Glasübergangstemperatur von Polymeren: Ein vollständiger Leitfaden
Der Glasübergang ist ein häufig beobachtetes Verhalten von Polymeren, das für viele Anwendungen nützlich ist. Dieser Übergang findet jedoch unter Berücksichtigung vieler Faktoren statt, und es ist wichtig, die Glasübergangstemperatur von Polymeren zu verstehen.
Wenn Sie mehr über dieses Thema erfahren möchten, hilft Ihnen der folgende Leitfaden weiter.
Was ist die Glasübergangstemperatur von Polymeren?
Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist die Temperatur, bei der die Polymere von einem glasartigen und spröden Zustand in einen Zustand von Gummi übergehen. Wenn Sie sich fragen, was die Tg ist, dann ist die Tg ein sehr wichtiges Merkmal für das Verhalten des Polymers.
Sie gibt den Bereich an, in dem sich die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Glases verändern.
Welche Arten von Polymeren unterliegen dem Glasübergang?
Die drei verschiedenen Arten von Polymeren, die einen Glasübergang durchlaufen, werden im folgenden Abschnitt behandelt.
1. Amorphe Polymere
Amorphe Polymere bestehen aus einem Molekülzustand, der zufällig ist. Bei der Tg nehmen die amorphen Polymere den Zustand von Glas an, was sie steif, starr und spröde macht.
Wenn sie einen niedrigeren tg-Wert aufweisen, haben sie Platz zwischen den Molekülen, was Bewegungen bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.
Wenn die Temperatur steigt, werden die Materialien in amorphen Polymeren tendenziell weicher. Einige der amorphen Polymere sind PMMA, ABS, PVC usw.
2. Kristalline Polymere
Die kristallinen Polymere haben eine hoch geordnete Molekularstruktur. Sie werden nicht weich, wenn es zu einem Anstieg der Temperatur und haben eine schmale Schmelzpunkt.
Ein solcher Schmelzpunkt liegt in der Regel über dem oberen Bereich des amorphen Polymers. Einige der kristallinen Polymere sind POM, PEEK und PET.
3. Teilkristalline Polymere
Teilkristalline Polymere weisen eine Mischung aus geordneten und zufälligen Strukturen auf. Die geordneten Strukturen schränken die Bewegung der Polymerketten ein, wodurch sich die Tg erhöht.
Vor- und Nachteile von Polymeren
Die Vor- und Nachteile der Polymere sind im Folgenden aufgeführt:
Profis
- Polymere sind leicht und eignen sich daher für gewichtssensible Anwendungen.
- Die Polymere bieten Designflexibilität und lassen sich daher auch in komplexen Geometrien vielseitig gestalten.
- Sie sind korrosionsbeständig und werden auch durch Feuchtigkeit oder chemische Einflüsse nicht beschädigt.
- Polymere haben hervorragende elektrische Isolationseigenschaften und eignen sich daher für die Verkabelung und elektronische Anwendungen.
Nachteile
- Polymere haben eine geringe Festigkeit, was ihre Verwendung in hochbelasteten Anwendungen einschränkt.
- Polymere sind hitzeempfindlich, da sie in der Regel einen niedrigen Schmelzpunkt haben und für Umgebungen mit hohen Temperaturen nicht geeignet sind.
- Die Verwendung von Polymeren unter rauen Bedingungen oder durch UV-Strahlung kann auf Dauer zu deren Abbau führen.
- Bestimmte Polymere reagieren empfindlich auf bestimmte Chemikalien, die sie auflösen oder rissig werden lassen.
Welche Beispiele gibt es für Polymere mit hoher oder niedriger Tg?
Polymere mit hoher Tg
Polymere wie Polymethylmethacrylat und Polystyrol haben eine hohe Tg, sie sind spröde und hart.
Polymere mit niedriger Tg
Polymere wie Polyisobutylen und Polyisopren haben eine Tg unterhalb der Raumtemperatur und sind daher weich und flexibel.
Was ist der Unterschied zwischen Tg und Tm?
Tg ist die Glasübergangstemperatur, während der Schmelzpunkt mit Tm bezeichnet wird.
- Tg definiert die Art und Weise, wie der amorphe Bereich des teilkristallinen Kunststoffs von einem glasartigen Zustand in einen gummiartigen Zustand übergeht.
