Analysieren & Prüfen. Perseus STA 449 F1/F3. STA-FT-IR-Kopplung von RT bis 2000 C

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1 Analysieren & Prüfen Perseus STA 449 F1/F3 STA-FT-IR-Kopplung von RT bis 2000 C

2 Perseus Die Revolution in der STA-FT-IR-Kopplung Leistungsstark, kostengünstig und kompakt Die Emissionsgasanalyse (EGA) ist das perfekte Werkzeug zur detaillierten Charakterisierung des thermischen Verhaltens von organischen und anorganischen Festkörpern oder Flüssigkeiten und zur Aufklärung der chemischen und physikalischen Zusammenhänge der zu untersuchenden Prozesse. Die neue Perseus STA 449 F1/F3 ist die unübertroffene Kombination zweier erfolgreicher Geräte: der STA 449 F1/F3 Jupiter von NETZSCH und des ALPHA FT-IR-Spektrometers von Bruker Optics. Ihr beispielloses Design setzt neue Maßstäbe auf dem Gebiet moderner Kopplungssysteme. Aufgrund der Robustheit und Kompaktheit, der hohen Leistungsfähigkeit und des attraktiven Preises sollte diese Gerätekombination in keinem Labor fehlen weder in Universitäten noch in der Industrie. Sie ist für das gesamte Spektrum von Anorganika bis hin zu Polymeren geeignet. Anwendungsgebiete Zersetzung Festkörper-Gas-Reaktionen Analyse der Zusammensetzung Verdampfung, Ausgasen Gasanalyse, die erschwinglich ist Diese unvergleichliche Gerätekombination steht für Kosteneffizienz und innovative Kopplungstechnik. Sie hat das Potential, unentbehrlich für zukünftige Aufgaben zu werden. Jedes bestehende STA 449 F1/F3- System kann mit der neuen Perseus- Kopplung nachgerüstet werden. Verschiedene Öfen sind erhältlich. Weiterführende Informationen Perseus STA 449 F1 ASC mit integriertem FT-IR 2

3 Kein LN 2 erforderlich Der verwendete DLaTGS-Detektor (DLaTGS = L-Alanin dotiertes deuteriertes Triglycinsulfat) erfordert keine Flüssig-Stickstoff-Kühlung. Daher ist dieses System besonders geeignet für den Betrieb mit Probenwechsler (ASC) oder für Langzeit-Messungen. Keine separate Transferleitung Es wird keine Transferleitung mehr benötigt. Die eingebaute beheizbare Gaszelle ist direkt mit dem Gasauslass des Ofens über ein beheizbares Anschlussstück verbunden. Das geringe Volumen dieses kurzen Gaswegs garantiert eine schnelle Ansprechzeit und ist von Vorteil, wenn kondensierbare Gase auftreten. Schemazeichnung des Gaswegs Platzsparendes Design Das FT-IR ist direkt mit dem Ofenauslass der STA verbunden. Eine zusätzliche Standfläche für ein FT-IR neben dem Thermoanalysegerät ist nicht notwendig. Somit ist das gekoppelte System ideal für Laboratorien mit wenig Platz. Technische Daten der Kopplung (Gaszelle, Anschlussstück, FT-IR) Länge/Volumen der Gaszelle Detektor Beheizung der Gaszelle 70 mm / 5,8 ml (keine innenliegenden Spiegel, strahlungskonformes Design) DLaTGS Maximal 200 C, Software-gesteuert Spektralbereich der FT-IR-Daten Fenstermaterial der Gaszelle Beheizung des Anschlussstücks 500 cm -1 bis 6000 cm -1 ZnSe (KBr optional) Optionen Temperaturkontrolliert durch konstante Spannungsquelle 3

