Autoren: Tim Gestrich | Michael Stelter

Thermogravimetrie: Dem Geheimnis des Rauchs auf der Spur

19.12.2017

Hinter unserem heutigen Türchen beginnen wir, das Geheimnis des Rauches zu lüften. Wir wissen nun, wie heiß das Kerzchen wird, bei welcher Temperatur es sich zersetzt und welche Wärme es freisetzt. Wir wissen noch nicht, wann und wie der Rauch entsteht und wie er zusammengesetzt ist.

Dies sind komplexe Fragen, die wir im Fraunhofer IKTS mit komplexen Methoden beantworten. Genau genommen mit dem Zusammenschalten von zwei oder mehr Messmethoden, der sogenannten Methodenkopplung.

Wir kennen ja schon das Verfahren, bei dem eine Materialprobe aus unserem Räucherkerzchen einer kontinuierlich ansteigenden Temperatur unterworfen wird und man die dabei auftretenden Temperaturänderungen misst. Etwas Ähnliches kann man tun, indem man die Probe – wieder in einem kleinen Tiegel – einem kontrollierten Temperaturanstieg aussetzt und die dabei auftretenden Änderungen der Masse aufzeichnet. Je mehr von dem Kerzchen dabei verbrennt oder verdampft, desto leichter müsste es werden. Diese Methode nennt sich Thermogravimetrie (TG).

Thermogravimetrie einer Räucherkerze: Messen der  Masseänderung (TG) und der Masseänderungsrate (DTG).
© Fraunhofer IKTS

Verlauf der Masseänderung (TG) und der Masseänderungsrate (DTG) mit charakteristischen Temperaturen und Masseänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur.

In der Grafik können Sie die Masseabnahme über der Temperatur an der schwarzen Linie erkennen. Während ganz links bei Raumtemperatur die Masse noch bei 100 Prozent liegt, nimmt sie nach rechts und steigender Temperatur immer weiter ab. Knapp über 600 °C ist die Restmasse noch bei lediglich 15 Prozent und ändert sich ab da nicht mehr. Das Kerzchen scheint also vollständig zu Asche zerfallen zu sein.

Damit man den Effekt besser erkennen kann, ist die blaue Linie eingezeichnet. Sie kennzeichnet die erste Ableitung der schwarzen Linie und gibt somit die Rate der Massenänderung an. Wir sehen, dass bei ca. 302 °C eine starke Massenabnahme zu verzeichnen ist und dann noch einmal bei ca. 502 °C – hier »passiert am meisten«.

In der Wissenschaft kann diese Methode sehr gut eingesetzt werden, um die Massenänderungen von Rohstoffen oder Bauteilen bei bestimmten Temperaturen zu bestimmen. Oft ist es so, dass sich oberhalb einer definierten Temperatur in der Probe etwas zersetzt oder etwas ausdampft. Anhand der Lage der Temperaturen kann schon eine erste Abschätzung getroffen werden, was genau abdampft. Wasser beispielsweise wird bevorzugt bei 100 °C abgegeben. Auch die Menge kann anhand der Fläche unter den Peaks sehr gut rechnerisch bestimmt werden.

 

Tauchen Sie tiefer ein in die thermische Analyse und Thermophysik in der Hochleistungskeramik und entdecken Sie dabei, wie komplex und vielfältig ein solches Thema sein kann.

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