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)
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)
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)
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.
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.
