Parameter, die typischerweise mittels TGA ermittelt werden, sind:
% Feuchtigkeit
% Flüchtige Bestandteile
% Asche
% Glühverlust (engl. LOI)
Die thermogravimetrische Analyse, auch Thermogravimetrie (TGA) genannt ist eine analytische Methode, die vor über einem Jahrhundert entwickelt wurde und deren wesentliche Grundlagen im Laufe ihrer weiteren Entwicklung unverändert geblieben sind. Die TGA bestimmt den Massenverlust einer Probe in Abhängigkeit von der Zeit, der Temperatur und gegebenenfalls der umgebenden Atmosphäre.
Mit der Weiterentwicklung von Instrumenten und technischen Möglichkeiten hat sich die Präzision der TGA-Messungen erheblich verbessert. Infolgedessen hat sich die TGA im Laufe der Jahre zu einem wichtigen Analyseverfahren entwickelt.
In modernen Anwendungen liefert diese quantitative Messmethode entscheidende Einblicke in die Aushärtungsreaktionen und Zersetzungsprozesse, die bei der Wärmebehandlung von Materialien auftreten. Je nach Apparatur und Vorgehensweise erlaubt die Vielseitigkeit der TGA Untersuchung des Probenverhaltens sowohl unter inerten als auch unter oxidativen Bedingungen. Dadurch kann die TGA temperaturabhängige Werte für ein breites Spektrum physikalischer Phänomene liefern, darunter Phasenübergänge, Adsorption und Desorption sowie chemische Prozesse wie Chemisorption, thermische Zersetzung und Reaktionen wie Oxidation und Reduktion..
Folglich ist die TGA ein wichtiges Verfahren zum Verständnis von Materialeigenschaften und Reaktionen unter verschiedenen thermischen Bedingungen.
Da das Messprinzip der (automatisierten) TGA auf der Änderung der Masse in Abhängigkeit von der Temperatur beruht, sind die wesentlichen Bestandteile eines thermogravimetrischen Analysegeräts unabhängig davon, welches Gerät verwendet wird, immer gleich:
Das Grundprinzip der thermogravimetrischen Analyse besteht darin, zu bestimmen, wie das Gewicht eines Materials sich verändert, wenn es erhitzt, abgekühlt oder bei einer konstanten Temperatur gehalten wird. Das Verhalten der Probe hängt jedoch nicht ausschließlich von dem verwendeten Temperaturprofil ab. Auch die Atmosphäre im Probenraum hat einen entscheidenden Einfluss auf den Mechanismus der Gewichtsveränderung. In einer inerten Umgebung mit Gasen wie Stickstoff oder Argon beispielsweise verlieren die Materialien mit steigender Temperatur an Gewicht. Dies kann durch Verdampfung, Sublimation, Dissoziation, Desorption oder Zersetzung erfolgen.
Der kontinuierliche Gasstrom im Ofenraum verhindert das mögliche Auftreten von Rückreaktionen, die das Ergebnis beeinflussen könnten. Auf diese Weise können Proben auf ihren Feuchtigkeitsgehalt, ihre flüchtigen Bestandteile oder ihre thermische Stabilität untersucht werden. Wird die thermogravimetrische Analyse (TGA) unter oxidativen Bedingungen (Sauerstoffatmosphäre oder Luft) durchgeführt, kommt es im Vergleich zu inerten Bedingungen meist zu einem stärkeren Massenverlust durch Verbrennungs- oder Oxidationsprozesse. Die Zersetzungsmuster des Materials bieten Erkenntnisse über seine oxidative Stabilität, indem die Geschwindigkeit des Massenverlustes während der Reaktion überwacht wird. Darüber hinaus kann der durch oxidative Reaktionen erhaltene Rückstand Rückschlüsse auf die anorganischen Bestandteile der Probe, wie z. B. den Aschegehalt, geben. Insgesamt liefert die TGA unter oxidativen Bedingungen Informationen über die Leistung, Stabilität und Sicherheit von Materialien in oxidativen Umgebungen.
Das Funktionsprinzip der thermogravimetrischen Analyse mit dem ELTRA THERMOSTEP lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Die meisten auf dem Markt erhältlichen thermogravimetrischen Analysegeräte fallen in eine von zwei Kategorien: Mikro- oder Makro-TGAs. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Klassen ist die Größe der Probe, die sie analysieren sollen. Mikro-TGAs, die über eine kleinere Ofenkammer verfügen, sind für die Analyse von Proben im Bereich von Mikrogramm bis zu einigen Milligramm ausgelegt und messen in der Regel nur eine Probe gleichzeitig hinsichtlich der TGA-Parameter. Makro-TGAs, wie das ELTRA THERMOSTEP, sind dagegen für mehrere größere Proben von bis zu mehreren Gramm ausgelegt.
