적점 및 연화점 측정은 연고, 합성 및 천연 수지, 식용 지방, 그리스, 왁스, 지방 중합체, 역청, 타르 등을 열적으로 특성화할 수 있는 몇 가지 분석법 중 하나입니다. 적점 및 연화점 분석은 주로 품질 관리 공정 중에 수행됩니다. 이는 또한 다양한 재료의 동작 온도 및 공정 파라미터를 측정하는 연구 및 개발 단계에서도 유용할 수 있습니다.
이 페이지에서는 적점 및 연화점 기법에 대한 필수 지식을 얻을 수 있습니다. 또한 일상 작업을 위한 실용적인 Tips & Hints를 제공합니다.
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합성물 및 천연물은 온도가 높아지면서 점진적으로 부드러워지고 상대적으로 큰 온도 간격에서 용융됩니다. 일반적으로 적점 테스트는 지방, 그리스, 왁스 및 오일과 같은 물질을 열적으로 특성화하는 데 사용 가능한 몇 가지 간단한 분석법 중 하나입니다.
적점 정의: 적점(DP)은 재료의 특성입니다. 샘플은 고체에서 액체 상태로 변할 때까지 가열됩니다. 적점이란 가열로의 제어된 테스트 조건 하에서 지정된 오리피스가 있는 표준화된 컵으로부터 용융된 물질 침전물이 처음으로 점적되는 온도를 말합니다.
적점은 액화된 액적(drop)이 컵을 빠져 나가면서 중력에 의해 가속됨에 따라 갑작스럽게 발생하는 이벤트입니다.
그림: 가열로에 샘플이 담긴 2.8 mm 오리피스가 있는 적점 컵
합성물 및 천연물은 온도가 높아지면서 점진적으로 부드러워지고 상대적으로 큰 온도 간격에서 용융됩니다. 일반적으로 연화점 테스트는 수지, 송진, 역청, 아스팔트, 피치 및 타르와 같은 물질을 열적으로 특성화하는 데 사용 가능한 몇 가지 간단한 분석법 중 하나입니다.
연화점 정의: 연화점(SP)은 재료의 특성입니다. 샘플은 고체에서 액체 상태로 변할 때까지 가열됩니다. 연화점은 정의된 테스트 조건에서 물질이 일정 거리를 흘러내릴 때의 온도입니다. 연화점 테스트에는 바닥에 6.35 mm 오리피스가 있는 전용 샘플 컵이 필요한데, 이는 적점 컵의 오리피스보다 더 넓은 것입니다. 가열 시 컵에서 연화된 샘플을 강제로 낙하시키기 위해, 스테인리스 스틸로 만들어진 표준화된 치수의 볼(ball)로 샘플 무게를 측정할 수 있습니다. 샘플이 연화되어 컵 오리피스에서 19 mm 거리에 도달할 만큼 충분히 아래로 늘어나면 이때의 가열로 온도가 샘플의 연화점 온도로 기록됩니다.
그림: 가열로에 샘플이 담긴 6.35 mm 오리피스가 있는 연화점 컵. 샘플은 표준화된 볼로 칭량합니다.
다양한 산업 부문에서 중요한 원료인 일부 합성물 및 천연물은 정의된 융점을 나타내지 않으므로 다른 분석법을 사용하여 측정해야 합니다. 여기에는 연고, 합성 및 천연 수지, 식용 지방, 그리스, 왁스, 지방산 에스테르, 폴리머, 아스팔트 및 타르가 포함됩니다. 이런 재료들은 온도가 높아지면서 점진적으로 부드러워지고 상대적으로 큰 온도 간격에서 용융됩니다. 일반적으로, 적점 또는 연화점 테스트는 이런 재료들을 열적으로 특성화하는 데 사용 가능한 몇 가지 간단한 분석법 중 하나입니다.
적점 및 연화점은 주로 품질 관리에 사용되지만 다양한 재료의 사용 온도 및 공정 파라미터를 측정하기 위한 연구 개발에도 유용할 수 있습니다.
