Hoe debindingprocessen simuleren en optimaliseren

Bij keramisch bakken en sintermetallurgie hangt de kwaliteit van het product af van het temperatuurprofiel, met name van de verwarmingssnelheid. In de beginfase van het verhittingsproces wordt het polymeerbindmiddel voorzichtig verwijderd via thermische ontleding. Maar de ontwikkeling van gas mag niet te intensief zijn om de vorming van microscheurtjes te voorkomen en ervoor te zorgen dat de structuur van het oorspronkelijke materiaal niet wordt vernietigd. Om de beste productkwaliteit te verkrijgen, mag deze verhittingsfase om polymeerontleding te bereiken dus niet te snel worden uitgevoerd. Aan de andere kant verlengt een te langzame verhitting de procestijd, wat te duur en milieuonvriendelijk kan zijn en de productiekosten kan verhogen. Het belangrijkste doel is om een optimaal temperatuurprofiel te creëren met een gebalanceerde verwarming om de beste kwaliteit materiaal in de kortste tijd te garanderen. Om dit te bereiken is het nodig om te weten wat er met het materiaal in de oven gebeurt tijdens het bakken. Het wordt aanbevolen om de simulatiemethode te gebruiken voor de afbindsnelheid voor het gegeven temperatuurprofiel van de oven. Gegevens voor analyse Polymeerbindmiddelen verliezen massa tijdens thermische ontbinding, wat gemakkelijk kan worden gemeten met thermogravimetrie. Chemische reacties zijn echter kinetische processen die niet alleen afhankelijk zijn van de temperatuur, maar ook van de tijd. Dus bij een constante temperatuur zal de reactie verlopen en zal de massa veranderen, maar dezelfde massa kan bij verschillende temperaturen voorkomen. De enige zaken die onafhankelijk zijn van het temperatuurprofiel zijn de chemische eigenschappen van een reactie, zoals stoichiometrische coëfficiënten, reactievolgordes en activeringsenergieën. Met een bindmiddel ontleden de componenten van het polymeermengsel vaak onafhankelijk van elkaar. In dit geval zijn de begin- en eindsamenstelling van het materiaal meestal ook onafhankelijk van het temperatuurprofiel. Om de parameters van chemische reacties te vinden die onafhankelijk zijn van het temperatuurprofiel, is het nodig om meerdere thermogravimetrische laboratoriummetingen uit te voeren onder verschillende temperatuuromstandigheden, namelijk bij verschillende verwarmingssnelheden. De typische vorm van thermogravimetrische ontledingskrommen toont de temperatuurafhankelijkheid van de gemeten massa voor verschillende verwarmingssnelheden. De hier gepresenteerde metingen zijn uitgevoerd op een NETZSCH TG 209 F1 instrument. Kinetische analyse In een polymeerbindmiddel ontleden de polymeren gewoonlijk onafhankelijk van elkaar en het gemeten massaverlies geeft de ontleding van het mengsel weer. Elke component in het mengsel kan in verschillende afzonderlijke ontledingsstappen uiteenvallen, dus de afzonderlijke stappen in dit proces kunnen betrekking hebben op de verschillende polymeren of op hetzelfde polymeer. Met kinetische analyse kunnen de kinetische parameters van het waargenomen proces, die onafhankelijk zijn van het temperatuurprofiel, worden gevonden. Deze parameters zijn de activeringsenergie en de reactievolgorde voor elke zichtbare ontledingsstap, evenals de bijdrage van elke reactiestap aan het totale ontledingsproces. Er zijn twee verschillende benaderingen voor de kinetische analyse van gemeten gegevens - de eerste is gebaseerd op modellen volgens de echte chemie van het proces en beschouwt het totale proces als de som van de onafhankelijke ontledingsprocessen van verschillende polymeren. De afbraak van elk polymeer wordt beschouwd als een reeks opeenvolgende individuele reactiestappen. Hierbij heeft elke reactiestap zijn eigen stoichiometrie en activeringsenergie, die beide constante waarden behouden van het begin van de reactiestap tot het einde. Deze benadering beschrijft het ontbindingsproces expliciet en op een manier die heel dicht bij de werkelijkheid ligt, maar het vergt