Thermogravimetrische analyse (TGA)

Thermogravimetrische analyse (TGA) is een thermische analysetechniek waarbij de massa van een monster continu wordt gemeten als functie van de temperatuur of de tijd, terwijl het monster wordt verwarmd, afgekoeld of bij constante temperatuur gehouden in een gecontroleerde atmosfeer. Elke stap in de TGA-curve correspondeert met een massaverliesproces: verdamping van vocht, desorptie van oplosmiddelen, ontleding van de organische matrix, oxidatie of reductie. TGA is de aangewezen methode voor thermische stabiliteitskarakterisering van polymeren, composieten, vulstoffenbepaling, vochtanalyse en kinetiekonderzoek van thermische reacties.

Principe

Het monster (1–100 mg) wordt geplaatst in een platina, aluminiumoxide of kwartskroes die hangt aan of rust op een microbalans met een resolutie van 0,1 µg. De balans bevindt zich in of boven een programmeerbare oven. Een thermoElement direct naast het monstertakje meet de temperatuur. Een geconditioneerde gasstroom (stikstof, lucht, zuurstof, argon of waterstof) stroomt door de oven en zorgt voor een reproduceerbare atmosfeer rondom het monster. De massawijziging als functie van de temperatuur — de TGA-curve — wordt samen met de eerste afgeleide (DTG, Derivative TGA) geregistreerd. DTG-piektemperaturen geven de temperatuur van maximale massaafname per stap.

Meetatmosfeer en gaskeuze

De gaskeuze bepaalt welke reacties optreden en beïnvloedt de TGA-curve sterk:

• Stikstof (N₂) — inerte atmosfeer; standaard voor pyrolysestudies, thermische stabiliteit en ontledingskinetiek zonder oxidatieve bijdragen. Polymeren ontleden in N₂ via kettingbreuk en cracking zonder verbranding.
• Lucht of zuurstof — oxidatieve atmosfeer; organische componenten verbranden tot CO₂ en H₂O bij hogere temperatuur. Het resterende anorganische residu (as, vulstof, metaaloxide) is direct zichtbaar als het eindplateau. Oxidatieve inductietijd (OIT) wordt bepaald door isothermisch meten in O₂ totdat oxidatie begint.
• Argon — alternatief voor N₂ bij analyse van stikstofhoudende verbindingen (vorming van N₂ als ontledingsproduct zou het inertgas vervalsen).
• Waterstof / H₂-N₂-mengsel — voor reductieve processen: reductie van metaaloxiden, koolstofverwijdering van katalysatoren (TPR: Temperature Programmed Reduction).
• Gaswisseling tijdens meting — veel instrumenten laten een omschakeling van N₂ naar lucht toe tijdens de meting: organische matrix wordt eerst gepyrolyseerd in N₂, daarna verbrand in lucht voor asbepaling.

TGA-curve en DTG

De TGA-curve geeft het cumulatieve massaverlies (%) als functie van de temperatuur. Elke afname-stap correspondeert met een specifiek proces. De eerste afgeleide (DTG) wordt altijd samen geregistreerd: DTG-pieken geven de temperatuur van maximale reactiesnelheid per stap en maken nauwkeurige integratie van overlappende stappen mogelijk. De DTG-piektemperatuur (Tpiek) en de onset-temperatuur (Tonset, extrapolated onset) zijn de standaard gerapporteerde parameters conform ISO 11358.

Drie soorten TGA, meetparameters en het effect van verwarmingssnelheid

Hoeveel soorten TGA zijn er?

TGA wordt uitgevoerd in drie fundamenteel verschillende modi, elk geschikt voor een ander doel:

Wat zijn de parameters van TGA-analyse?

De volgende parameters worden standaard gerapporteerd conform ISO 11358:

Wat is het effect van de verwarmingssnelheid op TGA-curven?