일반적으로 적점 또는 연화점은 샘플을 가열하여 측정합니다. 분석하는 동안 온도 프로그램을 제어하기 위해 가열로가 사용됩니다. 온도 제어 및 온도 기록은 디지털 백금 온도 센서로 보증됩니다. 메틀러 토레도의 적점 기기에서는 화이트 밸런스 조정된 LED 조명이 가열로 내부의 컵과 홀더로 구성된 테스트 어셈블리를 비춥니다. 샘플 거동은 비디오 카메라로 기록됩니다.
오른쪽 그래프에 연화점의 중복 측정 길이 다이어그램이 표시되어 있습니다. 경사(유속 표시)가 가파를수록 점도는 낮아집니다.
자동 적점 측정에서 전체 적점 테스트는 비디오 녹화되며, 샘플 컵을 빠져 나오는 첫 번째 액적이 컵 오리피스 아래에 있는 가상의 백색 사각형을 통과할 때 자동으로 감지하기 위해 이미지 분석이 사용됩니다. 이를 감지하는 동안, 가열로 온도가 0.1°C의 분해능으로 측정 및 기록됩니다.
자동 연화점 측정에서, 연화된 샘플의 선단에 비디오의 단계 선이 표시됩니다. 단계 선을 통과하면 컵 오리피스 아래 19 mm 위치에 가상의 선이 나타납니다. 해당 가열로 온도가 0.1°C의 분해능으로 측정 및 기록됩니다. 또한 메틀러 토레도의 자동 적점 장치는 샘플의 유변학적 거동을 나타내는 독창적인 길이 다이어그램도 생성합니다.
이 비디오를 시청하고 자동 적점 기기의 이점에 대해 자세히 알아보십시오.
수동 분석법은 항온 액체 수조와 수은 온도계를 사용합니다. 시험 물질의 적점 온도에 따라 액체 수조에 다른 액체를 사용해야 합니다. 수동 분석법은 적점 공정을 육안으로 검사해야 하며, 이는 작업자가 상당히 긴 시간 동안 주의를 기울이면서 테스트 공정을 지속적으로 모니터링해야 하는 지루한 작업입니다. 적점은 액화된 액체(drop)가 저절로 컵을 빠져 나가면서 중력에 의해 가속됨에 따라 갑작스럽게 발생하는 이벤트입니다. 이런 상황이 발생하면 작업자는 신속하게 온도를 기록해야 합니다. 또한 수은 온도계를 사용하여 온도를 모니터링합니다.
요약하면, 수동 적점 테스트는 시간이 많이 걸리고, 위험하며, 작업자에 따른 영향을 많이 받는 오류가 발생하기 쉬운 공정입니다.
사람에 의한 관찰이 적점 이벤트를 자동으로 기록하고 평가하는 장치로 대체되면 결과의 품질이 일반적으로 크게 향상되는데, 이는 평가 중에 작업자 편향이 없기 때문입니다.
| 수동 설정 | 디지털 설정 | |
| 샘플 홀더 | 컵 | 컵 |
| 온도 조절 | 순환식 액체 수조 | 금속 블록 |
| 온도 범위 | 액체 의존적이거나 물질에 따라 다름 | 넓은 범위 |
| 온도 측정 | 수은 온도계(*) | 디지털 센서(예: Pt100) |
| 감지 | 육안(즉, 사람 눈으로) | 육안 및 자동(투과도, 광도 측정, 비디오/이미지 분석) |
(*) EU 847/2012 - 경고—수은은 많은 규제 기관에서 중추 신경계, 신장 및 간 손상을 유발할 수 있는 위험 물질로 지정되었습니다.
