Simultane Thermische Analyse –STA 449 F5 Jupiter®Methode, Technik und Applikationen

2

EASY TO CHOOSE. EASY TO USE.

Einfache Bedienung bei höchster Leistungsfähigkeit

3

Simultane Thermische Analyse zwei sich ergänzende Methoden

Simultane Thermische Analyse (STA) bezeichnet die gleichzeitige Anwendung von Thermogravimetrie (TG) und Differenz-Thermoanalyse (DTA) oder Dynamischer Differenz-Kalorimetrie (DSC) auf ein und dieselbe Probe in ein und demselben Gerät. Die Messbedingungen in der STA sind vollkommen identisch für die TG- und DTA/DSC-Signale (gleiche Atmosphäre, Gasflussrate, Heizrate, thermischer Kontakt zum Probentiegel und Sensor usw.). Zusätzlich wird der Probendurchsatz durch das simultane Aufzeichnen von mehreren Informationen erhöht.

DSC-Möglichkeiten

∙ Schmelz-/Kristallisations- verhalten ∙ Festkörperübergänge ∙ Polymorphe Umwandlungen ∙ Kristallinitätsgrad ∙ Glasübergänge ∙ Vernetzungsreaktionen ∙ Oxidationsstabilität ∙ Reinheitsbestimmung ∙ Thermokinetics

TG-Möglichkeiten

∙ Massenänderungen ∙ Temperaturbeständigkeit ∙ Oxidations-/Reduktions- verhalten ∙ Zersetzung ∙ Korrosion ∙ Analyse der Zusammensetzung ∙ Thermokinetics

Norm* Beschreibung

ISO 11358 Kunststoffe – Thermogravimetrie (TG) von Polymeren

ASTM D3895Standard Test Method for Oxidative-Induction Time of Polyolefins by Differential Scanning Calorimetry

DIN 51004Bestimmung der Schmelztemperaturen kristalliner Stoffe mit der Differenzthermoanalyse

DIN 51006 Thermische Analyse (TA) – Thermogravimetrie (TG)

DIN 51007 Differenzthermoanalyse (Grundlagen)

* Abhängig von Gerätekonfiguration

4

Anwenderfreundlich

Die STA 449 F5 Jupiter® ist auf einfachste Bedienbarkeit ausgelegt. Diemotorisierte Hubvorrichtung und dieoberschalige Anordnung der Waagegarantieren einen sicheren Proben-wechsel. Das integrierte Softwaremodul TG-BeFlat® sorgt für flache Basislinien; zeitaufwändige Auftriebskorrekturen entfallen somit. Das wissen nicht nur erfahrene Anwender zu schätzen!

Oberschalige Anordnung – Bewährt bei Thermowaagen

Die STA 449 F5 Jupiter® besteht auseinem oberschalig angeordnetenWägesystem, das bereits seit vielenJahren Standard in Labors ist. DieGründe dafür sind einfach:Diese Systeme vereinen höchsteLeistung bei einfacher Handhabung.

Maßstäbe durch

Erfahrung und Innovation

5

Einzigartige Kombination – Echte TG-DSC und TG für große Volumen

Kombinierte TG- und echte DSC- Messungen können zwischen Raumtem-peratur und 1600 °C mit hoher Genau-igkeit und Reproduzierbarkeit durchge-führt werden. TG-Messungen sind ebenso möglich, selbst an großen Proben. Erhältlich sind Tiegel mit einem Volumen bis zu 5 cm3.

Bestes Preis-/Leistungsverhältnis

Aufgrund des hohen Wäge- undLastbereichs der eingebauten Waage(beide bis 35 g), der hohen Auflösung(0,1 μg) und des geringen Driftverhaltens(im μg-Bereich) kombiniert mit der Leistungsfähigkeit einer empfind-lichen DSC lassen sich alle typischenApplikationsaufgaben über einenweiten Temperaturbereich realisieren.

