W środowisku, w którym występuje tlen materiały polimerowe ulegają reakcjom utleniania co prowadzi do ich degradacji i utraty pewnych właściwości. Z tego powodu do polimerów stosowanych jako materiały przemysłowe, do komponentów elektrycznych i elektronicznych oraz części samochodowych dodaje się różne przeciwutleniacze, aby zapobiec degradacji spowodowanej utlenianiem.
Pomiar czasu indukcji utleniania (OIT) metodą DSC pozwala ocenić stabilność oksydacyjną materiałów polimerowych, w tym wpływ przeciwutleniaczy. Technika ta jest szeroko stosowana, ponieważ została przyjęta w normach testowych, takich jak ISO, ASTM i JIS. W metodzie pomiaru czasu indukcji utleniania próbka jest podgrzewana do ustalonej temperatury i utrzymywana izotermicznie w atmosferze azotu. Atmosfera pomiaru jest przełączana z azotu na tlen, a następnie mierzony jest czas potrzebny do wystąpienia zjawiska egzotermicznego w wyniku reakcji utleniania. Czas ten nazywany jest czasem indukcji utleniania (OIT).
W niniejszym artykule, jako przykład pomiaru czasu indukcji utleniania materiałów polimerowych stosowanych w elementach izolacyjnych, przedstawiono przykłady pomiaru powłok przewodów zgodnie z normami ISO.
Metodyka badań
Próbką jest przewód elektryczny pokryty przezroczystym polichlorkiem winylu (PVC) i żywicą (rys. 1), który w ostatnich latach był stosowany w urządzeniach gospodarstwa domowego, gdzie satysfakcjonujący efekt wizualny jest pożądany.
Pomiar DSC przeprowadzono zgodnie z normą ISO. Zbadano próbkę o masie 10 mg. Umieszczono ją w otwartym aluminiowym naczyniu, a w kolejnych badaniach wykorzystano otwarte miedziane naczynie aby zbadać wpływ miedzi na czas indukcji utleniania. W atmosferze azotu o przepływie 50 mL/min i tlenu 50 mL/min w temperaturach izotermicznych 195, 200 i 205°C.
Rys. 1. Przewód elektryczny pokryty przezroczystym PVC i żywicą.
Wyniki
Przedstawiono wyniki pomiaru czasu indukcji utleniania dla każdej temperatury izotermicznej dla osłony przewodu (rys. 2.). Są to krzywe DSC po zmianie atmosfery pomiarowej z azotu na tlen w temperaturach izotermicznych, a zjawiska egzotermiczne wynikające z reakcji utleniania obserwowane są na wszystkich krzywych DSC. Im wyższa temperatura izotermiczna, tym krótszy czas indukcji utleniania i tym łatwiejsza reakcja utleniania.
Rys. 2. Wyniki pomiarów OIT osłony w temperaturach izotermicznych.
Przedstawiono również wyniki badania wpływu miedzi na czas indukcji utleniania badanego materiału. Dane te porównują wyniki zmierzone w temperaturze 200°C przy użyciu otwartego naczynia miedzianego z wynikami zmierzonymi przy użyciu otwartego naczynia aluminiowego (rys. 3.) i pokazują, że czas indukcji utleniania przy użyciu otwartego naczynia aluminiowego wyniósł 23,7 minuty, a przy użyciu otwartego naczynia miedzianego 13,4 minuty. Jest to efekt katalitycznego działania miedzi na reakcję utleniania materiału, co oznacza, że reakcja utleniania ulega przyspieszeniu, gdy materiał, z którego wykonany jest przewód styka się z miedzią. Z tego powodu przewód elektryczny użyty w tym pomiarze na drucie miedzianym ma naniesioną cienką warstwę cyny, aby zapobiec bezpośredniemu kontaktowi między materiałem osłony a przewodem miedzianym.
Rys. 3. Wyniki pomiarów OIT osłony w otwartym aluminiowym i miedzianym naczyniu w temperaturze 200°C
Dla porównania przedstawiono wyniki pomiarów czasu indukcji utleniania dla trzech rodzajów polietylenu (PE) z różnymi rodzajami dodanych przeciwutleniaczy (rys. 4.). Wyniki pokazują, że czas indukcji utleniania jest różny dla wszystkich próbek, co dowodzi, że stabilność oksydacyjna materiałów różni się w zależności od rodzaju przeciwutleniacza.
Rys. 4. Wyniki pomiarów OIT dla trzech rodzajów PE z różnymi rodzajami przeciwutleniaczy w temperaturze 200°C.
Podsumowanie
Badania metodą DSC wykazały, że czas indukcji utleniania (OIT) maleje wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza większą podatność materiału na utlenianie. Obecność miedzi przyspiesza reakcję oksydacyjną, dlatego stosuje się cynowaną powłokę drutu miedzianego. Dodatkowo wykazano, że rodzaj przeciwutleniacza znacząco wpływa na stabilność oksydacyjną polimeru wydłużając tym samym czas indukcji utleniania.
Metoda pomiaru czasu indukcji utleniania (OIT) mierzona metodą DSC stanowi skuteczne narzędzie do oceny trwałości oksydacyjnej materiałów polimerowych i może być stosowana do doboru odpowiednich przeciwutleniaczy oraz oceny wpływu kontaktu z metalami na stabilność materiałów izolacyjnych.