tijd voor de analyse en constructie van het kinetische model van parallelle en opeenvolgende reactiestappen. De tweede, meer benaderende benadering wordt modelvrij genoemd, waarbij het hele proces wordt beschouwd als een eenstapsreactie waarbij de activeringsenergie en pre-exponentiële factoren veranderen naarmate de reactie vordert. Dit type is zeer snel voor een proces met opeenvolgende stappen, maar heeft ook enkele beperkingen, het kan bijvoorbeeld de ontleding van een mengsel met parallelle reacties of met reacties die elkaar aanzienlijk overlappen niet beschrijven. NETZSCH Kinetics Neo software is geschikt voor beide analysemethoden, wat een voordeel is ten opzichte van softwares met één methode. NETZSCH Kinetics Neo werd gebruikt voor de hier getoonde analyse van thermogravimetrische gegevens met de modelgebaseerde methode, met als resultaat een kinetisch model dat drie opeenvolgende reactiestappen met hun kinetische parameters weergeeft. Dit is onafhankelijk van het temperatuurprogramma en kan worden gebruikt voor de simulatie van ontledingsprocessen voor andere door de gebruiker gedefinieerde temperatuurprogramma's. Als de simulatie exact wordt uitgevoerd voor dezelfde temperaturen die tijdens het experiment zijn gebruikt, dan moeten de gesimuleerde curven passen bij het experiment als het model correct is. Deze fit is te zien in de afbeelding, waar experimentele gegevens voor verschillende verwarmingssnelheden zijn gemarkeerd met symbolen, en alle gesimuleerde gegevens op basis van hetzelfde kinetische model met dezelfde set kinetische parameters - maar voor verschillende verwarmingssnelheden - worden weergegeven als de ononderbroken curven. Dit betekent dat het kinetische model correct was geconstrueerd en dat de kinetische parameters correct bleken te zijn, zodat dit model gebruikt kan worden voor toekomstige modellering van bindmiddelafbraak in de oven, waar het niet mogelijk is om het massaverlies te meten. Voorspelling en optimalisatie Met het verkregen kinetische model, bestaande uit drie afzonderlijke opeenvolgende reactiestappen, kan het massaverlies worden voorspeld voor het temperatuurprogramma dat door de gebruiker is opgegeven. Als men weet hoe heet het in de oven is, kan het ontbindingsproces worden gesimuleerd. Met dit model kan bijvoorbeeld het massaverlies van het materiaal in de tunneloven worden gesimuleerd. Bij een warmteverandering berekent de software een nieuwe massaverliescurve voor het nieuwe temperatuurprogramma in elke zone. De ontledingssnelheid hangt niet alleen af van de temperatuur, maar ook van de huidige waarde van de conversie. Bij een constante verwarmingssnelheid zijn er bereiken in de massaverliescurve waar dit proces snel verloopt en bereiken waar het proces langzaam verloopt. De parameters met de hoge reactiesnelheid zijn de risicozones waar de materiaalstructuur beschadigd kan raken. De bereiken met de lage reactiesnelheid resulteren in onredelijk tijdverlies en energieverlies, waardoor de kosten van het eindproduct te hoog zijn. Voor het optimalisatieproces is het nodig om die temperatuurprofielen te vinden waarbij de massaverliezen constant zijn, om een optimale productkwaliteit te vinden voor de kortste tijd. Zonder de simulatiemogelijkheid zouden zulke temperatuurprofielen door de chemisch ingenieur moeten worden gecreëerd via de trial-and-error-methode - dit zou veel tijd kosten en aanzienlijke kosten met zich meebrengen. Met behulp van Kinetics Neo software werd het nieuwe temperatuurprofiel berekend voor het gegeven massaverlies van 0,05%/min. In industriële processen die worden gekenmerkt door enkele beperkingen in de verwarmingssnelheden, kan deze software helpen bij het vinden van het optimale temperatuurprofiel om een gesimuleerd massaverlies te verkrijgen dat zeer dicht bij de constante waarde ligt. Het Duitse bedrijf Haldenwanger had de software bijvoorbeeld nodig om het temperatuurprofiel voor het bakken van keramiek te optimaliseren