Úvod
Trubky z vysokohustotního polyethylenu (HDPE) se díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem, chemické odolnosti a dlouhodobé životnosti hojně používají v různých průmyslových odvětvích, včetně rozvodu vody, přepravy plynu a průmyslových aplikací. Jejich životnost však do značné míry závisí na jejich odolnosti vůči oxidační degradaci, která může vést ke křehnutí, ztrátě mechanické pevnosti a nakonec k selhání materiálu.
Hodnocení oxidační stability je zásadní pro předpověď dlouhodobé výkonnosti HDPE trubek, zejména těch, které jsou vystaveny náročným podmínkám prostředí, jako jsou teploty. Jednou z nejúčinnějších metod pro hodnocení oxidační odolnosti polymerů je test oxidační indukce (Doba oxidační indukce (OIT) a teplota nástupu oxidace (OOT)Oxidační indukční čas (izotermický OIT) je relativní míra odolnosti (stabilizovaného) materiálu vůči oxidačnímu rozkladu. Teplota oxidační indukce (dynamická OIT) nebo teplota nástupu oxidace (OOT) je relativní mírou odolnosti (stabilizovaného) materiálu vůči oxidačnímu rozkladu.OIT), který se provádí pomocí diferenčního skenovacího kalorimetru (DSC). Tato metoda je standardizována mezinárodními protokoly, včetně ASTM D3895-19 a ASTM D6186- 19 [1,2].
Cílem této studie je stanovit aktivační energii černých trubek z HDPE pomocí kinetické analýzy odvozené z testů Doba oxidační indukce (OIT) a teplota nástupu oxidace (OOT)Oxidační indukční čas (izotermický OIT) je relativní míra odolnosti (stabilizovaného) materiálu vůči oxidačnímu rozkladu. Teplota oxidační indukce (dynamická OIT) nebo teplota nástupu oxidace (OOT) je relativní mírou odolnosti (stabilizovaného) materiálu vůči oxidačnímu rozkladu.OIT.
Podmínky měření
Pro zajištění reprodukovatelnosti testů Doba oxidační indukce (OIT) a teplota nástupu oxidace (OOT)Oxidační indukční čas (izotermický OIT) je relativní míra odolnosti (stabilizovaného) materiálu vůči oxidačnímu rozkladu. Teplota oxidační indukce (dynamická OIT) nebo teplota nástupu oxidace (OOT) je relativní mírou odolnosti (stabilizovaného) materiálu vůči oxidačnímu rozkladu.OIT byly vzorky HDPE připraveny stejným způsobem a byla provedena tři měření [3]. Zkouška zahrnuje několik fází:
- Vzorek se zahřeje na teplotu vyšší, než je jeho bod tání, za dynamického proudění dusíku;
- Izotermický úsek se udržuje po dobu 3 minut v dusíkové atmosféře;
- Atmosférický plyn se změní z dusíku na kyslík.
Ukončení zkoušky je poznamenáno nástupem degradace. Ten je automaticky identifikován pomocí měřicího softwaru Proteus®. Podmínky měření jsou shrnuty v tabulce 1.
| Přístroj | NETZSCH DSC, nízkoteplotní verze |
|---|---|
| Kelímek | Concavus® Al, otevřený |
| Hmotnost vzorku | 9.90 až 10,10 mg |
| Izotermická teplota | 200, 205, 210, 215, 220 a 225 °C |
| Rychlost proplachovacího plynu (N2) | 50 ml/min |
| Atmosféra | O2/N2 |
Výsledky měření
Výsledky testů jsou znázorněny na obrázku 1. Endotermický vrchol zjištěný během zahřívání je způsoben tavením černé trubky z vysokohustotního polyethylenu. Doba indukce OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace (Doba oxidační indukce (OIT) a teplota nástupu oxidace (OOT)Oxidační indukční čas (izotermický OIT) je relativní míra odolnosti (stabilizovaného) materiálu vůči oxidačnímu rozkladu. Teplota oxidační indukce (dynamická OIT) nebo teplota nástupu oxidace (OOT) je relativní mírou odolnosti (stabilizovaného) materiálu vůči oxidačnímu rozkladu.OIT) byla stanovena vyhodnocením extrapolovaného nástupu OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace při měřeních s různými IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermickými úseky. S klesající teplotou IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického segmentu byl pozorován zřetelný nárůst OIT: 9,1 min při 225 °C, 13,5 min při 220 °C, 20,3 min při 215 °C, 31,7 min při 210 °C, 48,7 min při 205 °C a 74,1 min při 200 °C. Tento trend vykazuje pomalejší oxidaci při nižších teplotách.
Kinetická analýza Měření OIT
K určení kinetických parametrů pro předpověď izotermické životnosti se používá software Kinetics Neo.
Měření kinetické analýzy se provádí při různých IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických teplotách, jak je znázorněno na obrázku 1.
Na obrázku 2 je uveden graf doby do události znázorňující dobu oxidační indukce (OIT) černé HDPE trubky v závislosti na teplotě. Hodnoty OIT jsou obvykle odvozeny z testů diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) (obrázek 1).
Kinetická analýza měření OIT na vzorcích černých trubek HDPE pro roztavené polymery za různých IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických podmínek byla provedena pomocí bezmodelové izotermické Arrheniovy metody podle metody E z normy ASTM E 2070-23 [4] (obr. 3). Analýza poskytla graf Log(time-to-event) versus inverzní hodnota teploty s lineární fitovací křivkou.
Pro určení kinetických parametrů byly aktivační energie a preexponenciální faktor odvozeny ze sklonu a průsečíku lineární shody. Výpočet preexponenciálního faktoru předpokládá reakci prvního řádu a to, že k události dojde při 5% konverzi. Kinetické parametry byly stanoveny pomocí softwaru Kinetics Neo pro oxidační indukční čas (OIT).
Kinetické parametry (tabulka 2) byly stanoveny pomocí softwaru Kinetics Neo pro Oxidation Induction Time (OIT).
Tabulka 2: Kinetické parametry
| Log (předexponenciální faktor) | 13.3 Log (1/s) |
|---|---|
| Ea (aktivační energie) | 165 kJ/mol |
| Koeficient determinace (R²) | 0.9999 |
Použití těchto kinetických výsledků usnadňuje předpověď doby života kapalné fáze při různých teplotách.
Tato předpověď je založena na extrapolaci Arrheniova grafu (obr. 3), kde se přímka prodlužuje do nižších teplot, což odpovídá nárůstu hodnoty 1/T.
Simulační předpověď izotermické životnosti
Na obrázku 4 jsou znázorněny výsledky Arrheniova grafu. Tato křivka je extrapolovaným grafem pro různé izotermické teploty vzorků černých trubek HDPE. Měření byla prováděna při teplotách vyšších než teplota tání polymeru. V důsledku toho byla předpověď vypočtena pro roztavené polymery. Extrapolace Arrheniova grafu na nižší teploty však může usnadnit porovnání chování polymeru na základě odhadu tepelné stability při použití stejného stabilizačního systému [5].
Závěr
Test OIT poskytuje rychlou a účinnou metodu pro charakterizaci oxidační stability polymerů a porovnání jejich termooxidační výkonnosti. Komplexní kinetické analýzy je dosaženo kombinací měření NETZSCH DSC se softwarem NETZSCH Kinetics Neo pro stanovení kinetických parametrů pomocí IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického Arrheniova modelu.
Porovnání Arrheniových grafů různých polymerů, které obsahují stejný stabilizátor, může navíc usnadnit určení polymeru, který vykazuje vysokou stabilitu za stejných podmínek.