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Polymeranalytik TGA-FTIR zur Schadensaufklärung an Polymeren

| Autor / Redakteur: Sebastian Eibl* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Ausgewählte Schadensuntersuchungen an polymeren Materialien zeigen, dass erst die Kopplung der Analysenmethoden Thermogravimetrie mit Infrarotspektroskopie (TGA-FTIR) eine Aussagekraft erlaubt, die für eine Schadensaufklärung ausreicht.

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Abb.1: Im Labor nachgestellter Lackaufbau mit: Washprimer (oliv), Grundierung (ocker) und Decklack (grau), jeweils nach thermischer Belastung
Abb.1: Im Labor nachgestellter Lackaufbau mit: Washprimer (oliv), Grundierung (ocker) und Decklack (grau), jeweils nach thermischer Belastung
(Bild: WIWeB)

Bereits die Thermogravimetrie für sich betrachtet stellt eine leistungsfähige Methode dar, um verschiedenste Arten von Probenmaterialien zu untersuchen. Heizt man eine Probe kontrolliert auf und erfasst simultan ihren Massenverlust, lassen sich am Beispiel von Kunststoffen neben dem Basispolymer vor allem Anteile an flüchtigen Inhaltsstoffen wie z.B. Weichmacher, sowie von Füllstoffen und Pigmenten unterscheiden. Je nach Temperatur, bei der ein Massenverlust auftritt, können Rückschlüsse auf die Art der Bestandteile getroffen werden. Häufig sind diese Informationen jedoch bei nicht bekannter Zusammensetzung der Probe zu unspezifisch, um die Stoffanteile zu identifizieren. Koppelt man die Thermowaage an ein Infrarotspektrometer mit Gaszelle (TGA-FTIR) und erfasst die freiwerdenden, gasförmigen Stoffe bzw. Zersetzungsprodukte, werden wesentlich genauere Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Probe ermöglicht.

Grundsätzlich kann eine thermogravimetrische Messung sowohl für die Charakterisierung der Zusammensetzung als auch für eine Beurteilung der thermischen Eigenschaften einer Probe genutzt werden. Unabhängig davon, ob beispielsweise die Art des Basispolymers zu identifizieren ist oder eventuell toxische Zersetzungsprodukte daraus ermittelt werden sollen, in keinem Fall kann auf die zusätzliche IR-spektroskopische Information verzichtet werden.

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Die folgenden vier Beispiele unterstreichen die Leistungsfähigkeit der TGA-IR bei der Aufklärung vor allem thermisch induzierter Schäden an Polymeren in der Nutzung. Es wird auf die Stärken und Grenzen der Methode eingegangen.

Blasenbildung und Verfärbungen in einem Lack

Während des Einsatzes kam es in heißen, triebwerksnahen Bereichen an ausgewählten Luftfahrzeugen zur Bildung von Blasen und Verfärbungen im Lack. Ein im Labor nachgestellter Lackaufbau zeigt, dass diese Auffälligkeit von der Grundierung eines bestimmten Herstellers ausgeht (s. Schadteil in Abb. 1). Die Grundierungen dreier anderer Lieferanten ergeben kein vergleichbares Schadensbild. Als Schadensursache könnte eine geringere thermische Stabilität des Bindemittels vermutet werden.

Die thermogravimetrische Untersuchung der Polyurethan- bzw. Epoxidharz-Grundierungen zeigt jedoch, dass alle Bindemittel eine ähnliche Zersetzungstemperatur im Bereich zwischen 300 und 400 °C aufweisen. Ein signifikanter Unterschied ergibt sich jedoch im niedrigeren Temperaturbereich. Das Schadteil weist hier den mit Abstand größten Massenverlust von 7 % auf. Abbildung 3A zeigt für das Schadteil zusätzlich zum Massenverlust die so genannte Gram-Schmidt-Kurve, die die Gesamtintensität der erhaltenen Infrarotspektren der entweichenden Stoffe zum Ausdruck bringt. Betrachtet man die Infrarotspektren der freigesetzten Verbindungen (s. Abb. 4) lässt sich bei etwa 80 °C vor allem Butylacetat neben wenig Xylol als typische Lösemittel in Lacken identifizieren. Trägt man den Verlauf der Intensität charakteristischer Banden im Infrarotspektrum in Abhängigkeit von der Temperatur auf, erkennt man, dass die Gram-Schmidt-Kurve sehr gut durch die Freisetzung von Butylacetat, Bisphenol-A (aus der Zersetzung des Epoxidharzes) und Kohlendioxid angenähert werden kann (s. Abb. 3B). Eine Untersuchung der Lackproben im ungehärteten Zustand ergab für alle Proben einen gleichen Lösungsmittelgehalt. Weiterführende Untersuchungen zeigen, dass beim Schadteil im Vergleich zu den übrigen Proben größere Mengen an Lösungsmittel im Lack zurückbleiben, da das Bindemittel wesentlich schneller aushärtet. Bei erhöhten Temperaturen im Einsatz verdampft das Lösungsmittel und führt zur Blasenbildung.

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