Ottimizzazione dei parametri di stampaggio a iniezione dell'HDPE mediante DSC e cinetica Neo

Introduzione

Lo stampaggio a iniezione è il processo principale nell'industria dei polimeri per la produzione di pezzi di forma definita. Il polimero fuso viene iniettato in una cavità dello stampo relativamente fredda, dove viene rapidamente raffreddato. La temperatura dello stampo influenza direttamente il tasso di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione e quindi le proprietà del prodotto finale, pertanto deve essere perfettamente definita. A tal fine, l'uso di un DSC per i test di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione isotermica, in cui viene simulato il comportamento di un polimero nello stampo, rappresenta un reale guadagno di tempo.

Raffreddamento e stabilizzazione rapidi

Per i test di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione isotermica, un DSC deve soddisfare due requisiti. Il campione deve essere raffreddato molto rapidamente per evitare l'inizio della CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione durante il raffreddamento. Inoltre, la temperatura deve essere stabilizzata alla temperatura di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione specificata, senza che si verifichino sotto o sopraelevazioni. In particolare, una temperatura inferiore alla norma può portare a un inizio prematuro dellaCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione. Alcuni polimeri, come le poliolefine, cristallizzano molto velocemente. Solo pochi secondi a una temperatura leggermente inferiore alla temperatura target possono avviare involontariamente laCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione.

Grazie alla bassa massa termica del forno, il modulo P del DSC 300 Caliris® raggiunge velocità di riscaldamento e raffreddamento molto elevate e un eccellente controllo della temperatura durante i successivi segmenti isotermici.

NETZSCH In questo esempio, sono stati eseguiti test diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione isotermica su un polietilene ad alta densità con il DSC 300 Caliris®. Dopo un riscaldamento a 230°C, cioè a una temperatura superiore allaTemperature 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 dell'HDPE (polietilene ad alta densità), seguito da un segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico di 5 minuti, i campioni sono stati raffreddati a una velocità elevata fino a tre diverse temperature diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione. La Tabella 1 illustra in dettaglio le condizioni di misura.

Tabella 1: Condizioni per i test diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione isotermica

Dispositivo

DSC 300 Caliris® con modulo P

Crogiolo

Concavus® (alluminio), coperchio forato

Massa del campione5.55 mg5.68 mg5.58 mg
Intervallo di temperatura

230°C fino alla temperatura di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione

Temperatura di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione122.5°C123.0°C123.5°C
Velocità di raffreddamento nominale

200 K/min

Atmosfera

Azoto (40 ml/min)

Risultati delle misure e discussione

Il profilo di temperatura del raffreddamento a 123,0°C dimostra l'eccellenteStabilità 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 della temperatura durante il segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico dopo il raggiungimento della temperatura di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione desiderata (figura 1).

1) Profilo di temperatura della corsa di raffreddamento a 123°C

La Figura 2 presenta le curve DSC risultanti per i segmenti isotermici a 122,5°C, 123,0°C e 123,5°C. Grazie alla rapida stabilizzazione della temperatura al valore specificato, l'effetto iniziale sulla curva DSC causato dal passaggio del segmento dal raffreddamento all'isotermia è sufficientemente basso da consentire la separazione dagli effetti termici che si verificano all'inizio. Il picco EsotermicoUna transizione campionaria o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico rilevato durante il segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico delle tre misurazioni può essere attribuito alla CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione del polietilene. Come previsto, l'entalpia di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione (area del picco) aumenta al diminuire della temperatura del segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico, indicando un maggior grado di cristallinità del prodotto finale. Inoltre, la pendenza del picco è più ripida al diminuire della temperatura isoterma, quindi il picco minimo viene raggiunto più rapidamente. Ciò indica unaCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione più rapida.

2) CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.Cristallizzazione isotermica dell'HDPE a 3 diverse temperature

Dalle misure DSC alla cinetica di cristallizzazione:Cinetica Neo

La dipendenza del picco diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione dalla temperatura consente di utilizzare le curve DSC per un'analisi cinetica del processo diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione. A tale scopo è stato utilizzato il software Kinetics Neo. Il software è in grado di assegnare a ogni singola fase diversi tipi di reazione con parametri cinetici propri, come l'energia di attivazione, l'ordine di reazione e il fattore pre-esponenziale.

Il tasso di reazione chimica per ogni fase diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione, j, può essere scritto come il prodotto di due funzioni, dove la prima funzione, fj(ej,pj,), dipende dalle concentrazioni del reagente (ej) e del prodotto (pj). La seconda funzione, Kj(T), dipende dalla temperatura [1].

In questo caso, per la cinetica diCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione. cristallizzazione, è stata utilizzata una reazione a uno stadio select. Il modello di cristallizzazione di Sbirrazzuoli [2] utilizza la dipendenza di Nakamura K(T) e la dipendenza di Sestak-Bergren dalle concentrazioni f(e,p):

L'uso di questo modello richiede la conoscenza della temperatura di transizione vetrosa e diTemperature 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 campione, anche se il software ottimizzerà il valore dellaTemperature 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. La valutazione della cinetica sarà quindi valida per l'intero intervallo di temperatura compreso tra queste due temperature.

Inoltre, la funzione K(T) include i parametri U e KG, ottimizzati dal software Kinetics Neo.

La Figura 3 mostra le curve di misura e le curve calcolate in Kinetics Neo utilizzando il modello cinetico sopra descritto. La Tabella 2 riassume i parametri della cinetica. I risultati mostrano una buona concordanza tra i risultati misurati e quelli calcolati. Il coefficiente di correlazione è pari a 0,996.

Tabella 2: Parametri della cinetica di cristallizzazione

Tipo di reazioneCristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.Cristallizzazione Sbirrazzuoli
Nakamura KG24.384
Log(PreExp) [Log(1/2)]2.072
Ordine di reazione, n1.286
Ordine di autocatalisi, m0.695
Ordine del termine logaritmico, q0
Temperatura diTemperature 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 [°C]130
Temperatura di transizione vetrosa [°C]-130
U* [kJ/mol]6.30
3) Confronto tra le curve di misura (simboli) e le curve calcolate (linee continue).

Sulla base dei risultati, Kinetics Neo è in grado di simulare la reazione per programmi di temperatura specificati dall'utente. Ad esempio, la figura 4 mostra le curve DSC ottenute per temperature di cristallizzazione comprese tra 80°C e 115°C. Come previsto, più bassa è la temperatura, più veloce è la reazione. Se il materiale viene iniettato in uno stampo small a una temperatura di 80°C, cristallizzerà in pochi secondi. Se lo stampo è a 115°C, il polimero avrà bisogno di un minuto per cristallizzare completamente.

4) Previsioni del processo di cristallizzazione per diverse temperature isoterme.

Test DSC che accompagnano la produzione per risparmiare tempo e denaro

I test di cristallizzazione isotermica possono essere eseguiti con NETZSCH DSC 300 Caliris®® sul polietilene, una poliolefina nota per la sua rapida cristallizzazione. I test DSC sono facili da eseguire e richiedono solo una massa di campione small. In particolare, le misure di cristallizzazione isotermica aiutano a determinare le condizioni di lavorazione appropriate, come la temperatura dello stampo e il tempo di raffreddamento, in modo che i pezzi risultanti abbiano tutte le proprietà richieste.

Literature

  1. [1]
    NAKAMURA, K., WATANABE, T., KATAYAMA, K., AMANO, T., Alcuni aspetti della cristallizzazione non isotermica dei polimeri - Parte I: Relazione tra temperatura di cristallizzazione, cristallinità e condizioni di raffreddamento, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 16, pp. 1077-1091, 1972
  2. [2]
    Vyazovkin S., Sbirrazzuoli N. 2004 Isoconversional Approach to Evaluation of the Hoffman-Lauritzen Parameters (U* and Kg) from the Overall Rates of nonisothermal Crystallization, Macromolecular Rapid Communications, 2004, 25. 733-738.