Thermische Analyse

Die thermische Analyse umfasst eine Gruppe von Methoden, mit denen physikalische und chemische Eigenschaften von Substanzen und Substanzgemischen als Funktion der Temperatur mit einer definierten Heizrate (dynamisch) oder als Funktion der Zeit bei einer konstanten Temperatur (isotherm bzw. statisch) gemessen werden. Zu den dynamischen Verfahren gehören:

Thermogravimetrie (TG)

Bei der TG wird die Gewichtsänderung der Probe während eines vorgegebenen Temperatur-Zeit-Programmes in einer definierten Atmosphäre gemessen (Hemmiger und Cammenga, 1989). Eine Gewichtsänderung tritt durch thermische Zersetzungen oder durch Reaktion der Probe mit der Gasphase auf.

Differentialthermogravimetrie (DTG)

Die Differenzierung der TG-Thermogravimetrie-Kurve ermöglicht eine bessere Auflösung dicht aufeinanderfolgender Gewichtsänderungen.

Differenzthermoanalyse (DTA)

Hierbei wird die Temperaturdifferenz zwischen der Probe und einer (inerten) Vergleichsprobe gemessen. Die Temperaturdifferenz dient als Anzeige für Wärmestromänderungen zwischen Ofen und Probe, die u. a. durch Reaktionen, Phasenumwandlungen und Aggregatszustandsänderungen in der Probe hervorgerufen werden. Man unterscheidet Reaktionen bei denen Wärme verbraucht (endotherm) oder freigesetzt (exotherm) wird. Dabei gilt im allgemeinen, dass thermische Zersetzungen endotherm und Oxidationen sowie Phasenumwandlungen exotherm sind.

Emmissionsgas-Thermoanalyse (EGA)

Die EGA wird meist simultan mit anderen Methoden der thermischen Analyse zur Bestimmung der Art und Menge der flüchtigen gasförmigen Reaktionsprodukte eingesetzt.

Abb.1: Kopplung Thermoanalyse-Massenspektrometrie Quelle: BGR

Für die dynamische thermische Analyse steht eine Netzsch 449 F3 Jupiter-Thermowaage mit Kopplung zu einem Netzsch QMS 403 C Aeolus-Massenspektrometer (Abb. 1) zur Verfügung. Mit diesem System können gleichzeitig DSC-differential scanning calorimetry und TG-Kurven einer Probe aufgenommen werden. Proben bis ca. 100 mg können in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis maximal 1500 °C unter Vakuum, in statischer oder strömender Atmosphäre (Luft oder Stickstoff) untersucht werden. Der STA ist mit einem Quadrupol-Massenspektrometer (Thermostar der Firma Balzers) über eine beheizte Quarzglaskapillare verbunden. Das Massenspektrometer ermöglicht es, während der Reaktion freigesetzte Gase (vor allem Wasserdampf, CO₂, SO₂ aber auch flüchtige organische Moleküle) simultan zu detektieren.

Zu den statischen Verfahren der thermischen Analyse in der Mineralogie zählen die Bestimmung des Wassergehaltes und des Glühverlustes. Die Probe wird bei einer definierten Temperatur (105 bzw. 550 °C) mehrere Stunden bzw. Tage bis zur Gewichtskonstanz getempert und anschließend der Masseverlust ermittelt, dem ein bestimmtes Phänomen per Definition (Abgabe des adsorbierten Wassers oder Oxidation der organischen Substanz) zugeordnet wird.