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Werkstoffprüfung: Thermische Eigenschaften von Polymeren

Wärmeleitfähigkeit

In der Regel enthalten Polymere keine frei beweglichen Elektronen. Der Wärmetransport kann nur über elastische Wellen im Festkörper und den Energieaustausch beim Zusammenstoß von Molekülen erfolgen.

Nach Debye gilt:

λ ≈ c p · ρ · u · l λ = Wärmeleitfähigkeit c p = Wärmekapazität ρ = Dichte u = Schallgeschwindigkeit l = Abstand der Moleküle

Die Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitzahl λ ist die Wärmemenge in Joule, die in einer bestimmten Zeiteinheit durch einen Körper bestimmten Querschnittes hindurchgeht, wobei das Temperaturgefälle 1 K beträgt. Die Einheit dieser Größe ist J(cm·s·K) -1 oder W(m·K) -1 .

Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wird der Probekörper zwischen zwei Plattenpaare gebracht, von denen eines geheizt und das andere gekühlt wird und somit ein Temperaturgefälle entsteht. Die Temperaturdifferenz wird mit Thermoelementen zwischen Heiz- und Kühlplatte gemessen. Für einen sehr guten Wärmekontakt zwischen den einzelnen Platten wird die gesamte Versuchsanordnung zusammengepresst.

Abb.1
Messeinrichtungen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit

Die in der Technik eingesetzten Apparaturen lassen sich in drei wesentliche Messprinzipien unterteilen:

  • stationäre Verfahren: Die Apparatur wird in einen Thermostaten mit konstanter Temperatur gegeben. Damit ist die Messung der absoluten Wärmeleitfähigkeit möglich. Nachteil des Verfahrens ist ein relativ hoher Zeitaufwand.
  • quasistationäre Verfahren: Hier erfolgt die Heizung des Probekörpers durch konstante Leistungszuführung, d.h. zeitlich und örtlich konstante Aufheizgeschwindigkeit. Mit relativ geringem zeitlichen Aufwand kann die Wärmeleitfähigkeit kontinuierlich gemessen werden.
  • instationäre Verfahren: Sie sind durch einen geringen Zeitaufwand gekennzeichnet und ermöglichen die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärme, allerdings nur nach Umrechnung der eigentlichen Messgröße, der Temperaturleitzahl.

Da die Wärmeleitfähigkeit von zahlreichen molekularen Parametern abhängt, sind Messungen dieses Kennwertes gut dazu geeignet, Rückschlüsse auf das Verhalten der Kettenmoleküle und der übermolekularen Struktur bei Einwirkung thermischer Energie zu ziehen.

Spezifische Wärme

Wird einem Körper Wärme zugeführt, so erhöht sich seine Temperatur. Die Wärmekapazität c ist definiert als Speicherfähigkeit für Wärmemengen:

c =dQ/dT [W /(kg·K)]

Q ist die absorbierte (oder abgeführte) Wärme und T die Temperatur.

Die quantitative Bestimmung der spezifischen Wärme ist wichtig für die Berechnung des Energiebedarfs für Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge an Polymeren.

Wärmedehnzahl

Mit steigender Temperatur dehnen sich Polymere aus. Die Messung der Wärmeausdehnung ermöglicht die Bestimmung der mittleren linearen (α) bzw. kubischen (β) Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Werkstoffes.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient α, auch Wärmedehnzahl genannt, beschreibt die Längenänderung L 1 eines Körpers bei 1 K Temperaturerhöhung und wird in K-1 angegeben.

In einem begrenzten Temperaturintervall ist bei eindimensionaler Betrachtung die Längenänderung gegeben durch:

L 1 = L 0 + α L 0 ( T 1 - T 0 )

Für die räumliche Ausdehnung ergibt sich:

V 1 = V 0 + β V 0 ( T 1 - T 0 )

Für einen isotropen Körper gilt:

β = 3 α

Im Allgemeinen ist jedoch mit nichtlinearen Verläufen zu rechnen, da die Koeffizienten α und β temperaturabhängig sind. Diese Nichtlinearität ist eine Folge der mit steigender Temperatur einsetzenden lokalen Bewegung kleiner Molekülgruppen (Nebenrelaxation) und der danach einsetzenden kooperativen Bewegungen ganzer Molekülteile (Hauptrelaxation).

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