Eine unbekannte Polymerprobe mit TGA-GC/MS identifizieren

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Messung und Ergebnisse der TGA-GC/MS

Die Probe wurde zuerst mittels TGA untersucht. Abbildung 3 zeigt die TGA-Kurve und deren erste Ableitung (DTG-Kurve). Aufgrund der TGA-Kurve wurden die Temperaturen festgelegt, bei denen jeweils Gasproben gespeichert werden. In Tabelle 1 ist diese Temperaturauswahl zusammengefasst (s. ergänzendes zum Thema)

Nachdem die Gasproben der TGA-Zersetzungsprodukte bei den in Tabelle 1 angegebenen Temperaturen gesammelt wurden, erfolgte anschließend nacheinander die GC/MS-Analyse. Es wurden somit 15 Totalionenchromatogramme (TIC) erhalten und ausgewertet.

Ergänzendes zum Thema

Tabelle 1: Temperaturen der Probeentnahmen

Es wurden 15 Proben bei Temperaturen von 290 bis 590 °C aus dem Produktgasstrom der TGA entnommen:

Abbildung 4 zeigt als Beispiel ein typisches TIC für die Polymerprobe für Speicherschlaufe 9 bei 440 °C. Es wurden hierbei viele mehr oder weniger gut separierte Peaks erhalten. Hinter jedem Peak verbirgt sich ein Massenspektrum, das mithilfe von Referenzspektren aus einer Datenbank identifiziert werden kann.

Abbildung 5 zeigt beispielhaft die Identifizierung des Peaks bei 22,361 Minuten mittels der NIST-Datenbank. Es wird das gefundene MS-Spektrum bei der Retentionszeit von 22,361 Minuten dargestellt, sowie das Referenzspektrum von Caprolactam aus der NIST- Datenbank mit den Hauptzersetzungs­fragmenten demonstriert. Dieser Peak wurde eindeutig als Caprolactam identifiziert.

Nach Auswertung aller Peaks in allen 15 Totalionenchromatogrammen, kann die Emission von neun Hauptkomponenten ermittelt werden, die in Tabelle 2 gemäß ihrer Retentionszeit aufgelistet sind. Integriert man die Peaks dieser neun Hauptkomponenten für sämtliche 15 Totalionenchromatogramme, so erhält man als Ergebnis das Emissionsprofil während der Zersetzung der Probe von 250 bis 650 °C (s. Abb. 6). Dabei ist erkennbar, dass zu Beginn bei relativ niedrigen Temperaturen von ca. 300 C schon Cyclopentanon freigesetzt wird. Insgesamt wurden mehr als 130 Komponenten gekoppelten Analysemethode detektiert und identifiziert.

Aus dem TGA-GC/MS-Experiment lässt sich schließen, dass die Hauptkomponenten in der unbekannten Probe von verschiedenen Polyamiden stammen. So wurde Cyclopentanon detektiert, das spezifisch für PA 6.6 ist und Caprolactam, das ein Bestandteil von PA 6 ist. Die Probe ist deshalb vermutlich ein Polyamid-Copolymer 6.6/6. Die Detektion von einigen Alkanen und Alkenen in geringen Konzentrationen ist ein Hinweis dafür, dass auch Polyethylen in kleinen Gehalten vorhanden sein könnte.

Tabelle 3 gibt einen Überblick über die detektierten Hauptkomponenten des Polymers inklusive der Massenfragmente, des Molekulargewichts, der Formel und Strukturformel. Die Hauptmassenfragmente sind fett dargestellt.

Ergänzendes zum Thema

Tabelle 2 und 3: Ergebnisse der GC-Auftrennung und MS-Detektion

Die dem MS vorgeschaltete Auftrennung mittels Gaschromatographie ermöglicht die Identifizierung einzelner Komponenten aus dem Gemisch der TGA-Zersetzungsprodukte:

Im Rahmen der vorliegenden Analyse konnten demnach die Hauptbestandteile einer unbekannte Polymerprobe mittels TGA-GC/MS eindeutig identifiziert werden.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für den Einsatz von GC/MS-gekoppelten Systemen ist die Cannabis-Analytik:

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