Въведение
Тръбите от полиетилен с висока плътност (HDPE) се използват широко в различни отрасли, включително водоснабдяване, пренос на газ и промишлени приложения, благодарение на отличните си механични свойства, химическа устойчивост и дълготрайна издръжливост. Въпреки това експлоатационният им живот зависи до голяма степен от устойчивостта им на окислително разграждане, което може да доведе до крехкост, загуба на механична якост и в крайна сметка до разрушаване на материала.
Оценката на оксидативната стабилност е от решаващо значение за прогнозиране на дългосрочните характеристики на HDPE тръбите, особено на тези, които са изложени на предизвикателни условия на околната среда, като например температури. Един от най-ефективните методи за оценка на устойчивостта на окисляване на полимерите е тестът Oxidation Induction Time (Време на окислителна индукция (OIT) и температура на окислително начало (OOT)Времето за окислителна индукция (изотермично OIT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане. Температура на окислителна индукция (динамична OIT) или температура на окислително настъпване (OOT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане.OIT), който се извършва с помощта на диференциален сканиращ калориметър (DSC). Този метод е стандартизиран с международни протоколи, включително ASTM D3895-19 и ASTM D6186-19 [1,2].
Целта на настоящото изследване е да се определи енергията на активиране на черни тръби от HDPE чрез кинетичен анализ, получен от тестовете Време на окислителна индукция (OIT) и температура на окислително начало (OOT)Времето за окислителна индукция (изотермично OIT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане. Температура на окислителна индукция (динамична OIT) или температура на окислително настъпване (OOT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане.OIT.
Условия за измерване
За да се гарантира възпроизводимостта на тестовете Време на окислителна индукция (OIT) и температура на окислително начало (OOT)Времето за окислителна индукция (изотермично OIT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане. Температура на окислителна индукция (динамична OIT) или температура на окислително настъпване (OOT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане.OIT, пробите от HDPE бяха подготвени по същия начин и бяха получени три измервания [3]. Изпитването включва няколко етапа:
- Пробата се нагрява до температура, по-висока от точката на топене, при динамичен поток от азот;
- Изотермичен сегмент се поддържа в продължение на 3 минути в азотна атмосфера;
- Газът в атмосферата се сменя от азот на кислород.
Краят на изпитването се отбелязва с началото на разграждането. Това се установява автоматично чрез използване на софтуера за измерване Proteus®. Условията на измерване са обобщени в таблица 1.
| Инструмент | NETZSCH DSC, нискотемпературна версия |
|---|---|
| Тигел | Concavus® Al, отворен |
| Маса на пробата | 9.90 до 10,10 mg |
| Изотермична температура | 200, 205, 210, 215, 220 и 225°C |
| Скорост на продухващия газ (N2) | 50 ml/min |
| Атмосфера | O2/N2 |
Резултати от измерването
На фигура 1 са показани резултатите от теста. Ендотермичният пик, открит по време на нагряването, се дължи на топенето на черната тръба от полиетилен с висока плътност. Времето за индукция на окисление (Време на окислителна индукция (OIT) и температура на окислително начало (OOT)Времето за окислителна индукция (изотермично OIT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане. Температура на окислителна индукция (динамична OIT) или температура на окислително настъпване (OOT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане.OIT) е определено чрез оценка на екстраполираното начало на окисление при измервания с различни изотермични сегменти. Наблюдава се ясно нарастване на Време на окислителна индукция (OIT) и температура на окислително начало (OOT)Времето за окислителна индукция (изотермично OIT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане. Температура на окислителна индукция (динамична OIT) или температура на окислително настъпване (OOT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане.OIT с намаляване на температурата на изотермичния сегмент: 9,1 min при 225°C, 13,5 min при 220°C, 20,3 min при 215°C, 31,7 min при 210°C, 48,7 min при 205°C и 74,1 min при 200°C. Тази тенденция показва по-бавно окисление при по-ниски температури.
Кинетичен анализ Измервания на OIT
Софтуерът Kinetics Neo се използва за определяне на кинетичните параметри за прогнозиране на изотермичния живот.
Измерванията за кинетичен анализ се провеждат при различни изотермични температури, както е показано на фигура 1.
На фигура 2 е представена диаграма на времето до събитието, илюстрираща времето на окислителна индукция (Време на окислителна индукция (OIT) и температура на окислително начало (OOT)Времето за окислителна индукция (изотермично OIT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане. Температура на окислителна индукция (динамична OIT) или температура на окислително настъпване (OOT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане.OIT) на черна HDPE тръба като функция на температурата. Стойностите на Време на окислителна индукция (OIT) и температура на окислително начало (OOT)Времето за окислителна индукция (изотермично OIT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане. Температура на окислителна индукция (динамична OIT) или температура на окислително настъпване (OOT) е относителна мярка за устойчивостта на (стабилизиран) материал към окислително разлагане.OIT обикновено се получават от изпитванията с диференциална сканираща калориметрия (DSC) (фигура 1).
Кинетичният анализ на измерванията на ОИТ върху проби от черни тръби от HDPE за разтопени полимери при различни изотермични условия е извършен с помощта на безмоделния изотермичен метод на Архениус съгласно метод Е от ASTM E 2070-23 [4] (фигура 3). Анализът даде графиката на Log(time-to-event) спрямо инверсната стойност на температурата с линейно прилягане на кривата.
За определянето на кинетичните параметри енергията на активация и преекспоненциалният фактор бяха получени от наклона и пресечната точка на линейното съответствие. Изчисляването на преекспоненциалния фактор предполага реакция от първи порядък и че събитието настъпва при конверсия от 5 %. Кинетичните параметри бяха определени чрез софтуера Kinetics Neo за времето на индукция на окисление (OIT).
Кинетичните параметри (таблица 2) са определени чрез софтуера Kinetics Neo за времето на индукция на окисление (OIT).
Таблица 2: Кинетични параметри
| Log (Преекспоненциален фактор) | 13.3 Log (1/s) |
|---|---|
| Ea (енергия на активация) | 165 kJ/mol |
| Коефициент на детерминация (R²) | 0.9999 |
Прилагането на тези кинетични резултати улеснява прогнозирането на продължителността на живота на течната фаза при различни температури.
Това предсказване се основава на екстраполацията на графиката на Архениус (фигура 3), където правата линия се удължава към по-ниски температури, което съответства на увеличаване на стойността на 1/T.
Симулационно предсказване на изотермичния живот
На фигура 4 са представени резултатите от графиката на Арениус. Тази крива е екстраполиран график за различни изотермични температури за проби от черни тръби от HDPE. Измерванията са проведени при температури над температурата на топене на полимера. Следователно прогнозата е изчислена за разтопени полимери. Въпреки това екстраполацията на графиката на Архениус към по-ниски температури може да улесни сравнението на поведението на полимера въз основа на оценка на термичната стабилност, когато се използва една и съща система от стабилизатори [5].
Заключение
Тестът OIT осигурява бърз и ефективен метод за характеризиране на окислителната стабилност на полимерите и сравняване на техните термоокислителни характеристики. Цялостният кинетичен анализ се постига чрез комбиниране на NETZSCH DSC измервания със софтуера NETZSCH Kinetics Neo за определяне на кинетичните параметри с помощта на изотермичния Архениус.
Освен това сравнението на графиките на Архениус на различни полимери, които съдържат един и същ стабилизатор, може да улесни определянето на полимера, който проявява висока стабилност при същите условия.