소개
예상 측정 시간은 결과의 신뢰성 및 중요성과 함께 거의 모든 분석 질문에서 중요한 역할을 합니다. 분석 방법이 생산 공정과 더 밀접하게 연결될수록 그 중요성은 더욱 커집니다. 신소재 연구 및 개발에서는 특성 분석을 위한 측정 시간이 당연히 예정되어 있지만, 공정 중 분석에서는 제품 특성 및 제품 품질을 검증해야 하는 간격을 결정하는 것은 생산 공장의 역량입니다. 따라서 품질 보증을 위한 분석은 종종 생산 공정 중에 온라인으로 이루어지거나 최소한 무작위 샘플링 제어를 위해 몇 분 이내에 수행될 수 있어야 합니다.
과거에는 측정 프로그램에 따라 30분에서 몇 시간이 걸리는 기존 분석 방식으로는 이러한 영역을 열화상 분석으로 커버하기 어려웠습니다. 측정 시간은 주로 테스트할 재료 및/또는 재료의 특성을 조사해야 하는 온도 범위에 따라 달라집니다. 여기서 결정적인 매개변수는 사용된 가열 및 냉각 속도입니다. 이는 본질적으로 용광로와 분석 기기의 구조적 설계에 따라 달라집니다. 새로 개발된 고속 퍼니스는 바로 이 부분에서 새로운 표준을 제시합니다.
기존 열분석 기기의 가열 및 냉각 속도는 1 K/min ~ 20 K/min, 전위 범위는 0.001 K/min ~ 100 K/min인 반면, 새로운 고속 퍼니스는 최대 1000 K/min의 가열 속도를 지원합니다. 500 K/min의 가열 속도는 이미 실온에서 1000°C까지 측정 시간을 2분 이내로 단축하여 시료 처리량을 엄청나게 증가시킵니다.
개념
새로운 고속 퍼니스는 독립형 계측기가 필요하지 않고, 잘 확립된 400 플랫폼을 다른 퍼니스 유형으로 확장한 것입니다. 이 플랫폼 컨셉은 두 개의 퍼니스용 이중 퍼니스 호이스팅 장치를 측정기에 장착할 수 있게 해줍니다. 따라서 고속 퍼니스는 다른 퍼니스와 결합된 이중 호이스팅 장치에 장착할 수 있습니다. 두 번째 퍼니스 대신 자동 시료 주입기(ASC)를 선택적으로 고속 퍼니스에 사용할 수 있습니다. 모듈식 유연성, 특히 고속 퍼니스와 ASC의 결합 가능성은 시간을 크게 절약하여 시료 처리량 증가로 직결됩니다.
기기 시리즈 STA 449에 사용할 수 있는 퍼니스 유형은 다음과 같습니다F1 및 STA 449 F3 를 사용할 수 있습니다.


설정
그림 2는 고속 퍼니스의 단면을 보여줍니다. 고속로는 측정 헤드, 시료 온도 측정 위치, 가스 흐름, 시료 및 계량 챔버의 분리와 같은 주요 설계 포인트와 관련하여 400 플랫폼의 다른 퍼니스와 다르지 않다는 것을 알 수 있습니다.
또한 고속로에서는 매우 다양한 도가니 유형과 재료를 사용할 수 있습니다. 따라서 서로 다른 용광로 유형으로 얻은 경우에도 테스트 결과의 이상적인 비교 가능성을 보장합니다.
고속로의 실제 가열 요소는 저항 가열 백금 메쉬로 구성됩니다. 보호 튜브는 시료 챔버를 외부와 분리하고 시료 챔버의 배기 및 플러딩을 통해 순수한 시료 대기에서 작업할 수 있도록 합니다.
측정 결과
고속 가열 속도에서의 측정 외에도 다른 열분석 기기를 사용하여 얻은 테스트 결과와 비교 가능성을 보장하기 위해 고속 가열로에서 10 K/min 및 20 K/min의 기존 가열 속도에서의 측정도 수행했습니다.
그림 3의 측정된 시료 온도 대 시간 그래프는 10 K/min에서 500 K/min 범위의 선형 가열 속도를 보여줍니다.
이를 통해 고속 가열로가 빠른 가열 속도에만 국한될 필요는 없으며, 보다 일반적인 응용 분야에서도 완벽하게 처리할 수 있음을 확인할 수 있었습니다.
동일한 테스트 조건에서 가열 속도를 변경하면 가열 속도가 증가함에 따라 결과가 더 높은 온도로 이동합니다. 이는 잘 알려진 상관관계로, 특별히 개발된 NETZSCH Thermokinetics 소프트웨어.


