Der Glasübergang (Tg) ist ein reversibler physikalischer Übergang, der eintritt, wenn der amorphe Teil eines Materials in einem bestimmten Temperaturbereich erhitzt oder abgekühlt wird. Wenn Sie ein Material unter seine Glasübergangstemperatur abkühlen, wird es spröde wie Glas, während es bei einer Erwärmung über Tg erst lederartig und dann gummiartig wird. Die Kenntnis der charakteristischen Werte des Glasübergangs wie der Glasübergangstemperatur Tg in K oder °C und des Wertes delta cp in J/g°C (= die Stufenhöhe der Kurve) ist nützlich für die Bestimmung des Betriebstemperaturbereichs oder des amorphen Anteils eines teilkristallinen Materials.
Physikalische Eigenschaften wie die Wärmekapazität Cp, der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) und der Speichermodul (G') ändern sich beim Glasübergang. Die Abbildung zeigt drei verschiedene Kurven von Polystyrol (PS), die aus der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC), der thermomechanischen Analyse (TMA) und der dynamischen mechanischen Analyse (DMA) gewonnen wurden. Die Cp Kurve wurde aus einem DSC-Experimetn mittels Heizen bei 5 K/min ermittelt. Das PS wurde zuvor schockgekühlt. Der WAK wurde aus dem zweiten Heizen mit einer TMA ermittelt, und der Modul (G') wurde mit einer DMA-Scherungsmessung bei 10 Hz bestimmt.
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Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) ist ein vielseitiges Messverfahren, das in vielen analytischen Labors eingesetzt wird, sowohl in der Qualitätskontrolle als auch in der Forschung und Entwicklung. Sie misst den Wärmefluss, der in einer Probe entsteht, wenn diese entweder erhitzt, abgekühlt oder isotherm auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.
Die DSC ist eine beliebte Methode zur Bestimmung des Glasübergangs, da sie einfach zu bedienen ist und kurze Messzeiten hat.
Eine herkömmliche DSC deckt in der Regel Messungen von bis zu 700 °C ab. Mit einem thermogravimetrischen Analysator/ dynamischen Differenzkalorimeter (TGA/DSC) von METTLER TOLEDO lassen sich jedoch auch bei Temperaturen über 700 °C hervorragende Ergebnisse erzielen.
Am Beispiel von Polyvinylchlorid (PVC) zeigt sich, dass die Glasübergangstemperatur und ihr Delta-cp-Wert vom Grad der Chlorierung abhängen.
Normen
Normen werden verwendet, um einheitliche Standards zu schaffen, die sowohl weit verbreitet als auch anerkannt sind. Dadurch wird sichergestellt, dass Testergebnisse in Produktions- und Prüfverfahren, die denselben Standard anwenden, einheitlich vergleichbar sind. Standards können - sofern vorhanden - die Methodenvalidierung in der Analyse ersetzen, die für die Qualitätssicherung, Akkreditierung oder Zulassung erforderlich ist. Die Normung im Bereich der thermischen Analyse wird heute von vielen nationalen und internationalen Organisationen wie ISO, ASTM, DIN und CEN durchgeführt.
Es gibt viele Normen, die die Bestimmung des Glasübergangs regeln. Diese Normen sind ISO 11359-2, ISO 11357-2, EN 6032, ASTM E1356 oder ASTM D3418, um nur einige zu nennen.
Zur Bewertung des Glasübergangs anhand der DSC-Wärmeflusskurve können verschiedene Methoden verwendet werden. Die SoftwareSTARe von METTLER TOLEDO unterstützt die folgenden Methoden:
- Nach DIN
- Nach ASTM
- Nach Richardson
- Nach ISO
Die Abbildung unten zeigt verschiedene Methoden zur Auswertung und ihre Ergebnisse.
Tipps und Hinweise
Zur Messung von Glasübergängen eignet sich dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), da die Messtechnik weit verbreitet und DSC-Geräte in der Anwendung leicht zu bedienen sind. Darüber hinaus ist die Probenvorbereitung einfach, die Messzeit relativ kurz und die Genauigkeit der Ergebnisse sehr gut.
Mittels STARe Software können die Messdaten anhand gängiger Normen ausgewertet und mit vorhandenen Messergebnissen vergleichen werden.
Tipps und Hinweise für den Erhalt guter Daten sind unter anderem:
- Stabilisieren Sie das Gerät vor der Messung
- Verwenden Sie niemals die erste Messung nach dem Einschalten des Geräts
- Prüfen Sie die Reproduzierbarkeit durch wiederholte Messungen
- Die Mittelwertbildung verschiedener Messungen verbessert die Genauigkeit
- Platzieren Sie die sauberen Tiegel genau auf dem Sensor
- Wenn möglich, verwenden Sie Tiegel mit einem geringen Massenunterschied, <50 µg
- Empfohlen: 40 µL Tiegel; Probenmasse: 10 bis 20 mg für organische Materialien
- Sorgen Sie für einen guten thermischen Kontakt zwischen der Probe und dem Tiegel.
Applikationen
FAQ
Welche Hauptfaktoren beeinflussen den Glasübergang?
Härtungs-/Vernetzungsgrad, Weichmacher, Kristallinität und thermische Vorgeschichte beeinflussen den Glasübergang.
Was sind typische Ergebnisse für den Glasübergang, die aus der DSC-Wärmeflusskurve gewonnen werden?
Glasübergangstemperatur, Stufenhöhe, die der spezifischen Wärmekapazität cp entspricht, und Breite des Glasübergangs.
Warum ist die Kenntnis der Glasübergangstemperatur wichtig?
- Für die Bestimmung der maximalen Einsatztemperatur des Materials
- Für die Anpassung der Prozessparameter, wenn das Material in einem bestimmten Zustand verarbeitet werden muss
- Für die Bestimmung des Aushärtungsgrades von duroplastischen Materialien
- Zur Bestimmung, ob ein Material kristallin, amorph oder teilkristallin ist
Wie kann der Glasübergang bei über 700 °C bestimmt werden?
Der Glasübergang kann in einem hohen Temperaturbereich mit einer TGA/DSC gemessen werden.
Welches sind die empfindlichsten Techniken der thermischen Analyse zur Bestimmung des Glasübergangs?
Die Empfindlichkeit für den Glasübergang nimmt in der folgenden Reihenfolge zu: TGA/DSC, DSC, temperaturmodulierte DSC, TMA, Differential Load TMA (DLTMA), und schließlich DMA. Dies ist auf die Größenordnung zurückzuführen, in der die physikalische Eigenschaft zunimmt, die mit der jeweiligen Technik gemessen wird.