Wat is het druppelpunt? Wat is het verwekingspunt?

De bepaling van het druppel- en verwekingspunt is één van de weinige beschikbare methoden om zalven, synthetische en natuurlijke harsen, eetbare vetten, vetten, wassen, vette polymeren, bitumen, teer, enz. thermisch te karakteriseren. De analyse van druppel- en verwekingspunten wordt voornamelijk uitgevoerd tijdens het kwaliteitscontroleproces. Het kan ook van waarde zijn tijdens de onderzoeks- en ontwikkelingsfasen van het bepalen van de bedrijfstemperaturen en procesparameters van verschillende materialen.

Op deze pagina vindt u essentiële informatie over technieken voor het bepalen van druppel- en verwekingspunten. Bovendien worden er praktische tips en aanwijzingen voor het dagelijkse werk gegeven.

Bij een geautomatiseerde druppelpuntbepaling wordt de hele druppelpunttest op video opgenomen en wordt beeldanalyse gebruikt om automatisch de eerste druppel te detecteren die uit de monsterbeker ontsnapt wanneer deze door een virtuele witte rechthoek onder de opening van de beker gaat. Terwijl dit wordt gedetecteerd, wordt de oventemperatuur gemeten en vastgelegd met een resolutie van 0,1 °C.

• Videobeeldanalyse van de DP70 en DP90 van METTLER TOLEDO
  
• Evaluatiegebied: afgebeeld binnen de gemarkeerde rechthoek
  
• Detectie vindt plaats wanneer een druppel door de rechthoek is gegaan

Bij een geautomatiseerde bepaling van het verwekingspunt wordt de voorrand van het verzachte monster gemarkeerd met een staplijn in de video. Zodra de staplijn gepasseerd is, verschijnt er een virtuele lijn die zich 19 mm onder de cupopening bevindt. De bijbehorende oventemperatuur wordt gemeten en opgenomen met een resolutie van 0,1 °C. Het geautomatiseerde Dropping Point apparaat van METTLER TOLEDO genereert ook een nieuw lengtediagram, dat het reologische gedrag van het monster aangeeft.

• Videobeeldanalyse van de DP70 en DP90 van METTLER TOLEDO
  
• Evaluatiegebied: afgebeeld binnen het gemarkeerde rechthoekige gebied inclusief de staplijn op 19 mm
  
• Detectie vindt plaats wanneer de staplijn een bepaalde afstand bereikt

Bekijk deze video voor meer informatie over de voordelen van geautomatiseerde druppelpuntsystemen:

Een handmatige methode voor de bepaling van het druppelpunt van spijsoliën en -vetten, die wordt beschreven in de DIN 51801 norm, is de Ubbelohde methode. Een speciale thermometer met een resolutie van een tiende van een graad wordt direct ondergedompeld in contact met het monster dat zich in een beker bevindt. De opstelling wordt in een reageerbuis geplaatst en de verwarming wordt uitgevoerd met een waterbad. De druppelpunttemperatuur moet genoteerd worden zodra de gebeurtenis visueel gedetecteerd wordt. De resultaten van deze test zijn sterk afhankelijk van de ervaring van de operator.

De DIN-norm vereist een monsterbeker waarvan de afmetingen verschillen van de beker die gebruikt wordt in de AOCS-, ASTM- en andere druppelpuntmethoden. Vergelijkende druppelpunttesten met beide bekers, uitgevoerd op een automatisch METTLER TOLEDO instrument, lieten geen significant verschil in de verkregen resultaten zien.

Concluderend kan worden gesteld dat de automatische druppelpunttest van eetbare oliën en vetten een perfect alternatief is voor de handmatige Ubbelohde-methode wat betreft de kwaliteit en vergelijkbaarheid van de resultaten.

