Bevezetés
A fröccsöntés a polimeriparban az elsődleges eljárás meghatározott alakú alkatrészek előállítására. Az olvadt polimert egy viszonylag hideg szerszámüregbe fecskendezik, ahol gyorsan lehűtik. A szerszám hőmérséklete közvetlenül befolyásolja a kristályosodási sebességet és ezáltal a végtermék tulajdonságait, ezért tökéletesen meghatározottnak kell lennie. Ebből a célból a DSC használata IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus kristályosítási vizsgálatokhoz, ahol a polimer viselkedését szimulálják a szerszámban, valódi időnyereséget jelent.
Gyors hűtés és stabilizálás
Az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus kristályosítási vizsgálatokhoz a DSC-nek két követelményt kell teljesítenie. A mintát nagyon gyorsan kell lehűteni, hogy a hűtés során ne induljon meg a KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás. Ezenkívül a hőmérsékletet a megadott kristályosodási hőmérsékleten kell stabilizálni, anélkül, hogy a hőmérsékletet alá- vagy fölérné. Különösen a hőmérséklet alulmérése vezethet a KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás idő előtti megindulásához. Egyes polimerek, például a poliolefinek nagyon gyorsan kristályosodnak. Már néhány másodperc a célhőmérsékletnél valamivel alacsonyabb hőmérsékleten is akaratlanul elindíthatja a kristályosodást.
A kemence kis hőtömegének köszönhetően a DSC 300 Caliris® P-modulja nagyon gyors fűtési és hűtési sebességet, valamint kiváló hőmérséklet-szabályozást biztosít a későbbi izoterm szakaszok során.
Ebben a példában IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus kristályosítási vizsgálatokat végeztek nagy SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségű polietilénen a NETZSCH DSC 300 Caliris® készülékkel. A 230 °C-ra, azaz a HDPE (nagy SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségű polietilén) Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérsékleténél magasabb hőmérsékletre történő felmelegítés, majd egy 5 perces IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus szakasz után a mintákat nagy hűtési sebességgel három különböző kristályosodási hőmérsékletre hűtötték le. Az 1. táblázat részletezi a mérési feltételeket.
Táblázat: Az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus kristályosítási vizsgálatok feltételei
| Eszköz | DSC 300 Caliris® P-modullal | ||
| Tégely | Concavus® (alumínium), lyukacsos fedéllel | ||
| A minta tömege | 5.55 mg | 5.68 mg | 5.58 mg |
| Hőmérséklet-tartomány | 230 °C és a KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás hőmérséklete között | ||
| A KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás hőmérséklete | 122.5°C | 123.0°C | 123.5°C |
| Névleges hűtési sebesség | 200 K/perc | ||
| Atmoszféra | Nitrogén (40 ml/perc) | ||
Mérési eredmények és megbeszélés
A 123,0 °C-ra történő lehűlés hőmérsékleti profilja a hőmérséklet kiváló stabilitását mutatja az izoterm szakasz során, miután a célzott kristályosodási hőmérsékletet elérték (1. ábra).
A 2. ábra a 122,5°C, 123,0°C és 123,5°C hőmérsékletű IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus szakaszok DSC-görbéit mutatja be. A hőmérsékletnek a megadott értéken történő gyors stabilizálódása miatt a DSC-görbére a hűtésről izotermikusra történő szegmensváltás okozta kezdeti hatás elég alacsony ahhoz, hogy a kezdetén fellépő termikus hatásoktól elkülöníthető legyen. A három mérés izoterm szakasza alatt észlelt exoterm csúcs a polietilén KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodásának tulajdonítható. A várakozásoknak megfelelően a kristályosodási entalpia (a csúcs területe) az izoterm szakasz hőmérsékletének csökkenésével nő, ami a végtermék nagyobb fokú Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosságára utal. A csúcs meredeksége is meredekebb az izoterm hőmérséklet csökkenésével, tehát a csúcsminimumot gyorsabban érjük el. Ez gyorsabb kristályosodást jelent.
A DSC-mérésektől a kristályosodás kinetikájáig:Kinetics Neo
A kristályosodási csúcs hőmérsékletfüggése lehetővé teszi a DSC-görbék használatát a kristályosodási folyamat kinetikai elemzéséhez. Ehhez a Kinetics Neo szoftvert használták. Ez minden egyes lépéshez különböző reakciótípusokat tud hozzárendelni saját kinetikai paraméterekkel, például aktiválási energiával, reakciórenddel és preexponenciális faktorral.
A kémiai reakció sebessége minden egyes kristályosítási lépésnél, j, két függvény szorzataként írható fel, ahol az első függvény, fj(ej,pj,), a reaktáns (ej) és a termék (pj) koncentrációjától függ. A második függvény, Kj(T), a hőmérséklettől függ [1].
Itt a kristályosodási kinetikához egylépéses reakciót választottunk. Sbirrazzuoli [2] kristályosodási modellje a Nakamura-függvény K(T) és Sestak- Berggren-függvény f(e,p) koncentrációfüggését használja:
E modell használatához ismerni kell a minta üvegesedési és Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérsékletét, még akkor is, ha a szoftver az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérséklet értékét optimalizálja. A kinetikai kiértékelés ekkor a két hőmérséklet közötti teljes hőmérséklettartományban érvényes lesz.
Ezenkívül a K(T) függvény tartalmazza az U és KG paramétereket, amelyeket a Kinetics Neo szoftver optimalizál.
A 3. ábra a mérési görbéket, valamint a Kinetics Neo oldalon a fent leírt kinetikai modell segítségével számított görbéket ábrázolja. A 2. táblázat összefoglalja a kinetika paramétereit. Az eredmények jó egyezést mutatnak a mért és a számított eredmények között. A korrelációs együttható értéke 0,996.
Táblázat: A kristályosítási kinetika paraméterei
| Reakció típusa | Sbirrazzuoli-kristályosodás |
| Nakamura KG | 24.384 |
| Log(PreExp) [Log(1/2)] | 2.072 |
| A reakció sorrendje, n | 1.286 |
| Az autokatalízis rendje, m | 0.695 |
| A logaritmikus tag rendje, q | 0 |
| Olvadási hőmérséklet [°C] | 130 |
| Üvegesedési átmeneti hőmérséklet [°C] | -130 |
| U* [kJ/mol] | 6.30 |
Az eredmények alapján a Kinetics Neo képes szimulálni a reakciót a felhasználó által megadott hőmérsékleti programokhoz. A 4. ábra például a 80°C és 115°C közötti kristályosodási hőmérsékleten kapott DSC-görbéket mutatja. Ahogyan az várható volt, minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál gyorsabb a reakció. Ha az anyagot 80°C-os hőmérsékleten fecskendezzük be a small formába, akkor néhány másodperc alatt kristályosodik. Ha az öntőforma 115°C-os, a polimer teljes kikristályosodásához egy percre van szükség.
A gyártást kísérő DSC-vizsgálatok az idő- és pénzmegtakarítás érdekében
A NETZSCH DSC 300 Caliris®® készülékkel IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus kristályosítási vizsgálatokat lehet végezni polietilénen - egy gyors kristályosodásáról ismert poliolefinen. A DSC-vizsgálatok könnyen elvégezhetők, és csak egy small mintatömegre van szükség. Különösen az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus kristályosodási mérések segítenek meghatározni a megfelelő feldolgozási feltételeket, mint például a szerszámhőmérséklet és a hűtési idő, hogy a kapott alkatrészek rendelkezzenek a kívánt tulajdonságokkal.