Mit einer großen Ofenkammer können mit der Makro-TGA mehrere Messungen gleichzeitig erfolgen, und größere Probenmengen verringern die Messunsicherheit aufgrund möglicher Inhomogenität der Probe. Aus diesem Grund eignen sich Makro-TGAs eher für industrielle Anwendungen oder wenn die Eigenschaften eines Materials in der Gesamtmenge von Interesse sind, während Mikro-TGAs häufig in der Forschung eingesetzt werden, wenn die untersuchten Materialien nur in kleinen Mengen verfügbar sind.
Verknüpfte Verfahren (hauptsächlich in Kombination mit MICRO-TGAs): Zur besseren Erkennung und Analyse flüchtiger Stoffe kann die thermogravimetrische Analyse (TGA) mit Gasanalysemethoden wie der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), der Massenspektrometrie (MS) oder der Gaschromatographie (GC) kombiniert werden. Diese Verfahren ermöglichen die Echtzeitanalyse der während des TGA- Prozesses entstehenden Gase.
TGA-FTIR: Identifiziert funktionelle Gruppen in Molekülen der entstandenen Gase und gibt so Aufschluss über die Zusammensetzung der flüchtigen Stoffe.
TGA-MS: Liefert Informationen über das Masse-Ladungs-Verhältnis und hilft bei der Identifizierung der molekularen Zusammensetzung der entstandenen Gase.
TGA-GC: Trennt die entstehenden Gase und ermöglicht eine detaillierte Analyse der Zusammensetzung.
Das Thermogramm ist eine grafische Darstellung der erhaltenen TGA-Messdaten, die die Beziehung zwischen der Massenänderung einer Probe und der Temperatur oder Zeit unter definierten Bedingungen darstellt. Thermogramme sind für jede Verbindung einzigartig. Sie bieten genaue Einblicke in das thermische Verhalten von Materialien und ermöglichen die Überwachung von Zersetzung, Oxidation, Dehydrierung oder anderen masseverändernden Reaktionen während der thermischen Belastung.
Die Y-Achse (vertikale Achse) im Diagramm stellt das Probengewicht dar, das entweder als Prozentsatz der ursprünglichen Masse der Probe oder als absolute Masse in Gramm/Milligramm angezeigt werden kann. Mit fortschreitender Analysezeit wird die Veränderung des Probengewichts durch die thermische Behandlung entlang dieser Achse dargestellt. Da das Messprinzip der thermogravimetrischen Analyse auf der Gewichtsänderung in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit beruht, stellt die X-Achse (horizontale Achse) entweder die Temperatur oder die Zeit dar.
Das Thermogramm besteht in der Regel aus mehreren aufeinanderfolgenden Abschnitten mit Steigungen und Plateaus, die es ermöglichen, das thermische Verhalten der jeweiligen Materialien zu untersuchen.
Gewichtsverlust (-zunahme) Schritte: Bei der Erwärmung der Probe können mehrere Prozesse ablaufen, wie Dehydratisierung (Wasserverlust), Zersetzung („Zerfall“ des Materials) oder Oxidation (Reaktion mit Sauerstoff). Diese Prozesse führen zu einer Abnahme der Masse der Probe, die sich als Stufen oder Steigungen im Thermogramm darstellen. Es ist zu beachten, dass in bestimmten Fällen, insbesondere bei metallischen Verbindungen, Oxidation zu einer höheren Oxidationsstufe und zu einer Erhöhung des Probengewichts führt.
Eine inerte Atmosphäre, wie Stickstoff oder Argon, wird häufig verwendet, wenn Oxidation oder Verbrennung der Probe verhindert werden soll. In dieser Umgebung lassen sich die thermischen Zersetzungsprodukte der Probe ohne Einfluss von Reaktionen mit Sauerstoff nachweisen:
Eine oxidative Atmosphäre (Luft oder reiner Sauerstoff) wird verwendet, wenn das Ziel darin besteht, oxidative Abbauprodukte oder Verbrennungsprodukte zu untersuchen.
Es ist zu berücksichtigen, dass die genauen Temperaturen und die beobachteten Phänomene von der jeweiligen zu analysierenden Materialart und von den experimentellen Bedingungen abhängen
Stabile Bereiche: Flache Bereiche oder Plateaus auf dem Thermogramm zeigen Temperaturen an, bei denen die Masse der Probe konstant bleibt, was auf thermische Stabilität innerhalb dieses Temperaturbereichs hindeutet.
