Glasübergangstemperatur bei Kunststoffen

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Begriffserklärungen

Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist die Temperatur, bei der sich ein amorphen Feststoff von einem starren, glasartigen Zustand in einen weicheren und flexibleren, Zustand überführt. Der Begriff hat seinen Ursprung in der Glasherstellung, mit der die Temperatur definiert wird, bei der das Glas von einem harten, brüchigen Material, wie es auch bei Zimmertemperatur anzutreffen ist, in einen weichen, verformbaren Zustand übergeht, um die Form des Materials bearbeiten zu können. Es handelt sich also um eine Grenztemperatur. Die Glasübergangstemperatur hat dabei allerdings nichts mit dem Schmelzpunkt zu tun, der noch viel höher ausfallen kann.

Es sei angemerkt, dass auch bei einer Überschreitung der Glasübergangstemperatur der Kunststoff nicht sofort flüssig ist. Fast alle im Alltag gebräuchlichen Kunststoffe sind auf den ersten Blick bei Zimmertemperatur fest. Allerdings haben einige wie PP oder PE ihre Glastemperatur längst überschritten. Diese Kunststoffe sind nicht mehr kristallin und deshalb biegsam oder können mit dem Fingernagel eingeritzt werden. Auch Tüten oder Folien, die einfach brechen, wenn wir sie benutzen, wären nicht sonderlich hilfreich im Alltag.

Andere Kunststoffe wie etwa PVC-U, Acrylglas oder ABS können nicht verformt werden ohne zu brechen, liegen also in einer kristallinen Struktur vor. Hier liegt die Glasübergangstemperatur viel höher, als die Zimmertemperatur. Nur durch Zusätze, wie z. B. Weichmacher, sind diese Kunststoffe auch bei Zimmertemperatur elastisch.

Am anschaulichsten kann man es vielleicht mit Spielknete verdeutlichen, auch wenn es sich dabei nicht um einen amorphen Kunststoff handelt und die Vorgänge hier anders begründet sind. Als Beispiel soll es aber ausreichen. Knete ist bei Zimmertemperatur verformbar und wird aufgrund der Körpertemperatur der Hand sogar noch weicher beim Kneten. Sie hat also keine kristalline Struktur mehr und somit ihre Glasübergangstemperatur bereits überschritten. Flüssig ist sie aber auch noch nicht. Legt man die Knete in den Tiefkühlschrank und wartet, einige Zeit ab, wird sie hart und brüchig. Sie hat ihre Glasübergangstemperatur dann unterschritten. Der Temperaturbereich, an dem der Übergang von der harten zur weichen Knete oder umgekehrt stattfindet, wird als Glasübergangstemperatur bezeichnet. Dies ist bei allen amorphen Kunststoffen der Fall.

Was bedeutet amorph?

Als amorphe Kunststoffe werden Kunststoffe bezeichnet, bei denen die Molekülketten keine gleichmäßige Struktur besitzen und wild angeordnet sind. Ähnlich wie die Fasern von Filz. Kristalline Kunststoffe hingegen haben weitestgehend gleichmäßig angeordnete Molekülstrukturen. Ähnlich wie bei Kristallen, wodurch sie meist bei geringeren Temperaturen schon brüchiger sind. Teilkristalline Kunststoffe haben Molekülketten, die aufgrund der Monomere (Einzelteile der Polymerketten) sowohl kristalline als auch amorphe Strukturen vereinen. Hier verbinden sich die Monomere aufgrund der elektrischen Ladungen teilweise miteinander zu einer kristallinen Struktur.

Glasübergangstemperatur bei Kunststoffen

In Anlehnung an die Glasherstellung, hat man für Kunststoffe (Polymere), welche ein ähnliches Verhalten wie Glas aufweisen, den Begriff übernommen. Unterhalb der Glasübergangstemperatur verhalten sich Polymere wie festes Glas, sie sind spröde und nicht verformbar. Über der Glasübergangstemperatur werden sie jedoch weich und formbar.

Die Glasübergangstemperatur von Kunststoffen ist eine wichtige Kenngröße, da sie angibt, bis zu welcher Temperatur das Material in seiner ursprünglichen Form bleibt und ab welcher Temperatur es seine mechanischen Eigenschaften verändert.

Welche Auswirkungen hat die Glasübergangstemperatur auf Rohrleitungen?

Rohrleitungen aus Kunststoffen wie PVC, PP, PE oder ABS werden häufig für den Transport von Flüssigkeiten und Gasen verwendet. In diesem Anwendungsbereich ist die Glasübergangstemperatur von entscheidender Bedeutung.

