Wprowadzenie
Rury z polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE) są szeroko stosowane w różnych branżach, w tym w dystrybucji wody, transporcie gazu i zastosowaniach przemysłowych, ze względu na ich doskonałe właściwości mechaniczne, odporność chemiczną i długoterminową trwałość. Jednak ich żywotność w dużym stopniu zależy od odporności na degradację oksydacyjną, która może prowadzić do kruchości, utraty wytrzymałości mechanicznej, a ostatecznie do uszkodzenia materiału.
Ocena stabilności oksydacyjnej ma kluczowe znaczenie dla przewidywania długoterminowej wydajności rur HDPE, szczególnie tych narażonych na trudne warunki środowiskowe, takie jak temperatury. Jedną z najskuteczniejszych metod oceny odporności polimerów na UtlenianieUtlenianie może opisywać różne procesy w kontekście analizy termicznej.utlenianie jest test czasu indukcji utleniania (Czas indukcji utleniania (OIT) i temperatura początku utleniania (OOT)Czas indukcji utleniania (izotermiczny OIT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny. Temperatura indukcji utleniania (dynamiczna OIT) lub temperatura początku utleniania (OOT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny.OIT), który jest przeprowadzany przy użyciu różnicowego kalorymetru skaningowego (DSC). Metoda ta jest standaryzowana przez międzynarodowe protokoły, w tym ASTM D3895-19 i ASTM D6186-19 [1,2].
Niniejsze badanie ma na celu określenie energii aktywacji czarnych rur HDPE poprzez analizę kinetyczną uzyskaną z testów Czas indukcji utleniania (OIT) i temperatura początku utleniania (OOT)Czas indukcji utleniania (izotermiczny OIT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny. Temperatura indukcji utleniania (dynamiczna OIT) lub temperatura początku utleniania (OOT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny.OIT.
Warunki pomiaru
Aby zapewnić powtarzalność testów Czas indukcji utleniania (OIT) i temperatura początku utleniania (OOT)Czas indukcji utleniania (izotermiczny OIT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny. Temperatura indukcji utleniania (dynamiczna OIT) lub temperatura początku utleniania (OOT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny.OIT, próbki HDPE przygotowano w ten sam sposób i uzyskano trzy pomiary [3]. Test składa się z kilku etapów:
- Próbka jest podgrzewana do temperatury powyżej temperatury topnienia pod dynamicznym przepływem azotu;
- Segment IzotermicznyTesty w kontrolowanej i stałej temperaturze nazywane są izotermicznymi.izotermiczny jest utrzymywany przez 3 minuty w atmosferze azotu;
- Atmosfera gazowa jest zmieniana z azotu na tlen.
Zakończenie testu jest oznaczone początkiem degradacji. Jest to automatycznie identyfikowane za pomocą oprogramowania pomiarowego Proteus®. Warunki pomiaru podsumowano w tabeli 1.
| Przyrząd | NETZSCH DSC, wersja niskotemperaturowa |
|---|---|
| Tygiel | Concavus® Al, otwarty |
| Masa próbki | 9.90 do 10,10 mg |
| Temperatura izotermiczna | 200, 205, 210, 215, 220 i 225°C |
| Szybkość przedmuchiwania gazem (N2) | 50 ml/min |
| Atmosfera | O2/N2 |
Wyniki pomiarów
Rysunek 1 przedstawia wyniki testu. Pik EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny wykryty podczas ogrzewania jest spowodowany topnieniem czarnej rury z polietylenu o wysokiej gęstości. Czas indukcji utleniania (Czas indukcji utleniania (OIT) i temperatura początku utleniania (OOT)Czas indukcji utleniania (izotermiczny OIT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny. Temperatura indukcji utleniania (dynamiczna OIT) lub temperatura początku utleniania (OOT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny.OIT) został określony poprzez ocenę ekstrapolowanego początku utleniania w pomiarach z różnymi segmentami izotermicznymi. Zaobserwowano wyraźny wzrost OIT wraz ze spadkiem temperatury segmentu izotermicznego: 9,1 min w 225°C, 13,5 min w 220°C, 20,3 min w 215°C, 31,7 min w 210°C, 48,7 min w 205°C i 74,1 min w 200°C. Tendencja ta wskazuje na wolniejsze UtlenianieUtlenianie może opisywać różne procesy w kontekście analizy termicznej.utlenianie w niższych temperaturach.
