Co je bod skápnutí? Co je bod tání?

Stanovení teploty skápnutí a tání je jednou z mála dostupných metod pro tepelnou charakterizaci mastí, syntetických a přírodních pryskyřic, jedlých tuků, tuků, vosků, mastných polymerů, asfaltů, dehtů atd. Analýza bodů skápnutí a tání se provádí především při kontrole kvality. Může být také cenná ve fázích výzkumu a vývoje při určování provozních teplot a procesních parametrů různých materiálů.

Na této stránce získáte základní znalosti o technikách stanovení bodu skápnutí a tání. Dále jsou zde uvedeny praktické tipy a rady pro každodenní práci.

Při automatickém určování bodu skápnutí se celá zkouška zaznamenává na video a analýza obrazu se používá k automatické detekci první kapky, která unikne z kelímku se vzorkem, když projde virtuálním bílým obdélníkem umístěným pod otvorem kelímku. Při detekci se měří a zaznamenává teplota v peci s rozlišením 0,1 °C.

• Videoanalýza obrazu z přístrojů METTLER TOLEDO DP70 a DP90
  
• Vyhodnocovací oblast: obrázek v oblasti vyznačeného obdélníku.
  
• K detekci dojde, když kapka projde obdélníkem.

Při automatickém určování bodu tání je na videu vyznačena přední hrana měkčeného vzorku krokovou čarou. Jakmile krokovací čára projde, objeví se virtuální čára, která se nachází 19 mm pod otvorem pohárku. Příslušná teplota v peci se měří a zaznamenává s rozlišením 0,1 °C. Automatické zařízení Dropping Point od společnosti METTLER TOLEDO rovněž generuje nový délkový diagram, který ukazuje reologické chování vzorku.

• Videoanalýza obrazu ze zařízení METTLER TOLEDO DP70 a DP90
  
• Vyhodnocovací oblast: snímek ve vyznačené obdélníkové oblasti včetně krokovací čáry ve vzdálenosti 19 mm.
  
• K detekci dojde, když kroková čára dosáhne definované vzdálenosti.

Podívejte se na toto video a dozvíte se více o výhodách automatických přístrojů s bodem pádu:

Manuální metodou pro stanovení bodu kapání jedlých olejů a tuků, která je popsána v normě DIN 51801, je Ubbelohdeho metoda. Speciální teploměr s rozlišením jedné desetiny stupně se ponoří přímo do vzorku umístěného v kelímku. Sestava je umístěna ve zkumavce a zahřívání se provádí pomocí vodní lázně. Teplota bodu skápnutí by měla být zaznamenána, jakmile je událost zjištěna vizuálně. Výsledky této zkoušky jsou silně závislé na zkušenostech obsluhy.

Norma DIN vyžaduje vzorkovnici, jejíž rozměry se liší od rozměrů používaných v metodách AOCS, ASTM a dalších metodách pro stanovení bodu pádu. Srovnávací zkoušky bodu pádu s oběma miskami provedené na automatickém přístroji METTLER TOLEDO neodhalily žádný významný rozdíl v získaných výsledcích.

Závěrem lze říci, že pokud jde o kvalitu a srovnatelnost výsledků, je automatická zkouška bodu kapání jedlých olejů a tuků dokonalou alternativou k manuální Ubbelohdeho metodě.

Manuální metoda pro zkoušku bodu kapání vosků je popsána v normě ASTM D127. Pro nastavení je zapotřebí chlazená vodní lázeň, dva teploměry ASTM s rozlišením jedné desetiny stupně a dvě zkumavky. Vodní lázeň by měla být udržována na teplotě 16 °C. Oba teploměry ASTM by měly být zchlazeny na 16 °C. Předchlazené teploměry ASTM se ponoří do roztaveného vzorku. Oba teploměry s přiléhajícím vzorkem se poté ochladí na 5 minut při 16 °C ve vodní lázni a poté se vloží do zkumavek ponořených do vodní lázně o stejné teplotě. Poté se použije postup dvojího nárůstu teploty: nejprve se teplota zvyšuje o 2 °C/min na 38 °C a poté o 1 °C/min, dokud teploměr neopustí první kapka roztavené látky. V tomto okamžiku se zaznamená teplota.

Ve srovnání s automatickou metodou vyžaduje vizuální detekce událostí zkušenou obsluhu, aby bylo dosaženo dostatečné opakovatelnosti výsledků. Odchylky výsledků budou vyšší v důsledku zkreslení obsluhy. Kromě poměrně zdlouhavé přípravy vzorku a postupu dvojího náběhu ohřevu obsahuje požadovaný teploměr ASTM jedovatou rtuť. Používání těchto přístrojů je kontroverzní a v budoucnu budou laboratoře hledat jiné alternativy.

Automatizované metody poskytují jednoznačné výhody a lze je považovat za životaschopnou alternativu k manuální zkoušce bodu skápnutí vosků.

