Johdanto
HDPE-putkia käytetään laajalti eri teollisuudenaloilla, kuten vedenjakelussa, kaasunkuljetuksessa ja teollisuudessa, niiden erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien, kemiallisen kestävyyden ja pitkäaikaisen kestävyyden ansiosta. Niiden käyttöikä riippuu kuitenkin suuresti niiden kestävyydestä hapettumiselle, joka voi johtaa haurastumiseen, mekaanisen lujuuden heikkenemiseen ja lopulta materiaalin rikkoutumiseen.
Hapettumisvakavuuden arviointi on ratkaisevan tärkeää HDPE-putkien pitkän aikavälin suorituskyvyn ennustamisessa, erityisesti jos putket altistuvat haastaville ympäristöolosuhteille, kuten lämpötiloille. Yksi tehokkaimmista menetelmistä polymeerien hapettumiskestävyyden arvioimiseksi on Oksidatiivisen induktion aika (OIT) ja oksidatiivisen alkamislämpötila (OOT)Oksidatiivinen induktioaika (isoterminen OIT) on suhteellinen mittari, jolla mitataan (stabiloidun) materiaalin vastustuskykyä hapettuvalle hajoamiselle. Oksidatiivinen induktiolämpötila (dynaaminen OIT) tai oksidatiivinen alkamislämpötila (Oxidative-Onset Temperature, OOT) on (stabiloidun) materiaalin oksidatiivisen hajoamisen vastustuskyvyn suhteellinen mitta.OIT-testi (Oxidation Induction Time), joka suoritetaan DSC-kalorimetrillä (Differential Scanning Calorimeter). Menetelmä on standardoitu kansainvälisillä pöytäkirjoilla, kuten ASTM D3895-19 ja ASTM D6186-19 [1,2].
Tässä tutkimuksessa pyritään määrittämään HDPE-mustaputkien aktivoitumisenergia Oksidatiivisen induktion aika (OIT) ja oksidatiivisen alkamislämpötila (OOT)Oksidatiivinen induktioaika (isoterminen OIT) on suhteellinen mittari, jolla mitataan (stabiloidun) materiaalin vastustuskykyä hapettuvalle hajoamiselle. Oksidatiivinen induktiolämpötila (dynaaminen OIT) tai oksidatiivinen alkamislämpötila (Oxidative-Onset Temperature, OOT) on (stabiloidun) materiaalin oksidatiivisen hajoamisen vastustuskyvyn suhteellinen mitta.OIT-testeistä johdetun kineettisen analyysin avulla.
Mittausolosuhteet
Oksidatiivisen induktion aika (OIT) ja oksidatiivisen alkamislämpötila (OOT)Oksidatiivinen induktioaika (isoterminen OIT) on suhteellinen mittari, jolla mitataan (stabiloidun) materiaalin vastustuskykyä hapettuvalle hajoamiselle. Oksidatiivinen induktiolämpötila (dynaaminen OIT) tai oksidatiivinen alkamislämpötila (Oxidative-Onset Temperature, OOT) on (stabiloidun) materiaalin oksidatiivisen hajoamisen vastustuskyvyn suhteellinen mitta.OIT-testien toistettavuuden varmistamiseksi HDPE-näytteet valmistettiin samalla tavalla ja tehtiin kolme mittausta [3]. Testissä on useita vaiheita:
- Näyte kuumennetaan sulamispisteensä yläpuoliseen lämpötilaan dynaamisen typpivirtauksen alaisena;
- IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.Isoterminen segmentti pidetään 3 minuutin ajan typpi-ilmakehässä;
- Ilmakehän kaasu vaihdetaan typestä happeen.
Testin päättymisen merkkinä on hajoamisen alkaminen. Tämä tunnistetaan automaattisesti käyttämällä Proteus® -mittausohjelmistoa. Mittausolosuhteet on esitetty tiivistetysti taulukossa 1.
| Laite | NETZSCH DSC, matalalämpötilaversio |
|---|---|
| Upokas | Concavus® Al, avoin |
| Näyte Massa | 9.90-10,10 mg |
| IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.Isoterminen lämpötila | 200, 205, 210, 215, 220 ja 225 °C |
| Puhdistuskaasun määrä (N2) | 50 ml/min |
| Ilmakehä | O2/N2 |
Mittaustulokset
Kuvassa 1 esitetään testitulokset. Kuumennuksen aikana havaittu EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen huippu johtuu tiheäpolyeteenisen mustan putken sulamisesta. Hapettumisen induktioaika (Oksidatiivisen induktion aika (OIT) ja oksidatiivisen alkamislämpötila (OOT)Oksidatiivinen induktioaika (isoterminen OIT) on suhteellinen mittari, jolla mitataan (stabiloidun) materiaalin vastustuskykyä hapettuvalle hajoamiselle. Oksidatiivinen induktiolämpötila (dynaaminen OIT) tai oksidatiivinen alkamislämpötila (Oxidative-Onset Temperature, OOT) on (stabiloidun) materiaalin oksidatiivisen hajoamisen vastustuskyvyn suhteellinen mitta.OIT) määritettiin arvioimalla ekstrapoloitua hapettumisen alkamista mittauksissa, joissa käytettiin eri isotermisiä segmenttejä. Oksidatiivisen induktion aika (OIT) ja oksidatiivisen alkamislämpötila (OOT)Oksidatiivinen induktioaika (isoterminen OIT) on suhteellinen mittari, jolla mitataan (stabiloidun) materiaalin vastustuskykyä hapettuvalle hajoamiselle. Oksidatiivinen induktiolämpötila (dynaaminen OIT) tai oksidatiivinen alkamislämpötila (Oxidative-Onset Temperature, OOT) on (stabiloidun) materiaalin oksidatiivisen hajoamisen vastustuskyvyn suhteellinen mitta.OIT:n havaittiin kasvavan selvästi isotermisen segmentin lämpötilan laskiessa: 9,1 minuuttia 225 °C:ssa, 13,5 minuuttia 220 °C:ssa, 20,3 minuuttia 215 °C:ssa, 31,7 minuuttia 210 °C:ssa, 48,7 minuuttia 205 °C:ssa ja 74,1 minuuttia 200 °C:ssa. Tämä suuntaus osoittaa hitaampaa hapettumista alhaisemmissa lämpötiloissa.
