zum Directory-modus

Glasübergangstemperatur

Glasübergang und Schmelzen

Eine wichtige Rolle für die Eigenschaften von polymeren Werkstoffen spielt die so genannte Glasübergangstemperatur Tg . Sie ist eine der wichtigsten Kenngrößen der Polymeren und vermittelt einen Anhaltspunkt über die Formbeständigkeit des Kunststoffes bei Wärmeeinwirkung.

Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der ganz oder teilweise amorphe Polymere von dem hochviskosen oder gummielastischen, flexiblen Zustand in den glasartigen oder hartelastischen, spröden Zustand übergehen. Daher wird sie auch Erweichungstemperatur genannt. Jeder Kunststoff besitzt eine spezifische Glasübergangstemperatur, anhand derer er charakterisiert werden kann.

Der Übergang vom Glaszustand in den flüssigen Zustand ist nicht dasselbe wie Schmelzen. Schmelzen können streng betrachtet nur Stoffe, die eine kristalline Struktur aufweisen. Durch Wärmezufuhr nehmen Translations- und Rotationsbewegungen zu, das geordnete Kristallgitter löst sich auf, man erhält eine ungeordnete Flüssigkeit. Bei Stoffen, deren Moleküle im festen Zustand schon ungeordnet vorliegen, muss nicht erst unter Energiezufuhr das Kristallgitter aufgelöst werden. Zwar nehmen auch hier Translations- und Rotationsbewegungen zu. Allerdings sind nur kleine Molekül-Teilbereiche in der Translation frei beweglich (ca. 100 C-Atome): Nach außen sichtbar ist ein Erweichen des Polymers in Molekül-Teilbereichen. Deshalb spricht man von einem Glasübergangsbereich und nicht von einer festen Glastemperatur. Manche Kunststoffe werden unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur, d.h. im harten und spröden Zustand verwendet. Beispiele hierfür sind Polystyrol, Polymethylmethacrylat oder Polyethylenterephthalat. Polyisopren, Polybutadien oder Polyethylen dagegen kommen oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur zum Einsatz, wo sie elastisch und flexibel vorliegen.

Der Unterschied beim Erwärmen eines Kristalls und eines amorphen Festkörpers zeigt sich am Temperaturverlauf. Beginnt ein Kristall zu schmelzen, bleibt seine Temperatur konstant, bis er ganz geschmolzen ist. Die zugeführte Wärme wird nur dazu verwendet, das Kristallgitter zu zerstören. (latente Schmelzwärme; von lat. Latens = verborgen). Im amorphen Festkörper wird die gesamte Energie dazu verwendet, die Temperatur des Stoffes zu erhöhen.

Abb.1
Schmelz- und Glasübergangstemperatur

Die meisten Kunststoffe bestehen aus einem amorphen und einem kristallinen Bereich. Das Vorliegen von kristallinen neben amorphen Bereichen ist durch Röntgen-Untersuchungen gezeigt worden. Unter kristallinen Polymeren versteht man praktisch immer teilkristalline Polymere. Damit lässt sich auch die Brüchigkeit von Kunststoffen unterhalb der Glasübergangstemperatur erklären. Im elastischen Zustand können die Molekülketten ohne Probleme aneinander vorbeigleiten, um einem Druck von außen oder einer anderen äußeren Kraft auszuweichen. Befinden sich die Moleküle jedoch im Glaszustand, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder sie halten dem Druck stand und bleiben in ihrer bisherigen Position, oder sie werden durch den Druck getrennt und das Werkstück bricht auseinander.

<Seite 1 von 8