Glasübergangstemperatur

Die meisten Menschen kennen das Konzept des Schmelzpunkts – die Temperatur, bei der ein Feststoff in einen flüssigen Zustand übergeht. Aber nicht alle Materialien haben einen definierten Schmelzpunkt. Ein amorphes Polymer hat eine Glasübergangstemperatur, bei der es sich nicht um eine einzelne Temperatur handelt, sondern um einen Temperaturbereich, über den sich die Eigenschaften des Polymers dramatisch ändern.

Haben Sie sich jemals gefragt, warum Anstreicher so viel über Anwendungstemperaturen sprechen? Nicht nur, weil sie gerne an sogenannten Goldlöckchen-Tagen arbeiten, wenn es nicht zu heiß und nicht zu kalt ist. Das liegt daran, dass die von ihnen verwendete Farbe – höchstwahrscheinlich eine Latex-basierte Formel – am besten funktioniert, wenn sie zwischen 10 und 20 ° C (50 ° F und 70 ° F) aufgetragen wird. Wenn sie außerhalb dieses Temperaturbereichs lackieren, härtet die Farbe möglicherweise nicht richtig aus, was bedeutet, dass sie nicht vollständig an der Oberfläche haftet und sogar reißen oder sich ablösen kann.

Diese Eigenschaft einer Latexfarbe entsteht, weil Latexbindemittel als amorphe Polymere klassifiziert werden und alle amorphen Polymere ein grundlegendes Merkmal aufweisen, das als Glasübergangstemperatur oder T . bekannt ist _g . Die Glasübergangstemperatur beeinflusst das Verhalten eines fertigen Polymers und ist daher äußerst wichtig.

In diesem Artikel werden wir die Vor- und Nachteile von T . erkunden _g : was es ist, wie es gemessen wird und wie es verwendet wird, um die Eigenschaften eines Endprodukts zu ändern. Beginnen wir mit der Diskussion amorpher Polymere und wie sie sich von ihren kristallinen Gegenstücken unterscheiden.

Es gibt viele Arten von Polymeren, darunter Kunststoffe, Gummi, Elastomere und Latices, aber alle haben eines gemeinsam – sie enthalten langkettige Moleküle, die in komplexen Anordnungen organisiert sind. In einigen Polymeren, die als kristallin klassifiziert werden, ordnen sich die langen Molekülketten in geordneter Weise an, oft mit einer aneinander gekoppelten Molekülkette. In anderen Polymeren, die als amorph klassifiziert werden, sind die langen Molekülketten zufällig zusammengepackt und zeigen keine erkennbare Ordnung.

Wenn kristalline Polymere erhitzt werden, erreichen sie eine bestimmte Temperatur, bei der die geordnete Anordnung ihrer langkettigen Struktur in eine zufällige und desorganisierte Anordnung übergeht. Das Polymer geht buchstäblich von einem Feststoff in eine Flüssigkeit über. Diese Temperatur ist als Schmelzpunkt oder T . bekannt _m . Der Schmelzpunkt von Polypropylen beträgt beispielsweise 175 °C (347 °F). Bei Polyethylen hoher Dichte sind es 130 °C (266 °F).

Wenn amorphe Polymere amorphe Polymere erhitzt werden, schmelzen sie nicht plötzlich. Stattdessen erreichen sie einen Temperaturbereich, bei dem das Material weniger glasig und gummiartiger wird oder umgekehrt. Infolgedessen haben amorphe Polymere keinen Schmelzpunkt – sie haben eine Glasübergangstemperatur oder T _g . Die Glasübergangstemperatur eines bestimmten Polymers kann als einzelne Temperatur aufgeführt werden, aber diese Zahl ist ein gemittelter Wert, der aus einem Temperaturbereich berechnet wird. Wir werden dies im nächsten Abschnitt genauer untersuchen.

Es sollte auch beachtet werden, dass einige Polymere einen Teil ihrer Ketten aufweisen können, der amorph ist, und einen Teil, der kristallin ist. Diese Polymere hätten sowohl einen Schmelzpunkt als auch eine Glasübergangstemperatur.

