC 9,
General test methods for paints and varnishes.
ISO 16773 consists of the following parts, under the general title Paints and varnishes — Electrochemical
impedance spectroscopy (EIS) on high-impedance coated specimens:
⎯ Part 1: Terms and definitions
⎯ Part 2: Collection of data
⎯ Part 3: Processing and analysis of data from dummy cells
⎯ Part 4: Examples of spectra of polymer-coated specimens

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INTERNATIONAL STANDARD ISO 16773-4:2009(E)

Paints and varnishes — Electrochemical impedance
spectroscopy (EIS) on high-impedance coated specimens —
Part 4:
Examples of spectra of polymer-coated specimens
1 Scope
This part of ISO 16773 gives some typical examples of impedance spectra of high-impedance coated metal
samples. Some guidance on interpretation of such spectra is also given.
2 Theoretical background
2.1 Basic considerations
A basic introduction to electrochemical impedance spectroscopy, especially in connection with corrosion, is
given in ASTM G 106.
It is not intended to limit the interpretation of EIS measurements to the models given below. Other
interpretations may be valid. The choice of the proper model requires other experimental and theoretical
considerations to be taken into account.
2.2 Examples of models
2.2.1 Purely capacitive coating
A metal covered with an undamaged coating generally has a very high impedance. The equivalent circuit for
such a situation is shown in Figure 1.

Figure 1 — Equivalent circuit for a purely capacitive coating
The model includes a resistor representing the resistance R of the solution and, connected in series with it, a
capacitor representing the capacitance C of the coating.
In practice, the resistance of a perfect coating can often not be seen in the given frequency range. Any
deviation from the graph given in the Bode plot in Figure 2 indicates either a modified model or the input limits
of the impedance device (see Annex A of ISO 16773-2:2007).
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ISO 16773-4:2009(E)

Key
X frequency f, in Hz
1
Y impedance Z, in Ω
1
X frequency f, in Hz
2
Y phase angle ϕ, in degrees
2
Figure 2 — Bode plot for a perfect coating
2.2.2 Randles equivalent circuit
The Randles equivalent circuit includes the resistance of the solution R , the capacitance of the coating C
S C
and the ohmic resistance of the coating R , as shown in Figure 3.
C

Figure 3 — Randles equivalent circuit
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ISO 16773-4:2009(E)
The Bode plot for a Randles equivalent circuit is shown in Figure 4.

Key
X logf (f in Hz)
Y log|Z| (Z in Ω)
1
Y |ϕ| (degrees)
2
1 phase angle ϕ
2 impedance Z
Figure 4 — Bode plot for a Randles equivalent circuit
2.2.3 Extended Randles equivalent circuit
Quite often, fitting experimental data to the model shown in Figure 3 results in systematic errors. In such
cases, the literature shows that it is possible to use the model shown in Figure 5 to obtain a better fit.

Figure 5 — Extended Randles equivalent circuit
NOTE This model is not necessarily the most appropriate and other models are not excluded.
In the case of high-impedance coatings, the charge-transfer resistance R and double-layer capacitance C in
ct dl
the extended Randles circuit correspond to properties of the coating rather than to corrosion processes in the
underlying metal.
The Bode plot shown in Figure 6 clearly shows the additional contribution of these two added elements.
Again, the Bode plot does not go high enough in frequency to measure the solution resistance. In practice this
is not a problem, because the solution resistance is a property of the test solution and the test cell geometry,
not a property of the coating.
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ISO 16773-4:2009(E)

Key
X logf (f in Hz)
Y log|Z| (Z in Ω)
1
Y |ϕ| (degrees)
2
1 phase angle ϕ
2 impedance Z
Figure 6 — Bode plot for an extended Randles equivalent circuit
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ISO 16773-4:2009(E)
Annex A
(informative)

