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Eigenschaften von Kunststoffen:

Die Glasübergangstemperatur

Was hat denn Glas mit Kunststoffen zu tun, ist sicher die Frage, die Euch auf der Zunge liegt. Wenn man aber weiß, dass das Glas, das wir normalerweise verwenden, aus Silicaten (SiO42-) besteht, und dass hierbei einzelne SiO4-Tetraeder miteinander verknüpft sind (siehe die Zeichnung unten), wird klar, dass Glas im Prinzip genau wie Kunststoffe auch ein Polymer ist.

Silicatglas

Doch was für ein Übergang ist es, von dem beim Begriff "Glasübergangstemperatur" die Rede ist?
Vielleicht habt Ihr schon einmal festgestellt, dass Kunststoffe im Winter (oder im Tiefkühlfach) spröder und weniger elastisch sind als bei wärmeren Temperaturen, und dass sie beim Erwärmen dehnbarer und flexibler werden (so hilft es z.B. bei Tupperdosen, den Deckel unter warmes Wasser zu halten, damit er leichter auf die Dose passt). All dies hat mit der Glasübergangstemperatur, abgekürzt Tg, zu tun.
Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der Polymere (allerdings nur ganz oder teilweise amorphe Polymere) vom flüssigen oder gummielastischen, flexiblen Zustand in den glasigen oder hartelastischen, spröden Zustand übergehen, sie wird daher auch "Erweichungstemperatur" genannt. Sie ist für jeden Kunststoff spezifisch, das heißt, dass man Kunststoffe anhand ihrer Glasübergangstemperatur unterscheiden kann.

Manche Kunststoffe werden unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur verwendet, z.B. Polystyrol, Polymethylmethacrylat (daraus besteht z.B. Plexiglas) oder Polyethylenterephthalat, d.h. dann, wenn sie hart und spröde sind, andere Kunststoffe werden oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur verwendet, wenn sie elastisch und flexibel sind, z.B. Polyisopren und Polybutadien (zwei Arten von Synthesekautschuk) oder Polyethen.

Glasübergang und Schmelzen

Bevor wir uns mehr mit der Glasübergangstemperatur beschäftigen, soll folgende wichtige Tatsache klargemacht werden: Der Übergang vom Glaszustand in den flüssigen Zustand ist nicht dasselbe wie Schmelzen. Zugegeben, es sieht für den Nichtchemiker absolut gleich aus, der Kunststoff wird weich und flüssig, für den Chemiker handelt es sich jedoch um zwei unterschiedliche Vorgänge. Schmelzen geschieht mit Stoffen (auch Kunststoffen), die kristallin sind: Durch die Wärmezufuhr löst sich das geordnete Kristallgitter auf, man erhält eine ungeordnete Flüssigkeit. Bei Stoffen, deren Moleküle im festen Zustand schon ungeordnet vorliegen, in sogenannten amorphen Feststoffen, muss nicht erst unter Energiezufuhr das Kristallgitter aufgelöst werden, der Stoff wird "nur" flüssig.
Der Unterschied wird deutlich, wenn man sich den Temperaturverlauf beim Erwärmen eines Kristalls und eines amorphen Festkörpers ansieht: Beginnt ein Kristall zu schmelzen, bleibt seine Temperatur konstant, bis er ganz geschmolzen ist, d.h. die zugeführte Wärme wird ausschließlich dafür verwendet, das Kristallgitter zu zerstören, nicht, um die Temperatur des schmelzenden Stoffes zu erhöhen (diese Wärme wird als latente Schmelzwärme bezeichnet, von lat. latens = verborgen). Bei amorphen Festkörpern hingegen wird sämtliche zugeführte Wärme verwendet, die Temperatur des Stoffes zu erhöhen, es gibt kein Kristallgitter, das zerstört werden muss.
In den untenstehenden Diagrammen wird dieser Sachverhalt veranschaulicht:

Temperaturverlauf bei Erwärmen eines kristallinen und eines amorphen Festkörpers

Die meisten Kunststoffe bestehen aus kristallinen und amorphen Bereichen, d.h. sie haben sowohl eine Schmelztemperatur (für die kristallinen Bereiche) als auch eine Glasübergangstemperatur (für die amorphen Bereiche).

Eine etwas genauere Betrachtung des Glasübergangs

Um dies alles noch besser zu verstehen, hilft folgende "Formel":

Wärme = Bewegung

Dies will heißen: Je wärmer es ist, desto mehr und desto schneller bewegen sich Teilchen wie z.B. unsere Kunststoffmoleküle, je kälter es ist, desto weniger bewegen sie sich (physikalisch betrachtet ist Wärme nichts anderes als kinetische Energie, d.h. Bewegungsenergie).
Für einen amorphen Kunststoff bedeutet dies: Ist er kalt, d.h. unterhalb der Glasübergangstemperatur im glasigen, hartelastischen Zustand, so bewegen sich die Molekülketten kaum (ein bisschen Bewegung ist immer vorhanden, solange sich ein Stoff nicht am absoluten Nullpunkt von 0 K (-273°C) befindet). Wird der Kunststoff nun langsam erwärmt, bewegen sich die Ketten immer mehr, halten aber noch zusammen, bis schließlich mit der Glasübergangstemperatur der Punkt erreicht ist, an dem sich längere Abschnitte der Molekülketten frei bewegen können und der Kunststoff weich, elastisch und schließlich flüssig wird.