Kineettinen analyysi OIT-mittaukset
Kinetics Neo -ohjelmistoa käytetään kineettisten parametrien määrittämiseen isotermisen käyttöiän ennustamiseksi.
Kineettisen analyysin mittaukset suoritetaan eri isotermisissä lämpötiloissa, kuten kuvassa 1 esitetään.
Kuvassa 2 esitetään Time-to-Event-kaavio, joka kuvaa mustan HDPE-putken hapettumisinduktioaikaa (Oksidatiivisen induktion aika (OIT) ja oksidatiivisen alkamislämpötila (OOT)Oksidatiivinen induktioaika (isoterminen OIT) on suhteellinen mittari, jolla mitataan (stabiloidun) materiaalin vastustuskykyä hapettuvalle hajoamiselle. Oksidatiivinen induktiolämpötila (dynaaminen OIT) tai oksidatiivinen alkamislämpötila (Oxidative-Onset Temperature, OOT) on (stabiloidun) materiaalin oksidatiivisen hajoamisen vastustuskyvyn suhteellinen mitta.OIT) lämpötilan funktiona. Oksidatiivisen induktion aika (OIT) ja oksidatiivisen alkamislämpötila (OOT)Oksidatiivinen induktioaika (isoterminen OIT) on suhteellinen mittari, jolla mitataan (stabiloidun) materiaalin vastustuskykyä hapettuvalle hajoamiselle. Oksidatiivinen induktiolämpötila (dynaaminen OIT) tai oksidatiivinen alkamislämpötila (Oxidative-Onset Temperature, OOT) on (stabiloidun) materiaalin oksidatiivisen hajoamisen vastustuskyvyn suhteellinen mitta.OIT-arvot saadaan yleensä DSC-testien (Differential Scanning Calorimetry) perusteella (kuva 1).
HDPE-mustaputkinäytteiden OIT-mittausten kineettinen analyysi sulatettujen polymeerien osalta eri isotermisissä olosuhteissa suoritettiin käyttämällä mallitonta isotermistä Arrhenius-menetelmää ASTM E 2070-23 [4] menetelmän E mukaisesti (kuva 3). Analyysin tuloksena saatiin Log(time-to-event) ja lämpötilan käänteisluvun välinen kuvaaja, jossa oli lineaarinen sovituskäyrä.
Kineettisten parametrien määrittämiseksi aktivoitumisenergia ja esieksponentiaalinen tekijä johdettiin lineaarisen sovituksen kaltevuudesta ja leikkauspisteestä. Esieksponentiaalikertoimen laskennassa oletetaan, että kyseessä on ensimmäisen kertaluvun reaktio ja että tapahtuma tapahtuu 5 prosentin konversiolla. Kineettiset parametrit määritettiin Kinetics Neo -ohjelmistolla hapettumisinduktioaikaa (OIT) varten.
Kineettiset parametrit (taulukko 2) määritettiin Kinetics Neo -ohjelmistolla hapettumisinduktioaikaa (OIT) varten.
Taulukko 2: Kineettiset parametrit
| Log (esieksponentiaalinen tekijä) | 13.3 Log (1/s) |
|---|---|
| Ea (Aktivoitumisenergia) | 165 kJ/mol |
| Määrityskerroin (R²) | 0.9999 |
Näiden kineettisten tulosten soveltaminen helpottaa nestefaasin eliniän ennustamista eri lämpötiloissa.
Ennuste perustuu Arrheniuksen kuvaajan ekstrapolointiin (kuva 3), jossa suora jatkuu alempiin lämpötiloihin, mikä vastaa 1/T-arvon kasvua.
Isotermisen eliniän simulointiennuste
Kuvassa 4 esitetään Arrheniuksen kuvaajan tulokset. Tämä käyrä on ekstrapoloitu kaavio HDPE-mustaputkinäytteiden eri isotermisille lämpötiloille. Mittaukset suoritettiin polymeerin sulamislämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa. Näin ollen ennuste laskettiin sulalle polymeerille. Arrheniuksen kuvaajan ekstrapolointi alempiin lämpötiloihin voi kuitenkin helpottaa polymeerin käyttäytymisen vertailua lämpöstabiilisuuden arvioinnin perusteella, kun käytetään samaa stabilointijärjestelmää [5].
Päätelmä
OIT-testi tarjoaa nopean ja tehokkaan menetelmän polymeerien hapettumisstabiliteetin kuvaamiseen ja niiden termo-oksidatiivisen suorituskyvyn vertailuun. Kattava kineettinen analyysi saadaan aikaan yhdistämällä NETZSCH DSC-mittaukset NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmistoon, jolla määritetään kineettiset parametrit isotermisen Arrheniuksen avulla.
Lisäksi eri polymeerien, jotka sisältävät samaa stabilointiainetta, Arrheniuksen kuvaajien vertailu voi helpottaa sen polymeerin määrittämistä, jolla on suuri stabiilisuus samoissa olosuhteissa.