Thermische Analyse von Polymeren

Die thermische Analyse misst, wie sich der Wärmestrom, die Masse oder die mechanische Reaktion eines Polymers mit der Temperatur ändern, und lokalisiert den Glasübergang, das Schmelzen, die Kristallisation und die Zersetzung, die die Verarbeitungs- und Einsatzgrenzen definieren.

Definition

Die thermische Analyse von Polymeren ist die Familie von Techniken, die eine physikalische Eigenschaft eines Polymers – Wärmestrom, Masse oder mechanische Reaktion – als Funktion einer kontrollierten Temperatur überwachen, um dessen thermische Übergänge und Stabilität zu erfassen und zu quantifizieren.

Scope

Dieses Thema behandelt die wichtigsten thermischen Analysetechniken für Polymere: Differential-Scanning-Kalorimetrie für den Glasübergang, das Schmelzen, die Kristallisation und die Wärmekapazität; Thermogravimetrische Analyse für die Zersetzungstemperatur und die thermische Stabilität; und Dynamisch-Mechanische Analyse für die Temperaturabhängigkeit von Modul und Dämpfung. Es wird erläutert, welchen Übergang jede Technik erfasst und wie die Daten die Formulierung und Verarbeitung steuern.

Core questions

• Wie unterscheidet die Differential-Scanning-Kalorimetrie den Glasübergang, das Schmelzen und die Kristallisation?
• Wie quantifiziert die Thermogravimetrische Analyse die thermische Stabilität und Zusammensetzung?
• Was leistet die Dynamisch-Mechanische Analyse zusätzlich zur Kalorimetrie?
• Wie werden diese Daten zur Festlegung von Verarbeitungs- und Einsatztemperaturen verwendet?

Key theories

Kalorimetrische Detektion von Übergängen

Die Differential-Scanning-Kalorimetrie zeichnet den Wärmestrom versus Temperatur auf und zeigt den Glasübergang als Schritt in der Wärmekapazität, das Schmelzen als endothermen Peak und die Kristallisation als exothermen Peak, wodurch Übergangstemperaturen und Enthalpien quantifiziert werden können.

Thermomechanische und gravimetrische Reaktion

Die Dynamisch-Mechanische Analyse verfolgt den Speichermodul und den Verlustfaktor durch Übergänge mit hoher Empfindlichkeit gegenüber dem Glasübergang, während die Thermogravimetrische Analyse den Massenverlust verfolgt, um den Beginn der Zersetzung, den Gehalt an flüchtigen Bestandteilen und den Füllstoffanteil aufzuzeigen.

Mechanisms

Die Differential-Scanning-Kalorimetrie vergleicht den Wärmestrom zu einer Probe und einer Referenz, während die Temperatur hochgefahren wird, sodass eine Änderung der Wärmekapazität am Glasübergang als Basislinienschritt, die Fusion von Kristallen als Endotherm und die Kristallisation als Exotherm erscheint; die Peakflächen geben Enthalpien und den kristallinen Anteil an. Die Thermogravimetrische Analyse wiegt die Probe kontinuierlich während des Erhitzens, wobei Massenverlustschritte den Verlust von flüchtigen Bestandteilen, die Zersetzung und den restlichen anorganischen Gehalt markieren. Die Dynamisch-Mechanische Analyse wendet eine oszillierende Spannung an und misst den Modul und die Dämpfung, wodurch der Glasübergang und schwächere sekundäre Relaxationen mit hoher Empfindlichkeit aufgelöst werden.

Clinical relevance

Die thermische Analyse ist die Grundlage der Polymerverarbeitung und Qualitätskontrolle: Der Glasübergang und das Schmelzen legen die Formgebungs-, Extrusions- und Einsatztemperaturen fest; Zersetzungsdaten definieren sichere Verarbeitungsgrenzen und das Brandverhalten; und Dämpfungspeaks offenbaren zähigkeitsbezogene Relaxationen. Die Methoden detektieren auch Kontaminationen, Mischbarkeit in Blends und den Aushärtungsgrad in Duroplasten.

History

Die Differential-Scanning-Kalorimetrie, die in den 1960er Jahren kommerziell eingeführt wurde, entwickelte sich zur Standardmethode für Polymerübergänge und wurde von Wunderlich und anderen umfassend für Makromoleküle weiterentwickelt; thermogravimetrische und dynamisch-mechanische Instrumente reiften im gleichen Zeitraum, wodurch die thermische Analyse zu einem Routinebestandteil von Polymerlaboren wurde.

Key figures

• Bernhard Wunderlich
• John Ferry

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

Was misst die Differential-Scanning-Kalorimetrie in einem Polymer?

Sie misst den Wärmestrom, während die Probe erhitzt oder gekühlt wird, und zeigt den Glasübergang als Schritt in der Wärmekapazität, das Schmelzen als endothermen Peak und die Kristallisation als exothermen Peak, zusammen mit deren Temperaturen und Enthalpien.

Warum wird die Thermogravimetrische Analyse eingesetzt?

Sie verfolgt den Massenverlust mit der Temperatur und zeigt so den Beginn der Zersetzung und die thermische Stabilität, die Menge an flüchtigen Bestandteilen oder Feuchtigkeit sowie den Gehalt an anorganischen Füllstoffen oder Rückständen einer Polymerprobe.