Examples
A.1 General
This annex contains a collection of spectra obtained from materials described briefly in the relevant clause.
The examples were obtained from various laboratories using a range of different equipment and materials.
This collection of spectra is not intended to imply that all the materials mentioned necessarily give spectra
similar to those shown or that the spectra given here are free of experimental errors. The collection does not
represent the complete range of coating materials.
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ISO 16773-4:2009(E)
A.2 Example 1
This example shows how a smaller than usual thickness of a high-build coating material can be used to
investigate the influence of immersion time on EIS measurements.
Details: Two-component epoxy coating, typically used for (maritime) steel constructions, above and below the
water level. Airless spray application. DFT (dry film thickness) recommended by the manufacturer: 1 000 µm
to 3 000 µm.
2
Measurements were performed on one coat on steel, DFT 200 µm, on an area of 10 cm at 21 °C using
concentrated artificial rainwater (see Annex B). A vertical three-electrode set-up, with a saturated Ag/AgCl
reference electrode, was used. Spectra were recorded after defined periods of immersion.

Key
X frequency f, in Hz
2
Y modulus of the impedance |Z|, in Ω⋅cm
1
Y phase angle ϕ, in degrees
2
t = 0 h
t = 2 h
t = 24 h
t = 168 h
t = 503 h
Figure A.1 — Bode plot for a high-build coating material under immersion conditions
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ISO 16773-4:2009(E)
A.3 Example 2
This example concerns a surface-tolerant coating material which does not require the same amount of surface
pretreatment as that in Example 1. Usually, derusting with mechanical tools is used rather than grit blasting.
Details: Surface-tolerant two-component epoxy coating for (maritime) steel constructions, above and below
the water level. Can be applied on corroded steel, grit-blasted steel and old (undamaged) paint coatings.
Application by airless spray, conventional spray, brushing or rolling. DFT recommended by the manufacturer:
100 µm to 200 µm.
2
Measurements were performed on one coat on steel, DFT 250 µm, on an area of 10 cm at 21 °C using
concentrated artificial rainwater (see Annex B). A vertical three-electrode set-up, with a saturated Ag/AgCl
reference electrode, was used. Spectra were recorded after defined periods of immersion.

Key
X frequency f, in Hz
2
Y modulus of the impedance |Z|, in Ω⋅cm
1
Y phase angle ϕ, in degrees
2
t = 0 h
t = 2 h
t = 24 h
t = 168 h
t = 502 h
Figure A.2 — Bode plot for a surface-tolerant coating materi
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 16773-4
Première édition
2009-05-01



Peintures et vernis — Spectroscopie
d'impédance électrochimique (SIE) sur
des éprouvettes revêtues de haute
impédance —
Partie 4:
Exemples de spectres d'éprouvettes
revêtues de polymères
Paints and varnishes — Electrochemical impedance spectroscopy (EIS)
on high-impedance coated specimens —
Part 4: Examples of spectra of polymer-coated specimens




Numéro de référence
ISO 16773-4:2009(F)
©
ISO 2009

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ISO 16773-4:2009(F)
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Publié en Suisse

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ISO 16773-4:2009(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
1 Domaine d'application.1
2 Bases théoriques.1
Annexe A (informative) Exemples types de spectres.5
Annexe B (informative) Composition de l’eau de pluie synthétique saturée.17
Bibliographie .18

© ISO 2009 – Tous droits réservés iii

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ISO 16773-4:2009(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 16773-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 35, Peintures et vernis, sous-comité SC 9,
Méthodes générales d'essais des peintures et vernis.
L'ISO 16773 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Peintures et vernis —
Spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) sur des éprouvettes revêtues de haute impédance:
⎯ Partie 1: Termes et définitions
⎯ Partie 2: Recueil des données
⎯ Partie 3: Traitement et analyse des données obtenues à partir de cellules test
⎯ Partie 4: Exemples de spectres d'éprouvettes revêtues de polymères

iv © ISO 2009 – Tous droits réservés

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NORME INTERNATIONALE ISO 16773-4:2009(F)

