Auch Platin ist vergänglich!

Thermoelemente haben sich in der thermischen Analyse als Standard-Temperaturmesseinrichtung etabliert; sie zeichnen sich durch einfachen Aufbau und Funktion aus, sind vielseitig einsetzbar, robust und kompakt.  

Das am häufigsten verwendete Thermoelementmaterial für den Arbeitsbereich oberhalb 800 °C ist Platin-Platin/Rhodium (10 %) – unter Angabe seiner chemischen Zusammensetzung auch als Pt-Pt 10% Rh oder Typ S bezeichnet. Die Hauptvorteile dieses vor mehr als 100 Jahren von Le Chetalier entwickelten Thermoelements sind hohe Reproduzierbarkeit sowie hohe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit.

Aufbau:

Der negative Schenkel des Thermoelements besteht aus Platin; der positive – gemäß ASTM E1159 – aus Platin/Rhodium mit einem Gewichtsanteil von ca. 10,00 ±0,05% Rhodium.

 

Beständigkeit:

Kompaktes Platin-Platin/Rhodium ist bei Raumtemperatur quasi unbegrenzt beständig. Dies ändert sich jedoch im regelmäßigen Betrieb bei hohen Temperaturen. Interdiffusion, selektive Verdampfung, Rekristallisation und Einflüsse aus der Umgebung sind die Hauptursachen für Veränderungen der Thermospannung oder den Ausfall eines Thermoelements.

 

a) Selektive Verdampfung und Interdiffusion

Bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C kommt es sowohl zu einer Verflüchtigung von Rhodium als auch zur Diffusion von Rhodium aus dem positiven Pt 10% Rh-Schenkel hin zum negativen Pt-Schenkel. Beide Effekte bewirken eine Verunreinigung und einen erhöhten Verschleiß des Platindrahtes. Um die Gefahr der Legierungsbildung über die Gasphase so klein wie möglich zu halten, ist bei DSC/DTA-Probenträgern der größte Teil des Thermoelementdrahtes durch eine Kapillare aus hochreinem Al2O3 geschützt.

 

b) Rekristallisation

Im Temperaturbereich oberhalb von 1100 °C rekristallisiert Platin zu einem grobkörnigen Gefügte. Das beschriebene Körnerwachstum tritt nicht nur innerhalb des Metalls oder der Metalllegierung auf, sondern führt auch zu einem „Zusammenwachsen“ verschiedener miteinander in Kontakt stehender Platin-Werkstücke, wie z.B. DSC/TG-Sensoren Typ S und Pt/Rh-Tiegel. Erst die Konditionierung neuer Probenträger und Tiegel durch eine spezielle Temperaturbehandlung verringert die „Klebetendenz“.

 

Die Verwendung unkonditionierter Probenträger und Tiegel im Temperaturbereich oberhalb 1000 °C hat unmittelbar ein Verschweißen des Tiegels auf dem Sensor und somit die Zerstörung des Probenträgers zur Folge.

Bitte beachten Sie in diesem Zusammenhang das Ihrem Probenträger beiliegende Merkblatt. Wir bitten darum, neue Pt/Rh-Tiegel vor Gebrauch in einem separaten Ofen auf die gewünschte Endtemperatur der Messung auszuheizen, die Tiegel nach jeder Messung vorsichtshalber vom Sensor zu lösen und sich in der Anfangsphase Temperaturen über 1000 °C nur schrittweise zu nähern.

Nach unseren Erfahrungen bringt der Einsatz dispersionsgehärteter (sog. FKS-) Werkstoffe für Sensoroberflächen und Tiegel keine dauerhafte Verbesserung. Eine Möglichkeit, das geschilderte Phänomen zu umgehen, ist das Unterlegen dünner Saphirscheiben (zwischen Sensoroberfläche und Tiegel). Das Kleberisiko wird minimiert und die Empfindlichkeit des Probenträgers nimmt nur geringfügig ab.

c) Einflüsse aus der Umgebung

Den in der Praxis größten Einfluss auf die Lebensdauer von Thermoelementen haben Wechselwirkungen mit der Umgebung. Eindiffundierende, aus Proben freigesetzte Fremdstoffe verändern die Thermospannung oder bewirken sogar einen vorzeitigen Bruch des Thermoelements. In der Tabelle finden Sie Hinweise zur chemischen Verträglichkeit zwischen Platin und verschiedenen Probenmaterialien bzw. Gasatmosphären.

 

Diese Auflistung zeigt, wie wichtig regelmäßige Kontrollen und Kalibriermessungen sind. Nur so kann sichergestellt werden, dass das verwendete Thermoelementmaterial Pt-Pt10% Rh die vorgegebene Toleranzgrenze über eine längere Zeit nicht überschreitet.

 

Kritisch für Platin:

  • Halogene (Cl2, F2, Br2), Königswasser
  • Li2CO3, bereits vor der CO2-Abgabe (Zersetzung)
  • PbO, FeCl3
  • Be-Legierungen (Verdampfung)
  • HCl mit Oxiationsmitteln (z.B. Chromsäure, Manganate, Eisen (III)- Salze und Salzschmelzen)
  • reduzierende Atmosphären
  • Metalle und Metalldämpfe (z.B. B, Pb, Zn, Sn, Ag, Au, Li, Na, K, Sb, Bi, Ni, Fe usw.; Se > 320 °C (Verdampfung)
  • Metalle und Metalloxide mit reduzierenden Bestandteilen wie C, organische Verbindungen oder H2
  • Oxide in inerter Gasatmosphäre bei höheren Temperaturen (Reduktion)
  • Schwefel (Aufrauhung der Oberfläche, Versprödung)
  • Alkalihydroxide, -carbonate, -sulfate-, -cyanide und -rhodanide bei höheren Temperaturen
  • KHSO4 bei höheren Temperaturen
  • Ruß oder freier Kohlenstoff >1000 °C
  • SiO2 unter reduzierenden Bedingungen
  • SiC und Si3N4 >1000 °C (Freisetzung von elementarem Si)
  • HBr, KCN-Lösungen bei hohen Temperaturen

(Kein Anspruch auf Vollständigkeit)

Keine Beständigkeit gegen:

  • Gemische aus KNO3 und NaOH bei 700°C unter Luftausschluss
  • Gemische aus KOH und K2S bei 700 °C unter Luftausschluss
  • LiCl bei 600 °C
  • MgCl2, Ba(NO3)2 bei 700 °C
  • HBr, HJ, H2O2 (30 %) und HNO3 bei 100 °C
  • KCl (die Zersetzungsprodukte, die sich beim Schmelzen bilden; Schmelzpunkt: 768 °C)

Begrenzte Beständigkeit gegen:

  • KHF2, LiF2, NaCl bei 900 °C
  • Gemische aus NaOH und NaNO3 bei 700 °C unter Luftausschluss

Diese Übersichten erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sie sollte vom Benutzer lediglich als Leitfaden verstanden werden. Die Temperaturangaben sind zum größten Teil Literaturdaten. Deshalb besteht die Möglichkeit, dass sich die Temperaturen unter Versuchsbedingungen zu niedrigeren Werten verschieben. In jedem Fall sind Tests in separaten Öfen ratsam. NETZSCH-Gerätebau schließt eine Haftung für Schäden, die sich aus unsachgemäßem Gebrauch der Instrumente, Tiegel, Probenträger, etc. ergeben, aus.