De glasovergang (Tg) is een omkeerbare fysische overgang die optreedt wanneer het amorfe gedeelte van een materiaal binnen een bepaald temperatuurbereik wordt verwarmd of afgekoeld. Als een materiaal onder de glasovergangstemperatuur wordt afgekoeld, wordt het bros als glas, terwijl bij verhitting boven de Tg het materiaal leerachtig en vervolgens rubberachtig wordt. Het kennen van de karakteristieke waarden van de glasovergang zoals de glasovergangstemperatuur Tg in K of °C en de delta cp waarde in J/g°C (= de staphoogte van de curve) is nuttig voor het bepalen van het bedrijfstemperatuurbereik of het amorfe gehalte van een semi-kristallijn materiaal.
Fysische eigenschappen zoals de warmtecapaciteit, Cp, thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) en opslagmodulus (G') veranderen bij de glasovergang. De figuur toont drie verschillende krommen van polystyreen (PS) die verkregen zijn met differentiële scanning calorimetrie (DSC), thermomechanische analyse (TMA) en dynamisch-mechanische analyse (DMA). De Cp curve werd bepaald aan de hand van een DSC-verwarming bij 5 K/min. Het PS werd vooraf schokgekoeld. De CTE werd verkregen uit de tweede verhittingsronde met een TMA, en de modulus (G') werd bepaald met een DMA afschuifmeting bij 10 Hz.
 |
 |
Differentiële scanning calorimetrie (DSC) is een veelzijdige meettechniek die in veel analytische laboratoria wordt gebruikt voor zowel kwaliteitscontrole als R&D. Het meet de warmtestroom die in een monster wordt geproduceerd wanneer het wordt verwarmd, gekoeld of isotherm op een constante temperatuur wordt gehouden.
DSC is een populaire route voor het bepalen van de glasovergang vanwege het gebruiksgemak en de korte meettijden.
Een conventionele DSC is meestal geschikt voor metingen tot 700 °C. Er kunnen echter ook uitstekende resultaten boven 700 °C worden verkregen met een METTLER TOLEDO gecombineerde thermogravimetrisch analysesysteem/differentiële scanning calorimeter (TGA/DSC).
In het voorbeeld van polyvinylchloride (PVC) is aangetoond dat de glasovergangstemperatuur en de delta cp-waarde afhankelijk zijn van de mate van chlorering.
Normen
Een norm wordt gebruikt om een vergelijkende norm te bieden die zowel algemeen toegepast als erkend wordt. Dit zorgt ervoor dat testresultaten in productie- en testprocessen die dezelfde norm toepassen, uniform vergelijkbaar zijn. Normen kunnen - indien beschikbaar - methodevalidatie bij analyses vervangen, die vereist is voor kwaliteitsborging, accreditatie of goedkeuring. Standaardisatie in thermische analyse wordt tegenwoordig uitgevoerd door vele nationale en internationale organisaties, zoals ISO, ASTM, DIN en CEN.
Er zijn veel normen beschikbaar die de bepaling van de glasovergang regelen. Deze normen zijn ISO 11359-2, ISO 11357-2, EN 6032, ASTM E1356 of ASTM D3418 om er maar een paar te noemen.
Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt om de glasovergang op basis van de warmtestroomcurve van de DSC te evalueren. De STARe software van METTLER TOLEDO ondersteunt de volgende methoden:
- Volgens DIN
- Volgens ASTM
- Volgens Richardson
- Volgens ISO
De afbeelding hieronder toont de verschillende evaluatiemethoden en hun resultaten.
Tips & Tricks
Voor de meest gebruikte techniek DSC: Het meten van kwantitatieve glasovergangsgegevens van goede kwaliteit is een uitdagende taak voor DSC. Toch is het een veelgebruikte en nuttige techniek vanwege de beschikbaarheid van DSC-instrumenten, eenvoudige monstervoorbereiding, relatief korte meettijd, goede nauwkeurigheid en eenvoudige evaluatie met behulp van commerciële software.
Tips en tricks voor het verkrijgen van goede gegevens zijn onder andere:
- Stabiliseer het instrument vóór de meting
- Gebruik nooit de eerste meting na het inschakelen van het instrument
- Controleer de reproduceerbaarheid met herhaalde metingen
- Het gemiddelde nemen van verschillende metingen verbetert de nauwkeurigheid
- Plaats de schone crucibles nauwkeurig op de sensor.
- Gebruik indien mogelijk crucibles met slechts een klein massaverschil, <50 µg
- Aanbevolen: 40 µL filter crucible; monstermassa: 10 tot 20 mg voor organische materialen
- Zorg voor een goed thermisch contact tussen het monster en de filter crucible.
Applicaties
FAQ
Welke hoofdfactoren beïnvloeden de glasovergang?
Uitharding/crosslinking, weekmakers, kristalliniteit en thermische geschiedenis beïnvloeden de glasovergang.
Wat zijn typische resultaten voor de glasovergang uit de warmtestroomcurve van de DSC?
Glasovergangstemperatuur, staphoogte, die overeenkomt met specifieke warmtecapaciteit cp en breedte van de glasovergang.
Waarvoor dient de glasovergangstemperatuur?
- Voor het bepalen van de maximale gebruikstemperatuur van het materiaal
- Voor het aanpassen van procesparameters als het materiaal in een bepaalde toestand verwerkt moet worden
- Voor het bepalen van de uithardingsgraad van thermohardende materialen
- Om te bepalen of een materiaal kristallijn, amorf of semikristallijn is
Hoe kan de glasovergang boven 700 °C worden bepaald?
De glasovergang in een hoog temperatuurbereik kan worden gemeten met een TGA/DSC.
Wat zijn de gevoeligste thermische analysetechnieken voor het bepalen van de glasovergang?
De gevoeligheid voor glasovergang neemt in de volgende volgorde toe: TGA/DSC, DSC, temperatuurgemoduleerde DSC, TMA, Differential Load TMA (DLTMA) en tot slot DMA. Dit komt door de grootteorde waarin de fysische eigenschap toeneemt die met de respectieve techniek wordt gemeten.