Die Thermische Analyse zählt zu den bedeutendsten Methoden, um physikalische oder chemische Eigenschaften unter bestimmten Temperatureinflüssen zu messen. Sie wird nicht nur in der Forschung, sondern auch intensiv in der Wirtschaft angewandt. Ihr Nutzen für den menschlichen Alltag ist weit größer, als es der abstrakte Begriff vermuten lassen würde. Die Thermische Analyse steht auch nicht nur für eine einzige Methode, sondern es gibt verschiedene Unterverfahren, die einzeln oder in Kombination angewendet werden. Was genau hinter der Thermischen Analyse steckt, welche Methoden und Anwendungsgebiete es gibt, steht in diesem Beitrag.

Was wird unter Thermischer Analyse verstanden?

Thermische Analyse oder kurz Thermoanalyse dient zur Materialcharakterisierung. Dabei kann ein ganzes System von Anwendungen zum Einsatz kommen, um diese “Charakterisierung” vorzunehmen. Die verschiedenen offiziellen Definitionen der Thermoanalyse mögen vielleicht für Nicht-Physiker, Nicht-Chemiker oder andere Laien eher schwer verständlich sein. Daher ist Nachsicht geboten. In der Kurzfassung lautet eine der Definitionen wie folgt – an dieser Stelle frei paraphrasiert: Die Thermische Analyse ist ein Oberbegriff für Verfahrensreihen, in denen physikalische und chemische Eigenschaften einer Substanz als jeweilige Temperaturfunktion gemessen werden, während die Substanz einem überwachten Temperatur-Programm unterworfen wird. Was heißt das nun genau?

Die Thermische Analyse ist also ein Sammelbegriff für mehrere wissenschaftliche Untersuchungsmethoden oder Verfahrensreihen. Dabei werden bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften einer Substanz unter besonderen Laborbedingungen gemessen. Die Substanz wird dabei einem zuvor festgelegten Temperaturprogramm unterzogen. Das heißt, auf die Substanz wirken spezifische, kontrollierte Temperaturen gleicher oder unterschiedlicher Höhe ein. Die dabei auftretenden physikalischen Eigenschaften der zu untersuchenden Substanz werden als Funktion von Temperatur und Zeit gemessen. Bei der Substanz kann es sich dabei um ein Element, ein Substanzgemisch oder Reaktionsgemisch handeln. Somit ist auch klar, dass es sich bei diesen Verfahren um Bereiche der Materialwissenschaft handelt.

Ein besseres Verständnis, um was es sich bei der Thermoanalyse handelt, bietet einen Blick auf die zahlreichen Anwendungsgebiete. Daran wird auch gut erkennbar, wie wichtig thermoanalytische Verfahren für unsere hochtechnisierte Welt sind.

Welche Anwendungsgebiete gibt es für die Thermische Analyse?

Die Thermoanalyse kann hilfreich sein, um Materialeigenschaften und Übergänge bestimmter Substanzen zu bestimmen. Beispiele sind die Bestimmung von Phasenübergängen wie Schmelzpunkt, Verdunstung, Sublimation, Resublimation, Kristallisation, Glasübergang und Zersetzung. Materialien werden aber auch hinsichtlich ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten, ihrer Dimensionsänderungen, Elastizitäts- und Verlustmodule untersucht. Erforschen lassen sich ferner die Dämpfungsfaktoren, Reaktionsenthalpie sowie Kinetik. Schließlich werden noch die Einflüsse von Additiven, Zusammensetzungen, thermische Stabilität, Erweichungstemperatur sowie Aushärtungsreaktionen erforscht.

Bevor neue, makromolekulare Werkstoffe zum Einsatz kommen, werden sie eingehend mit thermoanalytischen Verfahren auf deren Eigenschaften erforscht, um herauszufinden, wie tauglich sie für eine industrielle Verwendung wirklich sind. Denn makromolekulare Stoffe sind wegen ihrer Morphologie und der chemischen Zusammensetzung stark von Umwelteinflüssen wie Temperatur, Belastung, aber auch vom Faktor Zeit geprägt. Dank der thermischen Messverfahren lassen sich wertvolle Erkenntnisse über die allgemeine Qualität und Dauerhaftigkeit bei unterschiedlichen Umweltbedingungen ermessen.

