소개
고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 파이프는 우수한 기계적 특성, 내화학성 및 장기적인 내구성으로 인해 물 분배, 가스 운송 및 산업용 애플리케이션을 비롯한 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 사용 수명은 산화 열화에 대한 저항성에 크게 좌우되며, 이는 취성, 기계적 강도 손실, 궁극적으로 재료의 고장으로 이어질 수 있습니다.
산화 안정성 평가는 특히 온도와 같은 까다로운 환경 조건에 노출된 HDPE 파이프의 장기적인 성능을 예측하는 데 매우 중요합니다. 폴리머의 산화 저항성을 평가하는 가장 효과적인 방법 중 하나는 차동 주사 열량계(DSC)를 사용하여 수행되는 산화 유도 시간(산화 유도 시간(OIT) 및 산화 시작 온도(OOT)산화 유도 시간(등온 OIT)은 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다. 산화 유도 온도(동적 OIT) 또는 산화 개시 온도(OOT)는 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다.OIT) 테스트입니다. 이 방법은 ASTM D3895-19 및 ASTM D6186-19를 포함한 국제 프로토콜에 의해 표준화되어 있습니다[1,2].
이 연구는 산화 유도 시간(OIT) 및 산화 시작 온도(OOT)산화 유도 시간(등온 OIT)은 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다. 산화 유도 온도(동적 OIT) 또는 산화 개시 온도(OOT)는 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다.OIT 테스트에서 도출된 동역학 분석을 통해 HDPE 블랙 파이프의 활성화 에너지를 측정하는 것을 목표로 합니다.
측정 조건
산화 유도 시간(OIT) 및 산화 시작 온도(OOT)산화 유도 시간(등온 OIT)은 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다. 산화 유도 온도(동적 OIT) 또는 산화 개시 온도(OOT)는 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다.OIT 테스트의 재현성을 보장하기 위해 HDPE 샘플을 동일한 방식으로 준비하여 세 가지 측정값을 얻었습니다[3]. 테스트에는 여러 단계가 포함됩니다:
- 샘플은 동적 질소 흐름 하에서 녹는점 이상의 온도로 가열됩니다;
- 등온 세그먼트는 질소 분위기에서 3분 동안 유지됩니다;
- 대기 가스가 질소에서 산소로 변경됩니다.
테스트 종료는 열화가 시작되는 것으로 표시됩니다. 이는 Proteus® 측정 소프트웨어를 사용하여 자동으로 식별됩니다. 측정 조건은 표 1에 요약되어 있습니다.
표 1: 산화 유도 시간(OIT) 및 산화 시작 온도(OOT)산화 유도 시간(등온 OIT)은 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다. 산화 유도 온도(동적 OIT) 또는 산화 개시 온도(OOT)는 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다.OIT 테스트의 테스트 매개변수
| 기기 | NETZSCH DSC, 저온 버전 |
|---|---|
| 도가니 | Concavus® Al, 개방형 |
| 시료 질량 | 9.90 ~ 10.10 mg |
| 등온 온도 | 200, 205, 210, 215, 220 및 225°C |
| 퍼지 가스 속도(N2) | 50 ml/min |
| 대기 | O2/N2 |
측정 결과
그림 1은 테스트 결과를 보여줍니다. 가열 중에 감지된 흡열 피크는 고밀도 폴리에틸렌 블랙 파이프의 용융으로 인한 것입니다. 산화 유도 시간(산화 유도 시간(OIT) 및 산화 시작 온도(OOT)산화 유도 시간(등온 OIT)은 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다. 산화 유도 온도(동적 OIT) 또는 산화 개시 온도(OOT)는 산화 분해에 대한 (안정화된) 물질의 저항을 상대적으로 측정한 값입니다.OIT)은 다양한 등온 세그먼트를 사용한 측정에서 추정된 산화 시작을 평가하여 결정되었습니다. 225°C에서 9.1분, 220°C에서 13.5분, 215°C에서 20.3분, 210°C에서 31.7분, 205°C에서 48.7분, 200°C에서 74.1분 등 등온 세그먼트의 온도가 낮아질수록 OIT가 뚜렷하게 증가하는 것을 관찰할 수 있었습니다. 이 경향은 낮은 온도에서 더 느린 산화를 나타냅니다.
운동 분석 OIT 측정
Kinetics Neo 소프트웨어는 등온 수명 예측을 위한 동역학 파라미터를 결정하는 데 사용됩니다.
동역학 분석 측정은 그림 1과 같이 다양한 등온 온도에서 수행됩니다.
그림 2는 검은색 HDPE 파이프의 산화 유도 시간(OIT)을 온도 함수로 나타낸 시간-사건 차트를 보여줍니다. OIT 값은 일반적으로 시차 주사 열량 측정(DSC) 테스트에서 도출됩니다(그림 1).
다양한 등온 조건에서 용융 폴리머에 대한 HDPE 블랙 파이프 샘플의 OIT 측정값에 대한 동역학 분석은 ASTM E 2070-23 [4]의 방법 E에 따라 모델 없는 등온 아레니우스(Isothermal Arrhenius)를 사용하여 수행했습니다(그림 3). 이 분석은 선형 적합 곡선을 사용하여 로그(시간-사건) 대 온도의 역수 플롯을 생성했습니다.
운동 파라미터를 결정하기 위해 선형 적합의 기울기와 절편에서 활성화 에너지와 지수 전 계수를 도출했습니다. 지수 전 계수의 계산은 1차 반응을 가정하고 이벤트가 5%의 전환율에서 발생한다고 가정합니다. 동역학 파라미터는 산화 유도 시간(OIT)에 대해 Kinetics Neo 소프트웨어로 결정했습니다.
동역학 파라미터(표 2)는 산화 유도 시간(OIT)에 대해 Kinetics Neo 소프트웨어로 결정했습니다.
표 2: 키네틱 파라미터
| 로그(지수 전 계수) | 13.3 로그(1/s) |
|---|---|
| Ea (활성화 에너지) | 165 kJ/mol |
| 결정 계수(R²) | 0.9999 |
이러한 동역학 결과를 적용하면 다양한 온도에서 액상의 수명을 쉽게 예측할 수 있습니다.
이 예측은 아르헤니우스 플롯(그림 3)의 외삽을 기반으로 하며, 여기서 직선이 더 낮은 온도로 확장되면 1/T 값의 증가에 해당합니다.
등온 수명 시뮬레이션 예측
그림 4는 아레니우스 플롯 결과를 보여줍니다. 이 곡선은 HDPE 검은색 파이프 샘플의 다양한 등온 온도에 대해 추정된 플롯입니다. 측정은 폴리머 용융 온도보다 높은 온도에서 수행되었습니다. 결과적으로 예측은 용융 폴리머에 대해 계산되었습니다. 그러나 아레니우스 플롯을 더 낮은 온도로 외삽하면 동일한 안정제 시스템을 사용할 때 열 안정성 추정을 기반으로 폴리머의 거동을 쉽게 비교할 수 있습니다 [5].
결론
OIT 테스트는 폴리머의 산화 안정성을 특성화하고 열 산화 성능을 비교하는 빠르고 효과적인 방법을 제공합니다. 종합적인 동역학 분석은 NETZSCH DSC 측정과 NETZSCH Kinetics Neo 소프트웨어를 결합하여 등온 Arrhenius를 사용하여 동역학 파라미터를 측정함으로써 이루어집니다.
또한 동일한 안정제를 함유한 다양한 폴리머의 아레니우스 플롯을 비교하면 동일한 조건에서 높은 안정성을 나타내는 폴리머를 쉽게 결정할 수 있습니다.