مقدمة
تُستخدم أنابيب البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بما في ذلك توزيع المياه ونقل الغاز والتطبيقات الصناعية، نظرًا لخصائصها الميكانيكية الممتازة ومقاومتها الكيميائية ومتانتها على المدى الطويل. ومع ذلك، فإن عمرها التشغيلي يعتمد بشكل كبير على مقاومتها للتدهور التأكسدي، والذي يمكن أن يؤدي إلى التقصف وفقدان القوة الميكانيكية وفشل المادة في نهاية المطاف.
يُعد تقييم الثبات التأكسدي أمرًا بالغ الأهمية للتنبؤ بأداء أنابيب البولي إيثيلين عالي الكثافة على المدى الطويل، خاصةً تلك التي تتعرض لظروف بيئية صعبة مثل درجات الحرارة. ومن أكثر الطرق فعالية لتقييم مقاومة البوليمرات للأكسدة اختبار زمن تحريض الأكسدة (OIT)، والذي يتم إجراؤه باستخدام مسعر المسح التفاضلي (DSC). وقد تم توحيد هذه الطريقة من خلال البروتوكولات الدولية، بما في ذلك ASTM D3895-19 و ASTM D6186- 19 [1،2].
تهدف هذه الدراسة إلى تحديد طاقة التنشيط لأنابيب HDPE السوداء من خلال التحليل الحركي المستمد من اختبارات المسعر بالمسح الضوئي التفاضلي.
شروط القياس
لضمان إمكانية تكرار اختبارات OIT، تم تحضير عينات البولي إيثيلين عالي الكثافة بالطريقة نفسها، وتم الحصول على ثلاثة قياسات [3]. يتضمن الاختبار عدة مراحل:
- يتم تسخين العينة إلى درجة حرارة أعلى من درجة انصهارها تحت تدفق نيتروجين ديناميكي;
- يتم الاحتفاظ بجزء متساوي الحرارة لمدة 3 دقائق تحت جو من النيتروجين;
- يتم تغيير الغاز الجوي من النيتروجين إلى الأكسجين.
يتم تحديد نهاية الاختبار ببداية التحلل. يتم تحديد ذلك تلقائيًا من خلال استخدام برنامج القياس Proteus®. يتم تلخيص شروط القياس في الجدول 1.
الجدول 1: معلمات اختبار اختبار OIT
| الأداة | NETZSCH DSC، إصدار درجة الحرارة المنخفضة |
|---|---|
| البوتقة | Concavus® آل، مفتوح |
| كتلة العينة | 9.90 إلى 10.10 مجم |
| درجة حرارة متساوية الحرارة | 200 و205 و205 و210 و215 و220 و225 درجة مئوية |
| معدل غاز التطهير (N2) | 50 مل/دقيقة |
| الغلاف الجوي | O2/N2 |
نتائج القياس
يوضح الشكل 1 نتائج الاختبار. ترجع ذروة الحرارة الداخلية المكتشفة أثناء التسخين إلى ذوبان أنبوب البولي إيثيلين الأسود عالي الكثافة. تم تحديد زمن تحريض الأكسدة (OIT) من خلال تقييم بداية الأكسدة المستقراء في القياسات مع قطاعات مختلفة متساوية الحرارة. ولوحظت زيادة واضحة في زمن تحريض الأكسدة (OIT) مع انخفاض درجات حرارة الجزء المتساوي الحرارة: 9.1 دقيقة عند 225 درجة مئوية، و13.5 دقيقة عند 220 درجة مئوية، و20.3 دقيقة عند 215 درجة مئوية، و31.7 دقيقة عند 210 درجة مئوية، و48.7 دقيقة عند 205 درجة مئوية، و74.1 دقيقة عند 200 درجة مئوية. يُظهر هذا الاتجاه أكسدة أبطأ عند درجات حرارة منخفضة.
