HDPE:n ruiskuvaluparametrien optimointi DSC:n ja DSC:n avulla Kinetics Neo

Johdanto

Ruiskupuristus on polymeeriteollisuuden ensisijainen prosessi, jolla valmistetaan tietyn muotoisia osia. Sula polymeeri ruiskutetaan suhteellisen kylmään muottipesään, jossa se jäähdytetään nopeasti. Muotin lämpötila vaikuttaa suoraan kiteytymisnopeuteen ja siten lopputuotteen ominaisuuksiin, joten sen on oltava täysin määritelty. Tämän vuoksi DSC:n käyttö isotermisiin kiteytymistesteihin, joissa simuloidaan polymeerin käyttäytymistä muotissa, on todellinen aikavoitto.

Nopea jäähdytys ja vakauttaminen

Isotermisiä kiteytymistestejä varten DSC:n on täytettävä kaksi vaatimusta. Näyte on jäähdytettävä hyvin nopeasti, jotta KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen ei ala jäähdytyksen aikana. Lisäksi lämpötila on vakautettava määritettyyn kiteytymislämpötilaan ilman ali- tai ylilyöntejä. Erityisesti lämpötilan alittaminen voi johtaa kiteytymisen ennenaikaiseen alkamiseen. Jotkin polymeerit, kuten polyolefiinit, kiteytyvät hyvin nopeasti. Vain muutama sekunti hieman tavoitelämpötilaa alhaisemmassa lämpötilassa voi tahattomasti käynnistää kiteytymisen.

Uunin pienen lämpömassan ansiosta DSC 300 Caliris^® -laitteen P-moduulilla saavutetaan erittäin nopeat lämmitys- ja jäähdytysnopeudet sekä erinomainen lämpötilan säätö myöhempien isotermisten segmenttien aikana.

Tässä esimerkissä isotermiset kiteytymistestit suoritettiin suuritiheyksiselle polyeteenille NETZSCH DSC 300 Caliris^®-laitteella. Kun näytteet oli kuumennettu 230 °C:seen eli HDPE:n (High Density Polyethylen) sulamislämpötilaa korkeampaan lämpötilaan ja niitä oli lämmitetty 5 minuutin isotermisen jakson ajan, näytteet jäähdytettiin suurella jäähdytysnopeudella kolmeen eri kiteytymislämpötilaan. Taulukossa 1 esitetään yksityiskohtaisesti mittausolosuhteet.

Taulukko 1: Isotermisten kiteytymiskokeiden olosuhteet

Mittaustulokset ja keskustelu

Jäähdytyksen lämpötilaprofiili 123,0 °C:een osoittaa lämpötilan erinomaisen vakauden isotermisen jakson aikana sen jälkeen, kun tavoiteltu kiteytymislämpötila oli saavutettu (kuva 1).

Kuvassa 2 esitetään tuloksena saadut DSC-käyrät 122,5 °C:n, 123,0 °C:n ja 123,5 °C:n lämpötiloissa oleville isotermisille osuuksille. Koska lämpötila vakiintuu nopeasti määritettyyn arvoon, DSC-käyrään kohdistuva alkuvaikutus, joka aiheutuu segmentin siirtymisestä jäähdytyksestä isotermiseksi, on riittävän pieni, jotta se voidaan erottaa sen alussa esiintyvistä lämpövaikutuksista. Kolmen mittauksen isotermisen segmentin aikana havaittu EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen piikki voidaan katsoa johtuvan polyeteenin kiteytymisestä. Kiteytymisentalpia (piikin pinta-ala) kasvaa odotetusti, kun isotermisen segmentin lämpötila laskee, mikä viittaa lopputuotteen korkeampaan kiteisyysasteeseen. Huipun kaltevuus on myös jyrkempi isotermisen lämpötilan laskiessa, joten piikin minimi saavutetaan nopeammin. Tämä merkitsee nopeampaa kiteytymistä.

DSC-mittauksista kiteytymisen kinetiikkaan:Kinetics Neo

Kiteytymishuipun riippuvuus lämpötilasta mahdollistaa DSC-käyrien käytön kiteytymisprosessin kinetiikan analysoinnissa. Tähän käytettiin Kinetics Neo -ohjelmistoa. Sillä voidaan määrittää kullekin yksittäiselle vaiheelle erilaisia reaktiotyyppejä, joilla on omat kineettiset parametrit, kuten aktivoitumisenergia, reaktiojärjestys ja esieksponentiaalinen tekijä.

Kunkin kiteytysvaiheen j kemiallisen reaktion nopeus voidaan kirjoittaa kahden funktion tulona, joista ensimmäinen funktio, fj(ej,pj,), riippuu reagoivan aineen (ej) ja tuotteen (pj) pitoisuuksista. Toinen funktio, Kj(T), riippuu lämpötilasta [1].

Tässä kiteytymiskinetiikkaa varten valittiin yksivaiheinen reaktio. Sbirrazzuolin [2] kiteytymismallissa käytetään Nakamura-riippuvuutta K(T) ja Sestak-Berggren-riippuvuutta pitoisuuksista f(e,p):

Tämän mallin käyttö edellyttää tietoa näytteen lasittumis- ja sulamislämpötilasta, vaikka ohjelmisto optimoi sulamislämpötilan arvon. Kinetiikan arviointi on tällöin voimassa koko näiden kahden lämpötilan välisellä lämpötila-alueella.

Lisäksi funktio K(T) sisältää parametrit U ja KG, jotka Kinetics Neo -ohjelmisto optimoi.

Kuvassa 3 esitetään mittauskäyrät sekä Kinetics Neo -ohjelmassa edellä kuvatun kinetiikkamallin avulla lasketut käyrät. Taulukossa 2 on yhteenveto kinetiikan parametreista. Tulokset osoittavat, että mitatut ja lasketut tulokset vastaavat hyvin toisiaan. Korrelaatiokerroin on 0,996.

Taulukko 2: Kiteytymiskinetiikan parametrit

Tulosten perusteella Kinetics Neo pystyy simuloimaan reaktiota käyttäjän määrittelemille lämpötilaohjelmille. Esimerkiksi kuvassa 4 esitetään DSC-käyrät, jotka on saatu kiteytymislämpötiloissa 80 °C:n ja 115 °C:n välillä. Kuten odotettua, mitä alhaisempi lämpötila, sitä nopeampi reaktio. Jos materiaali ruiskutetaan small muottiin 80 °C:n lämpötilassa, se kiteytyy muutamassa sekunnissa. Jos muotin lämpötila on 115 °C, polymeerin täydellinen KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen kestää minuutin.

DSC-testit tuotannon mukana ajan ja rahan säästämiseksi

Isotermiset kiteytymistestit voidaan tehdä NETZSCH DSC 300 Caliris^®® -laitteella polyeteenille - polyolefiinille, joka tunnetaan nopeasta kiteytymisestään. DSC-testit on helppo suorittaa, ja ne vaativat vain small näytemassan. Erityisesti isotermiset kiteytymismittaukset auttavat määrittämään sopivat käsittelyolosuhteet, kuten muotin lämpötilan ja jäähdytysajan, jotta tuloksena syntyvillä osilla on kaikki vaaditut ominaisuudet.