DIN 51801 표준에 설명된 식용유 및 지방의 적점 측정을 위한 수동 분석법은 Ubbelohde 분석법입니다. 1/10도 분해능의 전용 온도계를 컵 안의 샘플과 직접 접촉하도록 담급니다. 장비가 테스트 튜브에 배치되고 수조에서 가열을 수행합니다. 적점 온도는 이벤트가 육안으로 감지되는 즉시 기록되어야 합니다. 이 테스트의 결과는 작업자의 경험에 크게 좌우됩니다.
다음 표는 DIN 표준에 명시된 최대 반복성 및 재현성 범위를 보여줍니다. 이러한 높은 테스트 오류는 작업자 편향에는 대응하지만 결과의 신뢰성이 의심스럽고 실제로 비교하기에는 적합하지 않게 만듭니다.
| 적점[°C] | 반복성 변동 범위(관찰자 한 명, 장치 한 대)[°C] | 비교성 변동 범위(여러 관찰자, 여러 장치)[°C] |
| 80-100 | ±2 | ±5 |
| 100-150 | ±4 | ±7 |
| 150-200 | ±6 | ±12 |
| >200 | ±8 | ±16 |
DIN 표준에는 AOCS, ASTM 및 기타 적점 분석법에서 사용되는 것과는 치수가 다른 샘플 컵이 필요합니다. 자동 메틀러 토레도 기기에서 수행된 두 컵의 비교 적점 테스트는 얻은 결과에 큰 차이가 없는 것으로 나타났습니다.
결론적으로, 결과 품질 및 비교성과 관련하여 식용유 및 지방의 자동 적점 테스트는 수동 Ubbelohde 분석법의 완벽한 대안입니다.
왁스의 적점 테스트를 위한 수동 분석법은 ASTM D127 표준에 설명되어 있습니다. 장비로는 냉수조 1개, 1/10도 분해능의 ASTM 온도계 2개 그리고 테스트 튜브 2개가 필요합니다. 수조는 16°C로 유지되어야 합니다. 두 ASTM 온도계 모두 16°C로 냉각되어야 합니다. 사전 냉각된 ASTM 온도계를 용융된 샘플에 담급니다. 샘플이 부착된 두 온도계는 같은 온도에서 수조에 담근 테스트 튜브 안에 배치되기 전에 수조에서 16°C로 5분 동안 냉각됩니다. 그런 다음 이중 가열 램프 절차가 적용됩니다. 먼저 온도를 분당 2°C씩 38°C까지 올린 다음 용융 물질의 첫 번째 액적(drop)이 온도계를 벗어날 때까지 분당 1°C씩 올립니다. 이 지점에서 온도가 기록됩니다.
육안 이벤트 감지에서 충분한 결과 반복성을 얻으려면 자동 분석법에 비해 숙련된 작업자가 필요합니다. 작업자 편향으로 인해 결과 변동이 더 커지게 됩니다. 비교적 지루한 샘플 준비 및 이중 가열 램프 절차 외에도, 필요한 ASTM 온도계는 독성 수은을 함유합니다. 이러한 장치의 사용은 논란의 여지가 있으며 향후에는 실험실이 다른 대안을 모색할 것입니다.
자동 분석법은 명확한 이점을 제공하며 왁스의 수동 적점 테스트에 대한 실행 가능한 대안으로 고려될 수 있습니다.
역청에서부터 그리스, 왁스 및 수지에 이르기까지 다양한 샘플에 걸쳐 사용되는 연화점 측정을 위한 두 가지 표준 분석법은 Ring-and-Ball(ASTM D36)과 메틀러 토레도의 Cup-and-Ball(ASTM D3461) 분석법입니다.
역사적으로, Ring-and-Ball(환구식) 설정이 먼저였습니다. 여기에는 항온 액체 수조, 수은 온도계 및 거리 측정기의 사용이 수반됩니다. 지정된 샘플 홀더는 링 형태이며 이 분석법의 이름이 되었습니다.
