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Werkstoffprüfung: Thermische Eigenschaften von Polymeren

Thermische Eigenschaften von Polymeren

Die thermischen Eigenschaften von Polymeren sind durch den Aufbau dieser Stoffe aus großen Molekülen bestimmt. Das Bewegungsverhalten und der Ordnungszustand von Atomen, Molekülsegmenten und Molekülen bei Einwirkung thermischer Energie wird von dem Verhältnis der kovalenten Bindungen längs der Molekülketten zu den nebenvalenten Wechselwirkungen zwischen benachbarten Molekülen bestimmt.

Beim Erwärmen dehnt sich ein Polymer aus und sein Volumen nimmt zu. Dabei steigt die Beweglichkeit einzelner Atome, Seitenketten und Molekülsegmente, bis letztendlich ganze Moleküle ihre Lage verändern. Werden diesen Vorgängen noch weitere äußere Einflüsse, wie z.B. mechanische Beanspruchung überlagert, dann nimmt der stoffliche Zusammenhang mit steigender Temperatur durch Entschlaufung, Abgleitvorgänge und Fließerscheinungen ab. Zähe oder flexible Polymere werden bei niedriger Temperatur spröde und hart, bei erhöhten Temperaturen kommt es dagegen zu Erweichen, Schmelzen oder gar zur thermischen Zersetzung. Der Werkstoff verliert neben seiner Formbeständigkeit auch seine Funktionstüchtigkeit.

Amorphe und teilkristalline Thermoplaste unterscheiden sich dabei allgemein deutlich in ihrem Verhalten. Duromere und Elastomere verhalten sich ähnlich wie amorphe Polymere. Durch die Vernetzung der Makromoleküle im Bereich der Hauptvalenzen ergeben sich jedoch differenziertere Zusammenhänge.

Für Hersteller, Verarbeiter und Anwender sind Zahlenangaben zur Bewertung des Wärmetransportes, der Speicherfähigkeit von Wärmemengen, der Formbeständigkeit in der Wärme von großem Interesse. Mit ihrer Hilfe lassen sich der Energiebedarf zum Erwärmen und Abkühlen sowie die möglichen Einsatzbereiche berechnen.

Die einzelnen Prüfmethoden lassen sich wie folgt klassifizieren:

  • Ermittlung der allgemeinen thermischen Kennwerte
  • Untersuchung der unmittelbaren Änderungen der Kennwerte bei Einwirkung von hohen und tiefen Temperaturen
  • Ermittlung der Formbeständigkeit eines mechanisch beanspruchten Formteils bei gleichmäßig zunehmender Erwärmung
  • Ermittlung des Verhaltens der polymeren Werkstoffe bei extrem hoher thermischer Beanspruchung
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