Suchen

Thermogravimetrische Analyse So erweitern Sie die Möglichkeiten der TGA

| Autor / Redakteur: Guido Deußing* / Dr. Ilka Ottleben

Durch die intelligente Anbindung an eine in der GC/MS gängige Extraktionstechnik (SBSE) lassen sich Zersetzungsprodukte der thermogravimetrischen Analyse (TGA) von Polymeren auf effiziente Weise anreichern, anschließend trennen und sicher identifizieren.

Firmen zum Thema

Abb. 1: Schematische Darstellung der thermischen Festphasenextraktion. (Ausschnitt)
Abb. 1: Schematische Darstellung der thermischen Festphasenextraktion. (Ausschnitt)
(Bild: BAM, Gerstel)

Viel hilft viel, heißt es so schön. Diese Einschätzung trifft nicht grundsätzlich zu. In der instrumentellen chemischen Analytik findet sie jedoch Bestätigung: Solang es nicht eine Methode oder Technik gibt, mit der sich die Bandbreite analytisch relevanter Verbindungen in hinreichender Weise qualitativ und quantitativ in einem Zug bestimmen lässt, ist man auf eine sinnvolle Kombination von Probenvorbereitungs-, Anreicherungs- und Analysetechniken angewiesen. Der thermogravimetrischen Bestimmung von Polymeren haben Wissenschaftler der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) in Zusammenarbeit mit der ebenfalls in Berlin ansässigen Beuth Universität für Technik kürzlich eine strategisch interessante Komponente hinzugefügt.

Möglichkeiten und Einsatzbereiche der TGA

Die Thermogravimetrie beziehungsweise die thermogravimetrische Analyse (TGA) ermöglicht es, den Massenverlust bei bestimmten Temperaturen zu ermitteln (s. LP-Tipp). Die TGA ist so konzipiert, dass sie durch die bei der Zersetzung von Polymeren anfallenden schwer löslichen Polymerisate, Kondensate und zähflüssigen Gemische organischer Verbindungen in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt wird. Die TGA gibt allerdings keine Auskunft darüber, welche Verbindungen sich verflüchtigt haben und für den Massenverlust verantwortlich sind. Um hierüber Kenntnis zu erlangen, wird die TGA mit einem Fourier-Transformations-Infrarot- (FTIR) oder Massenspektrometer (MS) verbunden.

Bildergalerie

Beide Methoden, TGA-FTIR wie auch TGA-MS, geben simultan Auskunft über die Massenänderungen und die in die Gasphase übergegangenen Zersetzungsprodukte. Das macht diese Bestimmungsmethoden interessant für die Analyse der Zusammensetzung von Mehrkomponentensystemen sowie die Darstellung von Zersetzungsprofilen. Allerdings stößt jede Technik an ihre Grenzen.

„Mit der FTIR-Spektroskopie lassen sich vornehmlich kleine Moleküle mit niedrigen Siedepunkten wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak und Wasser sicher identifizieren“, schreiben Braun und Dümichen et al. Bei komplexen Mischungen polymerbasierter thermischer Zersetzungsprodukte wiederum gelinge zwar die Zuweisung funktioneller Gruppen, nicht aber die Identifizierung der Zersetzungsmoleküle. Kurzlebige Artefakte könnten auf dem Weg zur Messzelle zerfallen. Sie würden folglich nicht detektiert, dafür die resultierenden Fragmente, womit sich das Gesamtbild der Messung verzerre. Werde Wasser ausgeschleust, schreiben die Wissenschaftler, können hydrophile Verbindungen verloren gehen. Erfolgt die Zersetzung unter Luftatmosphäre, drohe unkontrollierter Substanzverlust infolge von Oxidationsreaktionen; verlorengehen könnten ebenso Zersetzungsprodukte mit hohen Siedepunkten durch Kondensation oder Adsorbtion an der Innenwand des Transfersystems.

Während die TGA-FTIR unter Atmosphärendruck erfolgt, ist bei der Kopplung an ein Massenspektrometer (MS) ein Vakuum erforderlich zwecks Auftrennung der Zersetzungsprodukte im Magnetfeld des MS, nach der notwendigen Fragmentierung und Ionisierung durch Elektronenstoßionisierung (EI); die Identifizierung des resultierenden Fragmentierungsmusters erfolgt anschließend u. a. unter Zuhilfenahme digitaler MS-Datenbanken. Allerdings gelinge eine eindeutige Bestimmung nur dann, wenn es möglich sei, die gasförmigen der TGA entstammenden Zersetzungsprodukte auf hinreichende Weise voneinander zu trennen. Davon könne man jedoch nicht per se ausgehen, sagen die Wissenschaftler. Zudem erweise sich die Masse als limitierender Faktor. Braun und Dümichen et al.: „Weil Zersetzungsprodukte mit höheren Siedepunkten und größeren Massen nicht in der Lage sind, die Transferleitung zu passieren, ist die Methode auf kleine Zersetzungsprodukte, in der Praxis auf Massen unter m/z = 200, mit niedrigen Siedepunkten begrenzt.“ Das Problem einer möglicherweise verstopften Transferleitung ließe sich technisch lösen, wenn auch auf kostspielige Weise (TGA-MS mit Skimmer-Kopplung).

(ID:43372559)