Chemiker verwenden verschiedene Methoden, um die Glasübergangstemperatur amorpher Polymere zu messen, aber die gebräuchlichste ist die Differentialscanningkalorimetrie oder DSC. Ein Kalorimeter ist ein Gerät, das die Menge der absorbierten oder abgegebenen Wärme in einer in das Gerät eingebrachten Probe misst. Bei der DSC wird die Polymerprobe in das Gerät eingebracht und von Raumtemperatur auf eine bestimmte Temperatur, beispielsweise -100°C, abgekühlt. Als nächstes wird es mit einer konstanten Geschwindigkeit von –100 °C auf 50 °C oder eine ähnliche Temperatur erhitzt.

Ein an das System angeschlossener Computer misst die thermische Reaktion des Polymers und erstellt ein Diagramm des Wärmeflusses über der Temperatur, ähnlich dem unten gezeigten. Der Glasübergang erscheint als „Knick“ im Plot. Die Glasübergangstemperatur wird mit einer halben Höhe berechnet, was bedeutet, dass der Mittelpunkt des „Knicks“ oder die Mitte des geneigten Bereichs identifiziert wird.

Um zu verstehen, warum sich ein erhitztes amorphes Polymer auf diese Weise verhält, ist es hilfreich zu berücksichtigen, was auf molekularer Ebene passiert. Denken Sie daran, dass die langen Ketten amorpher Polymere zufällig zusammengepackt sind, jedoch im glasigen Zustand (d. h. unterhalb von T _g ) haben die Bindungen in den Ketten wenig segmentale Bewegung, was das Material härter und spröder macht. Bei T _g , wenn die thermische Energie zunimmt, gewinnen die Bindungen mehr segmentale Bewegung und die Ketten beginnen mit merklicher Geschwindigkeit aneinander vorbeizugleiten. Dabei wird das Polymer weniger glasig und flexibler.

Wenden wir uns nun der Rolle T . zu _g spielt bei der Entwicklung von Latexbindern für spezielle Anwendungen eine Rolle.

Der Übergang vom glasartigen Zustand in den gummiartigen Zustand wird von dramatischen Veränderungen der physikalischen Eigenschaften amorpher Polymere begleitet _g , können Sie auswählen, wie sich ein Polymer für bestimmte Endanwendungen verhalten soll. Zum Beispiel ein Polymer mit einem niedrigen T _g neigt dazu, sich bei Raumtemperatur weich und biegsam oder sogar klebrig (klebrig) anzufühlen. Ein Polymer mit einem T _g nahe Raumtemperatur neigt dazu, sich zäh und ledrig anzufühlen. Und ein Polymer mit einem hohen T _g neigt dazu, bei Raumtemperatur hart und spröde zu sein. Die folgende Tabelle zeigt die Glasübergangstemperaturen für mehrere wichtige Homopolymere – Polymere, die aus einer einzigen Monomerart bestehen.

Für Copolymere – d. h. Polymere aus zwei Arten von Monomeren – T _g ist etwas komplizierter. Das liegt daran, dass T _g kann durch Variieren der Polymerzusammensetzung manipuliert werden. Zum Beispiel hat das Styrol in einer Styrol-Butadien-Latex-Emulsion eine T _g von 100 °C, während die von Butadien –85 °C beträgt. Eine Änderung des Verhältnisses von Styrol zu Butadien ändert die T _g .

Bei Farben, Lacken und Klebstoffen, bei denen es auf einen stabilen Latexfilm ankommt, diskutieren Chemiker auch über die sogenannte minimale Filmbildungstemperatur (MFFT). MFFT bezieht sich auf die niedrigste Temperatur, bei der ein Latex gleichmäßig koalesziert, wenn er als dünner Film auf ein Substrat gelegt wird. Die MFFT liegt normalerweise nahe der Glasübergangstemperatur eines Polymers, obwohl Chemiker immer bestrebt sind, das richtige Gleichgewicht zwischen richtiger Filmbildung und Härte zu finden. Viele Polymere in Beschichtungsqualität wurden speziell entwickelt, um eine niedrigere MFFT im Vergleich zu T . zu haben _g um eine bessere Filmbildung zu verleihen, während das Endfestigkeitsniveau beibehalten wird.