Atmosphäre – Perfekt kontrolliert dank MFC und AutoVac

Drei eingebaute Massendurchfluss-regler (MFC) für Spül- und Schutzgasesorgen für eine optimale Regelung derAtmosphäre um die Probe. Die Funktion AutoVac erlaubt das automatische Evakuieren und Wiederbefüllen des STA-Systems. Dies vereinfacht den Evaku-ierungsprozess, besonders bei schwierig zu evakuierenden Proben, wie z. B. Pulvern. Das vollkommen softwarege-steuerte AutoVac ist mit einer Dreh- schieberpumpe verbunden.

Komplette Ausstattung

Das vakuumdichte STA-Systembeinhaltet alle Hard- und Software-funktionen, die unerlässlich für Hoch-temperatur-Applikationen in den Be-reichen Keramik, Metalle, Anorganika,Baumaterialien usw. sind. Eine Konfigu-ration Ihrer Apparatur ist nicht not- wendig; die STA 449 F5 Jupiter® ist bereits genau auf Ihre Applikationen zugeschnitten!

Zukunftsweisende Technologie

STA 449 F5 Jupiter®

– ÜBER 50 JAHRE –

Führender Hersteller von

Thermischen High-Perfor-

mance Analyse-Geräten

6

Maßgeschneidertes Zubehör für Ihre ApplikationAlles in einem – zwei Messtechniken, erweiterbares Zubehör, optimal vorbereitet zum Anschluss an Gasanalysesysteme

Zwei Methoden für mehrEffektivität

Das System ist mit einem TG-DSC-Sensor ausgestattet. Mit dem automatischen Probenwechsler (ASC) lassen sich gleichzeitig echte DSC- oder simultane TG-DSC-Messungen durchführen.Zusätzlich sind ein TG-Proben-träger und ein TG-DTA-Sensor erhältlich, vorteilhaft für die Untersuchung von problemati-schen oder unbekannten Proben.

Tiegelvielfalt

Tiegel sind lieferbar aus verschie-denen Materialien und in unter-schiedlichen Größen. Standard-tiegel bestehen aus Aluminium- oxid oder Platin. Viele Tiegel, z. B. Gold, Zirkonoxid usw., werden mit Deckeln angeboten. Wählen Sie den für Ihre Applikation passen-den Typ.

Probenbecher für TG-Untersuchungen an großen Probenvolumina

Auswahl von DSC-Tiegeln

7

Maßgeschneidertes Zubehör für Ihre Applikation

Freiräume schaffen – automatischer Probenwechsler

Ein automatischer Probenwechsler (ASC) für bis zu 20 Proben ist optional erhältlich, der für TG- oder TG-DSC-Messungen eingesetzt werden kann. Er sorgt bei optimaler Tiegelplatzierung für einen maximalen Probendurchsatz. Durch Vorprogrammierung sind Messungen über Nacht oder am Wochenende möglich. Mittels bereits definierter Anwenderme-thoden wird die Handhabung nochmals vereinfacht. Effizient und zuverlässig – Sie möchten nicht mehr darauf verzichten.

Bestens vorbereitet zum Anschluss an die Emissionsgasanalyse Für die Analyse der freigesetzten Gase (EGA) kann das STA-System entweder einzeln an ein QMS und FT-IR oder an eine Kombination aus QMS und FT-IR – selbst bei Ausstattung mit einem auto-matischen Probenwechsler – und an ein GC-MS oder eine Kombination aus FT-IR und GC-MS gekoppelt werden.

STA 449 F5 Jupiter® simultan gekoppelt an QMS 403 Aëolos® Quadro

8

Software ohne Einschränkungen

Die STA 449 F5 Jupiter® läuft unter der vielseitigen Proteus®-Software und den Windows®-Betriebssystemen ohne mühevolle Software-Konfiguration. Das strukturierte Interface sorgt für ein intuitives Verstehen der Menüs: Automatisierte Routinen und ein kontextsensitives Hilfesystem stehen zur Verfügung, um einen einfachen Arbeitsfluss zu garantieren und Zeitverzögerungen zu vermeiden. Die Proteus®-Software wird mit einer Gerätelizenz geliefert und kann selbstverständlich auch auf weiteren Rechnersystemen installiert werden.

