Erklärung der Glasübergangstemperatur

Es gibt viele Arten von Polymeren, darunter Kunststoffe, Gummi, Elastomere und Latices, aber sie alle haben eines gemeinsam – sie bestehen aus langen Molekülketten, die in komplexen Anordnungen organisiert sind. In kristallinen Polymeren ordnen sich die Ketten auf geordnete Weise an, oft mit einer aneinander gekoppelten Molekülkette. In anderen Polymeren, die als amorph klassifiziert werden, sind die langen Molekülketten zufällig und ohne erkennbare Reihenfolge zusammengepackt.

Als interessante Randnotiz ist Glas ein amorphes Material, aber kein Polymer – es ist ein nicht-polymerer amorpher Feststoff. Dennoch kann das Verhalten von Glas hilfreich sein, um die Funktionsweise von Polymeren zu verstehen. Bei Zimmertemperatur ist es hart und spröde, aber beim Erhitzen ist es weich und biegsam. Wie wir als nächstes diskutieren werden, verhalten sich amorphe Polymere ähnlich.

Wenn kristalline Polymere erhitzt werden und eine bestimmte Temperatur erreichen, geht die geordnete Anordnung ihrer langkettigen Struktur in eine zufällige und desorganisierte Anordnung über. Das feste Polymer geht buchstäblich über und schmilzt in einen flüssigen Zustand. Die Temperatur, bei der diese Änderung auftritt, ist der Schmelzpunkt (Tm).

Amorphe Polymere beim Erhitzen nicht schmelzen. Stattdessen werden die Polymerketten mit fortschreitender Erwärmung mobil, wodurch das Material weicher und weniger steif wird oder umgekehrt. Der Punkt dieser Änderung ist als Glasübergangstemperatur (Tg) bekannt. Die Tg eines bestimmten Polymers kann als einzelne Temperatur aufgeführt werden, aber diese Zahl ist ein Durchschnittswert, der aus einem Temperaturbereich berechnet wird. Wie beim Schmelzen wird der Glasübergang durch eine Änderung der Wärmekapazität bezeichnet – d. h. er nimmt Wärme auf, aber das Material wird nicht heißer, sondern durchläuft diese Zustandsänderung. Es ist wichtig zu beachten, dass einige Polymere einen Teil ihrer Ketten aufweisen können, der kristallin und ein Teil amorph ist. Solche Polymere hätten sowohl einen Schmelzpunkt als auch eine Glasübergangstemperatur.

Die gebräuchlichste Methode zur Messung der Tg amorpher Polymere ist die Differentialscanningkalorimetrie oder DSC. Bei der DSC wird die Polymerprobe in das Kalorimeter gegeben, das bei steigender Temperatur die Menge der absorbierten oder abgegebenen Wärme in der Probe misst. Da die Veränderungen bei diesen Polymeren graduell erfolgen, wird die Tg per Konvention als Mittelpunkt dieses Übergangs angegeben.

Viele wichtige kommerzielle Polymere, wie die von RUICO, fallen in die Kategorie der amorphen. Die Glasübergangstemperatur dieser Polymere liegt typischerweise im Bereich von –80°C bis 100°C. Die Tg kann durch Variieren der Polymerzusammensetzung manipuliert werden. Zum Beispiel in einer Styrol-Butadien-Latex-Emulsion , hat das Styrol eine Tg von 100ºC, während die Tg von Butadien -85ºC beträgt. Eine Änderung des Verhältnisses von Styrol zu Butadien führt jedoch zu einer Verschiebung der Tg sowie zu einer Verschiebung der Leistung des Endprodukts.