Introducción
Las tuberías de polietileno de alta DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad (HDPE) se utilizan ampliamente en diversos sectores, como la distribución de agua, el transporte de gas y las aplicaciones industriales, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, resistencia química y durabilidad a largo plazo. Sin embargo, su vida útil depende en gran medida de su resistencia a la degradación oxidativa, que puede provocar fragilización, pérdida de resistencia mecánica y, en última instancia, el fallo del material.
La evaluación de la estabilidad oxidativa es crucial para predecir el rendimiento a largo plazo de las tuberías de HDPE, especialmente las expuestas a condiciones ambientales difíciles, como las temperaturas. Uno de los métodos más eficaces para evaluar la resistencia a la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación de los polímeros es la prueba del tiempo de inducción a la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación (Tiempo de inducción oxidativa (OIT) y temperatura de inicio de la oxidación (OOT)El tiempo de inducción oxidativa (OIT isotérmico) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa. La temperatura de inducción oxidativa (OIT dinámica) o temperatura de inicio de la oxidación (OOT) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa.OIT), que se realiza utilizando un calorímetro diferencial de barrido (DSC). Este método está estandarizado por protocolos internacionales, incluyendo ASTM D3895-19 y ASTM D6186- 19 [1,2].
El objetivo de este estudio es determinar la energía de activación de las tuberías negras de HDPE a través del análisis cinético derivado de las pruebas Tiempo de inducción oxidativa (OIT) y temperatura de inicio de la oxidación (OOT)El tiempo de inducción oxidativa (OIT isotérmico) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa. La temperatura de inducción oxidativa (OIT dinámica) o temperatura de inicio de la oxidación (OOT) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa.OIT.
Condiciones de medición
Para garantizar la reproducibilidad de las pruebas Tiempo de inducción oxidativa (OIT) y temperatura de inicio de la oxidación (OOT)El tiempo de inducción oxidativa (OIT isotérmico) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa. La temperatura de inducción oxidativa (OIT dinámica) o temperatura de inicio de la oxidación (OOT) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa.OIT, las muestras de HDPE se prepararon de la misma manera y se obtuvieron tres mediciones [3]. La prueba consta de varias etapas:
- La muestra se calienta a una temperatura superior a su Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión bajo un flujo dinámico de nitrógeno;
- Se mantiene un segmento isotérmico durante 3 minutos bajo una atmósfera de nitrógeno;
- Se cambia el gas de la atmósfera de nitrógeno a oxígeno.
La finalización de la prueba está marcada por el inicio de la degradación. Esto se identifica automáticamente mediante la utilización del software de medición Proteus®. Las condiciones de medición se resumen en la tabla 1.
| Instrumento | NETZSCH DSC, versión de baja temperatura |
|---|---|
| Crisol | Concavus® Al, abierto |
| Masa de la muestra | 9.90 a 10,10 mg |
| Temperatura isotérmica | 200, 205, 210, 215, 220 y 225°C |
| Velocidad del gas de purga (N2) | 50 ml/min |
| Atmósfera | O2/N2 |
Resultados de las mediciones
La figura 1 muestra los resultados de la prueba. El pico EndotérmicoA sample transition or a reaction is endothermic if heat is needed for the conversion.endotérmico detectado durante el calentamiento se debe a la fusión del tubo negro de polietileno de alta densidad. El tiempo de inducción de la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación (Tiempo de inducción oxidativa (OIT) y temperatura de inicio de la oxidación (OOT)El tiempo de inducción oxidativa (OIT isotérmico) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa. La temperatura de inducción oxidativa (OIT dinámica) o temperatura de inicio de la oxidación (OOT) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa.OIT) se determinó evaluando el inicio extrapolado de la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación en mediciones con diferentes segmentos isotérmicos. Se observó un claro aumento del OIT con la disminución de las temperaturas del segmento isotérmico: 9,1 min a 225°C, 13,5 min a 220°C, 20,3 min a 215°C, 31,7 min a 210°C, 48,7 min a 205°C y 74,1 min a 200°C. Esta tendencia muestra una OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación más lenta a temperaturas más bajas.