Systémy METTLER TOLEDO pro stanovení bodu tání pracují podle metody "cup-and-ball". Toto nastavení se liší v různých ohledech. Kontrola teploty je zajištěna principem ohřevu kovového bloku a teplota v baňce a kuličce je zaznamenávána digitálním teploměrem. Vzorek je umístěn v kelímku a může volně stékat dolů otvorem v kelímku. Stejně jako v případě sestavy s kroužkem a kuličkou podporuje proudění vzorku také kulička, zde je však blokována menším průměrem kalíšku a neproudí spolu se vzorkem. Analýza probíhá ve skleněné nádobě, která se po experimentu zlikviduje, čímž se zabrání kontaminaci pece.

Často vyvstává otázka, zda obě techniky poskytují stejné výsledky. Metody ASTM výslovně uvádějí, že byly navrženy tak, aby reprodukovaly výsledky metod s kroužkem a kuličkou. To dokazují provedené mezilaboratorní studie ASTM. Níže je uveden příklad výsledků 11 různých laboratoří u 7 pryskyřičných látek (šestinásobné měření):

Mezinárodní normy ASTM D3104, ASTM D3461, ASTM D3954, ASTM D6090 a AOCS Cc 18-80 jsou založeny na automatickém měření bodu skápnutí a bodu tání pomocí přístrojů METTLER TOLEDO.

Přehled mezinárodních norem a standardů pro body skápnutí a tání včetně manuálních metod naleznete na adrese www.mt.com/MPDP-norms.

Normy ASTM D3104 a D3461 se nazývají bod tání podle METTLER TOLEDO nebo METTLER TOLEDO cup-and-ball. Jsou založeny na principu automatické detekce bodu skápnutí pomocí přístrojů METTLER TOLEDO Dropping Point. V normě D3104 se nevyžaduje žádné dodatečné zatížení vzorku v kalíšku, zatímco v normě D3461 je k vynucení toku vzorku z kalíšku zapotřebí olověná kulička stanovených rozměrů. V obou případech se zkouška provádí v peci a teplota bodu tání se zjišťuje a zaznamenává automaticky. Metody ASTM D36 nebo ISO EN 1427 specifikují zkoušku bodu měknutí podle metody kroužku a kuličky. Na rozdíl od norem METTLER TOLEDO se používá jiné zkušební uspořádání včetně ohřevu v lázni s kapalným médiem. Základem pro zkoušení bodu klesání mazacích tuků jsou metody ASTM D566 nebo ISO EN 2176, které používají buď lázeň s kapalným médiem, nebo ohřev bloku hliníkové pece. V obou případech je třeba vzorek připravit v misce pro stanovení bodu skápnutí podle přesně stanoveného postupu. V obou normách se bod skápnutí zjišťuje ručně. Norma IP 396 se drží těchto norem, pokud jde o přípravu vzorku, ale je založena na postupu dvojího náběhu ohřevu (viz schéma) a automatické detekci bodu skápnutí.

Přístroje METTLER TOLEDO pro detekci bodu skápnutí umožňují plně automatizovanou detekci bodu skápnutí mazacího tuku přesně podle požadavků normy IP 396. Ve všech normách jsou uvedeny přísné limity opakovatelnosti a reprodukovatelnosti, které slouží jako vodítko pro posouzení kvality výsledků. V normách pro asfalt/výkop/asfalt jsou tyto specifikace přísné, zatímco v normách pro mazací tuk jsou odpovídající hodnoty poměrně vysoké. To je způsobeno skutečností, že během postupu zahřívání dochází k narušení celistvosti vzorku plastického maziva, zejména pokud je třeba použít teploty vyšší než 200 °C.

Požadavky na pracovní postup IP 396

• T_initial = T_ambient + 10 °C
• 10 °C/min T-ramp na T_start
• T_start = T_{DP expected} - 20 °C, pokud DP <= 220 °C
• T_start = 200 °C, pokud DP > 220 °C
• Žádná čekací doba po T_start
• 1 °C/min T-ramp na DP

Přístroje METTLER TOLEDO založené na normě ASTM D6090 specifikují požadavky na automatické stanovení bodu tání pryskyřic. Zkušební postup a princip detekce je téměř totožný s postupem popsaným v předchozí normě ASTM D3461. Jedním z důležitých rozdílů je, že k vážení vzorku v misce se místo olověné kuličky používá ocelová kulička. Norma ASTM D6493 specifikuje zkoušku bodu tání pryskyřic metodou kroužku a kuličky, která je téměř totožná s normou ASTM D36. Norma AOCS Cc 18-80 specifikuje automatické zjišťování bodu klesání jedlých tuků a olejů pomocí přístroje pro zjišťování bodu klesání od společnosti METTLER TOLEDO. Tato norma se vztahuje také na zkoušení vzorků s bodem skápnutí pod teplotou okolí. Norma ASTM D3954 je rovněž specifikována na přístroji METTLER TOLEDO pro stanovení bodu skápnutí a používá se pro automatické zkoušky bodu kapání vosků včetně parafínu, mikrokrystalického polyethylenu a přírodních vosků. Norma 2.2.17 B Evropského lékopisu je analogická, avšak specifikace opakovatelnosti jsou přísnější. A konečně norma ASTM D127 popisuje manuální postup pro zkoušení bodu kápnutí vosků.