Anfangs- und Endtemperaturen: Temperaturen, bei denen ein Schritt des Gewichtsverlusts startet und endet. Sie sind entscheidend für die Bestimmung der thermischen Stabilität und der Zersetzungstemperatur der Probe.
Je nach den technischen Anforderungen gibt es mehrere Möglichkeiten, thermogravimetrische Analysen durchzuführen. Eine Variante besteht darin, jede Probe manuell zu wiegen, sie in den Trockenschrank oder Muffelofen zu geben und dann erneut zu wiegen. Sollen mehrere Parameter bestimmt werden (z. B. Feuchtigkeit und Asche in Mehl), sind mehrere Öfen mit unterschiedlichen Temperaturen (105 °C und 550 °C) sowie zusätzliche Wiegevorgänge erforderlich. Diese Methode ist daher recht zeitaufwändig.
Eine wesentlich bequemere und zeitsparendere Alternative bieten thermogravimetrische Analysatoren wie der TGA THERMOSTEP von ELTRA.
Diese Analysegeräte kombinieren Ofen und Waage und ermöglichen so die automatisierte Messung einer Vielzahl von thermogravimetrischen Parametern. Der Benutzer füllt unterschiedliche Proben in die Keramiktiegel und platziert sie in das Karussell im Inneren des Analysators, wo sie von der internen Waage gewogen und automatisch analysiert werden. Je nach gewähltem Programm werden die Proben getrocknet oder zu Asche reduziert, bis sie das gewünschte konstante Gewicht erreichen. Manuelles Wiegen ist nicht erforderlich. Nach Abschluss der thermogravimetrischen Analyse können die relevanten Daten direkt an ein Laborinformationsmanagementsystem (LIMS) übertragen werden.
Es ist außerdem möglich, mit einem thermogravimetrischen Analysator ein komplexes Analyseprogramm durchzuführen. Ein Beispiel: Kohle wird bei 105 °C getrocknet (Parameter: Feuchtigkeit), danach wird die Probe unter Stickstoffatmosphäre auf 950 °C erhitzt (Parameter: flüchtige Bestandteile); nach Abkühlung auf 750 °C wird sie bei dieser Temperatur unter Sauerstoffatmosphäre verbrannt (Parameter: Asche). Der gesamte Analysezyklus läuft vollautomatisch ab, einschließlich der Dokumentation der Messergebnisse.
Dank ihrer Eigenschaft, Massenänderung eines Materials in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Zeit präzise zu messen, ist die thermogravimetrische Analyse (TGA) in vielen Industriezweigen unverzichtbar geworden und wird in der Materialcharakterisierung, der Qualitätskontrolle sowie der Forschung und Entwicklung neuer Produkte eingesetzt. Die TGA wird daher bei einer Vielzahl von Proben angewandt, die von organischen Materialien wie Lebensmitteln, Erde, Holz, Kunststoffen und Kohle bis hin zu anorganischen Materialien wie Zement oder Keramiken reichen.
Kohle, Biomasse, Brennstoffentwicklung: Qualitätskontrolle von Kohle, Biomasse und anderen Brennstoffen durch Analyse des Feuchtigkeitsgehalts, des Gehalts an flüchtigen Bestandteilen, brennbaren Rückständen und des Aschegehalts. Bewertung des thermischen Verhaltens und des potenziellen Energiegehalts.
Untersuchung der thermischen Stabilität und des Zersetzungsverhaltens von Polymeren. Bestimmung der Zusammensetzungseigenschaften: Füllstoffgehalt, Polymergehalt und Feuchtigkeit.
Bestimmung des Feuchtigkeits- und des Aschegehalts und Untersuchung der thermischen Eigenschaften einer breiten Palette von Lebensmittelprodukten.
Analyse organischer und anorganischer Komponenten und Bewertung des thermischen Verhaltens und des potenziellen Energiegehalts (als potenzielle Quelle alternativer Energie) in verschiedenen Abfallsorten.
Bewertung der thermischen Stabilität und des Zersetzungsverhaltens von Keramik, Glas und neuartigen Materialien.
Analyse von Zement und Beton: thermische Stabilität und Zersetzungsverhalten, Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts. Analyse des CO2-Verlusts von Karbonaten in Beton.
Bitumen: Untersuchung des thermischen Verhaltens und Messung des Gehalts an flüchtigen Bestandteilen.
