Rezepturen und Substanzen Archive - Elastomer Institut by OPR Group GmbH

Thermogravimetrische Analyse (TGA)

econsor — Mon, 23 Aug 2021 09:18:33 +0000

Thermogravimetrische Analyse (TGA)

Rezepturprüfung

Bedeutung und Prüfung

Elastomere und thermoplastische Elastomere sind Mischungen aus zahlreichen Inhaltsstoffen. Neben Kautschuk enthalten sie Hilfs- und Zuschlagstoffe, Verarbeitungshilfen, Weichmacher, Vernetzer, Füllstoffe und Verstärkungsstoffe. Sowohl die Komponenten selbst als auch deren Anteil in der Gummimischung spielen für die späteren Gebrauchseigenschaften der Bauteile eine Rolle.

Anhand einer thermogravimetrische Analyse (TGA) lassen sich innerhalb bestimmter Grenzen die Zusammensetzung einer Elastomer-Rezeptur beschreiben und die Anteile der Hauptkomponenten schnell und reproduzierbar messen.

Die Auswertung einer Rezeptur mittels TGA erlaubt die quantitative Ermittlung der Mischungsbestandteile, aufgeteilt in

verdampfbare bzw. flüchtige Bestandteile (überwiegend Weichmacher)
pyrolysierbare Bestandteile (überwiegend Polymer bzw. Kautschuk)
oxidierbare Bestandteile (überwiegend Ruß)
nicht oxidierbare Bestandteile, auch als Ascherest bezeichnet (Füllstoffe, v.a. Metalloxide)

Bedeutung der TGA für die Anwendungstechnik

Die TGA ist eine hilfreiche Methode, um im Rahmen einer Erstbemusterung die Rezeptur eines Gummiwerkstoffes zu prüfen und im Zweifelsfall bei der Serienüberwachung zu Rate zu ziehen. Auch bei Schadensanalysen liefert eine TGA wertvolle Informationen und erlaubt oft wichtige Rückschlüsse.

Die Prüfung mittels TGA

Definitionen und Prüfungen zur Bestimmung der Zusammensetzung von Polymeren mithilfe der TGA finden sich in verschiedenen Normen und Prüfvorschriften. Dazu gehören DIN EN ISO 11358, ISO 9924 oder VDA 675 135.

Für die Prüfung wird eine Werkstoffprobe von ca. 10 mg kontinuierlich bis auf maximal 1000 °C erhitzt und dabei der relative Gewichtsverlust des Materials über der Temperatur ermittelt und in einem Diagramm als Kurve aufgetragen. Beim Erhitzen lösen sich zuerst die verdampfbaren Bestandteile aus dem Material bis es dann zu einer schlagartigen Zersetzung des Polymers (=Pyrolyse) kommt. Danach können dann die oxidierten Bestandteile Hinweise auf den Rußanteil liefern. Zurück bleibt der Ascherest.

Die ermittelte TGA-Kurve ist charakteristisch für eine Elastomerrezeptur.

Downloads

Mehr Informationen zur physikalischen Analytik und thermogravimetrischen Analyse finden Sie in unseren Fachaufsätzen.

Physikalische, analytische Prüfverfahren

In dem Bericht aus dem Jahr 2016 stellen die Autoren Bernd Sprenger, Dipl.-Ing. Bernhard Richter und Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Blobner die drei wichtigsten Verfahren der physikalischen Analytik für Elastomere vor. Erklärt werden die Verfahren der Thermogravimetrischen Analyse (TGA), der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) und der Dynamisch-mechanischen Analyse (DMA).

PDF laden

Der Beitrag Thermogravimetrische Analyse (TGA) erschien zuerst auf Elastomer Institut by OPR Group GmbH.

Infrarotspektroskopie (IR-Analyse)

econsor — Sun, 22 Aug 2021 09:20:48 +0000

Infrarotspektroskopie (IR-Analyse)

Polymerbestimmung und Substanznachweis

Bedeutung und Prüfung

Die Infrarotspektroskopie, kurz IR-Spektroskopie, ist eine einfache und schnelle Methode das Polymer und die Inhaltsstoffe einer Elastomermischung zu bestimmen.

Über Bestrahlung von Materialproben mit elektromagnetischen Wellen im Infrarot-Bereich lassen sich Resonanz-Schwingungen verschiedener organischer Molekülverbindungen nachweisen.

