Glasübergangstemperatur


Glasübergangstemperatur

Dieser Artikel beschreibt den allgemeinen Fall. Für Glasübergang speziell bei anorganischen Gläsern, siehe Transformationsbereich.

Die Glasübergangs- oder Erweichungstemperatur (TG) ist die Temperatur, bei der ein Glas die größte Änderung der Verformungsfähigkeit aufweist. Ein Glas ist eine erstarrte Flüssigkeit. Gläser werden z. B. gebildet von den in der Umgangssprache darunter verstandenen anorganischen Gläsern – wie dem Fensterglas –, aber auch von organischen Gläsern wie z. B. amorphen Kunststoffen. Dieser so genannte Glasübergang trennt den unterhalb liegenden spröden energieelastischen Bereich (=Glasbereich) vom oberhalb liegenden weichen entropieelastischen Bereich (=gummielastischer Bereich). Der Übergang in den Fließbereich des amorphen Kunststoffs ist fließend.

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. Handelsübliche Kunststoffe besitzen einen kristallinen Anteil von 20 % bis 80 %.

Messung

Die Messung der Glasübergangstemperatur kann u. a. mit Hilfe der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) oder der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist die dielektrische Relaxationsspektroskopie. 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.

Einsatztemperatur von Kunststoffen

Die Art des Kunststoffes entscheidet darüber, ob er oberhalb oder unterhalb der Glasübergangstemperatur verwendet werden kann.

  • Amorphe Thermoplaste: Einsatz unterhalb der Glasübergangstemperatur.
  • Teilkristalline Thermoplaste: Der Einsatz über die Glasübergangstemperatur hinaus ist möglich. Die Schmelztemperatur bildet meistens die obere Einsatzgrenze.
  • Elastomere: Einsatz oberhalb der Glasübergangstemperatur. Die Zersetzungstemperatur bildet die obere Temperaturgrenze.
  • Duroplaste: Einsatz bis unterhalb Tc (Cracktemperatur bzw. Zersetzungstemperatur)

Allgemein steigt die Glasübergangstemperatur mit der Vernetzungsdichte des Kunststoffes, bzw. Elastomers.

Auswirkungen

Für das Unglück des Space Shuttle Challenger wurde eine elastomere O-Ring-Dichtung aus Fluorelastomer verantwortlich gemacht, die unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur betrieben wurde, wo sie nur ungenügend elastisch war und folglich nicht dicht blieb. Austretende heiße Verbrennungsgase des Feststoff-Raketenboosters führten daraufhin zur Explosion der Raumfähre.

Weblinks

Kunststoffe im Alltag – Freie Universität Berlin