Ring-and-Ball(환구식) 분석법은 설정은 간단하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 시험 물질의 연화점 온도에 따라 액체 수조에 다른 액체를 사용해야 합니다. 조사중인 물질이 액체와 직접 접촉하므로 테스트 표본과 매체 사이에 반응성이 없어야 합니다. 또한 액체가 실험 온도 범위 전체에 걸쳐 균일한 점도를 보이는 것도 중요합니다. 일단 볼이 링을 통과해 흐르면 장비를 식히고 깨끗이 청소해야 합니다. 이는 환구식 분석법에 많은 시간과 용제가 소모되게 만듭니다. 몇 번의 실험 후에 많은 양의 액체를 새로운 액체로 교체해야 합니다.
연화점 측정을 위한 메틀러 토레도의 적점 시스템은 Cup-and-Ball 분석법에 따라 작동합니다. 이 설정은 여러 면에서 다릅니다. 금속 블록 가열 원리에 의해 온도 제어가 보장되며 Cup-and-Ball 온도는 디지털 온도계를 통해 기록됩니다. 샘플을 컵에 넣으면 컵의 구멍을 통해 아래로 자유롭게 흐를 수 있습니다. Ring-and-Ball 설정과 마찬가지로 볼은 샘플의 흐름을 촉진하기도 하지만 여기서는 컵의 직경이 작기 때문에 막히게 되므로 샘플과 함께 흘러 내리지 않습니다. 분석은 실험 후에 폐기되는 유리 용기에서 이루어 지므로 가열로의 오염을 방지할 수 있습니다.
자주 제기되는 질문은 두 기법이 동일한 결과를 제공하는지 여부입니다. ASTM 분석법은 Ring-and-Ball 분석법의 결과를 재현하도록 설계되었다는 것을 분명히 명시합니다. 이는 ASTM Interlaboratory가 수행한 연구에서 입증되었습니다. 7개의 수지 물질(6배 측정)에 대한 11개의 서로 다른 실험실 결과의 예가 아래에 자세히 설명되어 있습니다.
접착성 수지 | 잉크 수지 |
껌 로진(E915) | 페놀 로진 |
글리세롤 에스테르(E445) | 폴리올 말레익 로진 에스테르 A |
펜타 로진 에스테르 | 폴리올 말레익 로진 에스테르 B |
폴리테르펜 수지 |
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글리세롤 에스테르를 대표적인 예로 들면, 아래 그림에서 Ring-and-Ball과 Cup-and-Ball의 연화점이 얼마나 유사한지 보여줄 수 있습니다. Cup-and-Ball 표준 편차는 모두 해당 Ring-and-Ball보다 작은데, 이는 더 나은 정밀도를 나타내므로 Cup-and-Ball 분석법의 보다 나은 반복성과 재현성을 나타냅니다. 이는 다른 물질의 경우에도 마찬가지입니다. |
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다음 그림은 Ring-and-Ball과 Cup-and-Ball의 두 가지 분석법 간에 밀접한 상관 관계가 있으며 결과가 동등한 것으로 간주될 수 있다는 것을 보여줍니다. |
메틀러 토레도 적점 기기는 적점 및 연화점 측정에 대한 다음 표준들을 완벽히 준수합니다.
샘플 | 표준 | 작동 모드 |
아스팔트 및 피치 | ASTM D3461 | SP |
아스팔트 및 피치 | ASTM D3104 | SP |
윤활 그리스 | IP 396 | DP |
왁스 및 폴리올레핀 | ASTM D3954 | DP |
수지 | ASTM D6090 | SP |
페인트 및 바니시 | ISO 4625-2 | SP |
바인딩 및 함침 물질 | DIN EN 51920 | SP |
식용 지방 및 오일 | AOCS Cc 18-80 | DP |
바셀린, 파라핀, 왁스 | Ph. Eur. 2.2.17 | DP |
SP – 연화점, DP – 적점
국제 표준 ASTM D3104, ASTM D3461, ASTM D3954, ASTM D6090 및 AOCS Cc 18-80은 특히 메틀러 토레도 적점 기기의 자동 적점 및 연화점 측정을 기반으로 합니다.