Damit werden insbesondere bei Elastomeren die funktionellen Gruppen nachgewiesen, was eine relativ sichere Polymerbestimmung zulässt.

Die IR-Spektroskopie ist jedoch keine Spurenanalytik. Die Nachweißgrenze liegt bei 2 bis 5%, in Ausnahmefällen kann sie jedoch auch wesentlich empfindlicher sein.

Heutzutage werden überwiegend Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer (FTIR) eingesetzt. Diese bieten gegenüber den früher üblichen dispersiven Spektrometern einige entscheidende Vorteile. So sind beispielsweise die Messzeiten relativ kurz und die erhaltenen Signale stark.

Arten der Probenaufbereitung und Analyse

Da die meisten Elastomere schwarz und somit nicht licht- und Infrarot-durchlässig sind, erfordert dies spezielle Techniken der Probenaufbereitung. Bei der Pyrolyse-FTIR wird der kondensierte Dampf, der dann infrarot-durchlässig ist, einer thermisch zersetzten Elastomerprobe analysiert. Die abgeschwächte Totalreflexion (ATR) ist eine Probennahme-Methode, bei der Licht auf eine Probe geworfen wird, um Informationen über deren Struktur und Zusammensetzung zu erhalten. Sie ermöglicht die Analyse von festen und flüssigen Materialproben.

Auch Extrakte von Elastomeren werden analysiert. Eine Heißextraktion trennt viele Rezepturbestandteile vom Kautschuk wodurch diese sich besser auflösen lassen und während der IR-Spektroskopie nachgewiesen werden können.

Bedeutung der IR-Spektroskopie für die Anwendungstechnik

Die FTIT-Analyse ist in der Elastomertechnik ein häufig eingesetzten Analyseverfahren. Sie erlaubt im Rahmen einer Qualitätssicherung mit überschaubarem Aufwand, schnell und einfach Polymere zu bestimmen. Auch besitzt jede Rezeptur ein typisches ATR-Banden-spektrum (mittlere Auflösung) sowie ein typisches Spektrum der Extrakte (hohe Auflösung). Dieses wird genutzt, um den Bemusterungszustand einer Rezeptur im Hinblick auf enthaltene Stoffe zu belegen. Kombiniert mit weiteren Analysetechniken ist die IR-Spektroskopie mit ihren Sonderformen ein bewährtes Mittel bei der Schadensanalytik.

Die Prüfung mittels IR-Spektroskopie

Bei der IR-Spektroskopie wird eine Materialprobe mit elektromagnetischen Wellen im Infrarot Bereich bestrahlt. Die Absorption dieser Strahlung regt bestimmte organische Molekülverbindungen im Material zum Schwingen an. Diese Resonanz-Schwingungen werden als Banden eines IR-Spektrums in einem Diagramm dargestellt und anhand von Referenzspektren identifiziert.

Download: DICHT! Sonderausgabe O-Ring Prüflabor Richter

Ausführlichere Informationen zur IR-Spektroskopie finden Sie auch in folgendem Sonderdruck der DICHT!, er umfasst alle neun Folgen einer von den Bernhard Richter, Ulrich Blobner und Bernd Sprenger verfassten Artikelserie, die in der Zeitschrift „DICHT!“ über einen Zeitraum von fast drei Jahren erschien. Hier finden Sie das gesammelte Wissen rund um Elastomerprüfung. Im Detail erfahren Sie mehr über physikalische Prüfungen, chemisch analytische Prüfverfahren und die Schadensanalyse.

PDF laden

Der Beitrag Infrarotspektroskopie (IR-Analyse) erschien zuerst auf Elastomer Institut by OPR Group GmbH.

Gaschromatographie mit Massenspektrometrie (GC/MS)

econsor — Sat, 21 Aug 2021 09:22:50 +0000

Gaschromatographie mit Massenspektrometrie

(GC/MS)

Zusammensetzung von Elastomeren und Nachweis von Inhaltsstoffen

Bedeutung und Prüfung

Die Gaschromatographie mit gekoppelter Massenspektrometrie (GC/MS) erlaubt einen tieferen Einblick in die Zusammensetzung von Elastomeren. Sie ist eine analytische Methode, mittels derer an geringsten Probenmengen von wenigen Mikrogramm nahezu alle Materialien, unabhängig ob fest oder flüssig, ohne aufwändiges Vorbereiten der Proben charakterisiert werden können. Sie gibt Aufschluss über die Art der Kunststoffe, die Zusammensetzung von Materialien, über zugesetzte Additive oder enthaltene Fremdstoffe.