Holz: Analyse des thermischen Zersetzungsverhaltens und Bestimmung des Gehalts an Feuchtigkeit, flüchtigen Bestandteilen und Asche
Die thermogravimetrische Analyse oder Thermogravimetrie (TGA) ist eine analytische Methode zur Messung der Massenänderung einer Probe in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur in einer definierten Atmosphäre (inert oder oxidativ). Dieses Verfahren ist sehr empfindlich und daher ein wichtiges Werkzeug für das Verständnis eines breiten Spektrums von Materialeigenschaften und Matherialverhalten während der thermischen Behandlung. Die TGA liefert wertvolle Einblicke in Aushärtungsreaktionen und Zersetzungsprozesse.
Zu den Parametern, die typischerweise mit der TGA gemessen werden, gehören der prozentuale Anteil an Feuchtigkeit, flüchtigen Bestandteilen, Aschegehalt und Glühverlust (LOI). Diese Messwerte sind entscheidend für die Bestimmung der Zusammensetzung eines Materials, seiner thermischen Stabilität und seines Verhaltens beim Erhitzen, das physikalische Prozesse (wie Phasenübergänge, Adsorption und Desorption) und chemische Vorgänge (einschließlich Reaktionen wie Oxidation und Reduktion) umfassen kann.
Thermogravimetrische Analysegeräte funktionieren nach dem Prinzip der Erfassung und Aufzeichnung von Gewichtsveränderungen in einem Material, das einer thermischen Behandlung in einer kontrollierten Umgebung unterzogen wird. Zu den wesentlichen Bestandteilen eines TGA- Analysators gehören eine Ofenkammer zum Erhitzen der Probe, eine integrierte Waage zur Gewichtsbestimmung, eine externe Gasversorgung zur Erzeugung inerter oder oxidativer Bedingungen sowie ein Computer mit Software zur Aufzeichnung und Auswertung der Daten. Das Gewicht der Probe wird gemessen, während sie unter inerten oder oxidativen Bedingungen erhitzt, abgekühlt oder bei einer konstanten Temperatur gehalten wird, um Informationen über ihre thermische Stabilität, ihren Feuchtigkeitsgehalt, ihre flüchtigen Bestandteile und mehr zu erhalten.
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) ist in zahlreichen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung, z. B. im Energiesektor, in der Lebensmittelindustrie, im Bausektor, in der Umwelt- und Materialwissenschaft. Sie liefert wertvolle Daten über die thermische Stabilität und Zusammensetzung von Werkstoffen. Indem man versteht, wie sich ein Material beim Erhitzen zersetzt, reagiert oder seinen Zustand verändert, können Forscher und Ingenieure Rückschlüsse auf seine Eignung für bestimmte Anwendungen, seine Haltbarkeit und sein Verhalten unter verschiedenen thermischen und atmosphärischen Bedingungen ziehen. Im Bereich der Forschung und Entwicklung ist dies von großer Bedeutung für die Gestaltung von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften, um die Sicherheit, Effizienz und Haltbarkeit der künftigen Produkte zu gewährleisten.
Darüber hinaus ist die TGA ein wichtiges Instrument für die Qualitätskontrolle. Indem sichergestellt wird, dass die Werkstoffe ihre spezifizierten thermischen Eigenschaften erfüllen und ihre Zusammensetzung einhalten, können die Hersteller die Produktqualität aufrechterhalten, die behördlichen Vorschriften erfüllen und mögliche Fehler während der Produktion vermeiden.
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) bietet gegenüber einem Muffelofen mehrere wesentliche Vorteile. Dazu gehört ein automatisierter Messablauf, der manuelle Eingriffe wie das Wiegen der Proben vor und nach dem Erhitzen überflüssig macht. Im Gegensatz zu einem Muffelofen ermöglicht das thermogravimetrische Analysegerät eine kontinuierliche Überwachung der Massenänderung während des Heizvorgangs und liefert Messdaten in Echtzeit. Mit voreingestellten materialspezifischen Mess-Applikationen ist eine automatische Analyse von Proben bei aufeinanderfolgenden bestimmten Temperaturstufen möglich.
Darüber hinaus kann die TGA unter verschiedenen kontrollierten Atmosphären (inert oder oxidativ) betrieben werden. Die Kontrolle der Atmosphäre ist entscheidend für die Untersuchung von Prozessen unter inerten Bedingungen sowie von oxidativem oder reduzierendem Materialverhalten.
Die TGA-Software kann Ergebnisse wie Feuchtigkeitsgehalt, flüchtige Bestandteile, Aschegehalt und Glühverlust (LOI) automatisch kalkulieren und präsentieren, was den Analyseprozess und die anschließende Berechnung der Messdaten für den Anwender erleichtert.
ELTRA bietet Elementaranalysatoren für unterschiedlichste Probenmaterialien.
Unser Expertenteam berät Sie gerne zu Ihrer Applikation und über unser Produktprogramm.