Vollständig

Die universelle Proteus®-Software beinhaltet alles, was zur Durch-führung von zuverlässigen Messungen und zur Auswertung von TG- und DSC-Ergebnissen – aber auch von komplizierten Analysen – notwendig ist.

Universell

Proteus® ist ein Multitasking-System, das gleichzeitiges Messen und Auswerten zulässt. Zusätzlich zur Option, mehrere Geräte über einen Rechner laufen zu lassen, sind mit Proteus® auch kombinierte Analysen wie STA,DSC, TG, DIL, TMA und DMA möglich. Alle Messungen und Auswertungen können in einem Plot dargestellt werden. Proteus® ist von einem ISO-zertifizierten Unternehmen erstellt.

Vertiefter Einblick

Die Advanced Software machtProteus® noch leistungsfähiger:

∙ Peak Separation zur Auftrennung nahe aufeinanderfolgender Peaks. Verbesserte quantitative Bestimmung überlagernder Massenänderungsstufen.

∙ Thermokinetics für präzise Prozessvorhersagen und Optimierung der Lebensdauer und des Zusammensetzungsverhaltens mittels multivariabler nichtlinearer Regression.

9

200 400 600 800 1000 1200 1400Temperature /°C

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

TG /mg

Software ohne Einschränkungen

Thermogravimetrische Messungen setzen eine Korrektur des Auftriebseffekts voraus. Dieser hängt von variierenden Messbedingungen wie Tiegelmaterial, Form, Art und Rate des Spülgases sowie der Heizrate ab und beeinflusst die Messergeb-nisse in unterschiedlichem Grad.

Klassischerweise werden diese Einflüsse mittels Korrekturmessungen unter exakt den gleichen Messbedingungen für jede entsprechende Messserie korrigiert.

Die neue Software-Funktion TG-BeFlat® für STA-Systeme berücksichtigt die Tempe-raturabhängigkeit der Messeinflüsse hinsichtlich der Heizrate, verschiedener Spülgase (wie Argon, Luft, Stickstoff usw.) und der Gasflussraten und stellt für gewählte Messungen geeignete Korrekturen bereit.

Der Vorteil der TG-BeFlat®-Korrektur liegt in der enormen Zeitersparnis, da zusätz-liche Korrekturmessungen nicht mehr notwendig sind.

TG-BeFlat® kann jederzeit aktiviert oder deaktiviert werden; der Datensatz für die aktuelle Probenmessung (Rohdaten) wird gespeichert und steht damit immer per Mausklick zur Verfügung.

Einfluss von TG-BeFlat®: Die blaue Kurve zeigt die TG-Messungen mit TG-BeFlat®- Korrektur und die rote Kurve ohne zusätzliche Korrektur. Die Messungen wurden an zwei leeren Tiegeln unter identischen Bedingungen durchgeführt.

TG-BeFlat® – Zeitersparnis dank intelligenter Software-Funktion

10

1024 J/g

771.6 °C

512.9 °C

199.6 °C

472.4 J/g 279.8 J/g

512.1 °C771.5 °C

196.1 °C

-12.4 %

-19.1 %

-30.1 %

↓ exo

100 200 300 400 500 600 700 800 900Temperature /°C

0

2

4

6

8

10

DSC /(mW/mg)

-15

-10

DTG /(%/min)

-40

-20

20

40

60

80

100

TG /%

-5

0

5

10

15

0

Genauigkeit des TG-Signals

In der thermischen Analyse wird Calciumoxalat-Monohydrat (CaC2O4·H2O) zur Genauigkeitsbe-stimmung des TG-Signals einge-setzt, da die Substanz eine hohe Stabilität aufweist und nur wenig Feuchtigkeit von der Umgebung aufnimmt. Hier sind die TG- und DSC-Kurven von CaC2O4·H2O zwischen Raumtemperatur und 1000 °C dargestellt. Die 1. Massen-verluststufe zeigt die Freisetzung von Wasser und somit den Übergang der Probe zu Calcium-oxalat (CaC2O4). Die 2. Massenver-luststufe ist auf die Abgabe von CO zurückzuführen und entspricht dem Übergang von Calciumoxalat zu Calciumcarbonat (CaCO3). Oberhalb 700 °C zersetzt sich das Carbonat unter CO2-Freisetzung; die Restmasse besteht aus CaO. Die detektierten Massenver-luste stimmen sehr gut mit den Literaturdaten (<1 %) überein, was die hohe Genauigkeit dieser Thermowaage widerspiegelt.