Mit der Thermoanalyse werden somit die thermischen Grenzen der Gebrauchstauglichkeit von Substanzen oder Substanzgemischen erforscht. Die thermischen Analyseverfahren spielen auch eine wichtige Rolle bei der Bestimmung von Verarbeitungsparametern im Zusammenhang von thermischen und optischen Aushärtungsprozessen.

Weltweit gibt es nicht sehr viele Hersteller der hierfür notwendigen Messinstrumente. Zu den Marktführern gehören die diversen Messgeräte für Thermische Analyse von Linseis. Diese hochspezialisierten Apparate müssen strengsten Vorgaben genügen und auch bei absoluten Extremtemperaturen einwandfrei funktionieren. Entsprechend aufwändig ist deren Herstellung. Auch die eigentliche Anschaffung, der Betrieb und die Wartung sind für die Endnutzer relativ kostspielig.

Aber selbstverständlich kommen diese High-Tech-Instrumente längst nicht nur in der akademischen Forschung zum Einsatz. Es gibt weltweit etliche Abnehmer auf dem Industriesektor, aber auch im pharmazeutischen Bereich. Dort arbeiten Firmen, die über eigene Forschungslabore verfügen, mit diesen Geräten, um ihre Produkte zu entwickeln, bestehende Materialien aber auch neue Werkstoffe genauer zu erforschen oder zu verbessern. Die pharmazeutische Industrie wendet die Thermoanalyse beispielsweise im Rahmen der Erforschung neuer Arzneimittel an.

Wer von Verbesserung spricht, kommt um die Begriffe “Qualitätssicherung- und kontrolle” nicht herum. Auch in dem Bereich sind die Spezialinstrumente für Thermische Analyse von Linseis und anderen Herstellern sehr gefragt. Die Bedeutung thermischer Untersuchungen von makromolekularen Werkstoffen ist für die Industrie enorm. Denn bestehende Werkstoffe und Arzneimittel, die sich bereits seit längerer Zeit in der Produktion befinden, müssen periodisch mit thermoanalytischen Verfahren bezüglich ihrer Qualität überprüft werden.

Welche Methoden der Thermischen Analyse gibt es?

Bei der Thermoanalyse werden meist drei Hauptverfahren unterschieden: Die Thermogravimetrische Analyse (TGA), die Dynamische Differenz-Kalrimetrie (DSC) und die Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA). Neben diesen Verfahren gibt es noch eine ganze Reihe weiterer thermischer Analysemethoden. Je nachdem wie die Verfahren unterschieden, das heißt gruppiert werden, lässt sich für Laien auch ein besseres Verständnis herleiten, was unter der jeweiligen Methode tatsächlich zu verstehen ist, und wie sie funktioniert.

Eine sehr anschauliche Einteilung der Analysen ist die Zweiteilung in dynamisch-thermische und statisch-thermische Verfahren. Beim dynamischen Analyseprozess wird der zu untersuchende Stoff langsam erhitzt oder abgekühlt. Dabei wird darauf geachtet, dass dies in einem thermodynamischen Gleichgewicht erfolgt. Mit einer Temperatursonde wird zugleich die Temperatur der zu erforschenden Substanz gemessen. Auf der anderen Seite wird eine Substanz im Rahmen des statisch-thermischen Untersuchungsverfahrens über eine längere Zeit, das heißt für Stunden oder gar Tage, auf eine konstante Temperatur gebracht. Dabei werden Substanzverluste und Volumenverhalten registriert. Besonders geeignet für diese Art von Analysen sind Mineralienproben.

Eine andere Einteilung der Methoden bezieht sich darauf, wie sich die Größe einer Substanz verändert. Nach dieser Gliederungsart werden fünf Kategorien unterschieden, und pro Bereich gibt es ein bis zwei verschiedene Messverfahren:

1. Energetische Vorgänge mit den zwei Verfahren Differenz-Thermoanalyse (DTA) und Dynamische Differenzkalorimetrie (DDK oder DSC)
2. Mechanische Vorgänge mit dem Verfahren der Dynamisch-mechanischen Analyse (DMA)
3. Masseändernde Vorgänge mit den Verfahren der Thermogravimetrie (TG) und der Emissionsgasanalyse (EGA)
4. Volumenänderung mit den zwei Verfahren Thermomechanische Analyse (TMA) sowie Dilatometrie
5. Änderung optischer Eigenschaften mit dem Verfahren Thermooptischen Analyse (TOA)