4 Umfassende Thermische Charakterisierung im Bereich Polymere Polyoxymethylen POM Polyxymethylen (POM) ist ein weit verbreitetes teilkristallines, thermoplastisches Material. Aufgrund seiner hohen Steifigkeit, ausgezeichneten Bearbeitbarkeit, Abriebfestigkeit und Dimensionsstabilität wird dieses Polymer oft für Präzisionsbauteile verwendet. Bei höheren Temperaturen setzt die Depolymerisation von POM ein, was die Bildung von Formaldehyd zur Folge hat. Um diesen Prozess besser verstehen zu können, wurde eine Polyoxymethylen- Probe von nur 2,92 mg bis 740 C mit einer Heizrate von 20 K/min in Stickstoffatmosphäre aufgeheizt. STA-FT-IR-Experiment, Probenmasse: 2,92 mg, Pt-Tiegel, Heizrate: 20 K/min, N 2 -Atmosphäre; kombinierte Darstellung der TG-Kurve (blau), DTG-Kurve (blau gestrichelte Linie), DSC-Kurve (rot) und Gram-Schmidt-Plot (schwarz gestrichelte Linie) Wie hier gezeigt, zersetzt sich das gesamte Polymer in einem Temperaturbereich, der knapp unterhalb 300 C beginnt und bei ca. 460 C endet. Die maximale Zersetzungsrate (Peak der DTG-Kurve, blau gestrichelt) tritt bei 414 C auf. Die entsprechende DSC- Kurve (rot) zeigt einen Peak bei 171 C, der mit dem Schmelzbereich aus der Literatur übereinstimmt. Die zwei weiteren Peaks bei 389 C und 414 C sind der Zersetzungsreaktion zuzuschreiben und finden ihre Entsprechung in Peaks der DTG-, DSC- und Gram- Schmidt-Kurven bzw. schwach ausgeprägten vorgelagerten Schultern. 4

5 Die NETZSCH Proteus - und die Bruker OPUS-Software sind eng miteinander verzahnt. So wird der Gram-Schmidt- Plot, der sich aus der Integration der FT-IR-Spektren über den gesamten Wellenzahlbereich ergibt, automatisch in die NETZSCH-Messdatei während eines Kopplungstests eingebunden. Die zugehörige drei-dimensionale Darstellung der FT-IR-Spektren (OPUS) beinhaltet sowohl die Temperaturinformation (Z-Achse) als auch zusätzlich die TG-Kurve der STA 449 F1 Jupiter und dient als weiterer Beweis dafür, dass die vollständige Zersetzung im Temperaturbereich zwischen ca. 300 C und 500 C stattfindet. STA-FT-IR-Experiment, 3-dimensionale Darstellung aller gemessenen FT-IR- Spektren Zur Identifikation der freigesetzten Gase wurde das hier gezeigte zweidimensionale Spektrum (rot) bei 410 C aus dem 3-D-Plot extrahiert. Die Bibliothekssuche zeigt, dass sich als Hauptkomponenten Formaldehyd (grün) und CO (blau) gebildet haben. Vergleich des gemessenen Spektrum, extrahiert bei 410 C, und die Ergebnisse der Bibliothekssuche 5

6 Umfassende thermische Charakterisierung im Bereich Biomasse Stroh Stroh ist der Oberbegriff für gedroschene, getrocknete Gertreidehalme und Blätter von Pflanzen, die zur Herstellung von Ölen und Fasern verwendet werden. Zusätzlich zur Verwendung in der Landwirtschaft hat Stroh das Potential, als zukünftiger Energieträger an Bedeutung zu gewinnen. Um das thermische Verhalten von Stroh zu untersuchen, wurden 28,6 mg pulverisiertes Stroh in Stickstoffatmosphäre im Temperaturbereich bis 740 C mit einer Heizrate von 20 K/min untersucht. TG-FT-IR-Experiment, 3-dimensionale Darstellung der gemessenen FT-IR-Spektren 6

