Glasumwandlungstemperatur

Der Glasübergang gilt als eine der wichtigsten Eigenschaften amorpher und teilkristalliner Materialien, wie z.B. anorganische Gläser, amorphe Metalle, Polymere, Pharmazeutika und Lebensmittel, usw., und bezeichnet den Temperaturbereich, in dem sich die mechanischen Eigenschaften des Material von einem harten und spröden Zustand in einen weicheren, verformbaren oder gummiartigen Zustand ändern.

Viele Polymere, z.B., Thermoplaste, Duromere, Kautschuk und Gummi bestehen meist aus amorphen und auch kristallinen Strukturen. Das bedeutet, dass viele Polymere eine Glasumwandlungsstemperatur Tg , aber auch eine Schmelztemperatur aufweisen. Die Glasumwandlungsstemperatur Tg ist niedriger als die Schmelztemperatur.

 

Was genau ist Glasumwandlungstemperatur

Die Glasumwandlungsstemperatur Tg eines Materials charakterisiert den Temperaturbereich, in dem der Glasübergang auftritt. Sie ist immer niedriger als die Schmelztemperatur des kristallinen Zustands eines Materials (falls vorhanden). Im Bereich des Glasübergangs wechselt ein Polymer von einem harten, steifen in einen flexibleren, geschmeidigeren Zustand. Die Tg tritt in einem Temperaturbereich auf, in dem die Mobilität der Polymerketten deutlich ansteigt.

Thermoplaste wie Polystyrol (PS) und Poly(Methylmethacrylat) (PMMA) werden unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur, d.h. im glasigen Zustand, eingesetzt. Elastomere wie Polyisopren und Butadienkautschuk (BR) werden oberhalb ihrer Tg, wo sie weich und geschmeidig sind, eingesetzt.

 

Glasumwandlungstemperatur für die Materialcharakterisierung

Jedes amorphe und teilkristalline Material hat seine charakteristische Tg und kann somit zur Materialidentifizierung herangezogen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen für unterschiedliche Polymere eignen sich einige Polymere für einige Anwendungen besser als andere. Ein Gummireifen (Auto) ist weich und geschmeidig, da er bei normalen Einsatztemperaturen deutlich über seiner Glasübergangstemperatur liegt. Wäre seine Glasübergangstemperatur höher als seine Einsatztemperatur, hätte er nicht die nötige Flexibilität, um auf dem Belag zu greifen.
Andere Polymere werden unterhalb ihrer Einsatztemperatur eingesetzt, wie z.B. ein harter Kunststoffgriff. Läge dessen Glasumwandlungstemperatur unter seiner Einsatztemperatur, wäre er zu flexibel.

 


Related Methods

DSC

DMA

TMA

DIL

Bestimmung der Glasumwandlungstemperatur mit unterschiedlichen thermoanalytischen Methoden

mittels Dynamischer Differenz-Kalorimetrie (DSC)

(z.B. ASTM E1356)

Bei DSC-Messungen kann der Glasübergang als Stufe in der Basislinie der Messkurven beobachtet werden (Abb. 1). Er wird durch seine Onset-, Midpoint, Wendepunkt- und Endttemperatur charakterisiert. Die Stufenhöhe beschreibt eine Änderung der spezifischen Wärmekapazität Δcp und wird in J/(g⋅K) angegeben. Der Auswerteprozess wird beispielweise in ASTM E1356-08 beschrieben. Die DSC kann für Festkörper, Pulver und Flüssigkeiten eingesetzt werden.

 

Applikation

Untersuchung des Einflusses von Feuchtigkeit auf die Glasumwandlungstemperatur von Sorbitol

Sorbitol wird als Zuckerersatz in vielen Süßigkeiten, Diätprodukten und Medikamenten verwendet. Ein Wasseranteil von 10 % in Sorbitol bewirkt gegenüber wasserfreiem Sorbitol einen Abfall der Glasumwandlungstemperatur von ca. 24 K (midpoint-Temperaturen). Beide Proben bleiben nach dem schnellen Abkühlen vom geschmolzenen Zustand (durchgeführt vor der dargestellten Aufheizstufe) völlig amorph.

