Glasübergangstemperatur

Was ist die Glasübergangstemperatur (Tg)?

Die Glasübergangstemperatur (Tg) – genauer: der Glasübergangsbereich – ist der Temperaturbereich, in dem ein amorpher oder teilkristalliner Kunststoff bzw. Elastomer von einem gummiartig-elastischen in einen glasartig-harten Zustand übergeht. Oberhalb der Glasübergangstemperatur sind die Molekülketten beweglich genug, um elastische Verformungen zu ermöglichen. Darunter erstarrt das Material und verliert weitgehend seine Flexibilität. Für die Praxis ist die Glasübergangstemperatur ein entscheidender Kennwert bei der Auswahl kältebeständiger Werkstoffe. So liegt die Tg von Silikonkautschuk (VMQ) deutlich unter –70 °C, während FKM je nach Typ bereits bei etwa –40 °C in den glasartigen Zustand übergeht.

Einflussfaktoren auf die Glasübergangstemperatur (Tg)

• Polymerstruktur: flexible Hauptketten und Seitengruppen senken die Tg, starre Strukturen erhöhen sie.
• Weichmacher: lagern sich zwischen den Polymerketten ein und erhöhen deren Beweglichkeit, was die Tg senkt.
• Füllstoffe: können je nach Art und Wechselwirkung mit der Polymermatrix die Tg erhöhen oder senken.
• Vernetzungsgrad: höhere Vernetzungsdichte schränkt Kettenbeweglichkeit ein und erhöht meist die Tg.

Messmethoden der Glasübergangstemperatur (Tg)

Zur Bestimmung der Glasübergangstemperatur haben sich zwei Verfahren etabliert, die sowohl in Forschung als auch in der industriellen Qualitätskontrolle am häufigsten eingesetzt werden:

• Differential Scanning Calorimetry (DSC): Bei der DSC-Messung wird eine kleine Materialprobe kontrolliert erwärmt oder abgekühlt. Das Gerät erfasst dabei den Wärmefluss im Vergleich zu einer Referenzprobe (meist leere Probenkapsel). Aus der Differenz des Wärmeflusses lässt sich die Wärmekapazität des Probenmaterials ermittelt. Beim Glasübergang ändert sich die Wärmekapazität des Materials und zeigt sich als charakteristische Stufe im Wärmeflussdiagramm. Die Methode ist schnell, reproduzierbar und besonders gut dafür geeignet, thermische Übergänge klar sichtbar zu machen.
• Dynamisch-mechanische Analyse (DMA): In der DMA wird die Probe einer kleinen, periodischen mechanischen Belastung ausgesetzt (Biegen oder Zugimpuls), während die Temperatur schrittweise verändert wird. Das Prüfgerät misst die Verformung der Materialprobe und berechnet daraus den komplexen Schubmodul, bestehend aus dem Speichermodul (Realteil) für den elastischen Anteil und dem Verlustmodul (Imaginärteil) für den viskosen Anteil. Im Glasübergangsbereich fällt der komplexe Schubmodul stark ab, während der Verlustmodul ein Maximum erreicht. Die DMA prüft das reale mechanische Verhalten eines Elastomers besonders präzise.