7 Die TG-Kurve weist drei Stufen bei 110 C, 298 C und 356 C (jeweils charakterisiert durch die DTG-Peaktemperatur) sowie eine langgezogene Stufe im Temperaturbereich oberhalb von 400 C auf. Die entsprechenden Massenverluste betragen 5 % für die erste Stufe, 33,4 % und 25,3 % für die beiden überlappenden Stufen in der Mitte und 10,7 % für den letzten Effekt. Bei ca. 740 C verbleibt ein Rückstand von 25,6 %. TG-FT-IR-Experiment, Probenmasse: 28,6 mg, Pt/Rh-Tiegel, Heizrate: 20 K/min, N 2 -Atmosphäre; Darstellung der TG-Kurve (blau) und DTG-Kurve (blau gestrichelte Linie) Eine Bibliothekssuche der entsprechenden FT-IR-Spektren offenbart, dass die erste TG-Stufe (110 C) auf Entwässerung zurückzuführen ist, während die Stufen bei 298 C und 356 C der Bildung von Wasser, CO, CO 2, Ameisensäure, Essigsäure und Ethan zuzuschreiben sind. Desweiteren wurde bei ca. 534 C Methan detektiert. In der nebenstehenden Grafik sind exemplarisch die Spuren von Wasser, Kohlenmonoxid und Methan zusammen mit den TG- und DTG-Kurven dargestellt. Die NETZSCH Proteus -Software erlaubt den einfachen Import von FT-IR- Spuren. TG-FT-IR-Experiment, Vergleich der TG-Kurve (blau), der DTG-Kurve (blau gestrichelte Linie) und Spuren von Kohlenmonoxid (rot), Wasser (grün gestrichelte Linie) und Methan (schwarz) 7

8 Aussagekräftige Applikationen im Bereich anorganischer Materialien Lanthanoxid (La 2 O 3 ) Lanthanoxid (La 2 O 3 ) findet großes Interesse als Katalysatormaterial, wird aber u.a. auch zur Herstellung hochwertiger optischer Gläser und zur Erzeugung des reinen Metalls Lanthan verwendet. Lanthanoxid ist hygroskopisch und kann deshalb Wasser aus der Umgebung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Syntheseroute sind Lanthanverbindungen auch mit CO 2 bzw. den daraus gebildeten Lanthancarbonaten verunreinigt. In dem hier gezeigten Beispiel wurden 643,4 mg La 2 O 3 in einen Becher (Volumen: 3,5 ml) eingewogen und bis 1120 C mit 50 K/min in Stickstoffatmosphäre aufgeheizt. Der größere Tiegel ist ideal zur Messung von Proben, die eine geringe Konzentration von Verunreinigungen aufweisen oder die nicht sehr homogen sind. TG-FT-IR-Experiment, 3-dimensionale Darstellung der gemessenen FT-IR-Spektren Die TG-Kurve zeigt mehrere Stufen: Im Temperaturbereich bis 400 C treten einige kleinere überlappende Stufen auf, gefolgt von zwei gut aufgetrennten Stufen bei 510 C und 705 C DTG-Peak-Temperaturen. Der gesamte Massenverlust beträgt 0,43 %. Durch die Auswertung der experimentellen FT-IR-Spektren konnten hauptsächlich Wasser und Kohlendioxid als freigesetzte Gase identifiziert werden. TG-FT-IR-Experiment, Probenmasse: 643,4 mg, Al 2 O 3 -Becher, Heizrate: 50 K/min, N 2 -Atmosphäre; kombinierte Darstellung der TG-Kurve (blau) und DTG-Kurve (blau gestrichelte Linie) 8

9 Der Abbildung ist zu entnehmen, dass die Entwässerung zunächst nur im ersten Teil der Messung unterhalb von 400 C stattfindet; die Bildung von Kohlendioxid ist direkt mit der zweistufigen Zersetzung zwischen 400 C und 800 C verknüpft. Mit Hilfe dieser Information kann der gesamte Wasserverlust mit 0,22 % (oder 1,41 mg) und der freigesetzte CO 2 -Gehalt mit 0,21 % bestimmt werden. TG-FT-IR-Experiment, Vergleich der TG-Kurve (blau) und Spuren von Kohlendioxid (rot) und Wasser (schwarz); in der Vergrößerung (oben rechts) sind drei bei 110 C, 510 C und 707 C aus dem 3D-Würfel (links) extrahierte 2-dimensionalen Spektren gezeigt, die die charakteristischen Absorptionsbanden von Wasser (110 C, blau) und CO 2 (707 C, schwarz) enthalten. Al 2 O 3 -Becher mit Volumen von 5 ml und 3,5 ml La 2 O 3 -Pulver 9