Es existieren unterschiedliche GC-MS Methoden, die sich dafür eignen, Polymere und andere Werkstoffe zu untersuchen. Die Nachweisgrenzen sind generell sehr niedrig und liegen bei allen Varianten dieser Analysetechnik im ppm Bereich. Daher genügen bereits kleinste Probenmengen, um selbst feinste Spuren einzelner Substanzen nachweisen zu können. Der Einsatz der GC/MS beginnt gewissermaßen dort, wo die IR-Analyse endet.

Bedeutung der GC/MS für die Anwendungstechnik

Die GC/MS kommt in erster Linie in der Schadensanalyse von Elastomer- und anderen Polymerprodukten zum Einsatz. Mit ihr können beispielsweise eindiffundierte Fremdstoffe in Elastomeren analysiert und damit belastbare Aussagen zu einem möglichen chemischen Materialangriff getroffen werden.

Zunehmende Bedeutung gewinnt dieses Analyseverfahren auch beim Nachweis von Stoffen, welche als gesundheits- oder umweltschädlich eingestuft sind. In unserem Prüflabor nutzen wir die Methoden der GC/MS beispielsweise dazu, organische Emissionen nichtmetallischer KFZ-Werkstoffe nach VDA 278 nachzuweisen oder den Gehalt an Siloxanen nach PV 3055 und PV 3040 zu bestimmen.

Daneben erlaubt es die GC/MS quantitative und qualitative Aussagen zur Zusammensetzung von Elastomeren und anderen Kunststoffen zu treffen, Materialien zu charakterisieren, sie miteinander zu vergleichen oder neu entwickelte Werkstoffe zu beurteilen. Schlussendlich schaffen die in der GC/MS gewonnenen Daten eine belastbare Basis für die Qualitätssicherung von Polymerprodukten.

Die Prüfung mithilfe der GC/MS

Alle Varianten der GC/MS basieren auf demselben Grundprinzip: Erhitzen – Trennen – Analysieren

Für die Analyse wird eine Probe erhitzt und in einen gasförmigen Zustand überführt. Das so entstandene Gasgemisch wandert durch einen Kanal, die sogenannte Kapillar-Trennsäule, und wird dabei für die anschließende Analyse in seine Bestandteile aufgetrennt. Die bei der Analyse gewonnenen Chromatogramme und Massenspektren erlauben es, Substanzen aufzuspüren und die Beschaffenheit der Komponenten zu untersuchen.

Einer der wesentlichen Unterschiede der verfügbaren GC/MS Messmethoden ist die Höhe der Temperatur mit der gearbeitet wird. Liegt diese bei Polymeren oberhalb der Zersetzungstemperatur ihrer Polymermatrix, kommt es zur Pyrolyse des Materials. Wird mit Temperaturen unterhalb dieser Zersetzungsgrenze gearbeitet, bleibt die Matrix erhalten. In diesem Fall handelt es sich um eine Thermodesorption.

Bei der Arbeit mit Polymeren können, je nach Zielsetzung, sowohl hohe als auch niedrige Temperaturen sinnvoll sein, um bestmögliche Analyseergebnisse zu erzielen.

Methoden der GC/MS

In unserer Analytik-Abteilung untersuchen wir daher Elastomere und andere Kunststoffe mit den folgenden GC/MS Messmethoden.

Pyrolyse-Gaschromatographie (PY-GC/MS)

Erhitzen und zersetzen

Eigenschaften

Eine sehr häufig für Polymere eingesetzte Methode ist die Pyrolyse-Gaschromatographie. Mit ihr lassen sich die Materialstruktur und die enthaltenen organischen Additive eines Polymers gut untersuchen. Bei der PY-GC/MS sind sehr geringe Probenmengen von nur 2 – 500 µg ausreichend, um sinnvolle Ergebnisse erzielen zu können. Üblicherweise ist es nicht notwendig, die Materialproben in größerem Stil aufzubereiten, wodurch der Aufwand bei einer Analyse überschaubar bleibt.

Ablauf

Eine Materialprobe wird auf 500 – 1400 °C, also über die Zersetzungstemperatur des Polymers, erhitzt. Dabei entsteht ein Gasgemisch, das sowohl flüchtige Substanzen als auch Zersetzungsprodukte der Polymermatrix oder Additive enthält. Dieses Gasgemisch wird mittels der Kapillar-Trennsäule getrennt und im Anschluss analysiert.

