ISO 11358 Kunststoffe – Thermogravimetrie (TG) von Polymeren

Die von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) entwickelte Norm „ISO 11358 Kunststoffe – Thermogravimetrie (TG) von Polymeren“ besteht im Wesentlichen aus den folgenden drei Abschnitten, die unter demselben Titel veröffentlicht wurden:

• „ISO 11358-1 Teil 1: Allgemeine Grundsätze“ beschreibt die allgemeinen Bedingungen für die Analyse von Polymeren mit thermogravimetrischen Methoden. Sie ist für Flüssigkeiten und Feststoffe gültig. Feststoffe können in Form von Pellets, Granulaten oder Pulvern vorliegen. Auch hergestellte Formen, die auf eine geeignete Probengröße reduziert wurden, können mit dieser Methode analysiert werden. Diese Norm legt Methoden zur Untersuchung physikalischer Effekte und chemischer Reaktionen im Zusammenhang mit Massenänderungen fest. Außerdem wird diese Norm verwendet, um Temperatur und Zersetzungsgeschwindigkeit von Polymeren zu bestimmen und die Menge flüchtiger Stoffe, Additive und Füllstoffe zu messen, die sie enthalten. Diese Norm ist auch gültig für Messungen im dynamischen Modus (Temperatur oder Zeit entsprechend der Massenänderung unter programmierten Temperaturbedingungen) oder isothermen Modus (Zeit entsprechend der Massenänderung bei konstanter Temperatur). Diese Norm ist gültig für Messungen in verschiedenen Testatmosphären, wie beispielsweise die Trennung von Zersetzung und oxidativem Abbau in einer inerten Atmosphäre.

Für die Zwecke dieser Norm gelten die folgenden Begriffe und Definitionen:

• Bei der dynamischen Bestimmung der Massenänderung handelt es sich um eine Technik zur Aufzeichnung der Massenänderung einer Testprobe in Abhängigkeit von der Temperatur, während diese sich mit einer programmierten Rate ändert.
• Die isotherme Massenänderungsbestimmung ist eine Technik zur Aufzeichnung der Massenänderung einer Testprobe im Laufe der Zeit bei konstanter Temperatur.
• Die Curietemperatur bezeichnet die Temperatur, bei der ein ferromagnetisches Material vom ferromagnetischen in den paramagnetischen Zustand oder umgekehrt übergeht.

Eine Testprobe wird durch ein kontrolliertes Temperaturprogramm mit festgelegten Raten erhitzt und die Massenänderung als Funktion der Temperatur gemessen (dynamische Massenänderungsbestimmung). Alternativ wird die Probe auf einer bestimmten konstanten Temperatur gehalten und die Massenänderung als Funktion der Zeit über einen festgelegten Zeitraum gemessen (isotherme Massenänderungsbestimmung).

Während der Messung wird die Testprobe in einer kontrollierten inerten, oxidierenden oder anderweitig reaktiven Atmosphäre gehalten. Im Allgemeinen handelt es sich bei Reaktionen, die eine Veränderung der Masse einer Testprobe bewirken, um Zersetzungs- oder Oxidationsreaktionen oder die Verdampfung einer Komponente. Teilweise können auch Messungen mit speziellen Reaktionsgasen durchgeführt werden.

Die Änderung der Masse im Verhältnis zur Temperatur oder Zeit wird als thermogravimetrische (TG-)Kurve aufgezeichnet. Die Änderung der Masse eines Materials mit der Temperatur und das Ausmaß dieser Änderung sind Indikatoren für die thermische Stabilität des Materials. Daher können thermogravimetrische Daten verwendet werden, um die relative thermische Stabilität von Polymeren derselben allgemeinen Familie und Polymer-Polymer- oder Polymer-Additiv-Wechselwirkungen anhand von Messungen zu bewerten, die unter denselben Testbedingungen durchgeführt werden.

