Thermische Stabilität

Ein Material ist thermisch stabil, wenn es sich unter Temperatureinfluss nicht zersetzt. Eine Möglichkeit, die thermische Stabilität einer Substanz zu bestimmen ist die Verwendung eines TGA (thermogravimetrischer Analysator).

In der Norm ASTM E2550 wird die thermische Stabilität eines Materials als “Temperatur, bei der eine Zersetzung oder Reaktion des Materials einsetzt sowie das Ausmaß der Massenänderung mittels Thermogravimetrie“ beschrieben. Ergänzend steht, dass „das Ausbleiben einer Reaktion oder Zersetzung als Indikator für die thermische Stabilität herangezogen wird.”

Beispiel: Bestimmung der thermischen Stabilität von Aspirin®

Abbildung 1 zeigt die TG-Kurve von Acetylsalicylsäure (besser bekannt als Aspirin®) während der Aufheizung bis 600 °C in Stickstoffatmosphäre. Weitere Informationen über den Zersetzungsmechanismus von Acetylsalicylsäure finden Sie hier.

Es wurden zwei Massenverluststufen durch die TG-Kurve (durchgehende Linie) detektiert. Jede dieser Stufen wird ausgewertet durch Bestimmung:

  • die einer charakteristischen Temperatur
  • die des Betrags der Massenänderung

Theoretisch können für eine Massenverluststufe drei charakteristische Temperaturen angezeigt werden:

  • Peaktemperatur der DTG (1. Ableitung der TG-Kurve, strich-punktierte Linie)
  • Extrapolierte Onsettemperatur gemäß der Norm ISO 11358-1. Dies ist der “Schnittpunkt der Basislinie zu Beginn einer Messung und der Tangente zur TG-Kurve zum Zeitpunkt des maximalen Gradienten”
  • Onsettemperatur gemäß ASTM E2550. Dies ist der Punkt in der TG-Kurve, bei dem als erstes eine Abweichung von der festgelegten Ausgangsbasisliniebeobachtet wird, bereits vor dem thermischen Ereignis.

In dem gezeigten Beispiel tritt die erste Massenverluststufe bei den folgenden charakteristischen Temperaturen auf:

  • 161 °C (Peak der DTG-Kurve, Abbildung 1),
  • 143 °C (extrapolierte Onsettemperatur der TG-Kurve, Abbildung 1)
  • 102 °C (Onsettemperatur gemäß ASTM E2550, Abbildung 2) auf. Dieser dritte Wert wird für die Auswertung der thermischen Stabilität herangezogen.
Abbildung 1. TG-Messung an Acetylsalicylsäure, Probeneinwaage: 5,18 mg, Tiegel: Aluminiumoxid (offen), Aufheizung bis 600 °C mit 10 K/min in dynamischer StickstoffatmosphäreAbbildung 1. TG-Messung an Acetylsalicylsäure, Probeneinwaage: 5,18 mg, Tiegel: Aluminiumoxid (offen), Aufheizung bis 600 °C mit 10 K/min in dynamischer Stickstoffatmosphäre
Abbildung 2. TG-Messung an Acetylsalicylsäure, vergrößerte Darstellung aus Abbildung 1Abbildung 2. TG-Messung an Acetylsalicylsäure, vergrößerte Darstellung aus Abbildung 1

Zu beachten ist, dass die Methode auf Materialien beschränkt ist, die im zu untersuchenden Temperaturbereich reagieren oder sich zersetzen, jedoch nicht für eine Sublimation oder Verdampfung angewandt werden kann.

Hinweise zu den Messbedingungen:

Da die Ergebnisse von der Probenmasse, der Atmosphäre (Gas- und Durchflussrate), der Heizrate und dem Tiegeltyp beeinflusst werden, ist es wichtig, die Messbedingungen zu definieren. Aus dem gleichen Grund können die Ergebnisse für zwei Proben nur dann verglichen werden, wenn die Messungen unter exakt denselben Bedingungen durchgeführt wurden.

Folgende Messbedingungen werden empfohlen:

  1. Probenmassen: zwischen 1 und 10 mg, z.B. 5 mg
  2. Heizrate: 10 bis 20 K/min (niedriger für energetische Reaktionen: 1 bis 10 K/min)
  3. Durchflussrate der Atmosphäre: 20 bis 100 ml/min

Im vorliegenden Beispiel ist die thermische Stabilität bei 102 °C für Acetylsalicylsäure für eine Messung in dynamischer Stickstoffatmosphäre (Gasdurchfluss: 40 ml/min) an einer Probe von 5 mg in offenem Aluminiumoxid Tiegel und mit einer Heizrate von 10 K/min angegeben.


Verwandte Methoden

TGA