STA-Messung an Calciumoxalat-Monohydrat (Probeneinwaage 12,79 mg) in Pt-Tiegeln mit einer Heizrate von 10 K/min in Stickstoff atmosphäre (70 ml/min).

GENAUIGKEIT

11

Temperature/°C

DSC/(mW/mg)

exo

90

Peak: 1569.3 °C

TG/%

1480

092

94

96

98

100

102

1500 1520 1540 1560 1580 1600

2

4

6

8

Area: 158.2 J/g

Onset*: 1554.4 °C

Mass Change: 0.000 %

Sample: PalladiumMass: 44.33 mgSample holder: TGA-DSC type SCrucible: Pt + Al2O3 linerAtmosphere: Argon

APPLIKATIONENSchmelzpunkt von Palladium

Palladium (Pd) wird heute größtenteils in Katalysatoren eingesetzt, findet jedoch auch Anwendung in der Zahnmedizin, in Zündkerzen von Flugzeugen, chirurgischen Instrumenten und elektrischen Kontakten. Bei normaler Temperatur zeigt Pd keine Reaktion mit Sauerstoff, beim Aufheizen bis 800 °C in Luft bildet sich jedoch eine Schicht aus Palladium (II) Oxid (PdO). Der Plot zeigt eine STA-Messung an Pd bis 1600 °C (Probentemperatur). Die Probe schmilzt bei 1554 °C (Onset) mit einer Enthalpie von 158 J/g (blaue DSC-Kurve). Beide Werte stimmen sehr gut mit den Literaturdaten(< 1%) für reines Pd überein. Während der Messung tritt kein Massenverlust auf (grüne TG-Kurve), was die hohe Reinheit des Metalls sowie die Vakuum-dichtigkeit des Systems belegt.

STA-Messung an einer Pd-Probe (44,33 mg) mit einer Heizrate von 20 K/min

12

Temperature/°C

DSC/(mW/mg)

exo

80

TG%

200

0.0

96.4 ºC

Bentonite

85

90

95

105

100

400 600 800 1000 1200 1400

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

-10

-8

-6

-4

-2

0

DSC/(%/min)

92.8 °C 685.3 °C 707.6 °C

-4.9 %

-0.6 %-2.2 %

-1.8 %

-0.6 %-0.2 %

Residual Mass: 89.7 %687.9 ºC 713.1 ºC

1181.3 ºC

969.1 ºC

16.65 J/g263.7 J/g

189.1 J/g

Temperature/°C

DSC/(mW/mg)

exo

98

96

94

92

88

86

TG/%

100

200

-3

ZrO2

90

400 600 800 1000 1200

-2

-1

0

1

2-1.2 %

-2.2 %

Residual mass: 96.6 %66.6 °C

196.7 °C-65.78 J/g

399.0 °C-305.5 J/g

Binderausbrennen von Zirkonoxid

Während der Aufheizung treten störende Phasenumwandlungen auf, die sich durch geringe Yttrium-oxidzusätze eliminieren lassen. Das entstehende Material weist ausge-zeichnete thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Die aktuelle Messung zeigt zwei kleine Massenverluste bis 450 °C (insgesamt 3,4 %; grüne Kurve), die sehr gut mit den beiden exother-men Peaks in der blauen Kurve bei 197 °C und 399 °C übereinstimmen. Diese Effekte (Massenverlust bis 500 °C, exotherme Peaks mit hohen Enthalpien) werden durch das Binderausbrennen hervorgerufen. Der kleine endotherme DSC-Peak bei 67 °C wird durch das Schmelzen des Bindemittels verursacht.

