Oxidationsinduktionszeit und -temperatur
Was besagt die OIT-Messung?
Dieses einfache Standardtestverfahren charakterisiert die Oxidationsstabilität von Ölen, Fetten, Treibstoffen oder Polymeren. Die Information ist deshalb wichtig, da äußere Einflüsse wie Licht, chemische oder biologische Stoffe sowie Strahlung und Temperatur die physikalischen Eigenschaften eines Materials stark verändern können.
Ist während einer Messung ein Qxidationsmittel vorhanden, kann es zur Oxidation der Probe kommen [2, Kap. 2]. Dabei werden Elektronen vom betrachteten Stoff an den vorhandenen Sauerstoff abgegeben und ein Oxid als Reaktionsprodukt gebildet.
Oxidative Verhalten einer Probe
Die Oxidation ist ein exothermer Prozess, deren Beginn sich in einem DSC-Signal als Anstieg darstellt. Eine Betrachtung des gesamten Oxidationsprozesses, der einen exothermen Peak auf dem DSC-Signal ausbildet, wird nur selten erfasst. Um die Vorbelastung und Beständigkeit von Stoffen zu prüfen ist es möglich, mithilfe der DSC-Messung Aussagen über das oxidative Verhalten einer Probe zu treffen.
Unterschied zwischen OIT und OOT
Für Oxidationsreaktionen gibt es, um eine vergleichbare Analyse zu gewährleisten, verschiedene Normen. Diese geben einheitliche Messbedingungen für gleichartige Ergebnisse vor.
Oxidation-Onset-Temperatur-Messung (OOT)
Der erste dieser Oxidationstests ist die Oxidation-Onset-Temperatur-Messung. Hierbei wird eine statische Atmosphäre genutzt, in der das Oxidationsmittel Sauerstoff bereits vorhanden ist. Der Prüfling wird daraufhin mit definierter Heizrate aufgeheizt. Die Temperatur, ab welcher das DSC-Signal den signifikanten Knick der Oxidation zeigt, ist dabei die OOT.
Die Auswertung erfolgt durch zwei Tangenten, die an den DSC Verlauf vor und nach diesem Knick angelegt werden. Der entsprechende Schnittpunkt stellt dabei die gesuchte Onset-Temperatur dar. Die Methode wird in Abb. 1 verdeutlicht.
Abbildung 1: Darstellung einer Oxidations-Onsettemperatur-Messung [3, S. 8]
Oxidation-Induction-Time (OIT)
Die zweite Untersuchung zur Oxidationsstabilität ist die Oxidation-Induction-Time und wird in Abb. 2 dargestellt. Dabei wird die Probe unter inerten, also reaktionsmittelfreien Bedingungen auf eine definierte Temperatur unterhalb der OOT gebracht und gehalten.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird daraufhin das Oxidationsmittel in den Probenraum geführt. Die Zeit ab Zuführung des Oxidationsmittels bis zum Beginn der Oxidation an der Probe, ebenfalls durch den Knick des DSC-Signals gekennzeichnet, ist dabei die OIT. Die Auswertung erfolgt analog zur OOT aber in Abhängigkeit der Zeit.
Abbildung 2: Darstellung einer Oxidations-Induktionszeit Messung [3, S. 7]
Das statische und dynamische OIT-Verfahren
Um wirtschaftliche und reproduzierbare Messungen für sehr oxidationsstabile Verbindungen zu gewährleisten, wird in der Praxis mit Hochdruck-DSCs gearbeitet. Die OIT wird dabei druckabhängig verkürzt. Bedingt durch die höhere Sauerstoffkonzentration aufgrund des besseren Wärme- und Oxidationsmittelaustauschs prägt sich das Ergebnis mit einer steileren Anstiegsänderung deutlicher aus.
Es gibt zwei Standard OIT- Verfahren: Zum einen die dynamische Prozedur, bei welcher die Probe in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre stetig erhitzt wird und die Oxidation als Änderung im Kurvenverlauf beobachtet werden kann. Dazu werden sowohl die Temperatur als auch die Dauer ab Beginn der Oxidation gemessen.
Auf der anderen Seite gibt es das statische Verfahren, bei dem die Probe in einer Schutzatmosphäre, typischerweise Stickstoff, bis auf 190 – 220 °C erhitzt wird. Nachdem eine konstante Temperatur erreicht wurde, wird Sauerstoff oder Luft in die Kammer eingeführt. Anschließend wird die Dauer zwischen Sauerstoff- / Luft-Einlass und Beginn der Oxidation (exothermer Effekt) gemessen.
Zersetzung bei der Oxidation
Die Zersetzung bezeichnet die Zerlegung einer Verbindung in kleinere Moleküle oder Elemente [1, Kap. 3.4.4]. Ist während einer Messung kein Oxidationsmittel wie Luftsauerstoff vorhanden, setzt bei einer stoffabhängigen Temperatur Pyrolyse ein. Das Stoffsystem wird durch den Eintrag der Wärme gespalten und zersetzt sich. In einer DSC lässt sich das durch Nutzung eines inerten Probengases wie zum Beispiel Stickstoff umsetzen, da sonst Oxidation auftreten kann, in diesen Prozess beeinflusst. Die Zersetzung ist ein endothermer Prozess.
Quellen
[1] B. Wunderlich, Thermal Analysis of Polymeric Materials. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005.
[2] G. W. Ehrenstein, G. Riedel und P. Trawiel, Thermal analysis of plastics: Theory and practice. Munich: Hanser, 2004.
[3] Plastics – Differential Scanning Calorimetry (DSC), ISO 11357-6, 2008.