Die Messungen wurden in Stickstoffatmosphäre mit einer Aufheizrate von 10 /min durchgeführt. Die geschlossenen Probentiegel aus Aluminium wurden mit einem gelochten Deckel versehen. Die Probeneinwaagen betrugen ca. 12 mg ± 1mg.

 

 

 


mittels dynamischer-mechanischer Analyse (DMA)

(z.B. ASTM 1640)

Die DMA-Methode (z.B. ASTM E1640-09) ist eine sehr empfindliche Technik für die Bestimmung der Glasumwandlungstemperatur (z.B. 1640-94). Sie stellt ein alternatives Verfahren für die Bestimmung der Glasumwandlungstemperatur für den Einsatz mittels dynamischer Differenz-Kalorimetrie (DSC) (ISO 11357‑2) dar.

Bei DMA-Messungen kann Tg ls extrapolierten Onset-Temperatur der sigmoidalen Änderung des Speichermoduls E’, als Peak des Verlustmoduls E’’ oder als Peak von tanδ (Dämpfung) ausgewertet werden.

DMA kann insbesondere für unverstärkte und gefüllte Polymere, Schäume, Kautschuk, Gummi, Klebstoffe und ebenso für faserverstärkte Kunststoffe, Harze und Verbundwerkstoffe (Composites) eingesetzt werden. Es können unterschiedliche Modi (z.B. Biegung, Druck, Zug) der dynamisch-mechanischen Analyse, je nach Form des Ausgangsmaterials, verwendet werden.

 

Applikation

Glasübergang von Kautschuk

Mit der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) können die temperaturabhängigen viskoelastischen Eigenschaften (E’, Steifigkeit und Verlustmodul E’’, Maß für die Schwingungsenergie) aufgezeichnet werden und Elastizitätsmodule und Dämpfungswerte (tanδ) durch Aufbringen einer oszillierenden Kraft auf die Probe bestimmt werden.

Der Glasübergang Tg eines hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuks (HNBR) wurde im Zugmodus mittels dynamisch-mechanischer Analyse, DMA, bestimmt. Die Messung erfolgte mit einer Heizrate von 2 K/min, einer Frequenz von 1 Hz und einer Amplitude von ±20 µm im Temperaturbereich zwischen -90 °C und 40 °C.

Die im Speichermodul E’ bestimmte extrapolierte onset-Temperatur, der Peak im Verlustmodul E’’ und der Peak in der tanδ-Kurve entsprechen der Glasumwandlungstemperatur dieses Kautschukmaterials (je nach Auswertekonvention).

 

 

 


mittels Dilatometrie (DIL) / thermomechanischer Analyse (TMA)

(z.B. ASTM E831)

In Dilatometern (DIL) und thermomechanischen Analysatoren (TMA), beide in ASTM E 473 – 11a beschrieben, zeigt sich der Glasübergang als Knick in der Kurve für die temperaturabhängige Dimensionsänderung (z.B. ASTM E1545). Die Glasumwandlungstemperatur wird als extrapolierte onset-Temperatur des Knicks in der experimentellen DIL/TMA-Kurve ausgewertet und in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Für eine reproduzierbare Definition muss die Aufheiz- oder Abkühlrate spezifiziert werden.

Applikation

Bestimmung des Glasübergangs mittels Dilatometrie

DIL –Messung an einem Naturkautschukmaterial (NR) zwischen -120 °C und 20 °C mit einer Heizrate von 3 K/min in Heliumatmosphäre. Die Probenlänge betrug 2 mm. Die extrapolierte onset-Temperatur von -62 °C stimmt gut mit der Glasumwandlungstemperatur (Tg) von NR überein. In amorphen Materialien wie Kautschuk ist der Glasübergang ein reversibler Prozess. Das Material geht von einem harten und relativ spröden Zustand in einen weichen, gummitypischen Zustand über.