Введение
Трубы из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) широко используются в различных отраслях промышленности, включая водоснабжение, транспортировку газа и промышленное производство, благодаря своим превосходным механическим свойствам, химической стойкости и долговечности. Однако срок их службы в значительной степени зависит от устойчивости к окислительной деградации, которая может привести к охрупчиванию, потере механической прочности и, в конечном итоге, к разрушению материала.
Оценка окислительной стабильности имеет решающее значение для прогнозирования долгосрочных характеристик труб из ПЭВП, особенно тех, которые подвергаются воздействию сложных условий окружающей среды, таких как температура. Одним из наиболее эффективных методов оценки устойчивости полимеров к окислению является тест на время индукции окисления (Время окислительной индукции (OIT) и температура окислительной индукции (OOT)Время окислительной индукции (изотермическое OIT) - это относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению. Температура окислительной индукции (динамическая OIT) или температура начала окислительного процесса (OOT) - относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению.OIT), который проводится с помощью дифференциального сканирующего калориметра (DSC). Этот метод стандартизирован международными протоколами, включая ASTM D3895-19 и ASTM D6186- 19 [1,2].
Цель данного исследования - определить энергию активации черных труб из ПЭВП с помощью кинетического анализа, полученного в результате испытаний Время окислительной индукции (OIT) и температура окислительной индукции (OOT)Время окислительной индукции (изотермическое OIT) - это относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению. Температура окислительной индукции (динамическая OIT) или температура начала окислительного процесса (OOT) - относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению.OIT.
Условия измерения
Для обеспечения воспроизводимости тестов Время окислительной индукции (OIT) и температура окислительной индукции (OOT)Время окислительной индукции (изотермическое OIT) - это относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению. Температура окислительной индукции (динамическая OIT) или температура начала окислительного процесса (OOT) - относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению.OIT образцы ПЭВП были подготовлены таким же образом, и было проведено три измерения [3]. Испытание включает несколько этапов:
- Образец нагревают до температуры выше точки плавления под динамическим потоком азота;
- Изотермический участок выдерживается в течение 3 минут в атмосфере азота;
- Атмосферный газ меняется с азота на кислород.
Окончание испытания отмечается началом деградации. Это автоматически определяется с помощью измерительного программного обеспечения Proteus®. Условия измерений приведены в таблице 1.
| Прибор | NETZSCH ДСК, низкотемпературная версия |
|---|---|
| Тигель | Concavus® Al, открытый |
| Масса образца | 9.90 - 10,10 мг |
| Изотермическая температура | 200, 205, 210, 215, 220 и 225°C |
| Скорость продувочного газа (N2) | 50 мл/мин |
| Атмосфера | O2/N2 |
Результаты измерений
На рисунке 1 представлены результаты испытаний. Эндотермический пик, обнаруженный во время нагрева, обусловлен плавлением черной трубы из полиэтилена высокой плотности. Время индукции окисления (Время окислительной индукции (OIT) и температура окислительной индукции (OOT)Время окислительной индукции (изотермическое OIT) - это относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению. Температура окислительной индукции (динамическая OIT) или температура начала окислительного процесса (OOT) - относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению.OIT) было определено путем оценки экстраполированного начала окисления в измерениях с различными изотермическими сегментами. Наблюдалось четкое увеличение Время окислительной индукции (OIT) и температура окислительной индукции (OOT)Время окислительной индукции (изотермическое OIT) - это относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению. Температура окислительной индукции (динамическая OIT) или температура начала окислительного процесса (OOT) - относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению.OIT с уменьшением температуры изотермического сегмента: 9,1 мин при 225°C, 13,5 мин при 220°C, 20,3 мин при 215°C, 31,7 мин при 210°C, 48,7 мин при 205°C и 74,1 мин при 200°C. Эта тенденция свидетельствует о замедлении окисления при более низких температурах.
Кинетический анализ Измерения OIT
Программное обеспечение Kinetics Neo используется для определения кинетических параметров для прогнозирования изотермического времени жизни.
Измерения кинетического анализа проводились при различных изотермических температурах, как показано на рисунке 1.
На рисунке 2 представлена диаграмма "Время до события", иллюстрирующая время окислительной индукции (Время окислительной индукции (OIT) и температура окислительной индукции (OOT)Время окислительной индукции (изотермическое OIT) - это относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению. Температура окислительной индукции (динамическая OIT) или температура начала окислительного процесса (OOT) - относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению.OIT) черной трубы из ПЭВП в зависимости от температуры. Значения Время окислительной индукции (OIT) и температура окислительной индукции (OOT)Время окислительной индукции (изотермическое OIT) - это относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению. Температура окислительной индукции (динамическая OIT) или температура начала окислительного процесса (OOT) - относительная мера устойчивости (стабилизированного) материала к окислительному разложению.OIT обычно определяются по результатам испытаний методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) (рис. 1).
Кинетический анализ измерений OIT на образцах черных труб из ПЭВП для расплавленных полимеров при различных изотермических условиях был проведен с использованием метода изотермического Аррениуса без модели в соответствии с методом E из ASTM E 2070-23 [4] (рисунок 3). В результате анализа был получен график зависимости Log(time-to-event) от обратной величины температуры с линейной кривой.
Для определения кинетических параметров энергия активации и предэкспоненциальный фактор были получены из наклона и перехвата линейного соответствия. Расчет предэкспоненциального фактора предполагает реакцию первого порядка и то, что событие происходит при конверсии 5%. Кинетические параметры были определены с помощью программного обеспечения Kinetics Neo для времени индукции окисления (OIT).
Кинетические параметры (таблица 2) были определены с помощью программного обеспечения Kinetics Neo для времени индукции окисления (OIT).
Таблица 2: Кинетические параметры
| Log (предэкспоненциальный коэффициент) | 13.3 Log (1/с) |
|---|---|
| Ea (энергия активации) | 165 кДж/моль |
| Коэффициент детерминации (R²) | 0.9999 |
Применение этих кинетических результатов позволяет предсказать время жизни жидкой фазы при различных температурах.
Это предсказание основано на экстраполяции графика Аррениуса (рис. 3), где прямая линия расширяется к более низким температурам, что соответствует увеличению значения 1/T.
Имитационное прогнозирование изотермического времени жизни
На рисунке 4 показаны результаты графика Аррениуса. Эта кривая представляет собой экстраполированный график для различных изотермических температур для образцов черных труб из ПЭВП. Измерения проводились при температурах выше температуры плавления полимера. Следовательно, прогноз был рассчитан для расплавленных полимеров. Однако экстраполяция графика Аррениуса на более низкие температуры может облегчить сравнение поведения полимера, основанное на оценке термической стабильности, при использовании одной и той же системы стабилизаторов [5].
Заключение
Тест OIT - это быстрый и эффективный метод определения окислительной стабильности полимеров и сравнения их термоокислительных характеристик. Всесторонний кинетический анализ достигается благодаря сочетанию измерений ДСК NETZSCH с программным обеспечением NETZSCH Kinetics Neo для определения кинетических параметров с использованием изотермического Аррениуса.
Кроме того, сравнение графиков Аррениуса различных полимеров, содержащих один и тот же стабилизатор, позволяет определить полимер, демонстрирующий высокую стабильность в одних и тех же условиях.