Besonderheiten

Durch die geringen Probenmengen und die große Anzahl an Substanzen im gewonnenen Gasgemisch stößt die PY-GC/MS mitunter an ihre Grenzen. So können die Messergebnisse bei sehr heterogenen Polymeren stark streuen oder die ermittelten Chromatogramme aufgrund der Fülle unterschiedlicher Substanzen unübersichtlich werden. In diesen Fällen ist es hilfreich, auf andere GC/MS Varianten auszuweichen oder die Untersuchung mit anderen Methoden der Materialanalytik zu ergänzen.

Double-Shot Methode - Die Kombination

Double-Shot Methode

Die Kombination aus Pyrolyse und Thermodesporption

Eigenschaften

Bei der Double-Shot Methode werden die beiden vorgenannten Verfahren kombiniert, um flüchtige und höher siedende polymere Bestandteile separat zu analysieren. Dabei durchläuft ein und dieselbe Materialprobe zuerst eine Thermodesorption (TD-GC/MS und im Anschluss dann die Pyrolyse (PY-GC/MS).

Besonderheiten

Obwohl die Polymermatrix zuletzt zersetzt wird, bleiben auf diese Weise die Chromatogramme der Pyrolyse-Gaschromatographie übersichtlicher, da die flüchtigen Bestandteile bereits im ersten Schritt das Material verlassen haben.

Thermodesorptions- Gaschromatographie (TD-GC/MS)

Erhitzen unterhalb der Zersetzungstemperatur

Eigenschaften

Die Analyse mit der Thermodesorptions-Gaschromatographie erfolgt bei Temperaturen unterhalb der materialabhängigen Zersetzungsgrenze eines Polymers. Dabei werden dem Material nur die flüchtigen Komponenten entlockt, über die Kapillar-Trennsäule geleitet und entsprechend für die Analyse in ihre Einzelteile aufgetrennt. Auf diese Weise enthält das gewonnene Gasgemisch weit weniger verschiedene Substanzen und die ermittelten Chromatogramme sind entsprechenden übersichtlicher.

Besonderheiten

Bei der TD-GC/MS ist es besonders knifflig, die richtige Temperatur herauszufinden, bei der die unzerstörten Additive mobilisiert werden und die Polymermatrix noch in Takt bleibt. Daneben ist auch die Auswahl der Probenmenge recht anspruchsvoll. Diese hängt vom Anteil der im Polymer enthaltenen flüchtigen Bestandteile ab und kann entsprechend variieren. Ziel ist es, so viel Material zu analysieren, dass selbst geringe Mengen einzelner Substanzen gefunden werden, ohne jedoch die Kapillar-Trennsäule zu überfrachten. Bei unbekannten Materialien ist es daher hilfreich, zuerst eine TGA (Thermogravimetrische Analyse) durchzuführen, um den Anteil flüchtiger Komponenten zu ermitteln.

Headspace-Technik (HS-GC/MS)

Erhitzen bei niedrigen Temperaturen

Eigenschaften

In der Headspace-Technik kommen ebenfalls eher niedrige Temperaturen zum Einsatz, um die Polymermatrix zu schützen. Normalerweise arbeiten wir hier unterhalb von 150 °C. Im Unterschied zu den vorgenannten Methoden, befindet sich die Materialprobe während des Erhitzens jedoch in einem geschlossenen Gefäß, wodurch ein Gleichgewicht zwischen fest, flüssig und gasförmig entsteht. Die Headspace-Technik kennt zwei Varianten, eine statische (S-HS-GC/MS) und eine dynamische (D-HS-GC/MS), die sich überwiegend darin unterscheiden, wie das entstandene Gasgemisch aus dem Gefäß entnommen wird.

Besonderheiten

Die Headspace-Technik überzeugt besonders bei Materialien mit geringer thermischer Stabilität und lässt sich bestens automatisieren. Daneben erlaubt die HS-GC/MS auch größere Probenmengen über 100 mg, was allerdings einen etwas höheren Aufwand für die Probenvorbereitung mit sich bringt.

Downloads

Ausführliche Informationen zu den Methoden der Gaschromatographie mit gekoppelter Massenspektrometrie GC/MS finden Sie in unseren Fachberichten.