voor zijn nieuwe schuimkeramiek, waarvan de kwaliteit erg gevoelig is voor de afbindsnelheid. Dit proces bestond uit twee delen, OntbindenOntbinding is een van de belangrijkste productiestappen in de keramische en poedermetallurgische industrie. Het verwijst naar de thermische of katalytische verwijdering van additieven die gebruikt worden in stappen voorafgaand aan de productie, zoals gieten.ontbinden en vervolgens SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren. Het temperatuurprofiel werd voor beide delen geoptimaliseerd en de productietijd werd met meer dan 50% verkort. Software Toepassingen voor kinetische analyse In een polymeerbindmiddel ontleden de polymeren gewoonlijk onafhankelijk van elkaar en het gemeten massaverlies geeft de ontleding van het mengsel weer. Elke component in het mengsel kan in verschillende afzonderlijke ontledingsstappen uiteenvallen, dus de afzonderlijke stappen in dit proces kunnen betrekking hebben op de verschillende polymeren of op hetzelfde polymeer. Met kinetische analyse kunnen de kinetische parameters van het waargenomen proces, die onafhankelijk zijn van het temperatuurprofiel, worden gevonden. Deze parameters zijn de activeringsenergie en de reactievolgorde voor elke zichtbare ontledingsstap, evenals de bijdrage van elke reactiestap aan het totale ontledingsproces. Er zijn twee verschillende benaderingen voor de kinetische analyse van gemeten gegevens - de eerste is gebaseerd op modellen volgens de echte chemie van het proces en beschouwt het totale proces als de som van de onafhankelijke ontledingsprocessen van verschillende polymeren. De afbraak van elk polymeer wordt beschouwd als een reeks opeenvolgende individuele reactiestappen. Hierbij heeft elke reactiestap zijn eigen stoichiometrie en activeringsenergie, die beide constante waarden behouden van het begin van de reactiestap tot het einde. Deze benadering beschrijft het ontbindingsproces expliciet en op een manier die heel dicht bij de werkelijkheid ligt, maar het vergt tijd voor de analyse en constructie van het kinetische model van parallelle en opeenvolgende reactiestappen. De tweede, meer benaderende benadering wordt modelvrij genoemd, waarbij het hele proces wordt beschouwd als een eenstapsreactie waarbij de activeringsenergie en pre-exponentiële factoren veranderen naarmate de reactie vordert. Dit type is zeer snel voor een proces met opeenvolgende stappen, maar heeft ook enkele beperkingen, het kan bijvoorbeeld de ontleding van een mengsel met parallelle reacties of met reacties die elkaar aanzienlijk overlappen niet beschrijven. NETZSCH Kinetics Neo software is geschikt voor beide analysemethoden, wat een voordeel is ten opzichte van softwares met één methode. NETZSCH Kinetics Neo werd gebruikt voor de hier getoonde analyse van thermogravimetrische gegevens met de modelgebaseerde methode, met als resultaat een kinetisch model dat drie opeenvolgende reactiestappen met hun kinetische parameters weergeeft. Dit is onafhankelijk van het temperatuurprogramma en kan worden gebruikt voor de simulatie van ontledingsprocessen voor andere door de gebruiker gedefinieerde temperatuurprogramma's. Als de simulatie exact wordt uitgevoerd voor dezelfde temperaturen die tijdens het experiment zijn gebruikt, dan moeten de gesimuleerde curven passen bij het experiment als het model correct is. Deze fit is te zien in de afbeelding, waar experimentele gegevens voor verschillende verwarmingssnelheden zijn gemarkeerd met symbolen, en alle gesimuleerde gegevens op basis van hetzelfde kinetische model met dezelfde set kinetische parameters - maar voor verschillende verwarmingssnelheden - worden weergegeven als de ononderbroken curven. Dit betekent dat het kinetische model correct was geconstrueerd en dat de kinetische parameters correct bleken te zijn, dus dit model kan worden gebruikt voor toekomstige modellering van bindmiddelafbraak in de oven waar het niet mogelijk is om het massaverlies te meten.