가열 속도의 변화와 측정 데이터에 미치는 영향 사이의 상관관계를 알고 있고 수학적으로 설명할 수 있는 경우, 예를 들어 NETZSCH 연감에 나열된 것처럼 측정 데이터의 알려진 시료 특성에 대한 추적성을 포기하지 않고도 측정을 신속하게 수행할 수 있습니다.
폴리프로필렌(PP)의 열분해를 예로 들어, 가열 속도에 대한 결과의 의존성을 지적합니다.
그림 4는 동일한 조건에서 두 가지 열 중량 측정기(TG 209 F1 및 STA 449 F1 )를 사용하여 폴리프로필렌을 조사했을 때 측정 결과에 큰 차이가 없음을 처음에 보여줍니다.
이는 퍼니스 기하학적 구조와 퍼지 가스의 흐름 조건이 다르기 때문에 주목할 만한 현상입니다.
그림 4는 상대 질량 변화(TGA) 결과 외에도 첫 번째 도함수, 즉 질량 변화율을 점선(DTG)으로 보여줍니다. 질량 손실률이 최대(DTG 곡선의 최소)인 가열 속도 10, 20, 50, 100, 200 및 500 K/min의 온도를 평가할 때 프로필렌 열분해의 가열 속도 의존성을 얻을 수 있습니다. 이는 그림 5에 나와 있습니다.


그림 6에서 볼 수 있듯이 가열 속도를 로그 스케일링하면 직선이 됩니다. 그림 5와 그림 6의 y 방향 오차 막대는 실제 오차를 나타내지 않고 ± 2.5K의 신뢰 구간만 나타냅니다.
탄산칼슘(CaCO3)을 열처리하면 600°C 이상의 온도에서 다음 식에 따라 산화칼슘(CaO)과 이산화탄소(CO2)가 형성되는 분해 반응이 일어납니다:

고체 CaO가 시료 도가니에 남아 있는 동안 CO2와 퍼지 가스 흐름은 모두 배출구를 통해 기기를 빠져나갑니다. 발생하는CO2의 양은 질량 손실로 정량화할 수 있습니다.
그림 7은 PP에 대해 설명한 것과 동일한 측정 조건으로 수행한 테스트 시리즈의 결과를 보여줍니다. 질량 손실 단계는 가열 속도에 의존하지 않으며, 가열 속도가 증가함에 따라 분해 온도(DTG 최소)가 더 높은 온도로 이동합니다.


가열 속도가 10K/min에서 500K/min으로 증가하면 질량 손실률이 5.1%/min에서 128.8%//min으로 증가합니다(그림 8).
이는 가열 속도가 측정 결과에 미치는 영향이 추적 가능한 법칙을 따른다는 것을 보여줍니다.
이 관계는 다양한 가열 속도에서 결정된 측정 결과를 비교하는 데 결정적인 역할을 합니다.
이제 브레이크 패드와 같은 제품의 재료를 작동 조건에서 분석할 수 있습니다. 제동 중에는 마찰을 통해 운동 에너지가 열로 전달됩니다. 따라서 재료는 매우 짧은 시간 내에 매우 높은 온도에 노출될 수 있습니다.
500 K/min의 가열 속도를 통해 이러한 극한의 작동 조건을 분석적으로 재현할 수 있습니다(그림 9).

표 1: 고속 용광로 기술 데이터
기술 데이터 고속로
분위기 | 불활성, 산화 |
샘플 캐리어 | 표준 STA |
최대 가열 속도(선형) | 1000 K/min |
최대 시료 온도 | 1250°C |
요약
새로운 고속 퍼니스는 이미 잘 알려진 400 플랫폼의 확장판으로, 이미 다재다능한 잠재력을 향상시킵니다. 이 중 일부는 고속 퍼니스를 이중 호이스트 장치 또는 자동 시료 주입기(ASC)의 다른 퍼니스와 결합할 수 있는 가능성을 수반합니다. 폴리프로필렌의 열분해를 예로 들어 고속 퍼니스의 측정 결과와 다른 열 중량 측정 기기의 측정 결과의 비교 가능성을 입증했습니다. 이는 최대 500 K/min의 가열 속도에서 측정 정보 내용을 제한 없이 활용하기 위한 중요한 전제 조건입니다.
가열 속도 변화에 대한 측정 결과의 의존성은 가열 속도의 로그 스케일링 하에서 선형 상관 관계를 보여줍니다. 따라서 기존 가열 속도에서의 측정과의 비교도 가능합니다. 질량 손실 단계 자체는 가열 속도의 변화에 의존하지 않습니다.
또한, 이산화탄소의 열분해를 예로 들어보면 가열 속도가 측정 결과에 영향을 미치기는 하지만 매우 추적 가능한 법칙을 따른다는 것이 명확하게 드러납니다.
따라서 빠른 가열 속도를 사용해도 정보 손실이 발생하지 않으며, 각 측정에 몇 분 밖에 걸리지 않기 때문에 시료 처리량과 열분석 기기의 효율성을 크게 높일 수 있는 엄청난 시간적 이득을 얻을 수 있습니다.
또한 브레이크 패드의 열무게 측정은 처리량이 크게 증가했을 뿐만 아니라 극한의 열 조건에 노출되는 물질을 처음으로 작동 조건에서 분석할 수 있었습니다.