Temperatur und Polymere

Jetzt, da wir ein besseres Verständnis der Materialstruktur haben, werden wir in seine thermischen Eigenschaften eintauchen, um sein Verhalten in Abhängigkeit von der Temperatur zu verstehen. Dafür müssen wir zunächst den Test definieren, der die thermischen Eigenschaften eines Polymers aufzeigt: DSC.

DSC-Definition

Differential Scanning Calorimetry (DSC) ist eine Art der Thermoanalyse, bei der eine Probe in eine Kammer platziert wird und die Wärmemenge gemessen wird, die erforderlich ist, um die Innentemperatur der Kammer kontinuierlich zu erhöhen. Diese Form der Analyse ist darauf ausgelegt, die Temperaturen zu bestimmen, bei denen die Probe bestimmte Zustandsübergänge durchläuft, z. B. Glasübergang, Kristallisation und Schmelzen, indem dokumentiert wird, wie ein Polymer auf die allmähliche Erwärmung durch sein Maß an Energieaufnahme und -abgabe reagiert.

DSC

Glasübergangstemperatur (Tg)

Die Glasübergangstemperatur kommt in allen Polymeren vor und bezeichnet die Temperatur, bei der sich der physikalische Zustand eines Polymers von glasig (hart & spröde) zu gummig (weich & flexibel) verändert. Die Tg wird üblicherweise verwendet, um die höchste Einsatztemperatur eines amorphen Polymers hervorzuheben.

Kristallisationstemperatur (Tc)

Kristallisation findet zwischen Tg und Tm (Schmelztemperatur) statt. Es ist der Prozess, bei dem sich Polymermoleküle ausrichten, um Kristalle zu bilden. Die Kristallisationstemperatur ist der Punkt, an dem die Polymere mit der höchsten Geschwindigkeit kristallisieren.

Schmelztemperatur (Tm)

Die Schmelztemperatur ist der Punkt, an dem die kristallinen Bereiche eines teilkristallinen Polymers zu schmelzen/verformen beginnen. Amorphe Polymere haben keine definierte Schmelztemperatur.

Zersetzungstemperatur (Td)

Die Zersetzungstemperatur ist die Temperatur, bei der ein Material zu zerfallen beginnt, das heißt, dass das Rückgrat des Polymers zu zerbrechen beginnt.

Anmerkungen zum obigen Diagramm und den Definitionen

Eine einfache Möglichkeit, es zu verstehen, ist, dass die in die Kammer eingebrachte Wärme (Energie) verwendet wird, um die Innentemperatur zu erhöhen. Wenn die Probe (Polymer) in der Kammer jedoch thermische Energie zur strukturellen Neuordnung aufnimmt, muss mehr Wärme zugeführt werden, um die Temperatur kontinuierlich mit konstanter Rate zu erhöhen.

Bezogen auf das untenstehende Diagramm wird zu Beginn eine konstante Wärmemenge auf das System angewendet, um die Temperatur mit einer bestimmten Rate zu erhöhen. Bei Tg (Glasübergangstemperatur) kann man feststellen, dass mehr Wärme erforderlich ist, um die Temperatur mit derselben Rate zu erhöhen. Dies liegt daran, dass die Probe etwas thermische Energie aufnehmen wird, um ihre nicht-kovalenten Bindungen zu lösen und die Polymere freier beweglich zu machen (was dazu führt, dass das Material weich wird).

Nach diesem Phasenübergang hat die Probe eine höhere Wärmekapazität, so dass das System weiterhin eine konstante Wärmemenge benötigt, um die Systemtemperatur mit derselben Rate zu erhöhen, aber diese Menge wird höher sein als vor Tg. Die von der Probe kontinuierlich aufgenommene Energie lässt die Polymer-Mikrostruktur immer freier bewegen (sie anregen). Bei Tc (Kristallisationstemperatur) haben die Polymerketten der Probe genügend freie Beweglichkeit, um Kristalle zu bilden. Die Probe wird dann Energie (Wärme) freisetzen, was bedeutet, dass weniger Wärme in das System eingebracht werden muss, um seine Temperatur zu erhöhen.

Der Grund ist, dass die Kristallstruktur (eine stärker geordnete Struktur) aus einer weniger geordneten Struktur entsteht, was weniger Energie erfordert und somit die überschüssige Energie freigesetzt wird. Sobald die Kristalle gebildet sind, wird keine weitere Energie mehr von der Probe an das System abgegeben. Kurz nach der Kristallbildung wird bei Tm (Schmelztemperatur) die Energieaufnahme (Bewegung) der Polymerketten weiter zunehmen, wodurch sie zu stark angeregt werden und die Kristallstruktur zerstört wird; dadurch nimmt die Probe Energie aus dem System auf und es muss mehr Energie zugeführt werden, um die Temperatur weiterhin mit konstanter Rate zu erhöhen. Nachdem alle Kristalle gebrochen sind, benötigt die Probe keine zusätzliche Energie mehr vom System. Dies erklärt die zwei entgegengesetzten Spitzen bei Tc und Tm. Bei Td (Zersetzungstemperatur) beginnt die Probe zu zerfallen, das heißt kovalente Bindungen beginnen zu brechen, die Probe verliert ihre Wärmekapazität und es wird daher weniger Wärme benötigt, um die Systemtemperatur zu erhöhen.

Jetzt, da die thermischen Übergänge und das Verhalten von Polymeren in Abhängigkeit von der Temperatur besser verstanden sind, können wir dieses Wissen nutzen, um einige der Phänomene beim 3D-Druck zu erklären: