管材,型材& Tubing 挤压 | 8分钟读

如何使用动力学建模分析来预测轮廓零件故障

实际项目演示了动力学建模如何帮助估计零件的保质期。
#最佳做法

分享

Facebook分享图标 LinkedIn分享图标 Twitter分享图标 通过电子邮件共享图标 打印图标

2014年底,位于爱尔兰的医疗原始设备制造商Connexicon 医疗类与美国威斯康星州Baraboo的Teel Analytical Laboratories进行了接触,以调查特定型材零件开裂的原因。怀疑裂纹与增塑剂的挥发有关,是随着时间的流逝。

该项目的目标是确认蒸发并确定蒸发发生的速度,以便可以估算产品的保质期。 Teel Analytical Labs最近获得了一个用于热分析的软件程序,该程序使它可以预测其产品中发生的反应或事件的动力学模型。通过差示扫描量热法(DSC)或热重分析(TGA)生成的动力学模型可用于估算时间和温度(可能还有大气)对特定反应或事件的影响。例如,如果在挤出部件中使用化学发泡剂,则动力学模型可以预测在不同温度下完全反应所需的时间。

动力学建模分析的一项更重要的优势是能够预测测试参数以外的时间或温度下的这些反应或事件。这意味着如果测试跨度进行 在几分钟或几小时内,该模型可以估计几天甚至几周内将发生的情况。类似地,如果测试的温度仅跨越几度,则该模型将能够估计更大温度范围的影响。这种预测能力来自至少三点的测试要求。也就是说,需要执行至少三个具有变化参数的不同测试,以获得准确的模型。以化学发泡剂为例,可能的测试轮廓如下所示: 

•测试1:10时将150升至180 C°℃/分钟,等温180℃120分钟。

•测试2:10时,将温度升至150至185 C°C / min。,等温185 C,持续120 min。

•测试3:Ramp150Cto190C @ 10°190℃/分钟,等温190℃120分钟。 

这些测试产生的结果将显示化学发泡剂反应的速率不同,从而使模型能够 被创建。在图1中可以看到不同的反应速率。曲线斜率的变化表示速率的差异。 减肥。由于在这种情况下失重是化学发泡剂反应的指示,因此观察到在190°C的恒温保持会产生最快的反应,随后在185°C的恒温保持,而在180°C的反应最慢。

可以从该数据生成动力学模型,尽管时间和温度限制在最高120分钟和180至190°C,但该模型可以预测更宽的时间范围 温度(见图2)。 

图2是图1中产生的等温数据的动力学模型。请注意,此特定模型的温度范围(第一行)跨度在150℃至250℃之间。左栏中的百分比代表反应完成。重要的是要注意,动力学建模软件认为图1最右边的最小重量损失表示100%反应。这就是软件进行计算的方式。理想情况下,每次分析的体重减轻都是相似的,所以没有’创建动力学模型时,没有任何偏差。

需要注意的是,确定要进行的测试对于创建准确的模型至关重要。解释模型表就像将百分比与温度匹配一样简单。例如,如果您想知道50%的反应在200°C下进行需要多长时间,请找到50%的行和200C的列相交的位置。在这种情况下,它们以4.83分钟的值相交,从而使50%的化学发泡剂在200°C的温度下仅与热发生反应。 

对于化学发泡剂,还必须注意其他因素(例如剪切力)会影响反应速率,这一点在此模型中未予考虑。因此,在回到提出Teel的原始项目要求时,此示例模型的产生和解释类似于预测增塑剂蒸发速率的方式。 

增塑剂蒸发分析
由于Connexicon 医疗类项目中破裂的原因似乎已经确定是由于增塑剂蒸发所致,因此进行了初步测试以确认怀疑  

进行DSC分析 为了提供证据,在两个配置文件上。第一个样本是 一部分按原样进行测试,另一部分则暴露于高温下以促进增塑剂的蒸发。结果提供了增塑剂的证据 确实在蒸发(图3和4)。

收到零件后,发现玻璃化转变中点为101℃,而暴露在高温下的零件 温度在玻璃化转变温度达到122°C时发生了很大的变化。这种变化是支持增塑剂在生产后从产品中蒸发出来并可能导致开裂的理论的证据。

最初的测试是在50、80、110和140 C的温度下对样品进行的。但是,在对数据进行评估之后,可以确定样品的膨胀性更大。 如果降低50和80 C测试并添加170和200 C测试,则可以创建模型。在测试中进行此更改将提高动力学模型的准确性,并防止在50和80°C的测试中产生任何偏差。需要进行此更改的原因是动力学模型如何等效于反应百分比。同样,在减肥的情况下,最小的损失将用作反应的100%。因此,损失越近 在每次进行的测试中都达到真实值时,动力学模型越精确。表1和2显示了两组不同的数据。

在这些实施例中,发现0.0200g的重量损失为100%。但是,在表1所示的结果中,由于在这些温度下分配的时间长,因此在50和80 C下进行的测试未能达到该温度。如果将这些结果用于建立动力学模型,则100%的反应将归因于50°C下0.0050 g的失重。这显然是一个问题,因为经过额外测试后确定为0.0050 g g损失仅为实际反应的25%。表2的结果代表了一组理想的测试,其中所有的减肥结果都是相似的,唯一的区别是温度和反应发生的速度。

理想情况下,一部分生成动力学模型的测试应在与实际情况相当的温度下完成;但由于时间限制,测试温度由50和80 C替换为170和200C。

用于分析材料的每个温度都使用TGA等温保持约4.5天。然后为每个测试计算总重量损失,并使用产生的热分析图来创建增塑剂重量损失的动力学模型。 110℃和200℃的TGA曲线在图1和2中示出。 5和6。

结合由TGA产生的四个曲线,生成了动力学模型,如图7所示。图7中的表表示了通过蒸发损失的增塑剂的动力学模型。左列显示增塑剂的损失百分比,从10%到99.5%,第一行显示目标温度,表的主体以小时为单位填充时间。

因此,如果您想估计30%的蒸发中50%的增塑剂损失所需的时间,我们只需确定50%的行和30 C的色谱柱相交的位置。在这种情况下,时间大约为2815小时或117天左右。请注意,在4 C下,一些百分比为空白。这是由于应用于模型的时间设置所致。在此模型中,最长时间设置为两年。这意味着要使50%的增塑剂在4 C下蒸发,将需要两年以上的时间。该项目完成后,将动力学模型分配给Connexicon 医疗类以获取感兴趣的温度和时间,从而可以更好地了解零件的保质期。

其他运动建模用途
本文介绍了动力学建模软件的许多不同用途之一。 Teel Analytical Laboratories使用该软件的其他项目包括化学发泡剂原反应,复合混合物反应和降解动力学。其他一些常见用途是热固性固化反应,水分或挥发损失动力学,与温度有关的反应以及保质期确定。该软件可用于可在DSC或TGA上测量的任何反应,固化,重量减轻或其他热特性。 

关于作者:Dan P. Clark是该实验室的主管 威斯康星州巴拉布市的Teel Analytical Laboratories是定制轮廓处理器Teel Plastics的子公司。他毕业于威斯康星大学–La Crosse于2007年获得生物化学学位。他在制药,太阳能和替代燃料行业的实验室中积累了丰富的经验,现已在Teel工作了三年。联络电话:(608)355-3080; dan.clark@teel.com; teel.com。 

相关内容