Jedlé oleje, tuky a organická rozpouštědla lze ztuhnout a měřit při nízkých teplotách. Látky je často třeba před měřením bodu kapání dostatečně dlouho chladit nebo zmrazovat. Systém METTLER TOLEDO Excellence Dropping Point DP90 provádí měření bodu kapání až do -20 °C. Umístěte samostatnou měřicí celu DP90, pec a optický detekční systém do chladničky nebo mrazničky, dokud není dosaženo požadované teploty.

Pro měření bodu skápnutí pod teplotu okolí se doporučuje následující pracovní postup. Všimněte si, že "chladicím zařízením" (CD) se rozumí mraznička nebo chladnička.

1. Počáteční instalace: Ujistěte se, že měřicí cela DP90 a CD mají teplotu okolí.
2. Chlazení DP90: Umístěte měřicí buňku DP90 do CD a spusťte chlazení. Chlaďte pokud možno přes noc.
3. Chlazení zkušebního zařízení: Chlaďte všechna zkušební zařízení (vzorkovnice, sběrné sklenice a víčka) a nástroj pro přípravu vzorků (nosič vzorků) alespoň 1 hodinu v CD.
4. Přenesení vzorku: Vložte nádobku na vzorek do nástroje pro přípravu vzorků. Pomalu přeneste kapalinu pipetou do předchlazeného vzorkovnice, dokud není zcela plná.
5. Tuhnutí vzorku: Nechte vzorek ztuhnout nejméně 1 hodinu v CD. Některé vzorky může být nutné chladit déle. CD by se měl otevírat pouze v případě potřeby (např. příprava vzorku, výměna nosiče vzorku). Bylo zjištěno, že pracovní postup nejlépe podporuje CD s horním plněním.
6. Faktor jasu: Snižte jasový faktor v metodě na 30 %, abyste se vyrovnali s případným odrazem od vzorku.
7. Manipulace s nosičem vzorku: Veškerou manipulaci, např. s nosičem vzorku, provádějte uvnitř CD, abyste zabránili rozmrazování a kondenzaci. Doporučujeme používat jednorázové rukavice.

Vedle správné přípravy vzorku je pro přesné stanovení bodu skápnutí a změkčení stejně důležité nastavení přístroje. Správná volba počáteční teploty, koncové teploty a rychlosti náběhu ohřevu je nezbytná, aby se zabránilo nepřesnostem způsobeným nerovnoměrným nebo příliš rychlým nárůstem tepla ve vzorku:

a) Počáteční teplota

Stanovení bodu skápnutí a tání začíná při předem definované teplotě blízké očekávanému bodu skápnutí nebo bodu tání.
Až do počáteční teploty se ohřívací stojan rychle předehřívá. Při počáteční teplotě se vzorky vloží do pece a teplota se začne zvyšovat definovanou rychlostí ohřevu.
Obvyklý vzorec používaný pro výpočet počáteční teploty je následující: Počáteční teplota = očekávaná DP - (3 min * rychlost ohřevu)

b) Rychlost náběhu ohřevu

Rychlost ohřívací rampy je pevně stanovená rychlost nárůstu teploty mezi počáteční a koncovou teplotou pro ohřívací rampu.
Typická rychlost ohřevu (podle norem): 2 °C/min

c) Teplota zastavení

Maximální teplota, které má být při stanovení dosaženo.
Běžný vzorec používaný pro výpočet teploty zastavení:
Teplota zastavení = očekávaná DP + (3 min * rychlost ohřevu)
Nebo aktivujte podmínku "Zastavit při události". Tímto způsobem se měření automaticky samo ukončí, jakmile je detekován bod skápnutí.

Před uvedením jednotky do provozu se doporučuje ověřit její přesnost měření. Za účelem ověření přesnosti měření teploty se přístroj kalibruje pomocí referenčních látek s certifikovanými hodnotami teploty. Jmenovité hodnoty včetně tolerancí tak lze porovnat se skutečně naměřenými hodnotami. Základem pro porovnání je termodynamický bod tání kalibrační látky, který je podrobně uveden v příslušném certifikátu. Termodynamický bod tání je fyzikálně správná teplota bodu tání skutečného vzorku, nikoli teplota pece, a je nezávislý na experimentálním uspořádání. Bod tání referenční látky se nerovná termodynamickému bodu tání, protože naměřená teplota je ve skutečnosti teplota pece, a nikoli teplota vzorku. Proto je třeba hodnotu teploty v peci upravit pomocí korekční hodnoty, která je pro každou referenční látku uložena v přístroji METTLER TOLEDO pro stanovení bodu tání.