Thermische Analysemethoden

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Die am häufigsten genutzte thermische Analysemethoden ist die Thermogravimetrie. Hier wird der Gewichtsverlust einer Substanz beobachtet, die in einem Präzisionsofen langsam aufgeheizt wird. Um die Messung nicht durch Veränderungen des Probentiegels zu verfälschen, wird ein leerer Tiegel zeitgleich gemessen. Durch die schrittweise Entfernung von Bestandteilen der Probe, bei Hydraten zum Beispiel Wasser, sind in manchen Fällen Verbindungen synthetisierbar, deren Herstellung auf anderem Wege schwierig oder nicht möglich ist. Dabei kann unter verschiedene Atmosphären wie Luft, Argon, Stickstoff oder Sauerstoff gemessen werden. Übliche Heizraten liegen zwischen 1 und 5 K/min, die Endtemperatur variiert; sie ist erreicht, sobald keine Gewichtsabnahme mehr beobachtet werden kann. Trotz des scheinbar einfachen Messprinzips kann die Messung durch viele Umstände verfälscht werden. Das Tiegelmaterial muss innert sein und darf weder mit der Probe noch mit der Gasatmosphäre reagieren. Der Ofen muss eine genaue Heizrate garantieren, und im Ofen sollte möglichst keine Strömung herrschen, da dies die Wägung beeinträchtigen kann. Außerdem muss die Heizrate möglichst klein gewählt werden, ansonsten könnten zum Beispiel im TG-Diagramm zwei Gewichtsverluste als ein einzelner erscheinen, da eine Reaktion noch nicht beendet ist, während eine zweite schon beginnt. Wird im Diagramm eine Gewichtszunahme beobachtet, so kann diese entweder auf eine Reaktion mit der Gasatmosphäre zurück zu führen sein, oder die gemessene Probe stößt selbst Gas aus. Dies führt zu einem Druck auf die Waage, der in einer scheinbaren Massenzunahme resultiert. Die meisten dieser Probleme können durch eine langsame Heizrate umgangen werden. Besonders interessant für die Untersuchung von MOFs ist die Verwendung von Geräten die mit einem Massenspektrometer gekoppelt sind, das die Zersetzungsprodukte detektiert und somit Rückschlüsse auf den Aufbau der Struktur und die Stärke von Bindungen zulässt.

Eine weitere thermische Analysemethode ist die Differenzthermoanalyse oder DTA, die für gewöhnlich zeitgleich zur Thermogravimetrie durchgeführt wird. Dazu müssen die Probentemperatur und die Temperatur einer Referenzsubstanz mit Thermoelementen gemessen werden. Die Referenzsubstanz sollte dabei im beobachteten Temperaturbereich möglichst unreaktiv sein. Durch den Vergleich dieser beiden Temperaturen lassen sich Rückschlüsse auf die Veränderungen innerhalb der Probe ziehen. Hinkt die Temperatur der Probe der Temperatur der Referenzsubstanz hinterher, kann man davon ausgehen, dass in der Probe eine endotherme Reaktion abläuft, wie die Verdampfung von Wasser oder ein Phasenübergang. Steigt die Probentemperatur schneller als die Temperatur der Referenzsubstanz, so findet eine exotherme Reaktion statt, beispielsweise eine Verbrennung. Durch diese Messung ist eine qualitative Aussage über die Reaktionen bei Temperaturerhöhung möglich, jedoch keine quantitative.

Eine quantitative Aussage über die kalorimetrischen Effekte bei Temperaturerhöhung liefert die Dynamic Scanning Calorimetry (DSC). Bei dieser Methode wird in zwei getrennten Öfen die Temperatur von Probe und Referenzsubstanz konstant gehalten, und die dafür benötigte Heizleistung gemessen, wodurch die Prozesse auch quantitativ analysierbar sind. Viele weitere Methoden fallen unter den Oberbegriff der thermischen Analyse, wie zum Beispiel die temperaturabhängige Messung von Pulverdiffraktogrammen, oder die Messung von mechanischen oder elektrischen Eigenschaften.