Peintures et vernis — Spectroscopie d'impédance
électrochimique (SIE) sur des éprouvettes revêtues de haute
impédance —
Partie 4:
Exemples de spectres d'éprouvettes revêtues de polymères
1 Domaine d'application
La présente partie de l’ISO 16773 fournit des exemples types de spectres d’impédance d’éprouvettes de
métal revêtues de haute impédance. Des recommandations d’interprétation sont également fournies.
2 Bases théoriques
2.1 Considérations fondamentales
Une introduction fondamentale à la spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE), notamment concernant
la corrosion, est fournie dans l’ASTM G106.
L’intention n’est pas de limiter l’interprétation des mesurages SIE aux modèles donnés ci-dessous. D’autres
interprétations peuvent être justifiées. Le choix du modèle approprié nécessite d’autres considérations
expérimentales et théoriques.
2.2 Exemples de modèles
2.2.1 Revêtement capacitif pur
En règle générale, un métal recouvert d’un revêtement intact a une impédance très élevée. Le circuit
équivalent correspondant est représenté à la Figure 1.

Figure 1 — Circuit équivalent d’un revêtement capacitif pur
Ce modèle est composé d’une résistance représentant la résistance, R, de la solution et d’un condensateur
représentant la capacité, C, du revêtement, le tout monté en série.
En pratique, il arrive souvent que la résistance d’un revêtement parfait ne soit pas visible dans la plage de
fréquences indiquée. Tout écart par rapport au graphique donné dans le diagramme de Bode à la Figure 2
indique qu’il s’agit d’un modèle simplifié ou des limites d’entrée du dispositif d’impédance (voir Annexe A de
l’ISO 16773-2:2007).
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ISO 16773-4:2009(F)

Légende
X fréquence f, en Hz
1
Y impédance Z, en Ω
1
X fréquence f, en Hz
2
Y angle de phase ϕ, en degrés
2
Figure 2 — Diagramme de Bode d’un revêtement parfait
2.2.2 Circuit équivalent de Randles
Le circuit équivalent de Randles comprend une solution de résistance R , une capacité de revêtement C et
S C
la résistance ohmique du revêtement R . Ce circuit est représenté à la Figure 3.
C

Figure 3 — Circuit équivalent de Randles
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---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 16773-4:2009(F)
Le diagramme de Bode d’un circuit équivalent de Randles est représenté à la Figure 4.

Légende
X log f (f en Hz)
Y log |Z| (Z en Ω)
1
Y |ϕ| (en degrés)
2
1 angle de phase ϕ
2 impédance Z
Figure 4 — Diagramme de Bode d’un circuit équivalent de Randles
2.2.3 Circuit équivalent de Randles étendu
Il est assez fréquent que les données expérimentales présentent des écarts systématiques par rapport au
modèle de la Figure 3. Dans ce cas, la littérature montre qu’il est possible d’utiliser le modèle illustré à la
Figure 5 pour obtenir une meilleure correspondance.
NOTE Ce modèle n’est pas nécessairement le plus adapté et d’autres modèles sont envisageables.
Dans le cas de revêtements de haute impédance, la résistance de transfert de charge R et la capacité
ct
double couche C du circuit de Randles étendu correspondent aux propriétés du revêtement plutôt qu’au
dl
processus de corrosion du métal sous-jacent.