Wenn Kunststoffrohre einer zu hohen Temperatur ausgesetzt werden, kann es zu einer Erweichung des Materials kommen, was zu einer Verformung der Rohre und damit zu einer Beeinträchtigung ihrer Funktion führen kann. Beispielsweise kann eine zu hohe Temperatur dazu führen, dass Rohrleitungen ihre Form verlieren und sich dadurch aus der Verankerung lösen oder dass sie aufgrund der Verformung und damit verbundenen Spannungen reißen.

Andererseits kann eine zu niedrige Temperatur dazu führen, dass Rohre spröde und brüchig werden und ihre Funktion beeinträchtigt wird. Diese Temperatur kann allerdings je nach Kunststoff auch weit unterhalb der Glasübergangstemperatur liegen. Man spricht dann von der Kältebruchtemperatur oder auch von der Tiefsttemperatur. Bei sehr niedrigen Temperaturen sollten Kunststoffrohre aus z. B. PVC-U deshalb keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein, da es schnell zu Brüchen kommen kann. Alternativ können Rohre aus Metall eingesetzt werden.

Wie funktioniert der Glasübergang bei Kunststoffen?

Die Glasübergangstemperatur von Kunststoffen hängt von der molekularen Struktur des Materials ab. Kunststoffe bestehen aus langen Molekülketten, die miteinander verbunden sind. Wenn ein Kunststoff abgekühlt wird, bewegen sich die Moleküle langsamer und langsamer, bis sie schließlich in einem starren, glasartigen Zustand eingefroren sind.

Die Moleküle eines Kunststoffes sind jedoch immer in Bewegung und vibrieren. Wenn die Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, haben die Moleküle genügend Bewegungsenergie, um sich aus ihrer fixierten Position zu lösen und in eine neue zu bewegen. Dadurch verändert sich die Struktur des Materials und es wird weicher und verformbar.

Die Glasübergangstemperatur wird im Wesentlichen durch die molekulare Struktur des Kunststoffs bestimmt. Kunststoffe mit höheren Glasübergangstemperaturen bestehen normalerweise aus langen, starren Molekülketten, während Kunststoffe mit niedrigeren Glasübergangstemperaturen normalerweise flexiblere, verzweigte Molekülketten aufweisen. Es können aber auch andere Faktoren wie Zusatzstoffe (Additive), welche dem Kunststoff beigemischt werden, die Glasübergangstemperatur beeinflussen.

Glasübergangstemperaturen verschiedener Kunststoffe

Im Folgenden einige Kunststoffe, welche in Rohrleitungen oder anderen Bereichen der Wassertechnik Anwendung finden. Zusätzlich ist auch die Kältebruchtemperatur angegeben, bei der praktisch keine Verformung des Kunststoffes mehr möglich ist, ohne dass dieses zerbricht. Beachten Sie allerdings, dass die Temperaturen nur Richtwerte sind und je nach Verarbeitungsmethoden der Kunststoffe, die chemische Zusammensetzung, die Molekülstruktur des Kunststoffs, sowie diversen hinzugefügten Additiven anders ausfallen können.

Kunststoff Glasübergangstemp. Kältebruchtemp.
PVC-U ca. 75°C ca. -20°C bis -30°C
PVC-C ca. 105°C ca. -40°C bis -60°C
PE-HD ca. -70°C bis -50°C ca. -80°C bis -100°C
PE-LD ca. -120°C bis -110°C ca. -120°C bis -130°C
ABS ca. 100°C bis 110°C ca. -40°C bis -60°C
PMMA ca. 85°C bis 105°C ca. -40°C bis -60°C
PC ca. 140°C bis 150°C ca. -130°C bis -140°C
PP ca. 0°C bis 10°C ca. -10°C bis -20°C

Die Abkürzungen der Kunststoffe sind dabei wie folgt zu verstehen:

Die Vorteile der geringen Glastemperatur von Kunststoffen ergeben sich durch die geringe Energie, welche im Vergleich zu anderen Materialien, wie etwa Metallen benötigt wird, um das Material zu formen. Dies ist einer der wichtigsten Faktoren in Bezug auf die Nachhaltigkeit und den ökologischen Fußabdruck, welcher bei Kunststoffen viel geringer ausfällt als bei Metallen. Allerdings können die meisten Kunststoffe nicht für sehr heiße oder kalte Medien verwendet werden. Hier muss auf Rohrleitungen aus Metall zurückgegriffen werden.