• Die Norm „ISO 11358-2 Teil 2: Bestimmung der Aktivierungsenergie“ beschreibt ein Testverfahren zur Bestimmung der Aktivierungsenergie in der Arrhenius-Formel für die Trennung von Polymeren mittels einer thermogravimetrischen Technik. Diese Methode ist nur anwendbar, wenn die Reaktion nach einem einzigen Mechanismus abläuft. Dieses Verfahren kann auf mehrstufige Reaktionen angewendet werden, wenn die Reaktion aus klar getrennten einstufigen Schritten besteht.

Für die Zwecke dieser Norm gelten die folgenden Begriffe und Definitionen:

• Die Arrhenius-Formel ist eine Formel, die die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion darstellt.
• Aktivierungsenergie ist die Energie über dem Grundzustand, die einem atomaren oder molekularen System hinzugefügt werden muss, damit ein bestimmter Prozess stattfinden kann.
• Der Umwandlungsgrad bezieht sich auf die Menge des Produkts, die zu einem bestimmten Zeitpunkt und bei einer bestimmten Temperatur während einer Reaktion vorhanden ist, im Vergleich zur endgültigen Produktmenge.

Die Testproben werden mit mehreren unterschiedlichen Heizraten erhitzt und die Massenänderung als Funktion der Temperatur gemessen. Für jede Heizrate werden die den jeweiligen Umwandlungsgraden entsprechenden Temperaturen ermittelt. Bei gegebenem Umwandlungsgrad wird der Logarithmus der Heizrate gegen den Kehrwert der absoluten Temperatur aufgetragen und aus der Steigung der so erhaltenen Geraden die Aktivierungsenergie berechnet.

• In der Norm „ISO 11358-3 Teil 3: Bestimmung der Aktivierungsenergie mithilfe des Ozawa-Friedman-Diagramms und Analyse der Reaktionskinetik“ wird eine Analysemethode zur Bestimmung der Aktivierungsenergie mithilfe des Ozawa-Friedman-Diagramms erläutert. Darüber hinaus legt diese Norm die Erstellung von Masterdiagrammen zur Überprüfung der durch Thermogravimetrie ermittelten Reaktionskinetik fest. Das Ozawa-Friedman-Diagramm (Logarithmus der Massenverlustrate bei einem gegebenen Massenverlust multipliziert mit dem Kehrwert der absoluten Temperatur) ist eine Ableitungsmethode in der thermischen Analyse, die auf Daten angewendet werden kann, die bei jeder Art von Temperaturänderung gewonnen wurden. Zum Beispiel isotherm, konstante Heizrate, probengesteuerte Thermoanalyse, Temperatursprung und wiederholter Temperaturdurchlauf.

Die für die Zwecke dieser Norm verwendeten Formeln für die Umrechnung, die verallgemeinerte Zeit und das verallgemeinerte Umrechnungsverhältnis sind in der Norm angegeben. Darüber hinaus bezieht sich der Begriff „Masterkurve“ auf den Graphen, der zur Auswertung von Ergebnissen und zur Untersuchung reaktionskinetischer Modelle verwendet werden kann. Beispiele für Masterkurven sind verallgemeinerte Zeit im Vergleich zur Transformation, verallgemeinerte Konvertierungsrate im Vergleich zur Transformation und verallgemeinerte Konvertierungsrate im Vergleich zur Zeit.

Dabei werden die Prüflinge mit einem beliebigen Temperaturprofil erhitzt und die Masseänderung in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit gemessen. Für eine gegebene Transformation wird der Logarithmus der Transformationsrate mit dem Kehrwert der absoluten Temperatur verglichen und die Aktivierungsenergie aus der Steigung der an die so erhaltenen Daten angepassten Geraden berechnet. Mindestens zwei der Masterkurven dienen zur Validierung der Reaktionskinetikanalyse.

Unsere Organisation, die seit Jahren versucht, Unternehmen aus allen Branchen mit einer breiten Palette von Test-, Mess-, Analyse- und Bewertungsstudien zu unterstützen, verfügt über einen starken Mitarbeiterstamm, der die Entwicklungen in der Welt der Wissenschaft und Technologie aufmerksam verfolgt und sich ständig verbessert. In diesem Zusammenhang werden für Unternehmen auch Prüfdienstleistungen nach der Norm „ISO 11358 Kunststoffe – Thermogravimetrie (TG) von Polymeren“ angeboten.