Introduktion
Rør af højdensitetspolyethylen (HDPE) bruges i vid udstrækning i forskellige brancher, herunder vanddistribution, gastransport og industrielle anvendelser, på grund af deres fremragende mekaniske egenskaber, kemiske modstandsdygtighed og langsigtede holdbarhed. Men deres levetid afhænger i høj grad af deres modstandsdygtighed over for oxidativ NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning, som kan føre til skørhed, tab af mekanisk styrke og i sidste ende svigt af materialet.
Evalueringen af oxidativ stabilitet er afgørende for at forudsige HDPE-rørs langsigtede ydeevne, især dem, der udsættes for udfordrende miljøforhold som f.eks. temperaturer. En af de mest effektive metoder til vurdering af polymerers oxidationsmodstand er Oxidativ induktionstid (OIT) og oxidativ begyndelsestemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller oxidativ begyndelsestemperatur (OOT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning.OIT-testen (OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.Oxidation Induction Time), som udføres med et DSC (Differential Scanning Calorimeter). Denne metode er standardiseret af internationale protokoller, herunder ASTM D3895-19 og ASTM D6186-19 [1,2].
Denne undersøgelse har til formål at bestemme aktiveringsenergien for sorte HDPE-rør gennem kinetisk analyse afledt af Oxidativ induktionstid (OIT) og oxidativ begyndelsestemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller oxidativ begyndelsestemperatur (OOT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning.OIT-tests.
Målebetingelser
For at sikre reproducerbarheden af Oxidativ induktionstid (OIT) og oxidativ begyndelsestemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller oxidativ begyndelsestemperatur (OOT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning.OIT-testene blev HDPE-prøverne forberedt på samme måde, og der blev foretaget tre målinger [3]. Testen består af flere trin:
- Prøven opvarmes til en temperatur over smeltepunktet under et dynamisk nitrogenflow;
- Et isotermt segment holdes i 3 minutter under en nitrogenatmosfære;
- Atmosfæregassen ændres fra nitrogen til oxygen.
Afslutningen af testen markeres ved begyndende NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning. Dette identificeres automatisk ved hjælp af målesoftwaren Proteus®. Målebetingelserne er opsummeret i tabel 1.
| Instrument | NETZSCH DSC, version med lav temperatur |
|---|---|
| Digel | Concavus® Al, åben |
| Masse af prøve | 9.90 til 10,10 mg |
| IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.Isotermisk temperatur | 200, 205, 210, 215, 220 og 225 °C |
| Spulegashastighed (N2) | 50 ml/min |
| Atmosfære | O2/N2 |
Resultater af målinger
Figur 1 viser testresultaterne. Den endotermiske top, der blev registreret under opvarmningen, skyldes Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning af det sorte rør af polyethylen med høj densitet. Oxidationsinduktionstiden (Oxidativ induktionstid (OIT) og oxidativ begyndelsestemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller oxidativ begyndelsestemperatur (OOT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning.OIT) blev bestemt ved at evaluere den ekstrapolerede begyndelse af OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation i målinger med forskellige isotermiske segmenter. Der blev observeret en klar stigning i OIT med faldende temperaturer i det isotermiske segment: 9,1 min ved 225 °C, 13,5 min ved 220 °C, 20,3 min ved 215 °C, 31,7 min ved 210 °C, 48,7 min ved 205 °C og 74,1 min ved 200 °C. Denne tendens viser langsommere OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation ved lavere temperaturer.
Kinetisk analyse OIT-målinger
Softwaren Kinetics Neo bruges til at bestemme de kinetiske parametre til forudsigelse af den isotermiske levetid.
De kinetiske analysemålinger udføres ved forskellige isotermiske temperaturer, som illustreret i figur 1.
Figur 2 viser et Time-to-Event-diagram, der illustrerer den oxidative induktionstid (OIT) for et sort HDPE-rør som en funktion af temperaturen. OIT-værdierne stammer typisk fra DSC-tests (Differential Scanning Calorimetry) (figur 1).
En kinetisk analyse af OIT-målinger på sorte HDPE-rørprøver for smeltede polymerer under forskellige isotermiske forhold blev udført ved hjælp af den modelfri isotermiske Arrhenius i henhold til metode E fra ASTM E 2070-23 [4] (figur 3). Analysen frembragte et plot af Log(tid-til-begivenhed) mod den inverse af temperaturen med en lineær tilpasningskurve.
Til bestemmelse af kinetiske parametre blev aktiveringsenergien og den præeksponentielle faktor afledt af hældningen og skæringen af den lineære tilpasning. Beregningen af den præeksponentielle faktor forudsætter en førsteordensreaktion, og at begivenheden finder sted ved en omdannelse på 5 %. Kinetiske parametre blev bestemt af Kinetics Neo -softwaren for OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.Oxidation Induction Time (OIT).
Kinetiske parametre (tabel 2) blev bestemt af Kinetics Neo software for OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.Oxidation Induction Time (OIT).
Tabel 2: Kinetiske parametre
| Log (præeksponentiel faktor) | 13.3 Log (1/s) |
|---|---|
| Ea (aktiveringsenergi) | 165 kJ/mol |
| Bestemmelseskoefficient (R²) | 0.9999 |
Anvendelsen af disse kinetiske resultater gør det lettere at forudsige levetiden for en flydende fase ved forskellige temperaturer.
Denne forudsigelse er baseret på ekstrapolering af Arrhenius-plottet (figur 3), hvor den lige linje forlænges til lavere temperaturer, hvilket svarer til en stigning i 1/T-værdien.
Simulationsforudsigelse af den isotermiske levetid
Figur 4 viser resultaterne af Arrhenius-plottet. Denne kurve er et ekstrapoleret plot for forskellige isotermiske temperaturer for sorte HDPE-rørprøver. Målingerne blev udført ved temperaturer over polymerens Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur. Derfor blev forudsigelsen beregnet for smeltede polymerer. En ekstrapolering af Arrhenius-plottet til lavere temperaturer kan dog lette en sammenligning af polymerens opførsel, baseret på vurderingen af den termiske stabilitet, når det samme stabilisatorsystem anvendes [5].
Konklusion
OIT-testen er en hurtig og effektiv metode til at karakterisere polymerers oxidative stabilitet og sammenligne deres termo-oxidative ydeevne. En omfattende kinetisk analyse opnås ved at kombinere NETZSCH DSC-målinger med NETZSCH Kinetics Neo software til bestemmelse af kinetiske parametre ved hjælp af den isotermiske Arrhenius.
Desuden kan en sammenligning af Arrhenius-plottene for forskellige polymerer, der indeholder den samme stabilisator, gøre det lettere at bestemme den polymer, der udviser høj stabilitet under de samme betingelser.