- Tm ist die Temperatur, bei der die kristallinen Bereiche im teilkristallinen Kunststoff vom festen in den flüssigen Zustand übergehen.
Welche Faktoren beeinflussen die Tg?
Einige der Faktoren, die den Tg-Wert beeinflussen, sind folgende:
Chemische Struktur
- Bei einem Polymer, das aus einer geraden Kette besteht, nimmt mit der Zunahme des Molekulargewichts die Konzentration am Ende der Kette ab, so dass sich die Tg erhöht.
- Ist die Molekülstruktur sperrig, sinkt die Beweglichkeit, wodurch sich die Tg des Materials erhöht.
- In Fällen, in denen die Vernetzung zunimmt, nimmt die Mobilität des Polymers ab, wodurch sich die Tg erhöht.
- Wenn polare Gruppen vorhanden sind, sind die zwischenmolekularen Kräfte hoch, was das freie Volumen verringert und zu einer hohen Tg führt.
Zusatz von Weichmachern
Der Zusatz von Weichmacher vergrößert den Raum zwischen den Polymerketten, was Platz schafft. Durch diese Vergrößerung können die Ketten aneinander vorbeigleiten, was zu einer Verringerung der Tg führt.
Wasser- oder Feuchtigkeitsgehalt
Bei einem hohen Feuchtigkeitsgehalt in den Polymerketten kommt es zu einem Leistungsabfall, der die Tg verringert.
Wirkung von Entropie und Enthalpie
Bei amorphen Polymeren ist der Entropiewert hoch, bei kristallinen Polymeren niedrig; ist der Entropiewert hoch, ist die Tg noch höher.
Druck und freies Volumen
Durch die Erhöhung des Drucks nimmt das freie Volumen ab, so dass die Tg hoch ist.
Andere Faktoren, die Tg bestimmen
Andere Faktoren, die den Glasübergang von Polymeren beeinflussen, sind folgende:
- Die Länge der Alkylkette
- Dicke der Folie
- Interaktion der Bindung
- Flexibilität der Polymerkette
- Verzweigung der Ketten
Welche Methoden gibt es zur Bestimmung von Tg?
Die drei Methoden zur Bestimmung der Tg lauten wie folgt:
1. Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC)
Die DSC ist eine thermoanalytische Methode, die ein Kalorimeter mit Differentialabtastung verwendet. Sie überwacht die Änderung des Wärmeflusses zwischen Referenz und Probe im Vergleich zur Temperatur oder Zeit.
Es bestimmt auch die thermischen Eigenschaften des Polymers und wird für die amorphen Bereiche von stabilen Polymeren verwendet.
2. Thermische Differenzialanalyse (DTA)
DTA ist ebenfalls eine Methode der Thermoanalyse. Sie misst die Tg des Materials. Das Material durchläuft mehrere Zyklen der Erwärmung und Abkühlung, und es wird eine Differenz zwischen der Proben- und der Referenztemperatur ermittelt.
Die Temperatur wird während der verschiedenen Heizzyklen aufrechterhalten, so dass die Prüfumgebung konstante Bedingungen aufweist.
3. Dynamisch-mechanische Analyse (DMA)
Bei der DMA wird die Materialsteifigkeit mit Hilfe eines mechanischen Analysators analysiert. Die Probe wird mechanisch belastet und das Gerät misst die Dehnung. Es hilft bei der Bewertung des Glasübergangs, des Steifigkeitsverhaltens und auch des Kristallinitätsgrads.
Schlussfolgerung
Die Glasübergangstemperatur ist ein technischer Mechanismus, dessen Verständnis für die Auswahl der Polymere für verschiedene Anwendungen sehr wichtig ist.
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FAQs
Was sind die Einheiten der Glasübergangstemperatur?
Die Einheiten für die Glasübergangstemperatur sind Fahrenheit, Celsius und Kelvin.
Warum ist es wichtig, die Tg von Polymeren zu bestimmen?
Tg bestimmt den Bereich, in dem sich die physikalischen und mechanischen Eigenschaften eines Polymers ändern.
Was passiert mit einem Polymer bei der Glasübergangstemperatur?
Bei der Glasübergangstemperatur ändert das Polymer seinen Zustand von spröde zu gummiartig.