Een handmatige methode voor de druppelpuntbepaling van wassen wordt beschreven in de ASTM D127-norm. De opstelling vereist een gekoeld waterbad, twee ASTM-thermometers met een resolutie van een tiende van een graad en twee reageerbuizen. Het waterbad moet op 16 °C worden gehouden. Beide ASTM-thermometers moeten tot 16 °C worden gekoeld. De voorgekoelde ASTM-thermometers worden in het gesmolten monster gedompeld. Beide thermometers met het aanhangende monster worden vervolgens 5 minuten bij 16 °C in het waterbad afgekoeld voordat ze in reageerbuizen worden geplaatst die bij dezelfde temperatuur in het waterbad zijn ondergedompeld. Vervolgens wordt een dubbele opwarmprocedure toegepast: eerst wordt de temperatuur met 2 °C/min verhoogd tot 38 °C en vervolgens met 1 °C/min totdat de eerste druppel gesmolten substantie de thermometer verlaat. Op dit punt wordt de temperatuur genoteerd.

Vergeleken met de geautomatiseerde methode vereist de visuele detectie ervaren operators om voldoende herhaalbaarheid van de resultaten te verkrijgen. De variatie in de resultaten is groter door de vooringenomenheid van de operator. Naast de relatief vervelende monstervoorbereiding en de dubbele verhittingsaanloop bevat de vereiste ASTM-thermometer giftig kwik. Het gebruik van dergelijke apparaten is controversieel en in de toekomst zullen laboratoria op zoek gaan naar andere alternatieven.

De geautomatiseerde methoden bieden ondubbelzinnige voordelen en kunnen beschouwd worden als een haalbaar alternatief voor de handmatige druppelpunttest van wassen.

De druppelpuntsystemen van METTLER TOLEDO voor het bepalen van het verwekingspunt werken volgens de beker-en-bal methode. Deze opstelling verschilt in verschillende opzichten. De temperatuurregeling wordt verzekerd door een verwarmingsprincipe met een metalen blok en de temperatuur van de beker-en-bal wordt geregistreerd door een digitale thermometer. Het monster wordt in een beker geplaatst en kan vrij naar beneden stromen door een opening in de beker. Net als bij de ring-en-bal-opstelling bevordert een bal ook de stroming van het monster, maar hier wordt hij geblokkeerd door de kleinere diameter van de beker en stroomt hij niet met het monster mee. De analyse vindt plaats in een glazen container die na het experiment wordt weggegooid, waardoor besmetting van de oven wordt voorkomen.

De vraag die vaak rijst is of de twee technieken dezelfde resultaten opleveren. De ASTM-methoden geven expliciet aan dat ze ontworpen zijn om de resultaten van de ring-en-kogelmethoden te reproduceren. Dit wordt bewezen door interlaboratoriumonderzoeken die ASTM heeft uitgevoerd. Hieronder vindt u een voorbeeld van de resultaten van 11 verschillende laboratoria op 7 harssubstanties (zesvoudige metingen):

De internationale normen ASTM D3104, ASTM D3461, ASTM D3954, ASTM D6090 en AOCS Cc 18-80 zijn specifiek gebaseerd op automatische druppelpunt- en verwekingspuntmetingen met de druppelpuntinstrumenten van METTLER TOLEDO.

Ga voor een overzicht van internationale normen en standaarden voor druppel- en verwekingspunten, inclusief handmatige methoden, naar www.mt.com/MPDP-norms.

De ASTM D3104 en D3461 normen worden verwekingspunt genoemd volgens METTLER TOLEDO of METTLER TOLEDO's beker-en-bal. Ze zijn gebaseerd op het principe van geautomatiseerde verwekingspuntdetectie met de METTLER TOLEDO druppelpuntinstrumenten. Bij de D3104 norm is er geen extra gewicht van het monster in de beker nodig, terwijl bij de D3461 norm een loden kogel met gespecificeerde afmetingen nodig is om de uitstroom van het monster uit de beker af te dwingen. In beide gevallen wordt de test uitgevoerd in een oven en wordt de verwekingstemperatuur automatisch gedetecteerd en geregistreerd. De ASTM D36 of ISO EN 1427 methoden specificeren de verwekingspunttest volgens de ring-en-bal methode. In tegenstelling tot de normen van METTLER TOLEDO wordt er een andere testopstelling gebruikt, inclusief vloeistof-mediumbadverwarming. ASTM D566 of ISO EN 2176 vormen de basis voor het testen van het druppelpunt van smeervet, waarbij een vloeibaar-mediumbad of een aluminium ovenblokverwarming wordt gebruikt. In beide gevallen moet het monster volgens een nauwkeurig gespecificeerde procedure in de druppelpuntbeker worden geprepareerd. In beide normen wordt het druppelpunt handmatig gedetecteerd. De IP 396 norm houdt zich aan deze normen wat betreft monstervoorbereiding, maar is gebaseerd op een dubbele opwarmprocedure (zie diagram) en automatische druppelpuntdetectie.

