Optimering af sprøjtestøbeparametre for HDPE ved hjælp af DSC og Kinetics Neo

Introduktion

Sprøjtestøbning er den primære proces i polymerindustrien til fremstilling af dele med en defineret form. Den smeltede polymer sprøjtes ind i et relativt koldt formhulrum, hvor den hurtigt afkøles. Formens temperatur har direkte indflydelse på krystalliseringshastigheden og dermed på slutproduktets egenskaber, så den skal være perfekt defineret. Til dette formål er brugen af en DSC til isotermiske krystalliseringstests, hvor en polymers opførsel i formen simuleres, en reel tidsgevinst.

Hurtig afkøling og stabilisering

Til isotermiske krystalliseringstests skal en DSC opfylde to krav. Prøven skal afkøles meget hurtigt for at forhindre, at krystalliseringen starter under afkølingen. Derudover skal temperaturen stabiliseres ved den specificerede krystalliseringstemperatur uden under- eller overskridelse. Især en for lav temperatur kan føre til en for tidlig start af krystalliseringen. Nogle polymerer som f.eks. polyolefiner krystalliserer meget hurtigt. Kun få sekunder ved en temperatur lidt under måltemperaturen kan utilsigtet starte krystalliseringen.

Takket være ovnens lave termiske masse opnår P-modulet i DSC 300 Caliris^® meget hurtige opvarmnings- og afkølingshastigheder samt fremragende temperaturkontrol under de efterfølgende isotermiske segmenter.

I dette eksempel blev der udført isotermiske krystalliseringstest på en polyethylen med høj densitet med NETZSCH DSC 300 Caliris^®. Efter opvarmning til 230 °C, dvs. til en temperatur, der er højere end smeltetemperaturen for HDPE (High Density Polyethylen), efterfulgt af et IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.isotermisk segment på 5 minutter, blev prøverne afkølet ved en høj afkølingshastighed til tre forskellige krystalliseringstemperaturer. Tabel 1 viser målebetingelserne i detaljer.

Tabel 1: Betingelser for de isotermiske krystalliseringstests

Måleresultater og diskussion

Temperaturprofilen for afkølingen til 123,0 °C viser den fremragende stabilitet af temperaturen under det isotermiske segment, efter at den ønskede krystalliseringstemperatur blev nået (figur 1).

Figur 2 viser de resulterende DSC-kurver for de isotermiske segmenter ved 122,5 °C, 123,0 °C og 123,5 °C. På grund af den hurtige stabilisering af temperaturen ved den angivne værdi er den indledende effekt på DSC-kurven forårsaget af segmentskiftet fra køling til isoterm lavt nok til at tillade adskillelse fra de termiske effekter, der opstår i begyndelsen. Den eksoterme top, der blev registreret under det isoterme segment af de tre målinger, kan tilskrives krystalliseringen af polyethylen. Som forventet stiger krystalliseringsenthalpien (peak-området), når temperaturen i det isotermiske segment falder, hvilket indikerer en højere Krystallinitet / Grad af krystallinitetKrystallinitet refererer til graden af strukturel orden i et fast stof. I en krystal er arrangementet af atomer eller molekyler konsekvent og gentagende. Mange materialer som f.eks. glaskeramik og nogle polymerer kan fremstilles på en sådan måde, at der dannes en blanding af krystallinske og amorfe områder. grad af krystallinitet i slutproduktet. Toppens hældning er også stejlere med faldende isoterm temperatur, så toppens minimum nås hurtigere. Dette betyder en hurtigere KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering.

Fra DSC-målinger til krystalliseringens kinetik:Kinetik Neo

Krystallisationstoppens afhængighed af temperaturen gør det muligt at bruge DSC-kurver til en kinetisk analyse af krystallisationsprocessen. Til dette blev Kinetics Neo-softwaren brugt. Den kan tildele hvert enkelt trin forskellige reaktionstyper med deres egne kinetiske parametre, såsom aktiveringsenergi, reaktionsorden og præeksponentiel faktor.

Den kemiske reaktionshastighed for hvert krystalliseringstrin, j, kan skrives som produktet af to funktioner, hvor den første funktion, fj(ej,pj,), afhænger af koncentrationerne af reaktanten (ej) og produktet (pj). Den anden funktion, Kj(T), afhænger af temperaturen [1].

Her blev der valgt en et-trins reaktion til krystalliseringskinetikken. Krystallisationsmodellen af Sbirrazzuoli [2] bruger Nakamura-afhængigheden K(T) og Sestak-Berggren-afhængigheden af koncentrationer f(e,p):

Brug af denne model kræver kendskab til prøvens glasovergangs- og 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, selv om softwaren optimerer værdien af smeltetemperaturen. Den kinetiske evaluering vil så være gyldig i hele temperaturområdet mellem disse to temperaturer.

Derudover omfatter funktionen K(T) parametrene U og KG, som optimeres af Kinetics Neo-softwaren.

Figur 3 viser målekurverne samt de kurver, der er beregnet i Kinetics Neo ved hjælp af den kinetiske model, der er beskrevet ovenfor. Tabel 2 opsummerer kinetikkens parametre. Resultaterne viser, at der er god overensstemmelse mellem de målte og de beregnede resultater. Korrelationskoefficienten er på 0,996.

Tabel 2: Parametre for krystalliseringskinetikken

Baseret på resultaterne er Kinetics Neo i stand til at simulere reaktionen for brugerspecificerede temperaturprogrammer. For eksempel viser figur 4 de DSC-kurver, der er opnået for krystalliseringstemperaturer mellem 80 °C og 115 °C. Som forventet er reaktionen hurtigere, jo lavere temperaturen er. Hvis materialet sprøjtes ind i en small -form ved en temperatur på 80 °C, vil det krystallisere i løbet af få sekunder. Hvis formen har en temperatur på 115 °C, vil polymeren være et minut om at krystallisere helt.

DSC-tests, der ledsager produktionen og sparer tid og penge

Isotermiske krystalliseringstests kan udføres med NETZSCH DSC 300 Caliris^®® på polyethylen - en polyolefin, der er kendt for sin hurtige KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering. DSC-tests er nemme at udføre og kræver kun en small prøvemasse. Isotermiske krystallisationsmålinger hjælper især med at bestemme passende forarbejdningsbetingelser såsom formtemperatur og afkølingstid, så de resulterende dele har alle de nødvendige egenskaber.