10 Aussagekräftige Applikationen im Bereich anorganischer Materialien Mischung aus Baumaterialien Kalk (CaCO 3 ), Kalkhydrat (Ca(OH) 2 ), Quarzsand (SiO 2 ) und Gips (Dihydrat, CaSO 4 x 2H 2 O) wurden und werden seit langem als klassische mineralische Baumaterialien eingesetzt. In diesem Experiment wurde eine Mischung dieser Substanzen bis 1500 C in Pt/Rh-Tiegeln in Luft mit einer Heizrate von 20 K/min aufgeheizt. Die während der Aufheizung erzeugten TG- und DSC-Kurven sind in unten stehender Grafiken dargestellt. Es treten mehrere TG-Stufen auf, jede mit einem DSC-Peak verbunden, und zwar bei ca. 150 C, 453 C, 779 C, und schließlich zwischen 1300 C und 1400 C. Zusätzlich treten auch DSC- Effekte auf, die keine Entsprechung in der TG-Kurve haben und daher struktureller Natur sind: ein kleiner exothermer bei 362 C, ein kleiner endothermer bei 576 C und ein großer endothermer Effekt bei 1216 C. Es scheint, als würden die verschiedenen Komponenten der Mischung keine Wechselwirkung miteinander eingehen. Lediglich über 1260 C könnte die beobachtete Zersetzung eventuell durch Schmelzen und der Reaktion der Materialien untereinander überlagert sein. Die Kombination von STA und FT-IR ist für die Interpretation solcher komplexen Kurven äußerst hilfreich. STA-FT-IR-Experiment, Probenmasse: 23,6 mg, Pt/Rh-Tiegel, Heizrate: 20 K/min, Luft; kombinierte Darstellung der TG-Kurve (blau), DTG-Kurve (blau gestrichelte Linie) und DSC-Kurve (rot) 10

11 STA-FT-IR-Experiment an einer Mischung von Baumaterialien, 3-dimensionale Darstellung der gemessenen FT-IR-Spektren Im Temperaturbereich bis 500 C wird ausschließlich Wasser freigesetzt. Zunächst aus dem Gips mit einem typischen zweistufigen Wasserverlust vom Dihydrat zum Halbhydrat und dann zum Anhydrat. Der zweite wichtige Effekt (DTG-Peak bei 453 C) entspricht der Entwässerung von Ca(OH) 2. Bei 362 C (kleiner exothermer DSC- Effekt), verwandelt sich das Anhydrat in β-calciumsulfat. Der kleine endotherme DSC-Effekt bei 576 C (siehe Seite 10) ist der α-β-quarzumwandlung zuzuschreiben. STA-FT-IR Experiment, Vergleich der TG-Kurve (blau), der DTG-Kurve (blau gestrichelte Linie) und Spuren von Kohlendioxid (schwarz), Wasser (zyan) und Schwefeldioxid (rot) Bei ca. 780 C findet die Carbonatzersetzung des CaCO 3 statt. Bei 1216 C (DSC, siehe Seite 10) ist eine weitere Umwandlung von β- zu α-calciumsulfat zu erkennen. Unmittelbar danach beginnt sich das Calciumsulfat zu zersetzen. 11

12 Die NETZSCH-Gruppe ist ein deutsches mittelständisches Unternehmen des Maschinen- und Gerätebaus in Familienbesitz mit weltweiten Produktions-, Vertriebs- und Servicegesellschaften. Die Geschäftsbereiche Analysieren & Prüfen, Mahlen & Dispergieren sowie Pumpen & Systeme stehen für individuelle Lösungen auf höchstem Niveau. Mehr als Mitarbeiter in weltweit 210 Vertriebs- und Produktionszentren in 35 Ländern gewährleisten Kundennähe und kompetenten Service. NETZSCH-Technologie ist weltweit führend im Bereich der Thermischen Charakterisierung von annähernd allen Werkstoffen. Wir bieten Komplettlösungen für die Thermische Analyse, die Kalorimetrie (adiabatische und Reaktionskalorimetrie) und die Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften. Basierend auf mehr als 50 Jahren Applikationserfahrung, einer breiten Produktpalette auf dem neuesten Stand der Technik und umfassenden Serviceleistungen erarbeiten wir für Sie Lösungen und Gerätekonfigurationen, die Ihren täglichen Anforderungen mehr als gerecht werden. NETZSCH-Gerätebau GmbH Wittelsbacherstraße Selb Deutschland Tel.: Fax: NGB Perseus STA 449 F1/F3 DE 0315 NWS Technische Änderungen vorbehalten.