Damit wird auch die leichtere Brüchigkeit von Kunststoffen unterhalb der Glasübergangstemperatur erklärt: Im elastischen Zustand ist es für die Molekülketten kein Problem, aneinander vorbeizugleiten, um einem Druck oder einer anderen äußeren Kraft auszuweichen. Befinden sich die Moleküle jedoch - wie im hartelastischen Glaszustand - an Ort und Stelle, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder sie halten dem Druck stand und bleiben in der Position, in der sie sind, oder sie werden durch den Druck getrennt, und der Kunststoff bricht auseinander.

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Wovon hängt die Glasübergangstemperatur ab?

Die Glasübergangstemperatur hängt im wesentlichen von der Struktur der Polymere ab, wobei sich hier verschiedene Faktoren unterscheiden lassen:

  • Flexibilität der Hauptkette
    Dies ist einer der wichtigsten Faktoren für die Höhe der Glasübergangstemperatur, und es ist leicht zu verstehen, wieso: Ein Kunststoff hat eine niedrige Glasübergangstemperatur, wenn sich die Molekülketten schon bei geringen Temperaturen so gut bewegen können, dass der Kunststoff flexibel und elastisch ist. Das funktioniert umso besser, je flexibler die Ketten an sich schon sind.
    Nehmen wir ein Silicon als Beispiel:

    Polydimethylsiloxan

    Hier ist die Hauptkette, die abwechselnd aus Sauerstoff- und Siliciumatomen besteht, so flexibel, dass die Glasübergangstemperatur bei -127°C liegt, Polydimethylsiloxan ist also bei Raumtemperatur flüssig und wird z.B. als Verdickungsmitteln in manchen Shampoos verwendet.

    Ein Kunststoff, der keinen Übergang zum elastischen Zustand hat, sondern sich bei Erhitzen zersetzt, ohne weich zu werden, ist Polyphenylsulfon:

    Polyphenylsulfon

    Hier sind die Ketten so steif, dass der Kunststoff nie weich wird. Weil das für die Verarbeitung äußerst unpraktisch ist, baut man normalerweise zwischen die Sulfongruppen (-SO2-) andere Gruppen ein, z.B. Etherbindungen (-C-O-C-), die bewirken, dass der Kunststoff eine Glasübergangstemperatur bekommt, die unterhalb der Zersetzungstemperatur liegt.

  • Seitenketten als Widerhaken
    Auch die Seitenketten, die an der Hauptkette hängen, beeinflussen die Glasübergangstemperatur. Dies ist leicht nachvollziehbar: Sind die Ketten glatt und ohne Seitengruppen, können sie leichter aneinander vorbeigleiten und sich besser bewegen, die Glasübergangstemperatur ist also niedrig. Hängen Seitenketten an der Hauptkette, so verhaken sich die einzelnen Molekülketten leichter, außerdem ist es für die Hauptkette schwieriger, sich zu bewegen, wenn das Gewicht der Seitengruppen mitbewegt werden muss, die Glasübergangstemperatur liegt also höher.
    Natürlich hängt es von der Art und Anzahl der Seitenketten ab, wie groß der Einfluss auf die Glasübergangstemperatur ist.

  • Seitenketten als Abstandhalter
    Seitengruppen können die Glasübergangstemperatur jedoch auch senken. Das funktioniert folgendermaßen: Je weiter die Molekülketten auseinander sind, desto mehr leeren Raum gibt es im Kunststoff, und desto leichter können sich die Ketten bewegen, die Glasübergangstemperatur wird also erniedrigt. Mehr Abstand zwischen den einzelnen Ketten kann man durch Zugabe von Weichmachern erhalten, das sind kleine Moleküle, die sich zwischen die Ketten lagern und sie so auf Abstand halten, ähnlichen Effekt können aber auch die Seitenketten der Kunststoffmoleküle haben.
    Ein Beispiel hierfür sind die unten gezeigten, verschiedenen Polymethacrylate: Je länger die Seitenketten werden, desto niedriger wird die Glasübergangstemperatur, und während Polymethylmethacrylat (kurz PMMA) als "Plexiglas" allgemein als harter Kunststoff bekannt ist, ist Polybutylmethacrylat bei Raumtemperatur bereits weich.

    Verschiedene Polymethacrylate

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