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Unter dem Oberbegriff der thermischen Analyse, kurz TA, werden unterschiedliche Techniken zusammengefasst. Eingesetzt werden thermische Analysen ebenfalls aus verschiedenen Gründen. Sie dienen generell jedoch dazu, zu messen, wann sich das Materialverhalten ändert – entweder abhängig von der Temperatur oder der vergangenen Zeit.
So werden mit Hilfe der thermischen Analyse etwa Steifigkeiten, Probengewichte, Probengrößen und Schmelztemperaturänderungen hinsichtlich des Verhaltens ihrer Materialien überwacht. Die Aufzeichnung der Ergebnisse erfolgt in Form von Thermogrammen. Auf diese Weise lassen sich wertvolle Informationen über die grundlegenden Eigenschaften von Materialien gewinnen, etwa im Hinblick auf ihre Kristallisation, ihren Glasübergang oder ihr Schmelzverhalten.
Die Durchführung einer thermischen Analyse gewährleistet, dass die angegebenen Spezifikationen von bestimmten Materialien zutreffen. Nötig ist dies beispielsweise in den Bereichen Entwicklung und Forschung und der Qualitätskontrolle in der Lebensmittel-, Pharma- und Metallindustrie.
Wie die thermische Analyse funktioniert, welche Techniken es gibt und in welchen Anwendungsbereichen sie für große Vorteile sorgt, zeigt der folgende Beitrag.
Geräte für die thermische Analyse setzen sich aus einem Probenhalter und einem Ofen zusammen. Der Probenhalter enthält einen Sensor. Erhitzt oder kühlt der Ofen die Probe, erfasst der Sensor, wie sich die physikalischen oder thermischen Eigenschaften der Probe verändern. Die Ofentemperatur wird durch eine Temperatureinheit gesteuert. Die Probentemperatur und die Sensorsignale werden über eine Datenerfassung aufgenommen.
Abhängig von dem jeweiligen Temperaturbereich sind verschiedene Arten von Ofen und Kühlzubehör erhältlich. Wichtig ist, dass die Geräte für die thermische Analyse von einem kompetenten Hersteller stammen, damit auf die Ergebnisse wirklich Verlass ist beziehungsweise diese möglichst präzise ausfallen.
Sowohl die Analyse als auch die Aufzeichnung der Daten und die Regelung der Temperatur werden über einen Computer gesteuert. Je nach dem, welche Informationen benötigt werden, lassen sich mehrere oder nur eine Analysetechnik nutzen. Es ist möglich, mehrere Geräte mit verschiedenen Messverfahren an den Computer anzuschließen. So wird also ein simultanes Analysieren und Messen erlaubt.
Für eine thermische Analyse besteht die Auswahl zwischen unterschiedlichen Messmethoden. Welche davon die geeignete ist, ist immer von den thermischen Eigenschaften, die es zu analysieren gilt, abhängig.
Am häufigsten wird jedoch auf die DSC, die dynamische Differenzkalorimetrie, die TGA, die thermogravimetrische Analyse, die DMA, die dynamisch-mechanische Analyse und die TMA, die thermomechanische Analyse gesetzt.
Thermische Analysen liefern zahlreiche Informationen zu den jeweiligen Materialeigenschaften. Allerdings können die Ergebnisse und die mit diesen verbundene Bewertung abhängig von der genutzten Technik auch mehrdeutig ausfallen. Entscheidend sind somit immer die Informationen, die benötigt werden, um die Auswahl der richtigen Technik beziehungsweise Techniken zu treffen.
Die Durchführung von thermischen Analysen sorgt vor allem für den Vorteil, dass sie eine exakte Analyse der grundlegenden Eigenschaften von Materialien erlauben.
Sogar, wenn es sich um sehr komplexe Materialien handelt, ist es möglich, Informationen zu dem Verhalten einzelner Polymere zu gewinnen. Auf dieser Basis lässt sich dann identifizieren, welche Mischung das jeweilige Material enthält. So kann die thermische Analyse für eine Vielzahl verschiedener Materialien gewinnbringend genutzt werden. Auch die Untersuchung von neuartigen Materialien ist mit ihr möglich, da keine materialspezifischen Kalibrierungskurven notwendig sind.
Nicht zu vernachlässigen ist außerdem, dass die Proben für die TA nicht aufwändig vorbereitet werden müssen. Es kommen keine schädlichen Chemikalien zum Einsatz. Mit ein wenig Übung lassen sich die thermischen Analysen so auch von Laien in diesem Bereich durchführen. Dies gilt vor allem, wenn ein Gerät mit einem hohen Automatisierungsgrad für die Durchführung genutzt wird.
Zudem fallen die Verfahren recht kurz aus. Oft ist die Durchführung in weniger als 60 Minuten möglich. Auch die Betriebskosten für die Geräte bewegen sich auf einem niedrigen Niveau. Werden sie nicht benötigt, lassen sie sich vollständig ausschalten, was den Gas- und Stromverbrauch optimiert.
Die Bedienung der Geräte für die thermische Analyse zeigt sich als sehr benutzerfreundlich. Durch die Vielzahl an akkreditierten Analysemethoden ist außerdem stets gewährleistet, dass sich exakt die Informationen gewinnen lassen, die wirklich benötigt werden.
Da sich die thermische Analyse als derart vielfältig zeigt, kommt sie natürlich auch in vielen unterschiedlichen Anwendungsbereichen zum Einsatz.
Sie dient in der allgemeinen Werkstoffwissenschaft dazu, die thermischen Eigenschaften von Substanzen zu untersuchen, um ihre Stabilität und Eignung für bestimmte Anwendungen zu bewerten. In der Pharmazie spielt die thermische Analyse eine entscheidende Rolle, wenn es um die Untersuchung von Arzneimitteln geht. Mit der TA lassen sich dabei die thermische Stabilität und die genauen Freisetzungseigenschaften verstehen.
Im Bereich der Lebensmittelindustrie ermöglicht die Analyse der thermischen Eigenschaften, Produktionsprozesse effektiv zu optimieren. Dafür werden zum Beispiel die thermischen Veränderungen verschiedener Zutaten während ihrer Verarbeitung analysiert.
Zudem wird die thermische Analyse auch in der Umweltwissenschaft genutzt. In dieser geht es etwa darum, den Abbau von organischen Materialien in Böden zu erforschen. Das breit gefächerte Anwendungsspektrum der thermischen Analyse erstreckt sich darüber hinaus auch über die Bereiche Chemie, Medizin und Lebensmitteltechnologie. Dies macht sie zu einem überaus wichtigen Werkzeug, von dem zahlreiche Anwender in hohem Maße profitieren.