수동 분석법을 포함하는 적점 및 연화점의 국제 규정 및 표준에 대한 개요를 보려면 www.mt.com/MPDP-norms를 방문하십시오.
ASTM D3104 및 D3461 표준은 메틀러 토레도 또는 메틀러 토레도의 Cup-and-Ball 연화점이라고 합니다. 이들은 메틀러 토레도 적점 기기를 활용한 자동 연화점 감지 원리를 기반으로 합니다. D3104 표준에서는 컵에 있는 샘플의 추가 칭량이 필요하지 않은 반면 D3461 표준에서는 컵으로부터의 샘플 흐름을 강화하기 위해 지정된 치수의 리드 볼이 필요합니다. 두 경우 모두, 테스트는 가열로에서 수행되며 연화점 온도가 자동으로 감지되고 기록됩니다. ASTM D36 또는 ISO EN 1427 분석법은 Ring-and-Ball(환구식) 분석법에 따라 연화점 테스트를 지정합니다. 메틀러 토레도의 표준과 달리 액체-매체 수조 가열을 포함하는 다른 테스트 설정이 사용됩니다. ASTM D566 또는 ISO EN 2176은 액체 매체 수조 또는 알루미늄 가열로 블록 가열을 사용하는 윤활 그리스 적점 테스트의 기초입니다. 두 경우 모두 정확히 지정된 절차에 따라 적점 컵에서 샘플을 준비해야 합니다. 두 표준 모두에서 적점 이벤트는 수동으로 감지됩니다. IP 396 표준은 샘플 준비와 관련하여 이러한 표준을 준수하지만 이중 가열 램프 절차 (다이어그램 참조) 및 자동 적점 이벤트 감지를 기반으로 합니다.
메틀러 토레도 적점 기기는 IP 396 표준의 요구사항에 정확히 따라 윤활 그리스의 완전한 자동 적점 감지를 가능하게 합니다. 모든 표준에서 반복성 및 재현성에 대한 엄격한 제한이 제공되며, 이는 결과 품질을 평가하기 위한 지침으로 사용됩니다. 역청/피치/아스팔트 표준에서는 이러한 사양이 엄격한 반면 윤활 그리스 표준에서는 해당 값이 비교적 높습니다. 이는 특히 200°C 이상의 온도를 적용해야 하는 경우, 가열 절차 동안에 그리스의 샘플 무결성이 파괴된다는 사실 때문입니다.
IP 396 업무 프로세스 요구사항
메틀러 토레도 기기를 기반으로 한 ASTM D6090은 수지의 자동 연화점 측정에 대한 요구사항을 지정합니다. 테스트 절차 및 감지 원리는 이전의 ASTM D3461 표준에 설명된 것과 거의 동일합니다. 한 가지 중요한 차이점은 리드 볼 대신 스틸 볼을 사용하여 컵 안의 샘플을 칭량한다는 것입니다. ASTM D6493은 ASTM D36 표준과 거의 동일한 Ring-and-Ball 방법에 따라 수지의 연화점 테스트를 지정합니다. AOCS Cc 18-80 표준은 메틀러 토레도의 적점 기기를 사용하여 식용 지방 및 오일의 자동 적점 감지를 지정합니다. 또한 이 표준은 적점이 주변 온도보다 낮은 샘플의 테스트를 다룹니다. ASTM D3954 표준은 메틀러 토레도 적점 기기에도 지정되어 있으며 이는 파라핀, 미정질 폴리에틸렌 및 천연 왁스를 포함한 왁스의 자동 적점 테스트에 사용됩니다. 유럽 약전 2.2.17 B 표준은 이와 유사하지만 반복성 사양이 더 엄격합니다. 마지막으로, ASTM D127은 왁스의 적점 테스트를 위한 수동 절차를 설명합니다.
