19.05.2026 von Aileen Sammler
Untersuchung von Zementrohstoffen: STA-FT-IR-Analyse für ein tieferes Verständnis thermischer Prozesse
Beyond Peaks and Curves: Application Insights by NETZSCH and Bruker
Die monatliche Blogserie mit Bruker Optics – Teil 5: STA-FT-IR-Analyse von Zementrohstoffen: Thermische Prozesse und Gasentwicklung verstehen
Die Herstellung von Zement umfasst eine komplexe Abfolge physikalischer und chemischer Umwandlungsprozesse, die während der Aufheizung ablaufen und entscheidend für die Klinkerbildung sind. Um diese Prozesse vollständig zu verstehen, reicht es nicht aus, nur Massenänderungen oder thermische Effekte zu betrachten. Es setzt eine Methode voraus, die das thermische Verhalten direkt mit der Gasentwicklung verknüpft.
In diesem fünften Artikel unserer NETZSCH–Bruker Blogserie zeigen wir, wie die STA-FT-IR-Kopplung genau diese Einblicke für anorganische Materialien am Beispiel von Zementrohstoffen ermöglicht.
STA-FT-IR: Verknüpfung von thermischen Effekten und Gasentwicklung
Die thermische Analyse von Zementrohstoffen umfasst mehrere überlagerte Prozesse wie Dehydratisierung, Dehydroxylierung, Entkarbonisierung und Phasenumwandlungen.
Durch simultane TG-DSC-Messungen werden Massenänderungen und zugehörige thermische Effekte gleichzeitig erfasst, wodurch das gesamte thermische Verhalten über einen weiten Temperaturbereich beschrieben werden kann.
Die Ergänzung durch FT-IR-Spektroskopie erweitert diese Methode entscheidend: Thermische Ereignisse werden direkt mit der Zusammensetzung der freigesetzten Gase während der Aufheizung korreliert, was den interpretativen Aussagewert deutlich erhöht.
Ein wesentlicher Vorteil der STA-FT-IR-Kopplung mit PERSEUS®-Konzept liegt in der direkten Integration des Bruker ALPHA IIFT-IR-Spektrometers auf dem STA-Ofen. Dies führt zu:
- einem sehr kurzen, beheizten Gasweg
- minimalem Totvolumen
- einer exzellenten Synchronisation zwischen thermischen und spektroskopischen Signalen
Diese technischen Punkte führen zu einer sehr guten Nachweisempfindlichkeit der freigesetzten Gase, womit sich diese Methode besonders für die Untersuchung komplexer mineralischer Systeme eignet.
Typische thermische Prozesse in Zementrohstoffen
Die STA-FT-IR-Analyse zeigt eine Abfolge charakteristischer Prozesse über den gesamten Temperaturbereich bis etwa 1400–1450 °C.
Zu den wichtigsten Schritten zählen:
- 100–200 °C: Abgabe von physikalisch gebundenem Wasser und Dehydratisierung von Calciumsulfat-Dihydrat
- 400–600 °C:Dehydroxylierung von Calciumhydroxid
- ~575 °C: reversible α-β-Phasenumwandlung / PhasenänderungDer Begriff Phasenumwandlung (oder Phasenänderung) wird am häufigsten verwendet, um Übergänge zwischen dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand zu beschreiben. Eine Phase eines thermodynamischen Systems und die Zustände haben einheitliche physikalische Eigenschaften.Phasenumwandlung von Quarz (SiO₂)
- 700–850 °C:Entkarbonisierung von Calciumcarbonat unter Freisetzung von CO₂
- >1200 °C:Phasenübergänge und Bildung von Silikatphasen
- >1250 °C:Sulfatzersetzung mit Freisetzung von SO₂ sowie Beginn von Schmelzprozessen
Diese Prozesse sind charakteristisch für Zement sowie zementnahe Rohstoffe und bestimmen maßgeblich das Verhalten während der Klinkerbildung.
Direkte Identifikation der freigesetzten Gase
Ein entscheidender Vorteil der STA-FT-IR-Kopplung ist die direkte Zuordnung von Massenverlusten zu spezifischen Gasfreisetzungen.
In unserer aktuellen Studie identifizierten wir folgende Gase eindeutig:
- H₂O → freigesetzt während Dehydratisierung und Dehydroxylierung
- CO₂ → freigesetzt während der Entkarbonisierung von Carbonaten
- SO₂ → freigesetzt bei der Sulfatzersetzung
Die Gasfreisetzungsverläufe lassen sich dabei eindeutig der TG-Kurve zuordnen, wodurch eine klare Interpretation der einzelnen Reaktionsschritte möglich wird.
Warum das für Zement und anorganische Materialien wichtig ist
Zementrohstoffe sind komplexe Mehrkomponentensysteme mit stark überlagernden Reaktionen. Ohne gekoppelte Gasanalytik bleibt die Interpretation thermischer Effekte oft uneindeutig.
Die STA-FT-IR-Kopplung ermöglicht:
- eine eindeutige Identifikation einzelner Reaktionsschritte
- die direkte Korrelation von Massenverlust, Wärmeeffekt und Gaszusammensetzung
- eine deutlich reduzierte Interpretationsunsicherheit bei überlagernden Prozessen
Dies ist insbesondere relevant für:
- die Optimierung von Zementrohstoffen
- die Verbesserung von Klinkerbildungsprozessen
- die Prozessentwicklung und Qualitätssicherung
Ein leistungsstarkes Werkzeug für die Analyse anorganischer Materialien
Die STA-FT-IR-Messung ermöglicht eine umfassende Charakterisierung der während der Aufheizung ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse.
Durch die Kombination von TG, DSC und FT-IR werden Massenänderungen, thermische Effekte sowie die Zusammensetzung der freigesetzten Gase simultan erfasst und eindeutig miteinander verknüpft.
👉 Lesen Sie hier die vollständige Application Note:
Erfahren Sie mehr:
Dieser Artikel ist Teil unserer Blogserie zur Kombination von thermischer Analyse und FT-IR-Gasanalytik in Zusammenarbeit mit Bruker.
Bleiben Sie dran! In unserem nächsten Artikel erfahren Sie mehr über die erweiterte Charakterisierung pharmazeutischer Materialien mit der neuen STA 319 Jupiter®.
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