Análisis cinético Mediciones OIT
El software Kinetics Neo se utiliza para determinar los parámetros cinéticos para predecir la vida útil isotérmica.
Las mediciones del análisis cinético se realizan a varias temperaturas isotérmicas, como se ilustra en la figura 1.
La figura 2 presenta un gráfico de tiempo hasta el suceso que ilustra el Tiempo de inducción oxidativa (OIT) y temperatura de inicio de la oxidación (OOT)El tiempo de inducción oxidativa (OIT isotérmico) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa. La temperatura de inducción oxidativa (OIT dinámica) o temperatura de inicio de la oxidación (OOT) es una medida relativa de la resistencia de un material (estabilizado) a la descomposición oxidativa.tiempo de inducción oxidativa (OIT) de un tubo de HDPE negro en función de la temperatura. Los valores de OIT se obtienen normalmente a partir de ensayos de calorimetría diferencial de barrido (DSC) (figura 1).
Se realizó un análisis cinético de las mediciones de OIT en muestras de tuberías negras de HDPE para polímeros fundidos en diferentes condiciones isotérmicas utilizando el Arrhenius isotérmico sin modelo según el método E de ASTM E 2070-23 [4] (figura 3). El análisis produjo un gráfico de Log(tiempo hasta el suceso) frente al inverso de la temperatura con una curva de ajuste lineal.
Para la determinación de los parámetros cinéticos, la energía de activación y el factor preexponencial se obtuvieron a partir de la pendiente y la intersección del ajuste lineal. El cálculo del factor preexponencial supone una reacción de primer orden y que el evento se produce a una conversión del 5%. Los parámetros cinéticos se determinaron mediante el software Kinetics Neo para el tiempo de inducción a la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación (OIT).
Los parámetros cinéticos (tabla 2) fueron determinados por el software Kinetics Neo para el Tiempo de Inducción de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.Oxidación (OIT).
Tabla 2: Parámetros cinéticos
| Log (Factor preexponencial) | 13.3 Log (1/s) |
|---|---|
| Ea (Energía de activación) | 165 kJ/mol |
| Coeficiente de determinación (R²) | 0.9999 |
La aplicación de estos resultados cinéticos facilita la predicción del tiempo de vida de una fase líquida a diferentes temperaturas.
Esta predicción se basa en la extrapolación del gráfico de Arrhenius (figura 3), donde la línea recta se prolonga a temperaturas más bajas, lo que corresponde a un aumento del valor 1/T.
Predicción por simulación de la vida útil isotérmica
La figura 4 muestra los resultados del diagrama de Arrhenius. Esta curva es un gráfico extrapolado para diferentes temperaturas isotérmicas de muestras de tuberías negras de HDPE. Las mediciones se realizaron a temperaturas superiores a la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión del polímero. En consecuencia, la predicción se calculó para polímeros fundidos. Sin embargo, una extrapolación del gráfico de Arrhenius a temperaturas más bajas puede facilitar una comparación del comportamiento del polímero, basada en la estimación de la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica, cuando se utiliza el mismo sistema estabilizador [5].
Conclusión
El ensayo OIT proporciona un método rápido y eficaz para caracterizar la estabilidad oxidativa de los polímeros y comparar su rendimiento termo-oxidativo. Se consigue un análisis cinético exhaustivo mediante la combinación de las mediciones DSC de NETZSCH con el software NETZSCH Kinetics Neo para la determinación de los parámetros cinéticos utilizando el Arrhenius isotérmico.
Además, la comparación de los gráficos de Arrhenius de varios polímeros que contienen el mismo estabilizador puede facilitar la determinación del polímero que presenta una alta estabilidad en las mismas condiciones.