식용 오일, 지방 및 유기 용매는 저온에서 고체화(경화)되고 측정될 수 있습니다. 때로는 적점을 측정하기 전에 물질을 충분한 시간 동안 냉각 또는 냉동해야 할 수 있습니다. 메틀러 토레도 적점 측정기 Excellence Dropping Point System DP90은 -20°C의 저온까지 적점 측정을 수행합니다. 필요한 온도가 될 때까지 별도의 DP90 측정 셀, 가열로 및 광학 감지 시스템을 냉장고 또는 냉동고에 두십시오.
주변 온도 아래에서 적점을 측정하기 위해서는 다음 업무 프로세스가 권장됩니다. "냉각 장치"(CD)는 냉동고 또는 냉장고를 의미한다는 점에 유의하십시오.
이 융점 및 적점 가이드는 자동 융점 및 적점 분석의 측정 원리를 설명하고 보다 나은 측정 및 성능 검증을 위한 Tips & Hints를 제공합니다.
적절한 샘플 준비와 함께 기기의 설정은 적점 및 연화점을 정확하게 측정하는 데 필수적입니다. 고르지 않거나 너무 빠른 샘플의 열 증가로 인한 부정확성을 방지하려면 시작 온도, 종료 정지 온도 및 가열 램프 속도를 올바르게 선택해야 합니다.
적점 및 연화점 측정은 예상되는 적점 또는 연화점에 가까운 사전 정의된 온도에서 시작됩니다.
가열 스탠드가 시작 온도까지 빠르게 예열됩니다. 시작 온도에서 샘플이 가열로에 들어가고 온도가 정의된 가열 램프 속도로 상승하기 시작합니다.
시작 온도 계산에 사용하는 일반적인 공식은 다음과 같습니다. 시작 온도 = 예상 DP – (3분 * 가열 속도)
가열 램프 속도는 가열 램프의 시작 온도와 정지 온도 사이의 고정된 온도 상승 비율입니다.
일반적인 가열 속도(규정에 명시된 대로): 2°C/min
측정 시 도달하는 최대 온도입니다.
정지 온도 계산에 사용하는 일반적인 공식:
정지 온도 = 예상 DP + (3분 * 가열 속도)
또는 "이벤트 발생 시 정지" 조건 활성화. 이 방식에서는, 적점이 감지되자 마자 측정이 자동으로 자체 종료됩니다.
장치를 작동하기 전에 측정 정확도를 검증하는 것이 좋습니다. 온도 정확도를 확인하기 위해, 기기는 인증된 온도 값을 가진 표준 물질을 사용하여 교정(Calibration)됩니다. 따라서 허용 오차를 포함한 공칭 값을 실제 측정 값과 비교할 수 있습니다. 비교 기준은 해당 인증서에 자세히 나와있는 교정(Calibration) 물질의 열역학적 융점입니다. 열역학적 융점은 가열로 온도가 아닌 실제 샘플의 물리적으로 정확한 융점 온도이며 실험 설정과는 무관합니다. 표준 물질의 적점은 측정된 온도가 실제로는 샘플 온도가 아니라 가열로 온도이기 때문에 열역학적 융점과 동일하지 않습니다. 따라서, 메틀러 토레도 적점 기기에서 각 표준 물질에 대해 저장되어 있는 보정 값을 사용하여 가열로 온도 값을 조정해야 합니다.
벤조페논, 바닐린, 벤조산 및 질산 칼륨과 같은 메틀러 토레도의 표준 물질은 광범위한 온도에서 메틀러 토레도 DP70 및 DP90 가열로의 온도 교정(Calibration)에 사용할 수 있는 인증된 온도 값을 제공합니다. 카페인과 사카린은 제대로 점적되지 않으므로 사용할 수 없습니다.
교정(Calibration)에 실패하는 경우, 즉 측정된 온도값이 각 표준 물질의 인증된 공칭값 범위에 들어가지 않으면 기기를 조정해야 합니다.
측정 정확도를 보장하려면, 예를 들어 한 달에 한 번 정기적으로 가열로를 인증된 표준 물질로 교정(Calibration)하는 것이 좋습니다.
