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.
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.
De gaskeuze bepaalt welke reacties optreden en beïnvloedt de TGA-curve sterk:
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.
TGA wordt uitgevoerd in drie fundamenteel verschillende modi, elk geschikt voor een ander doel:
De volgende parameters worden standaard gerapporteerd conform ISO 11358:
De verwarmingssnelheid (β, in °C/min) heeft een grote invloed op de TGA-curve:
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.
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.
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).
Watergehalte via TGA als aanvulling op Karl Fischer-titratie (kwalitatief profiel: gebonden versus vrij water); voor selectieve kwantificering van water in vaste stoffen waarbij de matrix directe KF-injectie bemoeilijkt, zie Karl Fischer met oven. Verder: thermische stabiliteitsvergelijking van API-polymorfvormen, solvaat-identificatie, en decomposability-profiling voor veiligheidsscreening van nieuwe verbindingen in vroege ontwikkeling.
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.
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) — zie het overzichtsartikel over kinetische analysemethoden bij thermische analyse voor een uitgebreide bespreking van alle methoden. Kinetiekparameters worden gebruikt voor levensduurvoorspelling en veiligheidsbeoordeling van chemische processen (adiabatische opschaling). Voor de kinetiek van de gewenste synthese-reactie zelf — onder realistische procescondities met dosering, oplosmiddel en menging — is reactiecalorimetrie de aangewezen techniek.
Bij simultane thermische analyse (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.
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.
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. Voor de meting van dimensionele veranderingen onder belasting — uitzetting, krimp of verweking — is thermomechanische analyse (TMA) de aangewezen methode. TGA is zelf een vorm van gravimetrische analyse — de brede analytische methode waarbij massa de meetgrootheid is. Voor de bepaling van de verbrandingswarmte van de ontledingsproducten of van het organische gedeelte van een monster bij constant volume is bomcalorimetrie de aanvullende calorimetrische methode. Voor de bepaling van het specifiek oppervlak en de porositeit van katalysatoren, adsorbentia en anorganische residu’s na thermische behandeling is oppervlakte-analyse via BET de aanvullende methode.
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.
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: buoyantie-effecten (opdrijvings-effecten) (verandering van gasdichtheid bij temperatuurstijging, tot 0,1–0,2 mg artefact), vlotte gasstroom (turbulentie op balans), en het gewicht van het monstertakje. Buoyantiecorrectie via een blinde meting (lege pan) is aanbevolen voor nauwkeurige kwantitatieve metingen.
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. Een derde aanpak combineert de voordelen van beide methoden: bij Karl Fischer met oven (oven-KF) wordt het monster thermisch behandeld in een temperatuurprogramma — vergelijkbaar met TGA — en wordt uitsluitend de vrijgekomen waterdamp geselectief gekwantificeerd via coulometrische Karl Fischer-titratie.
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.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
