Einleitung
Für zuverlässige und konsistente Ergebnisse ist der Einsatz von hochreinen Chemikalien und Materialien unverzichtbar.
In zahlreichen Forschungs- und Industrieanwendungen, etwa in der Polymeranalytik, der pharmazeutischen Industrie oder der Materialwissenschaft, ist die präzise Detektion kleinster Massenverluste von entscheidender Bedeutung. Um selbst höchsten Reinheitsanforderungen gerecht zu werden, ist eine präzise Qualitätskontrolle entscheidend – und genau hier setzt die Thermogravimetrie bzw. simultane thermische Analyse an. Die Thermogravimetrie (TG) ist eine präzise und empfindliche Analysemethode, die beispielsweise zur Bestimmung der Zusammensetzung genutzt wird. In der Regel wird eine Probenmasse von 20 bis 30 mg bei einer Standardmessung verwendet. Zur Bestimmung geringster Spuren einer Substanz kann die in der NETZSCH Proteus®-Software eingebauten Funktion Residuum Value verwendet werden (siehe Application Note 182). Hierbei lassen sich jedoch keine Aussagen treffen, ob die Probe mehrere Massenverluststufen aufweist. Eine andere Herangehensweise ist hierbei, die Probenmasse zu Beginn der Messung so hoch wie möglich zu wählen, um den absoluten Massenverlust zu erhöhen. Bei der Verwendung von Standardtiegeln (85 μl) zur Bestimmung von geringen Massenverlusten von etwa 0,01 % stößt man jedoch schnell auf eine Limitierung aufgrund des geringen Tiegelvolumens.
Zur Optimierung analytischer Genauigkeit und methodischer Flexibilität bietet NETZSCH ein weites Spektrum an Aluminiumoxid-Tiegeln, für den größtmöglichen Temperaturbereich, mit variierenden Volumina zwischen 85 μl und 10 ml an (siehe Abbildung 1).
Experimenteller Teil & Ergebnisse
Zur Demonstration, dass Massenverluststufen von etwa 0,01 % mit Hilfe der einer NETZSCH STA bestimmt werden können, wurde ein mit 9,96 mg Calciumoxalat- Monohydrat (CaC₂O₄·H₂O) befüllter Aluminiumoxidtiegel (85 μl) in einen 10 ml-Al₂O₃-Becher eingesetzt, der zuvor mit 15,5 g Al2O3-Kügelchen befüllt worden war. Diese wurden verwendet, um ein Modellsystem mit nur geringen Massenverlusten zu erstellen.
Bei der Aufheizung von Calciumoxalat-Monohydrate können drei aufeinander folgende Massenverluststufen detektiert werden (Abbildung 1). Zunächst die Wasserabspaltung (i), dann die Abgabe von CO (ii) und schließlich von CO2 (iii).
(i) CaC2O4·H2O → CaC2O4 + H2O
(ii) CaC2O4 → CaCO3 + CO
(iii) CaCO3 → CaO2 + CO2
Die theoretischen Massenverluste der einzelnen Schritte lassen sich leicht anhand der stöchiometrischen Bilanz der Reaktion berechnen. In Tabelle 1 sind die theoretischen Massenverluste der einzelnen Schritte, die gemessenen Massenverluste (bestimmt anhand der Massen von Probe und inertem Material) sowie die anhand der Probenmasse berechneten Massenverluste zusammengefasst.
Der Vergleich der experimentell ermittelten Massenverluste mit den theoretisch berechneten Stufen zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung, sofern ausschließlich die Einwaage von Calciumoxalat-Monohydrat berücksichtigt wird.
Tabelle 1: Theoretischer und detektierter Massenverlust bei der Zersetzung von Calciumoxalat-Monohydrat (CaC2O4·H2O)
| Zersetzungsstufe | Theoretischer Massenverlust | Detektierter Massenverlust am Modellsystem (9.96 mg CaC2O4·H2O + 15.5369 g Al2O3-Kügelchen) | Detektierter Massenverlust bezogen auf CaC2O4·H2O-Einwaage |
|---|---|---|---|
| CaC2O4·H2O → CaC2O4 + H2O | 12,32% | 0,008% | 12,40% |
| CaC2O4 → CaCO3 + CO | 19,16% | 0,012% | 19,04% |
| CaCO3 → CaO2 + CO2 | 30,11% | 0,019% | 30,26% |
Wird hingegen das Modellsystem, d.h. die gesamte Probenmasse, bestehend aus Calciumoxalat-Monohydrat und Al₂O₃-Kügelchen, betrachtet, zeigt sich, dass mithilfe der NETZSCH STA selbst geringfügige Massenverluste im Bereich von 0,01 % zuverlässig nachgewiesen werden können.
Fazit
Die Verwendung hochreiner Chemikalien und Materialien ist essenziell für präzise und reproduzierbare Ergebnisse. Um diesen Reinheitsanforderungen gerecht zu werden, ist die Qualitätskontrolle mittels simultaner thermischer Analyse ein unverzichtbares Werkzeug. Besonders bei der Analyse geringster Verunreinigungen von etwa 0,01 % stoßen herkömmliche Tiegelvolumina schnell an ihre Grenzen.
NETZSCH begegnet dieser Herausforderung mit einem breiten Spektrum an Tiegelvolumina – von 85 μl bis zu 10 ml. Diese Flexibilität ermöglicht es Anwendern, ihre Messbedingungen optimal an die jeweilige Probenmenge anzupassen und selbst kleinste Massenverluste zuverlässig zu detektieren. So lassen sich auch höchste Qualitätsanforderungen sicher erfüllen. Außerdem kann die Flexibilität der Anwendung noch durch ein großes Spektrum an Tiegelmaterialien erweitert werden (Tiegelvolumina können variieren).