قياسات التحليل الحركي OIT
يُستخدم برنامج Kinetics Neo لتحديد البارامترات الحركية للتنبؤ بالعمر المتساوي الحرارة.
يتم إجراء قياسات التحليل الحركي عند درجات حرارة متساوية مختلفة، كما هو موضح في الشكل 1.
يعرض الشكل 2 مخطط زمن إلى حدث يوضح زمن الحث التأكسدي (OIT) لأنبوب HDPE أسود اللون كدالة لدرجة الحرارة. تُستمد قيم OIT عادةً من اختبارات المسح التفاضلي للقياس الحراري التفاضلي (DSC) (الشكل 1).
تم إجراء تحليل حركي لقياسات OIT على عينات الأنابيب السوداء من البوليمرات المنصهرة للبوليمرات المنصهرة تحت ظروف متساوية الحرارة المختلفة باستخدام نموذج أرهينيوس المتساوي الحرارة الخالي من النموذج وفقًا للطريقة E من ASTM E 2070-23 [4] (الشكل 3). أنتج التحليل رسمًا بيانيًا لـ Log(الزمن إلى الحدث) مقابل معكوس درجة الحرارة بمنحنى مطابقة خطي.
لتحديد البارامترات الحركية، تم اشتقاق طاقة التنشيط والعامل قبل الأسي من الميل والجزء المقطوع من المطابقة الخطية. ويفترض حساب العامل ما قبل الأسي وجود تفاعل من الدرجة الأولى وأن الحدث يحدث عند تحويل 5%. تم تحديد المعلمات الحركية بواسطة برنامج Kinetics Neo لزمن تحريض الأكسدة (OIT).
تم تحديد البارامترات الحركية (الجدول 2) بواسطة برنامج Kinetics Neo لزمن تحريض الأكسدة (OIT).
الجدول 2: البارامترات الحركية
| لوغاريتم (العامل الأسي المسبق) | 13.3 لوغاريتم (1/ثانية) |
|---|---|
| Ea (طاقة التنشيط) | 165 كيلوجول/مول |
| معامل التحديد (R²) | 0.9999 |
يسهّل تطبيق هذه النتائج الحركية التنبؤ بعمر الطور السائل عند درجات حرارة مختلفة.
ويستند هذا التنبؤ إلى استقراء مخطط أرهينيوس (الشكل 3)، حيث يمتد الخط المستقيم إلى درجات حرارة منخفضة، وهو ما يقابل زيادة في قيمة 1/T.
تنبؤ المحاكاة للعمر المتساوي الحرارة
يوضح الشكل 4 نتائج مخطط أرهينيوس. هذا المنحنى عبارة عن مخطط استقرائي لدرجات حرارة متساوية مختلفة لعينات الأنابيب السوداء من البولي إيثيلين عالي الكثافة. أُجريت القياسات عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة انصهار البوليمر. وبالتالي، تم حساب التنبؤ للبوليمرات المنصهرة. ومع ذلك، فإن استقراء مخطط أرهينيوس لدرجات الحرارة المنخفضة يمكن أن يسهل مقارنة سلوك البوليمر، بناءً على تقدير الثبات الحراري، عند استخدام نفس نظام المثبت [5].
الخاتمة
ويوفر اختبار OIT طريقة سريعة وفعالة لتوصيف الثبات التأكسدي للبوليمرات ومقارنة أدائها التأكسدي الحراري. يتم تحقيق تحليل حركي شامل من خلال الجمع بين قياسات DSC NETZSCH مع برنامج NETZSCH Kinetics Neo لتحديد المعلمات الحركية باستخدام أرهينيوس المتساوي الحرارة.
وعلاوة على ذلك، يمكن أن تسهل مقارنة مخططات أرهينيوس لمختلف البوليمرات التي تحتوي على نفس المثبت تحديد البوليمر الذي يظهر ثباتًا عاليًا في ظل نفس الظروف.