How To: Analyze Isothermal Crystallization of LDPE by ASTM 2070
Einführung
Die modellfreie Analyse nach ASTM E2070 ist eine Isokonversionsmethode nur für isotherme Daten. Es sind mindestens zwei Messungen bei unterschiedlichen isothermen Temperaturen erforderlich.
Zur Bestimmung der Aktivierungsenergie werden die Punkte bei der gleichen Umwandlung (0,01, 0,02, ..., 0,99, 1,00) aus den Messungen bei verschiedenen isothermen Temperaturen verwendet. Es werden keine Annahmen über den Reaktionstyp getroffen.
Im folgenden Beispiel sind die Umsetzungsdaten für die isotherme Kristallisation eines Polymers dargestellt, wobei der Kristallisationsprozess umso schneller verläuft, je niedriger die Temperatur ist (103,5°C: orange; 103,0°C: cyan; 102,5°C: rot).
Die Aktivierungsenergie und das Präexponential werden aus der Steigung und dem Schnittpunkt dieser Linien ermittelt.
Vorteil dieser Methode: Jeder Reaktionspunkt wird ausgewertet.
Nachteil dieser Methode:
- nur einstufige Reaktionen, bei komplexen Reaktionen liegen die Punkte nicht auf einer Geraden
- nur für den Satz von mehreren isothermen Messungen.
Methode Quelle: ASTM 2070, Methode A. https://www.astm.org/Standards/E2070.htm
Laden Sie das Beispieldatenprojekt
1. Starten Sie die Software Kinetics Neo.
Klicken Sie auf die blaue Registerkarte "Datei", um das Anwendungsmenü zu öffnen.
2. Öffnen Sie das DSC-Projekt Sample Data.
Klicken Sie im Menü auf der linken Seite auf"Open" und wählen Sie dann"Samples". Das Verzeichnis Kinetics Neo samples wird im Windows Explorer geöffnet. Wählen Sie das Verzeichnis "DSC_LDPE_Crystallization".
3. Öffnen Sie die Kinetics Neo Projektdatei "LDPE_Data.kinx2" . Dieses Projekt enthält isothermische Messungen von Polyethylen niedriger Dichte (LDPE).
4. Passen Sie die Parameter der Datensichtbarkeit an.
Wählen Sie im oberen Hauptmenüband"Zeit" für die X-Achse. Aktivieren Sie in der Eigenschaftsleiste die Sichtbarkeit der Temperaturkurven, indem Sie auf das Kontrollkästchen"Temperatur" klicken.
Hier werden drei isothermische Messungen für die isothermische Kristallisation von LDPE durchgeführt:
- 102.5 °C
- 103.0 °C
- 103.5 °C.
HINWEIS: Wenn Sie mit Ihren eigenen Daten arbeiten und diese Daten nicht bei Zeit=0 beginnen, dann wählen Sie bitte nur den Bereich der isothermen Daten aus, bei dem der linke Rand des ausgewählten Bereichs dem Reaktionsbeginn entspricht.
Analyse der isothermischen Daten nach ASTM E2070
5. Wählen Sie in der linken Baumstruktur Analyse → Modellfrei → ASTM E2070.
Die Analyse zeigt das grafische Protokoll der Zeit bis zur Umwandlung im Vergleich zur inversen Temperatur für die Punkte mit der gleichen Umwandlung aus den verschiedenen Messungen. Die Grafik wird als gerade Linie für jeden Umsatzwert dargestellt.
Bei isothermen chemischen Reaktionen ist die Steigung dieser Linien positiv, da die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur steigt. Bei der isothermen Kristallisation ist die Steigung der Geraden jedoch negativ, da die Kristallisationsrate mit der Temperatur abnimmt.
6.zeigen Sie die Aktivierungsenergie und den vorexponentiellen Faktor an, die gemäß ASTM E2070 berechnet wurden.
Klicken Sie auf die Schaltfläche"Aktivierungsenergie", um das Aktivierungsenergiediagramm anzuzeigen.
Klicken Sie auf die Schaltfläche"Präexponential", um das Präexponentialdiagramm anzuzeigen.
Hier sind beide Werte negativ , da die Kristallisationsrate mit der Temperatur abnimmt.
Halbkristallisationszeit
Für die halbe Kristallisationszeit können Sie denselben Punkt in der linken Baumansicht verwenden, allerdings nur für den Umrechnungswert 0,5, der 50 % der Kristallisation entspricht.
In der linken Baumstruktur wählen Sie Analyse → Modellfrei → ASTM E2070.
Wählen Sie dann in der Eigenschaftsleiste die Option Benutzerdefiniert für Isokonversionslinien und markieren Sie in der Tabelle der Konversionswerte nur einen Wert von 0,5, wie er in der nächsten Abbildung markiert ist:
Die Punkte in dieser Abbildung entsprechen der gemessenen Halbkristallisationszeit bei verschiedenen isothermen Messungen. Die gerade Linie kann für die Vorhersage verwendet werden, wie sie im nächsten Kapitel vorgestellt wird.
Die gleiche Analysemethode kann für die Berechnung der Kristallisationszeit für die anderen Umwandlungswerte verwendet werden, wenn sie in der Tabelle der Isokonversionslinien ausgewählt werden. Diese Tabelle enthält Werte von 0,01 bis 0,99, die den Prozentwerten von 1 % bis 99 % der Umwandlung entsprechen.
Isotherme Lebensdauervorhersage
7. Wählen Sie Vorhersage und legen Sie die Vorhersageparameter fest.
Wählen Sie in der linken Baumstruktur Simulation → Vorhersage → Isotherme Lebenszeit.
Wählen Sie im Bereich Vorhersageeigenschaften das Modell ASTM E2070.
Stellen Sie die Vorhersageparameter ein:
- Minimale Temperatur auf 100 °C
- Maximale Temperatur auf 104 °C
- Temperaturschritt=1min
- Zeit für die Vorhersage ist 100 min.
8. Drücken Sie Berechnen.
Diese Grafik zeigt die Kristallisationszeit für jeden gegebenen Kristallisationsgrad bei verschiedenen Temperaturen. Jede Linie stellt einen ausgewählten Umwandlungsgrad dar. Die obere Linie zeigt z.B. die Zeit für die Kristallisation von 98% bei verschiedenen Temperaturen.
Die Temperaturen sind in der Legende angegeben.
Wir sehen das:
- 98% der Kristallisation bei 100 °C erfolgt nach 9 Minuten
- 98 % der Kristallisation bei 104 °C werden nach 40 Minuten erreicht.
Um die vorhergesagten Zeitwerte zu sehen, verwenden Sie bitte Daten exportieren in der oberen Haupt-Symbolleiste.