Keramische Masse Bentonit ist ein überwiegend aus Montmorillonit bestehender Ton mit ausgezeichnetem Absorptions-vermögen. Die 1. Massenverlust-stufe (DSC-Peaktemperatur 96 °C) der hier gezeigten Messung geht auf die Freisetzung von Wasser zurück, gefolgt von einer kleinen Massenverluststufe von 0,6 %. Dies weist auf eine SO2-Abgabe und damit auf eine Pyrit-Kontamination hin. Oberhalb 600 °C wird Wasser aus der Bentonit-Struktur (DTG bei 685 °C und 707 °C) freigesetzt. Der exotherme DSC-Peak bei 969 °C spiegelt den Phasenübergang des Minerals wider. Der endotherme Peak bei 1181 °C ist höchstwahr-scheinlich auf ein Teilschmelzen oder eine weitere SO2-Abgabe zurückzuführen.

STA-Messung an stabilisiertem ZrO2 (26,2 mg) in Platintiegeln zwischen Raumtem-peratur und 1200 °C bei einer Heizrate von 20 K/min

Komplexes thermisches Verhalten von Bentonit in Pt-Tiegeln mit einer Heizrate von 10 K/min in Stickstoffatmosphäre (70 ml/min); dargestellt sind die TG- (grün), DTG- (grün gestrichelt) und DSC-Kurven (blau).

13

Temperature/°C

DSC/(mW/mg)

exo

98

96

94

92

90

TG%

100

1250

Hastalloy

6

1357.5 °C

1200 1300 14001350

4

2

0

-2

-4

-6

1387.3 °C

165.3 J/g

1350.6 °C

1348.3 °C

-165.1 J/g

Hastelloy® ist eine Nickel-Chrom-Molybdän-Wolfram-Legierung mit hervorragender Temperatursta-bilität, Duktilität und Korrosions-beständigkeit. Ein ausgezeichneter Widerstand gegen Spannungsriss-korrosion und Oxidation besteht bis 1038 °C. Das Material wird z. B. in Rauchgasentschwefelungs-anlagen verwendet. Die blaue Kurve stellt das Schmelzen einer Hastelloy®-Probe bei 1358 °C (extrapolierter Onset) mit einer Enthalpie von 165 J/g dar. Während der Abkühlung tritt bei 1351 °C (extrapoliertes Ende) die Kristalli-sation mit nahezu gleicher Enthal-pieänderung (rote DSC-Kurve) auf. Es wurde keine Massenänderung aufgrund von Oxidation detektiert.

Aufheizung und Abkühlung von Hastelloy® (39,02 mg; alloy 22) bei Aufheiz- und Abkühlraten von 20 K/min in 70ml/min Ar-Atmosphäre; es wurden Platintiegel mit Aluminiumoxideinsätzen verwendet.

Korrosionsbeständige Legierung

14

STA 449 F5 Jupiter®

Design Oberschalige Anordnung des Wägesystems

Temperaturbereich RT… 1600 °C (Probentemperatur)

OfenSiC-Ofen auf motorisierter Hubvorrichtung für sicheren, einfachen Betrieb

Heizrate 0,001 bis 50 K/min

Sensoren

· TG-DSC (Standard in Systemversion I) · TG-DSCASC (Standard für Systemversion II mit ASC) · TG (Option für hohe Probeneinwaage und voluminöse Proben) · TG-DTA (Option)

Alle Sensoren sind innerhalb von Sekunden leicht austauschbar

Vakuumdicht 10-2 mbar

AutoVac Integriertes System für software-gesteuerte Evakuierung

Evakuierungssystem Ja

Atmosphären Inert, oxidierend, statisch, dynamisch, Vakuum

Automatischer Proben-wechsler (ASC)

20 Probenpositionen (Standard für Systemversion II)

Gasflussregelung3 integrierte Massendurchflussregler für 1 Schutz- und 2 Spülgase

Temperaturauflösung 0,001 K

Auflösung der Waage 0,1 μg (über den gesamten Wägebereich)

