Introduzione
I tubi in polietilene ad alta densità (HDPE) sono ampiamente utilizzati in vari settori, tra cui la distribuzione dell'acqua, il trasporto del gas e le applicazioni industriali, grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche, alla resistenza chimica e alla durata nel tempo. Tuttavia, la loro durata dipende in larga misura dalla resistenza alla degradazione ossidativa, che può portare all'infragilimento, alla perdita di resistenza meccanica e, in ultima analisi, al cedimento del materiale.
La valutazione della stabilità ossidativa è fondamentale per prevedere le prestazioni a lungo termine dei tubi in HDPE, in particolare quelli esposti a condizioni ambientali difficili, come le temperature. Uno dei metodi più efficaci per valutare la resistenza all'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione dei polimeri è il test del tempo di induzione dell'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione (Tempo di induzione ossidativa (OIT) e temperatura di insorgenza ossidativa (OOT)Il tempo di induzione ossidativa (OIT isotermico) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa. La temperatura di induzione ossidativa (OIT dinamica) o temperatura di insorgenza ossidativa (OOT) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa.OIT), eseguito con un calorimetro a scansione differenziale (DSC). Questo metodo è standardizzato da protocolli internazionali, tra cui ASTM D3895-19 e ASTM D6186-19 [1,2].
Questo studio mira a determinare l'energia di attivazione dei tubi neri in HDPE attraverso l'analisi cinetica derivata dai test Tempo di induzione ossidativa (OIT) e temperatura di insorgenza ossidativa (OOT)Il tempo di induzione ossidativa (OIT isotermico) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa. La temperatura di induzione ossidativa (OIT dinamica) o temperatura di insorgenza ossidativa (OOT) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa.OIT.
Condizioni di misura
Per garantire la riproducibilità dei test Tempo di induzione ossidativa (OIT) e temperatura di insorgenza ossidativa (OOT)Il tempo di induzione ossidativa (OIT isotermico) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa. La temperatura di induzione ossidativa (OIT dinamica) o temperatura di insorgenza ossidativa (OOT) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa.OIT, i campioni di HDPE sono stati preparati nello stesso modo e sono state ottenute tre misurazioni [3]. Il test prevede diverse fasi:
- Il campione viene riscaldato a una temperatura superiore al suo Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione sotto un flusso dinamico di azoto;
- Un segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico viene mantenuto per 3 minuti in un'atmosfera di azoto;
- Il gas dell'atmosfera viene cambiato da azoto a ossigeno.
La fine del test è segnata dall'inizio della degradazione. Questa viene identificata automaticamente attraverso l'uso del software di misura Proteus®. Le condizioni di misura sono riassunte nella tabella 1.
| Strumento | NETZSCH DSC, versione a bassa temperatura |
|---|---|
| Crogiolo | Concavus® Al, aperto |
| Massa del campione | 9.da 90 a 10,10 mg |
| Temperatura isotermica | 200, 205, 210, 215, 220 e 225°C |
| Velocità del gas di lavaggio (N2) | 50 ml/min |
| Atmosfera | O2/N2 |
Risultati della misurazione
La Figura 1 illustra i risultati del test. Il picco EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico rilevato durante il riscaldamento è dovuto alla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione del tubo nero in polietilene ad alta densità. Il tempo di induzione dell'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione (Tempo di induzione ossidativa (OIT) e temperatura di insorgenza ossidativa (OOT)Il tempo di induzione ossidativa (OIT isotermico) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa. La temperatura di induzione ossidativa (OIT dinamica) o temperatura di insorgenza ossidativa (OOT) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa.OIT) è stato determinato valutando l'inizio estrapolato dell'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione nelle misurazioni con diversi segmenti isotermici. È stato osservato un chiaro aumento dell'OIT al diminuire delle temperature del segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico: 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 e 74,1 min a 200°C. Questa tendenza mostra un'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione più lenta a temperature più basse.
Analisi cinetica Misure OIT
Il software Kinetics Neo viene utilizzato per la determinazione dei parametri cinetici per la previsione della durata di vita isoterma.
Le misurazioni dell'analisi cinetica sono state condotte a varie temperature isotermiche, come illustrato nella figura 1.
La figura 2 presenta un grafico Time-to-Event che illustra il Tempo di induzione ossidativa (OIT) e temperatura di insorgenza ossidativa (OOT)Il tempo di induzione ossidativa (OIT isotermico) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa. La temperatura di induzione ossidativa (OIT dinamica) o temperatura di insorgenza ossidativa (OOT) è una misura relativa della resistenza di un materiale (stabilizzato) alla decomposizione ossidativa. tempo di induzione ossidativa (OIT) di un tubo nero in HDPE in funzione della temperatura. I valori di OIT sono tipicamente derivati da test di calorimetria differenziale a scansione (DSC) (figura 1).
L'analisi cinetica delle misurazioni OIT su campioni di tubo nero HDPE per polimeri fusi in diverse condizioni isotermiche è stata eseguita utilizzando il modello di Arrhenius IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico senza modello secondo il metodo E di ASTM E 2070-23 [4] (figura 3). L'analisi ha prodotto un grafico di Log(tempo-evento) rispetto all'inverso della temperatura con una curva di adattamento lineare.
Per la determinazione dei parametri cinetici, l'energia di attivazione e il fattore preesponenziale sono stati ricavati dalla pendenza e dall'intercetta dell'adattamento lineare. Il calcolo del fattore preesponenziale presuppone una reazione del primo ordine e che l'evento si verifichi con una conversione del 5%. I parametri cinetici sono stati determinati dal software Kinetics Neo per il tempo di induzione dell'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione (OIT).
I parametri cinetici (tabella 2) sono stati determinati dal software Kinetics Neo per il tempo di induzione dell'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione (OIT).
Tabella 2: Parametri cinetici
| Log (fattore preesponenziale) | 13.3 Log (1/s) |
|---|---|
| Ea (Energia di attivazione) | 165 kJ/mol |
| Coefficiente di determinazione (R²) | 0.9999 |
L'applicazione di questi risultati cinetici facilita la previsione del tempo di vita di una fase liquida a diverse temperature.
Questa previsione si basa sull'estrapolazione del diagramma di Arrhenius (figura 3), in cui la linea retta si estende a temperature più basse, corrispondenti a un aumento del valore di 1/T.
Simulazione della previsione del tempo di vita isotermico
La Figura 4 mostra i risultati del diagramma di Arrhenius. Questa curva è un diagramma estrapolato per diverse temperature isotermiche dei campioni di tubo nero HDPE. Le misurazioni sono state effettuate a temperature superiori alla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione del polimero. Di conseguenza, la previsione è stata calcolata per polimeri fusi. Tuttavia, un'estrapolazione del diagramma di Arrhenius a temperature più basse può facilitare un confronto del comportamento del polimero, basato sulla stima della Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica, quando si utilizza lo stesso sistema di stabilizzatori [5].
Conclusione
Il test OIT fornisce un metodo rapido ed efficace per caratterizzare la stabilità ossidativa dei polimeri e confrontare le loro prestazioni termo-ossidative. Un'analisi cinetica completa è ottenuta grazie alla combinazione delle misure DSC di NETZSCH con il software NETZSCH Kinetics Neo per la determinazione dei parametri cinetici utilizzando l'Arrhenius IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico.
Inoltre, il confronto dei diagrammi di Arrhenius di vari polimeri contenenti lo stesso stabilizzatore può facilitare la determinazione del polimero che presenta un'elevata stabilità nelle stesse condizioni.