Glasübergangstemperatur
Beim Überschreiten der Glasübergangstemperatur (TG) ist die Umwandlung eines festen Glases in eine gummiartige bis zähflüssige Schmelze zu beobachten. Während dieser Punkt bei Polymeren Glasübergangstemperatur genannt wird, spricht man bei amorphen Metallen von der Glastemperatur und bei anorganisch-nichtmetallischem Gläsern von der Transformationstemperatur.
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Bildung und Eigenschaften [Bearbeiten]
Ein Glas bildet sich, wenn eine Flüssigkeit schneller abkühlt, als Kristallisationskeime sich bilden können. Dies geschieht besonders leicht bei asymmetrischen Molekülen und viskosen Flüssigkeiten. Gläser werden z. B. von den in der Umgangssprache darunter verstandenen anorganischen Gläsern – wie dem Fensterglas – gebildet, aber auch von organischen Gläsern wie z. B. amorphen Kunststoffen. Der Glasübergang trennt den unterhalb des Glasübergangspunktes liegenden "spröden" energieelastischen Bereich (=Glasbereich) vom oberhalb liegenden "weichen" entropieelastischen Bereich (=gummielastischer Bereich). Der Übergang in den Fließbereich (=Bereich plastischer Verformung) des amorphen Kunststoffs ist fließend.
Teilkristalline Kunststoffe besitzen sowohl eine Glasübergangstemperatur, unterhalb derer die amorphe Phase ‚einfriert‘ (einhergehend mit Versprödung), als auch eine Schmelztemperatur, bei der sich die kristalline Phase auflöst. Die Schmelztemperatur trennt den entropieelastischen Bereich deutlich vom Fließbereich ab. Viele gebräuchliche Kunststoffe besitzen einen kristallinen Anteil von 10 bis 80 %.[1]
Ein Glasübergang ist kein Phasenübergang, und ist so auch nicht mit einer exakten Temperatur verknüpft. Je nachdem, auf welcher Zeit- und Längenskala, bzw. Bewegungsmode der molekularen Dynamik die verwendete Meßmethode (s.u.) empfindlich ist, variiert der gefundene Wert systematisch. Da die Bewegungsmoden stark miteinander gekoppelt sind (sie frieren alle im gleichen Temperaturbereich ein), ist die Abweichung allerdings typischerweise nur einige Kelvin groß. Exakterweise muss aber zu jeder Glasübergangstemperatur die verwendete Meßmethode angegeben werden.
Der Glasübergang beruht bei Polymeren auf dem Einfrieren von Kettensegmenten.[2]
Messung [Bearbeiten]
Die Messung der Glasübergangstemperatur kann u. a. mit Hilfe der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) oder der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) erfolgen. Bei der DMA wird eine starke Änderung des E- und G-Moduls sowie ein ausgeprägtes Maximum der Änderung der Dämpfung in einem engen Temperaturbereich beobachtet. Bei DSC-Messungen wird die Wärmekapazität (Cp) in Abhängigkeit von der Temperatur erfasst. Die Wärmekapazität von flüssiger und glasartiger Phase unterscheidet sich, mit einem kontinuierlichen Übergang in der Nähe der Glasübergangstemperatur. Die festgestellte Glasübergangstemperatur hängt recht stark von der Heiz- bzw. Kühlrate ab. Bei kleinen Raten nähern sich die Werte aus dem Heiz- bzw. Kühlvorgang einander an, werden aber in der DSC zunehmend schwer detektierbar. Eine weitere Möglichkeit ist die dielektrische Relaxationsspektroskopie.
Einsatztemperatur von Kunststoffen [Bearbeiten]
Die Art des Kunststoffes entscheidet darüber, ob er oberhalb oder unterhalb der Glasübergangstemperatur verwendet werden kann.
- Amorphe Thermoplaste: Einsatz nur unterhalb der Glasübergangstemperatur sinnvoll.
- Teilkristalline Thermoplaste: Der Einsatz über die Glasübergangstemperatur hinaus ist bei reduzierten Ansprüchen an die Festigkeit möglich. Die Schmelztemperatur bildet meistens die obere Einsatzgrenze.
- Elastomere: Einsatz grundsätzlich oberhalb der Glasübergangstemperatur. Die obere Temperaturgrenze dieser Materialien ist ihre jeweilige Zersetzungstemperatur.
- Duroplaste: Einsatz bis unterhalb Tc (Cracktemperatur bzw. Zersetzungstemperatur)
Allgemein steigt die Glasübergangstemperatur mit der Vernetzungsdichte des Kunststoffes, bzw. Elastomers.
Auswirkungen [Bearbeiten]
Für das Unglück des Space Shuttle Challenger wurde eine O-Ring-Dichtung aus Fluorelastomer verantwortlich gemacht, die unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur betrieben wurde, wo sie nur ungenügend elastisch war und folglich nicht dicht hielt. Austretende heiße Verbrennungsgase des Feststoff-Raketenboosters brachten den Treibstofftank zur Explosion, was zur Zerstörung der Raumfähre führte.
Literatur [Bearbeiten]
- Hans-Georg Elias: Makromoleküle Band 2: Physikalische Strukturen und Eigenschaften. 6. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2001, ISBN 3-5272-9960-2, S. 452 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
- Kapitel 5.2.4 Glasübergänge, In: Manfred Dieter Lechner, Klaus Gehrke, Eckhard H. Nordmeier: Makromolekulare Chemie: Ein Lehrbuch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker, 4. überarbeitete und erweiterte Auflage, Springer Verlag 2009, ISBN 978-3764388904, S. 371f
Einzelnachweise [Bearbeiten]
- ↑ Gottfried Wilhelm Ehrenstein: Polymer-Werkstoffe: Struktur – Eigenschaften – Anwendung. 2. Auflage. Carl Hanser Verlag, München, Wien 1999, ISBN 3-446-21161-6, S. 173 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
- ↑ Manfred D. Lechner: Makromolekulare Chemie: Ein Lehrbuch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker. 4. Auflage. Birkhäuser, Basel 2009, ISBN 3-7643-8890-0, S. 371 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