TG-BeFlat®Integriertes Software-Modul zur Korrektur der Einflüsse von Tiegel, Atmosphäre, Heizrate etc. (automatische Auftriebskorrektur)

Drift der Waage < 5 μg/Stunde unter konstanten Umgebungsbedingungen

Maximale Probenlast 35000 mg (einschl. Tiegel, entspricht dem TG-Messbereich)

Probenvolumen Bis 5 cm³ (für TG-Tiegel)

DSC-Enthalpiegenauigkeit ± 2% (für die meisten Materialien)

Emissionsgasanalyse QMS-, GC-MS- und/oder FT-IR-Kopplungen (optional)

Abmessungen 600 x 700 x 650 (900) mm

Gewicht 83 kg (exklusive Rechnersystem)

Technische Daten

15

STA 449 F5 Jupiter®

Betriebssysteme Windows® Betriebssystem

Allgemeine Software-Eigenschaften

· Multitasking: simultanes Messen und Auswerten · Multimoduling: Betrieb von mehreren Apparaturen mit

einem Computer · Kombinierte Analyse: Vergleich und/oder Auswertung von

STA-, DSC-, TG-, DIL-, TMA- und DMA-Messungen in einem Plot · Wählbare Beschriftung · Grafik- und Datenexport · Berechnung von 1. und 2. Ableitung einschließlich der

Peaktemperaturen · Abspeichern und Wiederherstellen des Analysezustands · Kontextbezogenes Hilfesystem · Software erstellt von ISO-zertifiziertem Unternehmen

DSC-spezifische Eigenschaften

· Bestimmung von Onset-, Peak-, Wendepunkt- und Endtemperaturen einschl. automatischer Peaksuche · Analyse exothermer und endothermer Peakflächen (Enthalpien)

mit wählbarer Basislinie und Teilpeakflächenanalyse · Umfassende Analyse des Glasübergangs · Kristallinitätsgrad · OIT (Oxidative-Induction Time)

TG-spezifische Eigenschaften

· Massenänderungen in % oder mg · Automatische Auswertung von Massenänderungsstufen einschl.

Bestimmung der Restmasse · Extrapolierte Onset- und Endset-Temperatur · Automatische Basislinienkorrektur TG-BeFlat® zur automatischen

Korrektur von Messeinflüssen · c-DTA® zur Berechnung des DTA-Signals bei TG-Messungen mit

Auswertung charakteristischer Temperaturen und Peakfläche (optional) · Super-Res® für umsatzgesteuerte Temperaturführung (optional)

Software Features

NG

B · S

TA 4

49 F5

Jup

iter®

· D

E · 0

718

· NW

S · T

echn

isch

e Ä

nder

unge

n vo

rbeh

alte

n.

NETZSCH-Gerätebau GmbHWittelsbacherstraße 42 95100 SelbDeutschlandTel.: +49 9287 881-0 Fax: +49 9287 881 505at@netzsch.com

Die NETZSCH-Gruppe ist ein deutsches mittelständisches Unternehmen des Maschinen- und Gerätebaus in Familienbesitz mit weltweiten Produktions-, Vertriebs- und Servicegesellschaften.

Die Geschäftsbereiche Analysieren & Prüfen, Mahlen & Dispergieren sowie Pumpen & Systeme stehen für individuelle Lösungen auf höchstem Niveau. Mehr als 3.400 Mitarbeiter in weltweit 210 Vertriebs- und Produktions- zentren in 35 Ländern gewährleisten Kundennähe und kompetenten Service.

NETZSCH-Technologie ist weltweit führend im Bereich der Thermischen Charakterisierung von annähernd allen Werkstoffen. Wir bieten Komplett- lösungen für die Thermische Analyse, die Kalorimetrie (adiabatische und Reaktionskalorimetrie) und die Bestimmung thermophysikalischer Eigen- schaften. Basierend auf mehr als 50 Jahren Applikationserfahrung, einer breiten Produktpalette auf dem neuesten Stand der Technik und umfas-senden Serviceleistungen erarbeiten wir für Sie Lösungen und Gerätekon- figurationen, die Ihren täglichen Anforderungen mehr als gerecht werden.