De verwarmingssnelheid (β, in °C/min) heeft een grote invloed op de TGA-curve:

• Hogere verwarmingssnelheid — ontledingstemperaturen verschuiven naar hogere waarden (kinetisch effect); overlappende stappen worden slechter opgelost; DTG-pieken worden breder en minder scherp; standaard verwarmingssnelheden zijn 5, 10 en 20 °C/min
• Lagere verwarmingssnelheid — betere resolutie van overlappende stappen; temperaturen dichter bij thermodynamisch evenwicht; langere meettijd; 1–2 °C/min voor maximale stap­scheiding
• Multi-rate TGA — metingen bij meerdere verwarmingssnelheden (bijv. 2, 5, 10, 20 °C/min) zijn de basis voor iso­conversie­ kinetiek­analyse (Flynn-Wall-Ozawa, Kissinger); uit de verschuiving van Tpiek met β wordt de activerings­energie berekend

Toepassingen

Thermische stabiliteit van polymeren

Ontledingstemperatuur (Tonset, T5% of T50%) en thermische stabiliteitsrangschikking van polymeren worden bepaald via TGA in N₂ conform ISO 11358-1. Vergelijking van TGA-curves van verouderde versus verse polymeermonsters geeft inzicht in thermische degradatie. Voor composieten en gevulde polymeren geeft TGA de verhouding organische matrix versus anorganische vulstof (glasvezel, koolstofvezel, talk, CaCO₃) direct uit het platformpercentage na verbranding.

Vocht- en oplosmiddelgehalte

Hygraten, solvaten en geadsorbeerd vocht geven een massaverliestap bij lage temperatuur (50–200 °C). TGA onderscheidt oppervlakteadsorptie-vocht (verlies < 100 °C) van kristalwater (verlies op karakteristieke temperatuur). Voor farmaceutische grondstoffen is het hydraat- en solvaat-gehalte een kritische kwaliteitsattribuut; gecombineerde TGA/DSC-meting (STA) of TGA-FTIR-koppeling identificeert het type vloeistof dat vrijkomt.

As- en vulstoffenanalyse

Het restpercentage na TGA tot 900–1000 °C in lucht correspondeert met de anorganische inhoud (as, vulstof, pigment) van het monster. Voor polyolefinen met CaCO₃-vulstof, rubber met roet, of glasvezel-versterkte thermoplasten geeft TGA direct het vulstofpercentage conform ISO 9924 (rubber) en ASTM E1131 (composieten).

Farmaceutische industrie

Watergehalte via TGA als alternatief voor Karl Fischer titratie (kwalitatief: gebonden versus vrij water), thermische stabiliteitsvergelijking van API-polymorfvormen, solvaat-identificatie, en decomposability-profiling voor veiligheidsscreening van nieuwe verbindingen in vroege ontwikkeling.

Koolstofanalyse en katalysatoren

Koolstofgehalte (cokes, roet, grafiet) op katalysatoren en koolstofvezels wordt bepaald via verbrandingsTGA in lucht: de CO₂-vrijgave bij 400–700 °C geeft het koolstofgehalte. Koppeling met een IR- of MS-detector (TGA-FTIR, TGA-MS) identificeert de aard van het ontwijkende gas en onderscheidt carbonaat (CO₂ afkomstig van CaCO₃) van organisch koolstof.

Kinetiekonderzoek

Via multi-rate TGA (metingen bij meerdere verwarmingssnelheden) worden activeringsenergie (Ea) en pre-exponentiële factor (A) van thermische ontledingsreacties bepaald conform ICTAC kinetiek-aanbevelingen (Flynn-Wall-Ozawa, Kissinger, model-vrije methoden). Kinetiekparameters worden gebruikt voor levensduurvoorspelling en veiligheidsbeoordeling van chemische processen (adiabatische opschaling).

Simultane thermische analyse (STA)

Bij STA worden TGA en DSC (of DTA) gelijktijdig op hetzelfde monster gemeten. Dit geeft als voordeel dat massaverlies en warmtestroomverandering direct worden gecorreleerd: een endotherme DSC-piek die gepaard gaat met massaverlies duidt op verdamping of ontleding; dezelfde piek zonder massaverlies duidt op smelten of glasovergang. STA voorkomt artefacten door monsteronhomogeniteit en spaart monsterhoeveelheid.

TGA-koppeling met gassensoren (TGA-EGA)

Evolved Gas Analysis (EGA) koppelt de TGA-oven via een verwarmde transferlijn aan een FTIR-spectrofotometer of massaspectrometer. De vrijkomende gassen worden continu of semi-continu geanalyseerd, waardoor ontledingsproducten worden geïdentificeerd. Toepassingen zijn: identificatie van vluchtige additieven en weekmakers in polymeren, bepaling van SO₂-emissies uit zwavelhoudende materialen, en screening van farmaceutische resterende oplosmiddelen.

Voordelen en beperkingen

Hoe interpreteer je een TGA-curve en wat zijn veelvoorkomende fouten?

