Inledning
HDPE-rör (High Density Polyethylene) används ofta i olika branscher, inklusive vattendistribution, gastransport och industriella tillämpningar, på grund av deras utmärkta mekaniska egenskaper, kemiska beständighet och långsiktiga hållbarhet. Deras livslängd är dock starkt beroende av deras motståndskraft mot oxidativ nedbrytning, vilket kan leda till försprödning, förlust av mekanisk styrka och i slutändan till att materialet går sönder.
Utvärderingen av oxidativ stabilitet är avgörande för att förutsäga HDPE-rörens långsiktiga prestanda, särskilt de som utsätts för utmanande miljöförhållanden, t.ex. temperaturer. En av de mest effektiva metoderna för att bedöma polymerers oxidationsbeständighet är Oxidativ induktionstid (OIT) och oxidativ starttemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) är ett relativt mått på ett (stabiliserat) materials motståndskraft mot oxidativ nedbrytning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller Oxidativ starttemperatur (OOT) är ett relativt mått på ett (stabiliserat) materials motståndskraft mot oxidativ nedbrytning.OIT-testet (Oxidation Induction Time), som utförs med hjälp av en DSC (Differential Scanning Calorimeter). Denna metod är standardiserad genom internationella protokoll, inklusive ASTM D3895-19 och ASTM D6186-19 [1,2].
Denna studie syftar till att bestämma aktiveringsenergin för svarta HDPE-rör genom kinetisk analys som härrör från Oxidativ induktionstid (OIT) och oxidativ starttemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) är ett relativt mått på ett (stabiliserat) materials motståndskraft mot oxidativ nedbrytning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller Oxidativ starttemperatur (OOT) är ett relativt mått på ett (stabiliserat) materials motståndskraft mot oxidativ nedbrytning.OIT-tester.
Mätförhållanden
För att säkerställa reproducerbarheten av Oxidativ induktionstid (OIT) och oxidativ starttemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) är ett relativt mått på ett (stabiliserat) materials motståndskraft mot oxidativ nedbrytning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller Oxidativ starttemperatur (OOT) är ett relativt mått på ett (stabiliserat) materials motståndskraft mot oxidativ nedbrytning.OIT-testerna förbereddes HDPE-proverna på samma sätt och tre mätningar utfördes [3]. Testet omfattar flera steg:
- Provet värms upp till en temperatur över smältpunkten under ett dynamiskt kväveflöde;
- Ett IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermiskt segment hålls i 3 minuter under en kväveatmosfär;
- Atmosfärgasen ändras från kväve till syre.
Testets avslutning markeras av att nedbrytningen börjar. Detta identifieras automatiskt genom användning av mätprogramvaran Proteus®. Mätförhållandena sammanfattas i tabell 1.
| Instrument | NETZSCH DSC, lågtemperaturversion |
|---|---|
| Smältdegel | Concavus® Al, öppen |
| Provets massa | 9.90 till 10,10 mg |
| Isotermisk temperatur | 200, 205, 210, 215, 220 och 225°C |
| Hastighet för spolningsgas (N2) | 50 ml/min |
| Atmosfär | O2/N2 |
Resultat av mätning
Figur 1 visar testresultaten. Den endotermiska topp som detekteras under uppvärmningen beror på Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning av det svarta röret av polyeten med hög TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet. Oxidationsinduktionstiden (Oxidativ induktionstid (OIT) och oxidativ starttemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) är ett relativt mått på ett (stabiliserat) materials motståndskraft mot oxidativ nedbrytning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller Oxidativ starttemperatur (OOT) är ett relativt mått på ett (stabiliserat) materials motståndskraft mot oxidativ nedbrytning.OIT) bestämdes genom att utvärdera den extrapolerade oxidationsstarten i mätningar med olika isotermiska segment. En tydlig ökning av OIT observerades med sjunkande temperaturer i det isotermiska segmentet: 9,1 min vid 225 °C, 13,5 min vid 220 °C, 20,3 min vid 215 °C, 31,7 min vid 210 °C, 48,7 min vid 205 °C och 74,1 min vid 200 °C. Denna trend visar på långsammare OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation vid lägre temperaturer.
Kinetisk analys OIT-mätningar
Programvaran Kinetics Neo används för att bestämma de kinetiska parametrarna för att förutsäga den isotermiska livslängden.
De kinetiska analysmätningarna utförs vid olika isotermiska temperaturer, vilket illustreras i figur 1.
I figur 2 visas ett Time-to-Event-diagram som illustrerar den oxidativa induktionstiden (OIT) för ett svart HDPE-rör som en funktion av temperaturen. OIT-värdena härleds vanligen från DSC-tester (Differential Scanning Calorimetry) (figur 1).
En kinetisk analys av OIT-mätningar på svarta HDPE-rörprover för smälta polymerer under olika isotermiska förhållanden utfördes med hjälp av modellfri Isothermal Arrhenius enligt metod E från ASTM E 2070-23 [4] (figur 3). Analysen gav ett diagram över Log(tid-till-händelse) mot inversen av temperaturen med en linjär anpassningskurva.
För bestämning av kinetiska parametrar härleddes aktiveringsenergin och den pre-exponentiella faktorn från lutningen och interceptet för den linjära anpassningen. Beräkningen av den pre-exponentiella faktorn förutsätter en reaktion av första ordningen och att händelsen inträffar vid en omvandling på 5%. De kinetiska parametrarna bestämdes med hjälp av programvaran Kinetics Neo för OIT (Oxidation Induction Time).
Kinetiska parametrar (tabell 2) bestämdes med hjälp av programvaran Kinetics Neo för Oxidation Induction Time (OIT).
Tabell 2: Kinetiska parametrar
| Log (pre-exponentiell faktor) | 13.3 Log (1/s) |
|---|---|
| Ea (aktiveringsenergi) | 165 kJ/mol |
| Bestämningskoefficient (R²) | 0.9999 |
Tillämpningen av dessa kinetiska resultat gör det lättare att förutsäga livslängden för en vätskefas vid olika temperaturer.
Denna förutsägelse baseras på extrapolering av Arrheniusdiagrammet (figur 3), där den raka linjen förlängs till lägre temperaturer, vilket motsvarar en ökning av 1/T-värdet.
Simulering Förutsägelse av den isotermiska livslängden
I figur 4 visas resultaten av Arrhenius-kurvan. Kurvan är ett extrapolerat diagram för olika isotermiska temperaturer för prover av svarta HDPE-rör. Mätningarna utfördes vid temperaturer över polymerens Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur. Följaktligen beräknades förutsägelsen för smälta polymerer. En extrapolering av Arrhenius-kurvan till lägre temperaturer kan dock underlätta en jämförelse av polymerens beteende, baserat på uppskattningen av den termiska stabiliteten, när samma stabilisatorsystem används [5].
Slutsats
OIT-testet är en snabb och effektiv metod för att karakterisera polymerers oxidativa stabilitet och jämföra deras termo-oxidativa prestanda. En omfattande kinetisk analys uppnås genom kombinationen av NETZSCH DSC-mätningar med NETZSCH Kinetics Neo programvara för bestämning av kinetiska parametrar med hjälp av den isotermiska Arrhenius.
Dessutom kan en jämförelse av Arrheniusdiagrammen för olika polymerer som innehåller samma stabilisator underlätta bestämningen av den polymer som uppvisar hög stabilitet under samma förhållanden.