Tg - Glasübergangstemperatur bei Epoxies

Tg - Glasübergangstemperatur bei Epoxies
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30.03.2019 | Die Glasübergangstemperatur ist einer der wichtigsten Werte eines Epoxy. Damit wird die Temperatur bezeichnet, bei der sich das Polymer von einem harten, glasartigen Material in ein weiches, gummiartiges umwandelt. Epoxies sind Duroplaste, welche beim Aushärteprozess chemisch vernetzen. Das ausgehärtete Epoxy hat keinen Schmelzpunkt. Während eines erneuten Erwärmens wird es nicht flüssig (dies im Gegensatz zu thermoplastischen Materialien).

 
Was genau ist die Tg?

Beim Überschreiten der Glasübergangstemperatur (Tg) – nicht zu verwechseln mit Schmelzpunkt (Tm) - wechselt das Epoxy von einem harten, steifen, glasartigen Zustand in einen weicheren, „gummiartigen“ Zustand.
Die Tg ist in Wirklichkeit nicht eine absolute Temperatur sondern ein Temperaturbereich, in welchem sich die Mobilität der Polymerketten signifikant erhöht. Eine Reihe von Faktoren bestimmen letztendlich die Tg: chemische Struktur des Epoxies, Art des Härters und der Aushärtegrad.

Üblicherweise wird die Tg mittels Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC), nach ASTM E1356 gemessen (“Standard Test Method for Assignment of the Glass Transition Temperature by Differential Scanning Calorimetry”).
Ein Tg-Scan ist einem kinetischem Scan sehr ähnlich, nur dass der Tg-Scan mit einem ausgehärteten Muster durchgeführt wird. Auf der X-Achse wird die Temperatur festgehalten, auf der Y-Achse der Wärmestrom (s. Bild).
Wie schon erwähnt ist die Tg vielmehr ein Temperaturbereich statt ein spezifischer Temperaturwert. Dies, weil die vernetzten Polymerketten unterschiedliche Freiheitsgrade in ihrer Beweglichkeit je nach eingesetzter thermischer Energie haben.

Es ist jedoch eine Gepflogenheit, den Mittelwert des Temperaturbereichs als Tg auszuweisen, begrenzt durch die Tangenten der beiden flachverlaufenden Regionen der Wärmestromkurve. Im gezeigten Bespiel würde die Tg mit 75°C angegeben werden. 
Die Tg ist auch abhängig vom Aushärtegrad. Normalerweise basieren die auf den Datenblättern angegebenen Tg-Werte auf einer 100% Vernetzung (100% Umwandlung).

Tiefe Härtetemperaturen resp. Raumtemperatur (RT) werden die tiefst mögliche von allen möglichen Tg’s für diese chemische Zusammensetzung ergeben. 
Sehr hohe Tg-Werte sind nie erreichbar mit einer RT-Aushärtung. Wird das gleiche Material jedoch bei einer erhöhten Temperatur ausgehärtet resultiert als Folge auch eine höhere Tg.
 
Auswirkung der Tg auf...
  • Modul:
    Grundsätzlich gilt die folgende Abhängigkeit von Modul zu Klebstoff: je höher die Tg, umso höher die quervernetzte Dichte und das Modul. Wird ein Epoxy über die Tg erhitzt sinkt das Modul. Das ist bezeichnend für den Wechsel von glasartig/hart in einen weicheren Zustand. Eine hohe Tg mit einem hohen Modul resultiert in eine hohe Steifigkeit, was in den meisten Fällen gleichzusetzen ist mit einem tiefen Dehnungsvermögen und einer eher geringfügigen Energievernichtung bei RT. Das Modul unterhalb der Tg hat ein primär reziprokes Verhältnis mit Temperatur.
     
  • Zugscher- und Abscherfestigkeit:
    Mit Anstieg der Temperatur sinken Zug- und Abscherfestigkeit eines Epoxies. Nebenbei bemerkt wird dieser Effekt oft als Mittel zum Entfernen eines gehärteten Epoxies benutzt. Mit dem Erweichen des Epoxies treten überwiegend kohäsive Brüche auf. Dies erlaubt es, die zwei verklebten Substrate einfacher zu lösen.

Kann ich ein Epoxy oberhalb seiner Tg einsetzen?

Sicher! Im Gegensatz zu Lötzinn hat ein Epoxy keinen Schmelzpunkt. Es wird nicht mehr flüssig, auch nicht bei thermischen Zyklen. Eine durch die kovalente Bindung produzierte Kraft in der gehärteten Epoxystruktur zwingt das etwas weichere („dehnbarere“) Epoxy in seine ursprüngliche Struktur zurück wenn die Temperatur wieder auf unterhalb der Tg gesenkt wird. Manchmal ist es vorteilhaft, wenn die Betriebstemperatur einer Anwendung höher als die Tg des eingesetzten Epoxies liegt, da die zusätzliche Flexibilität/Elastizität oberhalb der Tg die Klebeverbindung die Schock- und Vibrationsbeständigkeit erhöht. Extrem fragile Komponenten werden so auch eher geschützt als wenn das Epoxy sehr hart ist.

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