TGA-curve stap voor stap interpreteren

1. Controleer de beginmassa en de basislijn — de TGA-curve begint op 100 % (of de absolute ingewogen massa). Een golvende of driftende basislijn vóór het eerste massaverlies wijst op buoyantie-effecten (zie foutbronnen) of onvoldoende gas­equilibratie. Corrigeer via een blinde meting met lege pan.
2. Identificeer massaverlies­stappen — elk plateau in de TGA-curve gevolgd door een afname is een afzonderlijk proces. Gebruik de DTG-curve om overlappende stappen te onderscheiden: elk DTG-maximum correspondeert met één reactie.
3. Bepaal Tonset en Tpiek per stap — Tonset via extrapolatie van de TGA-basislijn en de steilste flank; Tpiek direct uit het DTG-maximum. Rapporteer beide conform ISO 11358.
4. Kwantificeer het massaverlies per stap — lees het percentage­verlies af tussen het begin- en eindplateau van elke stap. Eerste stap (< 150 °C): vocht/oplosmiddel. Tweede stap (150–600 °C): organische ontleding. Residu bij hoge temperatuur: anorganische inhoud.
5. Interpreteer het residu — in inerte atmosfeer (N₂) is het residu het koolstofrijke char plus anorganische vulstof; in lucht verbrandt het organische char door en is het residu uitsluitend anorganisch (as, oxiden, vulstof).
6. Vergelijk met literatuur of referentie — vergelijk Tonset en Tpiek met bekende waarden voor het materiaal. Afwijkingen (> 10 °C) wijzen op samenstelling­variaties, verontreinigingen of een andere polymorfe vorm.

Veelvoorkomende TGA-fouten en foutbronnen

Gerelateerde technieken

Voor gelijktijdige meting van thermische overgangen zonder massaverlies is differentiële scanning calorimetrie (DSC) de complementaire methode. Identificatie van ontledingsproducten en gasvormige componenten uit TGA-meting wordt uitgevoerd via FTIR-spectroscopie. Elementaire samenstelling van het anorganische residu na TGA wordt bepaald via ICP-MS/ICP-OES na oplossing. TGA is zelf een vorm van gravimetrische analyse — de brede analytische methode waarbij massa de meetgrootheid is.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen TGA en thermogravimetrie (TG)?

Thermogravimetrie (TG) is de overkoepelende term voor de meettechniek; TGA verwijst naar de volledige analytische methode inclusief interpretatie en rapportage. In de praktijk worden beide termen door elkaar gebruikt. ISO 11358 gebruikt de term TG; in de industriepraktijk is TGA gangbaarder.

Hoe nauwkeurig is de massabepaling bij TGA?

Moderne TGA-microbalansen hebben een resolutie van 0,1 µg en een nauwkeurigheid van ±0,01 % van de ingewogen massa. Bij een monster van 10 mg betekent dit een absolute fout van ±0,001 mg. De nauwkeurigheid wordt in de praktijk beperkt door: bouyantie-effecten (verandering van gasdichtheid bij temperatuurstijging, tot 0,1–0,2 mg artefact), vlotte gasstroom (turbulentie op balans), en het gewicht van het monstertakje. Bouyantiecorrectie via een blinde meting (lege pan) is aanbevolen voor nauwkeurige kwantitatieve metingen.

Kan ik TGA gebruiken voor watergehalte in plaats van Karl Fischer titratie?

TGA geeft het totale massaverlies in een bepaald temperatuurbereik, maar onderscheidt niet altijd water van andere vluchtige componenten (oplosmiddelen, laagmoleculaire additieven) die in hetzelfde temperatuurbereik verdampen. Karl Fischer titratie is specifiek voor water en geeft een nauwkeuriger resultaat bij lage watergehaltes (< 0,1 %). TGA-FTIR of TGA-MS is het beste alternatief wanneer zowel identificatie als kwantificering van vluchtige componenten gewenst is.

Wat is het verschil tussen DSC en TGA?

Wat is het verschil tussen DTA en DTG?

Beide afkortingen beginnen met "DT" maar zijn fundamenteel verschillende technieken:

Voor aanverwante laboratoriumapparatuur vindt u bij Labvakhandel precisiebalansen en weegsystemen, ovens en incubatoren voor thermische behandeling, en temperatuurmeetapparatuur.

Voor de praktische droogtechniek waarbij TGA wordt ingezet voor vochtprofilering en het vaststellen van de optimale droogtemperatuur, zie ons artikel over vacuümdrogen in het laboratorium.

Deze pagina is onderdeel van de Labvakhandel kennisbank. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl is niet aansprakelijk voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische situaties.