Inleiding
Spuitgieten is het belangrijkste proces in de polymeerindustrie om onderdelen met een bepaalde vorm te maken. Het gesmolten polymeer wordt in een relatief koude matrijsholte gespoten waar het snel afkoelt. De temperatuur van de matrijs heeft een directe invloed op de kristallisatiesnelheid en dus op de eigenschappen van het eindproduct. Daarom is het gebruik van een DSC voor isotherme kristallisatietests, waarbij het gedrag van een polymeer in de mal wordt gesimuleerd, een echte tijdswinst.
Snel koelen en stabiliseren
Voor isotherme kristallisatietests moet een DSC aan twee eisen voldoen. Het monster moet zeer snel afgekoeld worden om het begin van KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie tijdens het afkoelen te voorkomen. Daarnaast moet de temperatuur gestabiliseerd worden op de gespecificeerde kristallisatietemperatuur zonder onder- of overschrijding. Vooral een te lage temperatuur kan leiden tot een voortijdig begin van KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie. Sommige polymeren zoals polyolefinen kristalliseren erg snel. Slechts enkele seconden bij een temperatuur net onder de doeltemperatuur kan de KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie onbedoeld starten.
Dankzij de lage thermische massa van de oven bereikt de P-module van de DSC 300 Caliris® zeer snelle opwarm- en afkoelsnelheden en een uitstekende temperatuurregeling tijdens de daaropvolgende isotherme segmenten.
In dit voorbeeld werden isotherme kristallisatietests uitgevoerd op een hogedichtheidspolyethyleen met de NETZSCH DSC 300 Caliris®. Na verwarming tot 230 °C, d.w.z. tot een temperatuur die hoger is dan de Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur van HDPE (polyethyleen met hoge DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid), gevolgd door een IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm segment van 5 minuten, werden de monsters met een hoge koelsnelheid afgekoeld tot drie verschillende kristallisatietemperaturen. Tabel 1 geeft een overzicht van de meetomstandigheden.
Tabel 1: Voorwaarden voor de isotherme kristallisatietests
| Apparaat | DSC 300 Caliris® met P-module | ||
| Kroes | Concavus® (aluminium), deksel met gaatjes | ||
| Monstermassa | 5.55 mg | 5.68 mg | 5.58 mg |
| Temperatuurbereik | 230 °C tot kristallisatietemperatuur | ||
| Temperatuur van KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie | 122.5°C | 123.0°C | 123.5°C |
| Nominale afkoelsnelheid | 200 K/min | ||
| Atmosfeer | Stikstof (40 ml/min) | ||
Meetresultaten en discussie
Het temperatuurprofiel van de afkoeling tot 123,0 °C toont de uitstekende stabiliteit van de temperatuur tijdens het isotherme segment nadat de beoogde kristallisatietemperatuur was bereikt (figuur 1).
Figuur 2 toont de resulterende DSC-curves voor de isotherme segmenten bij 122,5°C, 123,0°C en 123,5°C. Door de snelle stabilisatie van de temperatuur op de gespecificeerde waarde is het initiële effect op de DSC-curve veroorzaakt door de segmentovergang van koelen naar IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm laag genoeg om het te kunnen scheiden van de thermische effecten aan het begin. De exotherme piek die tijdens het isotherme segment van de drie metingen is gedetecteerd, kan worden toegeschreven aan de KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie van polyethyleen. Zoals verwacht neemt de KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij. kristallisatie-enthalpie (piekoppervlak) toe naarmate de temperatuur van het isotherme segment afneemt, wat duidt op een hogere Kristalliniteit / KristalliniteitsgraadKristalliniteit verwijst naar de mate van structurele orde van een vaste stof. In een kristal is de ordening van atomen of moleculen consistent en repetitief. Veel materialen zoals glaskeramiek en sommige polymeren kunnen zo worden bereid dat er een mengsel ontstaat van kristallijne en amorfe gebieden. kristalliniteit in het eindproduct. Ook is de helling van de piek steiler naarmate de isotherme temperatuur afneemt, dus het minimum van de piek wordt sneller bereikt. Dit duidt op een snellere KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij. kristallisatie.
Van DSC metingen tot de kristallisatiekinetiek:Kinetics Neo
De afhankelijkheid van de kristallisatiepiek van de temperatuur maakt het mogelijk om DSC-curves te gebruiken voor een kinetische analyse van het kristallisatieproces. Hiervoor werd de software Kinetics Neo gebruikt. Deze kan aan elke afzonderlijke stap verschillende reactietypes met eigen kinetische parameters toewijzen, zoals activeringsenergie, reactievolgorde en pre-exponentiële factor.
De snelheid van de chemische reactie voor elke kristallisatiestap, j, kan worden geschreven als het product van twee functies, waarbij de eerste functie, fj(ej,pj,), afhangt van de concentraties van de reactant (ej) en het product (pj). De tweede functie, Kj(T), hangt af van de temperatuur [1].
Hier werd een eenstapsreactie gekozen voor de kristallisatiekinetiek. Het kristallisatiemodel van Sbirrazzuoli [2] gebruikt de Nakamura-afhankelijkheid K(T) en de Sestak-Berggren-afhankelijkheid van concentraties f(e,p):
Het gebruik van dit model vereist kennis van de glasovergangs- en Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur van het monster, zelfs als de software de waarde van de Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur optimaliseert. De kinetische evaluatie is dan geldig over het hele temperatuurbereik tussen deze twee temperaturen.
Bovendien bevat de functie K(T) de parameters U en KG die door de software Kinetics Neo worden geoptimaliseerd.
Figuur 3 toont de meetcurven en de curven die zijn berekend in Kinetics Neo met behulp van het hierboven beschreven kinetische model. Tabel 2 geeft een overzicht van de parameters van de kinetiek. De resultaten tonen de goede overeenstemming tussen de gemeten en de berekende resultaten. De correlatiecoëfficiënt bedraagt 0,996.
Tabel 2: Parameters van de kristallisatiekinetiek
| Type reactie | Sbirrazzuoli KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij. kristallisatie |
| Nakamura KG | 24.384 |
| Log(PreExp) [Log(1/2)] | 2.072 |
| Volgorde van reactie, n | 1.286 |
| Volgorde van autokatalyse, m | 0.695 |
| Volgorde van logaritmische term, q | 0 |
| Smelttemperatuur [°C] | 130 |
| Glasovergangstemperatuur [°C] | -130 |
| U* [kJ/mol] | 6.30 |
Op basis van de resultaten kan Kinetics Neo de reactie simuleren voor door de gebruiker gespecificeerde temperatuurprogramma's. Figuur 4 toont bijvoorbeeld de DSC-curven die zijn verkregen voor kristallisatietemperaturen tussen 80°C en 115°C. Zoals verwacht, hoe lager de temperatuur, hoe sneller de reactie. Als het materiaal in een mal van small wordt geïnjecteerd bij een temperatuur van 80 °C, zal het in enkele seconden kristalliseren. Als de mal 115 °C is, heeft het polymeer een minuut nodig om volledig te kristalliseren.
DSC-tests die de productie begeleiden om tijd en geld te besparen
Met de NETZSCH DSC 300 Caliris®® kunnen isotherme kristallisatietests worden uitgevoerd op polyethyleen - een polyolefine die bekend staat om zijn snelle KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij. kristallisatie. DSC-tests zijn eenvoudig uit te voeren en vereisen slechts een small monstermassa. Met name isotherme kristallisatiemetingen helpen bij het bepalen van de juiste verwerkingscondities zoals matrijstemperatuur en koeltijd, zodat de resulterende onderdelen alle vereiste eigenschappen hebben.