De druppelpuntinstrumenten van METTLER TOLEDO maken volledig geautomatiseerde druppelpuntdetectie van smeervet mogelijk, precies volgens de vereisten van de IP 396 norm. In alle normen worden strenge limieten voor herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid gegeven, die als richtlijn dienen om de kwaliteit van het resultaat te beoordelen. In de normen voor bitumen/pek/asfalt zijn deze specificaties krap, terwijl de overeenkomstige waarden in de normen voor smeervet relatief hoog zijn. Dit komt doordat de monsterintegriteit van het vet tijdens de verwarmingsprocedure wordt vernietigd, vooral als er temperaturen boven 200 °C moeten worden toegepast.

IP 396 workflowvereisten

• T_initial = T_ambient + 10 °C
• 10 °C/min T-ramp naar T_start
• T_start = T_{DP expected} - 20 °C indien DP <= 220 °C
• T_start = 200 °C indien DP > 220 °C
• Geen wachttijd na T_start
• 1 °C/min T-stijging naar DP

De op METTLER TOLEDO instrumenten gebaseerde ASTM D6090 specificeert de vereisten voor de automatische verwekingspuntbepaling van harsen. De testprocedure en het detectieprincipe zijn vrijwel identiek aan die beschreven in de vorige ASTM D3461 standaard. Een belangrijk verschil is dat een stalen kogel in plaats van een loden kogel wordt gebruikt om het monster in de beker te wegen. ASTM D6493 specificeert de verwekingspunttest van harsen volgens de ring-en-bal methode, die bijna identiek is aan de ASTM D36 standaard. De AOCS Cc 18-80 norm specificeert de automatische druppelpuntdetectie van eetbare vetten en oliën met behulp van een druppelpuntinstrument van METTLER TOLEDO. Deze norm heeft ook betrekking op het testen van monsters met een druppelpunt onder de omgevingstemperatuur. De ASTM D3954 norm is ook gespecificeerd op een METTLER TOLEDO druppelpuntinstrument en wordt gebruikt voor automatische druppelpunttests van wassen waaronder paraffine, microkristallijn polyethyleen en natuurlijke wassen. De Europese Farmacopee 2.2.17 B norm is analoog hieraan, maar de herhaalbaarheidsspecificaties zijn strenger. Tot slot beschrijft ASTM D127 de handmatige procedure voor druppelpunttests van wassen.

Eetbare oliën, vetten en organische oplosmiddelen kunnen bij lage temperaturen gestold en gemeten worden. Stoffen moeten vaak voldoende lang worden afgekoeld of bevroren voordat de druppelpuntmeting wordt uitgevoerd. Het METTLER TOLEDO Excellence druppelpuntsysteem DP90 voert druppelpuntmetingen uit tot -20 °C. Plaats de afzonderlijke DP90 meetcel, de oven en het optische detectiesysteem in een koelkast of vriezer totdat de vereiste temperatuur is bereikt.

De volgende werkwijze wordt aanbevolen voor druppelpuntmetingen onder omgevingstemperatuur. Merk op dat "koelapparaat" (CD) verwijst naar een vriezer of koelkast.

