Brennpunkt und Glasübergangstemperatur für Polymeren

Die Glasübergangstemperatur (glass transition temperature, Tg) ist die Temperatur, bei der sich glasförmige Stoffe zwischen dem glasförmigen und dem elastischen Zustand gegenseitig umwandeln. Bei amorphen Polymeren wird eine konstante Kraft auf sie ausgeübt, um die Beziehung zwischen der auftretenden Deformation und der Temperatur zu untersuchen. Dies wird in der Regel als Temperatur-Deformationskurve oder thermomechanische Kurve bezeichnet. Amorphes Polymer hat drei mechanische Zustände, nämlich den glasartigen Zustand, den hochelastischen Zustand und den viskosen Fließzustand. Bei niedrigen Temperaturen ist das Material ein steifer Festkörper, ähnlich wie Glas. Unter äußerer Kraft kommt es nur zu sehr geringen Deformationen – dieses Zustand wird als Glaskörperzustand bezeichnet. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, nehmen die Deformationen deutlich zu. In einem bestimmten Temperaturbereich bleiben die Deformationen relativ konstant – dieser Zustand wird als Elastomerzustand bezeichnet. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, nehmen die Deformationen wieder zu, und das Material wird allmählich zu einem viskosen Fluid. In diesem Zustand kann die Deformation nicht mehr rückgängig gemacht werden – das ist der Viskositätsflüssigkeitszustand. Wir bezeichnen den Übergang zwischen dem glasartigen und dem hochelastischen Zustand in der Regel als Glaskristallisationsübergang. Die Temperatur, bei der dieser Übergang stattfindet, wird als Glaskristallisationstemperatur bezeichnet. Tg ist die Obergrenztemperatur für den Einsatz amorpher thermoplastischer Kunststoffe und die Untergrenztemperatur für den Einsatz von Kautschuk. Die Glasübergangszustände weisen ein zweistufiges Phasenwechselverhalten auf, wobei die Wärmekapazität der Substanz kontinuierlich ändert sich. Aber die Glasübergang ist tatsächlich ein kinetischer Übergang. Daher hängt der genaue Wert der Glasübergangstemperatur von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung ab. Zu den gängigen glasartigen Stoffen gehören die meisten Polymermaterialien sowie Glas usw. Weitere glasförmige Stoffe mit wichtiger industrieller Anwendung sind unter anderem glasförmige Metalle.

Die Glasübergangstemperatur ist eine Eigenschaft, die allen amorphen Polymermaterialien eigen ist. Sie stellt eine makroskopische Manifestation des Wandlungsprozesses der Bewegung der Moleküle in diesen Materialien dar. Sie hat direkten Einfluss auf die Einsatzeigenschaften sowie die verarbeitbaren Eigenschaften der Materialien. Deshalb war sie seit langem ein zentrales Thema in der Forschung zur Physik von Polymeren. Da die Struktur von Polymeren komplexer ist als die von Molekülen mit geringerer Molekülmasse, sind auch ihre molekularen Bewegungen komplexer und vielfältiger. Je nach Art der Bewegungsenergie der Polymermoleküle können die überwiegenden meisten Polymermaterialien in vier physikalischen Zuständen (oder mechanischen Zuständen) vorliegen: Glaskörperzustand, viskoelastischer Zustand, hochelastischer Zustand (Gummizustand) und viskoser Fließzustand. Die Glasübergangstemperatur hingegen ist der Übergang zwischen dem elastischen und dem glasartigen Zustand. Aus Sicht der Molekülstruktur handelt es sich bei der Glasübergangstemperatur um ein Phänomen der Entspannung des amorphen Teils eines Polymers – vom gefrorenen Zustand in den entfrorenen Zustand. Im Gegensatz zu Phasenübergängen gibt es bei dieser Transformation keine Phasenübergangswärme. Daher handelt es sich weder um einen ersten noch um einen zweiten Phasenübergang (in der Dynamik der Polymeren wird dies als Hauptübergang bezeichnet). Unter der Glasübergangstemperatur befinden sich Polymere im glasartigen Zustand – weder die Molekülketten noch die Kettenabschnitte können sich bewegen. Nur die Atome (oder Gruppen), aus denen die Moleküle bestehen, schwingen in ihren Gleichgewichtspositionen. Bei der Glasübergangstemperatur können zwar die Molekülketten sich nicht bewegen, doch die Kettenabschnitte beginnen sich zu bewegen, wodurch elastische Eigenschaften entstehen. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, können sich schließlich die gesamten Molekülketten bewegen – dadurch entstehen viskose Eigenschaften. Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist eine wichtige physikalische Eigenschaft amorpher Polymere. Zudem stellt sie ein wichtiges Problem in den Grundlagen der Phasenphysik dar. Es handelt sich dabei um ein Problem, das mit vielen aktuellen Fragen aus der Dynamik und Thermodynamik verbunden ist. Die Theorien zum Glasübergang entwickeln sich ständig weiter. Von der in den 1950er Jahren entwickelten Theorie des freien Volumens bis hin zu den heute weiterentwickelten Theorien wie der Modalfaltungstheorie – all diese Theorien können nur einige Aspekte des Glasübergangs erklären. Eine vollständige Theorie zum Glasübergang erfordert weiterhin intensive Anstrengungen. Bei amorphen Polymeren wird bei Anwendung einer konstanten Kraft die Beziehung zwischen der entstehenden Deformation und der Temperatur untersucht. Dies wird in der Regel als Temperatur-Deformationskurve oder thermomechanische Kurve bezeichnet. Amorphes Polymer hat vier mechanische Zustände, nämlich den glasartigen Zustand, den viskoelastischen Zustand, den hochelastischen Zustand und den viskosen Fließzustand. Bei niedrigen Temperaturen ist das Material ein steifer Festkörper, ähnlich wie Glas. Unter äußerer Kraft kommt es nur zu sehr geringen Deformationen – dieses Zustand wird als Glaskörperzustand bezeichnet. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, nehmen die Deformationen deutlich zu. In einem bestimmten Temperaturbereich bleiben die Deformationen relativ konstant – dieser Zustand wird als Elastomerzustand bezeichnet. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, nehmen die Deformationen wieder zu, und das Material wird allmählich zu einem viskosen Fluid. In diesem Zustand kann die Deformation nicht mehr rückgängig gemacht werden – das ist der Viskositätsflüssigkeitszustand. Wir bezeichnen den Übergang zwischen dem glasartigen und dem hochelastischen Zustand in der Regel als Glaskristallisationsübergang. Die Temperatur, bei der dieser Übergang stattfindet, wird als Glaskristallisationstemperatur bezeichnet.

Danke an den Beitragstäter für die Erklärung der grundlegenden Konzepte zur Glasübergangstemperatur von Tg. Ohne Fachkenntnisse im Materialwesen ist das Verständnis tatsächlich ziemlich verwirrend.