Figure 5 — Circuit équivalent de Randles étendu
Le diagramme de Bode de la Figure 6 montre clairement la contribution apportée par ces deux éléments
supplémentaires. Cette fois encore, le diagramme de Bode ne va pas assez haut dans les fréquences pour
mesurer la résistance de la solution. Cela ne constitue pas un problème en pratique puisque la résistance de
la solution est une propriété de la solution d’essai et de la géométrie des cellules d’essai, et non une propriété
du revêtement.
© ISO 2009 – Tous droits réservés 3

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ISO 16773-4:2009(F)

Légende
X log f (f en Hz)
Y log |Z| (Z en Ω)
1
Y |ϕ| (en degrés)
2
1 angle de phase ϕ
2 impédance Z
Figure 6 — Diagramme de Bode d’un circuit équivalent de Randles étendu
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ISO 16773-4:2009(F)
Annexe A
(informative)

Exemples types de spectres
A.1 Généralités
Il s’agit d’un ensemble de spectres obtenus à partir de matériaux décrits brièvement dans l’article
correspondant. Les exemples proviennent de plusieurs laboratoires utilisant une gamme d’équipements et de
matériaux différents.
Cet ensemble n’implique pas que tous les matériaux mentionnés présentent nécessairement des spectres
similaires ou que les spectres indiqués ici sont exempts d’erreurs expérimentales. Il n’est pas représentatif
d’un éventail complet de matériaux de revêtement.
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ISO 16773-4:2009(F)
A.2 Exemple 1
Cet exemple montre comment une épaisseur plus faible d’un matériau habituellement très garnissant peut
être utilisée afin d’étudier l’influence de la durée d’immersion sur les mesurages SIE.
Revêtement époxy à deux composants, habituellement utilisé dans les constructions (maritimes) en acier,
au-dessous et au-dessus du niveau de la mer. Application par pulvérisation sans air. EFS (épaisseur de feuil
sec) selon les recommandations du fabricant: de 1 000 µm à 3 000 µm.
Les mesurages ont été effectués avec une couche de 200 µm EFS sur de l’acier, avec une surface de
2
mesurage de 10 cm , à une température de 21 °C, avec de l’eau de pluie synthétique saturée (voir
Annexe B). Un montage à trois électrodes en position verticale, avec une électrode de référence Ag/AgCl
saturée, a été utilisé. Les spectres ont été enregistrés après des durées d’immersion définies.

Légende
X fréquence f, en Hz
2
Y module d’impédance |Z|, en Ω⋅cm
1
Y angle de phase ϕ, en degrés
2
t = 0 h
t = 2 h
t = 24 h
t = 168 h
t = 503 h
Figure A.1 — Diagramme de Bode d’un matériau très garnissant en immersion
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ISO 16773-4:2009(F)
A.3 Exemple 2
Il s’agit d’un exemple de revêtement «surface tolérant» qui ne nécessite pas autant de traitements préalables
de surface que dans l’exemple 1. Le dérouillage à l’aide d’outils mécaniques est généralement utilisé de
préférence au grenaillage.
Ce revêtement époxy à deux composants «surface tolérant», utilisé dans les constructions (maritimes) en
acier, au-dessous et au-dessus du niveau de la mer, peut être appliqué sur de l’acier corrodé, de l’acier
grenaillé et sur d’anciennes couches de peintures (en bon état). L’application se fait par pulvérisation sans air
ou classique, à la brosse ou au rouleau. EFS selon les recommandations du fabricant: de 100 µm à 200 µm.
Les mesurages ont été effectués avec une couche de 250 µm EFS sur de l’acier, avec une surface de
2
mesurage de 10 cm , à une température de 21 °C, avec de l’eau de pluie synthétique saturée (voir
Annexe B). Un montage à trois électrodes en position verticale, avec une électrode de référence Ag/AgCl
saturée, a été utilisé. Les spectres ont été enregistrés après des durées d’immersion définies.

Légende
X fréquence f, en Hz
2
Y module d’impédance |Z|, en Ω⋅cm
1
Y angle de phase ϕ, en degrés
2
t = 0 h
t = 2 h
t = 24 h
t = 168 h
t = 502 h
Figure A.2 — Diagramme de Bode d’un revêtement «surface tolérant» en immersion
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---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 16773-4:2009(F)
A.4 Exemple 3
Il s’agit d’un exemple représentatif d’un revêtement très garnissant sa
...