1. Eerste installatie: Zorg ervoor dat de DP90 meetcel en de CD op omgevingstemperatuur zijn.
2. De DP90 koelen: Plaats de DP90-meetcel in de CD en begin met koelen. Koel indien mogelijk 's nachts.
3. De testapparatuur koelen: Koel alle testapparatuur (monsterbekers, opvangglazen en deksels) en het monstervoorbereidingsapparaat (monsterdrager) gedurende minstens 1 uur in de CD.
4. Monsteroverdracht: Plaats de monsterbeker in het monstervoorbereidingsapparaat. Breng de vloeistof langzaam met een pipet over in de voorgekoelde monsterbeker totdat deze helemaal vol is.
5. Stollen van het monster: Laat het monster minstens 1 uur in de CD stollen. Sommige monsters moeten langer gekoeld worden. De CD mag alleen geopend worden als dat nodig is (bijv. monstervoorbereiding, wisselen van monsterdrager). Een CD die van bovenaf geladen wordt, blijkt de workflow het beste te ondersteunen.
6. Helderheidsfactor: Verlaag de helderheidsfactor in de methode tot 30%, om eventuele reflecties van het monster op te vangen.
7. Behandeling van de monsterdrager: Voer alle handelingen, zoals het (de)monteren van de monsterdrager, binnen de CD uit om ontdooien en condensatie te voorkomen. Wij raden aan om wegwerphandschoenen te gebruiken.

Naast de juiste monstervoorbereiding zijn de instellingen op het instrument net zo essentieel voor de exacte bepaling van het druppelpunt en de verweking. Een juiste selectie van de starttemperatuur, de eindstoptemperatuur en de verhittingsaanloopsnelheid zijn nodig om onnauwkeurigheden te voorkomen door een ongelijkmatige of te snelle verhitting van het monster:

a) Starttemperatuur

De bepaling van het druppel- en verwekingspunt begint bij een vooraf gedefinieerde temperatuur dicht bij het verwachte druppel- of verwekingspunt.
Tot de starttemperatuur wordt de verwarmingsstand snel voorverwarmd. Bij de starttemperatuur worden de monsters in de oven gebracht en begint de temperatuur te stijgen met de gedefinieerde verhittingsaanloopsnelheid.
De formule die vaak gebruikt wordt om de starttemperatuur te berekenen is: Starttemperatuur = verwachte DP - (3 min * verwarmingssnelheid)

b) Verwarmingsaanloopsnelheid

De verwarmingsaanloopsnelheid is de vaste snelheid van temperatuurstijging tussen de start- en stoptemperatuur voor de verwarmingsaanloop.
Typische verwarmingssnelheid (zoals aangegeven door de normen): 2 °C/min

c) Stoptemperatuur

De maximumtemperatuur die tijdens de bepaling bereikt moet worden.
De gebruikelijke formule om de stoptemperatuur te berekenen:
Stoptemperatuur = verwachte DP + (3 min * verwarmingssnelheid)
Of activeer de voorwaarde "Stop bij gebeurtenis". Op deze manier wordt de meting automatisch gestopt zodra het druppelpunt wordt gedetecteerd.

Voordat het apparaat in gebruik wordt genomen, wordt aanbevolen om de meetnauwkeurigheid te controleren. Om de temperatuurnauwkeurigheid te controleren, wordt het instrument gekalibreerd met behulp van referentiestoffen met gecertificeerde temperatuurwaarden. Zo kunnen de nominale waarden inclusief toleranties vergeleken worden met de werkelijk gemeten waarden. De basis voor de vergelijking is het thermodynamische smeltpunt van de kalibratiestof dat op het bijbehorende certificaat staat vermeld. Het thermodynamische smeltpunt is de fysisch correcte smeltpunttemperatuur van het werkelijke monster, niet de oventemperatuur, en is onafhankelijk van de experimentele opstelling. Het druppelpunt van een referentiestof is niet gelijk aan het thermodynamische smeltpunt, aangezien de gemeten temperatuur eigenlijk de oventemperatuur is en niet de temperatuur van het monster. Daarom moet de waarde van de oventemperatuur worden aangepast met behulp van een correctiewaarde, die voor elke referentiestof is opgeslagen in het druppelpuntinstrument van METTLER TOLEDO.