Voorspelling en optimalisatie Met het verkregen kinetische model dat bestaat uit drie afzonderlijke opeenvolgende reactiestappen, kan het massaverlies worden voorspeld voor het temperatuurprogramma dat door de gebruiker is opgegeven. Als men dus weet hoe heet het in de oven is, kan het ontbindingsproces worden gesimuleerd. Met dit model kan bijvoorbeeld het massaverlies van het materiaal in de tunneloven worden gesimuleerd. In het geval van een warmteverandering berekent de software een nieuwe massaverliescurve voor het nieuwe temperatuurprogramma in elke zone.

De ontledingssnelheid hangt niet alleen af van de temperatuur, maar ook van de huidige waarde van de omzetting. Bij een constante verwarmingssnelheid zijn er bereiken in de massaverliescurve waar dit proces snel verloopt en bereiken waar het proces langzaam verloopt. De parameters met de hoge reactiesnelheid zijn de risicozones waar de materiaalstructuur beschadigd kan raken. De bereiken met de lage reactiesnelheid resulteren in onredelijk tijdverlies en energieverlies, waardoor de kosten van het eindproduct te hoog zijn. Voor het optimalisatieproces is het nodig om die temperatuurprofielen te vinden waarbij de massaverliezen constant zijn, om een optimale productkwaliteit te vinden voor de kortste tijd. Zonder de simulatiemogelijkheid zouden zulke temperatuurprofielen door de chemisch ingenieur moeten worden gecreëerd via de trial-and-error-methode - dit zou veel tijd kosten en aanzienlijke kosten met zich meebrengen. Met behulp van Kinetics Neo software werd het nieuwe temperatuurprofiel berekend voor het gegeven massaverlies van 0,05%/min.

In industriële processen die worden gekenmerkt door enkele beperkingen in de verwarmingssnelheden, kan deze software helpen bij het vinden van het optimale temperatuurprofiel om een gesimuleerd massaverlies te verkrijgen dat heel dicht bij de constante waarde ligt. Het Duitse bedrijf Haldenwanger had de software bijvoorbeeld nodig om het temperatuurprofiel voor het bakken van keramiek te optimaliseren voor zijn nieuwe schuimkeramiek, waarvan de kwaliteit erg gevoelig is voor de afbindsnelheid. Dit proces bestond uit twee delen, OntbindenOntbinding is een van de belangrijkste productiestappen in de keramische en poedermetallurgische industrie. Het verwijst naar de thermische of katalytische verwijdering van additieven die gebruikt worden in stappen voorafgaand aan de productie, zoals gieten.ontbinden en vervolgens SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren. Het temperatuurprofiel werd voor beide delen geoptimaliseerd en de productietijd werd met meer dan 50% verkort. Toepassingen van kinetische analysesoftware Het toepassingsgebied van kinetische analyse en simulatie is niet beperkt tot het ontslijpproces tijdens de productie van keramiek of in de sintermetallurgie. Een dergelijke simulatie is bijvoorbeeld nodig voor het bepalen van de levensduur van verpakkingsmaterialen of voor in-proces bewerkingen bij hoge temperaturen.