GC/MS-Analyse an Elastomeren und anderen Polymeren

Die Gaschromatographie mit gekoppelter Massenspektroskopie ist ein wichtiges Verfahren zur Analyse von Polymeren. Der Bericht beschreibt die unterschiedlichen GC/MS-Messmethoden und deren Einsatzmöglichkeiten.

PDF laden

DICHT! Sonderausgabe O-Ring Prüflabor Richter

Weitere Informationen zur Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung finden Sie auch in folgendem Sonderdruck der DICHT!. Er er umfasst alle neun Folgen einer von den Bernhard Richter, Ulrich Blobner und Bernd Sprenger verfassten Artikelserie, die in der Zeitschrift „DICHT!“ über einen Zeitraum von fast drei Jahren erschien. Hier finden Sie das gesammelte Wissen rund um Elastomerprüfung. Im Detail erfahren Sie mehr über physikalische Prüfungen, chemisch analytische Prüfverfahren und die Schadensanalyse.

PDF laden

Der Beitrag Gaschromatographie mit Massenspektrometrie (GC/MS) erschien zuerst auf Elastomer Institut by OPR Group GmbH.

Rasterelektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntgenspektroskopie (REM-EDX)

econsor — Fri, 20 Aug 2021 09:24:18 +0000

Rasterelektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntgenspektroskopie

(REM-EDX)

Zusammensetzung von Elastomeren und Substanzbestimmung

Bedeutung und Prüfung

Mit einem Rasterelektronenmikroskop werden auch winzige Details an untersuchten Materialproben erkennbar. So zeigt das REM neben Strukturunterschieden auch Materialunterschiede auf. Durch die hohen Auflösungen von wenigen Nanometer und die enorme Schärfentiefe bekommen die Aufnahmen einen dreidimensionalen Charakter.

Über die kombinierte EDX-Analyse lässt sich parallel zur REM die Element-Zusammensetzung kleinster Partikel im Material ermitteln. So stellt die Kombination aus Rastereletronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie, kurz REM-EDX, eine sehr gute Ergänzung bestehender Analyse-Verfahren dar und findet regelmäßig Anwendung in der Schadensanalyse.

Bedeutung der REM-EDX-Analyse für die Anwendungstechnik

Der Hauptnutzen der REM-EDX-Analyse liegt in der Schadensanalyse, überall dort, wo andere Analysemethoden an ihre Grenzen stoßen. So macht das REM Inhomogenität, Risse und Beschädigungen sichtbar und im Gegensatz zur GC-MS erlaubt es die EDX, auch anorganische Verbindungen, wie etwa Metalloxide, im und auf dem Material zu analysieren. So ist möglich im Schadensfall Verursacher nachzuweisen oder potentielle Verursacher auszuschließen.

Funktionsprinzip des REM-EDX

Bei der REM-Analyse wird ein fein fokussierter Elektronenstrahl über eine Materialprobe geführt. Die Elektronen treten beim Auftreffen auf der Oberfläche in Wechselwirkung mit den Atomen der Materialprobe. Dabei wird Energie abgestrahlt, die von Detektoren erfasst und in Bildwerte umgerechnet werden. Sichtbar wird eine hochaufgelöstes Aufnahme der Materialoberfläche.

Auch die EDX-Analyse basiert auf der Anregung der Atome des Probenmaterials mithilfe eines Elektronenstrahls. Die angeregten Atome senden eine für das jeweilige Element charakteristische Röntgenstrahlung zurück. Diese Strahlung gibt Aufschluss über die einzelnen Elemente und damit über die Zusammensetzung der Probe. Das Ergebniss einer EDX Analyse ist ein Spektrum der Inhaltsstoffe eines zuvor definierten Bereichs oder Partikels der Materialoberfläche.

Bild der EDX-Analyse eines Partikels

In der Aufname aus der EDX-Analyse einer Probe sind Partikel gut sichtbar. Die ermittelten Spektren der Elementanalyse werden den einzelnen Bereichen in der Aufnahme zugeordnet.

Spektrum der EDX-Analyse eines Partikels

Nach der Elementanalyse ergibt sich für einen definierten Partikel ein spezifisches Spektrum.

Der Beitrag Rasterelektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntgenspektroskopie (REM-EDX) erschien zuerst auf Elastomer Institut by OPR Group GmbH.