Analiza kinetyczna Pomiary OIT
Oprogramowanie Kinetics Neo jest używane do określania parametrów kinetycznych w celu przewidywania izotermicznego czasu życia.
Pomiary analizy kinetycznej są przeprowadzane w różnych temperaturach izotermicznych, jak pokazano na rysunku 1.
Rysunek 2 przedstawia wykres czasu do zdarzenia ilustrujący Czas indukcji utleniania (OIT) i temperatura początku utleniania (OOT)Czas indukcji utleniania (izotermiczny OIT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny. Temperatura indukcji utleniania (dynamiczna OIT) lub temperatura początku utleniania (OOT) jest względną miarą odporności (stabilizowanego) materiału na rozkład oksydacyjny. czas indukcji utleniania (OIT) czarnej rury HDPE w funkcji temperatury. Wartości OIT są zwykle uzyskiwane z testów różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) (rysunek 1).
Analizę kinetyczną pomiarów OIT na próbkach czarnych rur HDPE dla stopionych polimerów w różnych warunkach izotermicznych przeprowadzono przy użyciu bezmodelowej izotermy Arrheniusa zgodnie z metodą E z ASTM E 2070-23 [4] (rysunek 3). Analiza dała wykres logarytmu (czas do zdarzenia) w funkcji odwrotności temperatury z liniową krzywą dopasowania.
W celu określenia parametrów kinetycznych, energia aktywacji i współczynnik przedwykładniczy zostały wyprowadzone z nachylenia i punktu przecięcia dopasowania liniowego. Obliczenie współczynnika przedwykładniczego zakłada reakcję pierwszego rzędu i że zdarzenie zachodzi przy konwersji 5%. Parametry kinetyczne zostały określone przez oprogramowanie Kinetics Neo dla czasu indukcji utleniania (OIT).
Parametry kinetyczne (tabela 2) zostały określone za pomocą oprogramowania Kinetics Neo dla czasu indukcji utleniania (OIT).
Tabela 2: Parametry kinetyczne
| Log (współczynnik przedwykładniczy) | 13.3 Log (1/s) |
|---|---|
| Ea (energia aktywacji) | 165 kJ/mol |
| Współczynnik determinacji (R²) | 0.9999 |
Zastosowanie tych wyników kinetycznych ułatwia przewidywanie czasu życia fazy ciekłej w różnych temperaturach.
Przewidywanie to opiera się na ekstrapolacji wykresu Arrheniusa (rysunek 3), gdzie linia prosta jest przedłużana do niższych temperatur, co odpowiada wzrostowi wartości 1/T.
Symulacyjne przewidywanie izotermicznego czasu życia
Rysunek 4 przedstawia wyniki wykresu Arrheniusa. Krzywa ta jest ekstrapolowanym wykresem dla różnych temperatur izotermicznych dla próbek czarnych rur HDPE. Pomiary przeprowadzono w temperaturach powyżej temperatury topnienia polimeru. W związku z tym przewidywania zostały obliczone dla stopionych polimerów. Jednak ekstrapolacja wykresu Arrheniusa do niższych temperatur może ułatwić porównanie zachowania polimeru w oparciu o oszacowanie stabilności termicznej, gdy stosowany jest ten sam system stabilizatora [5].
Wnioski
Test OIT zapewnia szybką i skuteczną metodę charakteryzowania stabilności oksydacyjnej polimerów i porównywania ich wydajności termooksydacyjnej. Kompleksową analizę kinetyczną uzyskuje się poprzez połączenie pomiarów DSC NETZSCH z oprogramowaniem NETZSCH Kinetics Neo w celu określenia parametrów kinetycznych przy użyciu izotermicznej metody Arrheniusa.
Ponadto porównanie wykresów Arrheniusa różnych polimerów zawierających ten sam stabilizator może ułatwić określenie polimeru, który wykazuje wysoką stabilność w tych samych warunkach.