Thermoanalysetechniken messen die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien als Funktion der Temperatur. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) überwacht Massenänderungen, während die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) den mit thermischen Übergängen verbundenen Wärmefluss misst.

Thermogravimetrische Analyse (TGA)

Bei der TGA misst eine Präzisionswaage kontinuierlich die Masse einer Probe, während diese in einer definierten Atmosphäre wie N2, O2, Luft oder Ar mit kontrollierter Geschwindigkeit erhitzt oder abgekühlt wird. Eine TGA-Kurve (Thermogramm) stellt Masse oder Massenprozent gegen Temperatur oder Zeit dar, wobei Massenverluste auf Zersetzung, Verdampfung, Desorption oder Oxidation hinweisen. Die erste Ableitung (DTG) hebt die Temperatur der maximalen Zersetzungsrate hervor und hilft bei der Lösung überlappender Ereignisse.

TGA-Instrumentierung

Zur Instrumentierung gehört eine Mikrowaage mit einer Empfindlichkeit von 0,1 µg, die über oder unter dem Ofen angebracht ist, um ihn vor Hitze zu schützen; ein Ofen, der von Umgebungstemperatur auf 1000–1600 °C mit programmierbaren Temperaturrampen von 1–50 °C/min erhitzen kann; ein Spülgassystem, das die Probenatmosphäre steuert, wobei Inertgas wie N2 die Oxidation verhindert, während Luft oder O2 die Verbrennung fördert; und Probenschalen aus Platin, Aluminiumoxid oder Aluminium, ausgewählt basierend auf Temperaturbereich und Probenreaktivität.

TGA-Anwendungen

TGA wird zur Analyse der Zusammensetzung von Polymeren verwendet, einschließlich der Bestimmung des Füllstoffgehalts, des Gehalts an flüchtigen Bestandteilen und der thermischen Stabilität. Oxidations- und Zersetzungsstudien von Pharmazeutika, Schmiermitteln und Katalysatoren; Bestimmung des Feuchtigkeits- und Aschegehalts in Kohle, Lebensmitteln und Baumaterialien; und kinetische Analyse von Zersetzungsreaktionen unter Verwendung der Ozawa-Flynn-Wall- oder Kissinger-Methoden.

Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)

Bei der DSC werden die Probe und eine inerte Referenz mit der gleichen Geschwindigkeit erhitzt und der Unterschied im Wärmefluss, der zur Aufrechterhaltung der Temperaturgleichheit erforderlich ist, wird aufgezeichnet. Endotherme Ereignisse wie Schmelzen, Glasübergang und Dehydrierung absorbieren Wärme, während exotherme Ereignisse wie Kristallisation, Oxidation und Aushärtung Wärme freisetzen. Eine DSC-Kurve stellt den Wärmefluss in mW gegen die Temperatur dar, und die Peakfläche ist proportional zur Enthalpieänderung (ΔH).

DSC-Anwendungen

DSC wird zur Schmelzpunktbestimmung und Reinheitsanalyse kristalliner Pharmazeutika verwendet; Messung der Glasübergangstemperatur (Tg) für Polymere und amorphe Materialien; Kristallisationskinetik und Kristallinitätsgrad in teilkristallinen Polymeren; Identifizierung von Polymorphen in Arzneimittelsubstanzen, da verschiedene Kristallformen unterschiedliche Schmelzpunkte haben; und Oxidationsstabilität von Ölen und Fetten durch Messung der Oxidationsbeginntemperatur.

Komplementäre Techniken

TGA und DSC werden häufig in einem einzigen Instrument kombiniert, das als simultane TGA-DSC oder STA bezeichnet wird, um Massenänderungen mit thermischen Ereignissen zu korrelieren. TGA-MS und TGA-FTIR koppeln TGA mit Massenspektrometrie oder Infrarotspektroskopie, um während der Zersetzung entstehende Gase zu identifizieren. Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) misst viskoelastische Eigenschaften und ergänzt die DSC zur Polymercharakterisierung.