Quelltext der Seite Glasübergangstemperatur

{{Dieser Artikel|beschreibt den allgemeinen Fall. Für Glasübergang speziell bei anorganischen Gläsern, siehe [[Transformationsbereich]].}}
Beim Überschreiten der '''Glasübergangstemperatur'''&nbsp;''T''<sub>g</sub> geht ein festes [[Glas|Glas]] oder [[Polymer]] in einen [[gummi]]<nowiki/>artigen bis [[zähflüssig]]en Zustand über. Bei [[amorphes Metall|amorphen Metallen]] spricht man von der '''Glastemperatur''' und bei [[Glas #Einteilung der Gläser|anorganisch-nichtmetallischen Gläsern]] von der '''Transformationstemperatur'''.

== Bildung und Eigenschaften ==
Ein Glas bildet sich, wenn eine Flüssigkeit schneller abkühlt, als sich [[Kristallisationskeim]]e bilden können. Dies geschieht besonders leicht bei [[asymmetrisch]]en [[Molekül]]en und viskosen [[Flüssigkeit]]en. Gläser werden z.&nbsp;B. von den in der Umgangssprache darunter verstandenen anorganischen Gläsern – wie dem [[Fensterglas]] – gebildet, aber auch von organischen Gläsern wie z.&nbsp;B. [[amorph]]en [[Kunststoff]]en.

Bei Polymeren beruht der Glasübergang von der Schmelze in den festen Zustand auf dem "Einfrieren" von Kettensegmenten.<ref name = "Lechner">{{bibISBN|3764388900|Seite = 371}}</ref>

Bei amorphen Kunststoffen trennt der Glasübergang den unterhalb liegenden, [[Sprödigkeit|spröden]] [[Energie-Elastizität|energieelastischen]] Bereich (Glasbereich) vom oberhalb liegenden, weichen [[Entropie-Elastizität|entropieelastischen]] Bereich ([[Gummielastizität|gummielastischer Bereich]]). Der Übergang in den Fließbereich (Bereich [[plastische Verformung|plastischer Verformung]]) ist nicht abrupt, sondern kontinuierlich.

[[Teilkristallin]]e Kunststoffe (viele gebräuchliche Kunststoffe weisen einen [[Kristallinitätsgrad|kristallinen Anteil]] von&nbsp;10 bis&nbsp;80&nbsp;% auf<ref name = "Ehrenstein 1999">{{bibISBN|3446211616|Seite = 173}}</ref>) besitzen sowohl eine Glasübergangstemperatur, unterhalb derer die amorphe [[Phase (Materie)|Phase]] einfriert (einhergehend mit Versprödung), als auch eine [[Schmelzpunkt|Schmelztemperatur]], bei der sich die kristalline Phase auflöst. Die Schmelztemperatur trennt den entropieelastischen Bereich deutlich vom Fließbereich. 

Ein Glasübergang ist kein [[Phasenübergang]] 1. Ordnung und daher auch nicht mit einer exakten Temperatur verknüpft, wie der Schmelzpunkt bei Kristallen. Je nachdem, auf welcher Zeit- und Längenskala bzw. Bewegungsmodus der molekularen Dynamik die verwendete Messmethode (s.u.) empfindlich ist, variiert der gefundene Wert systematisch. Exakterweise muss daher zu jeder Glasübergangstemperatur die verwendete Messmethode angegeben werden. Allerdings ist die Abweichung typischerweise nur einige [[Kelvin]] groß, da die Bewegungsmoden stark miteinander gekoppelt sind (alle frieren im gleichen Temperaturbereich ein).

== Messung == 
Die Glasübergangstemperatur kann u.&nbsp;a. mit Hilfe folgender Methoden gemessen werden:
* der [[Dynamisch Mechanische Analyse|Dynamisch-mechanischen Analyse]]&nbsp;(DMA); dabei wird eine starke Änderung des [[Elastizitätsmodul|E-]] und [[Schubmodul|G-Moduls]] sowie ein ausgeprägtes [[Extremwert|Maximum]] der Änderung der [[Dämpfung]] in einem engen Temperaturbereich beobachtet
* der [[Dynamische Differenzkalorimetrie|dynamischen Differenzkalorimetrie]]&nbsp;(DSC); dabei wird die [[Wärmekapazität]]&nbsp;''C''<sub>p</sub> in Abhängigkeit von der Temperatur erfasst; die Wärmekapazitäten von flüssiger und glasartiger Phase unterscheiden sich, mit einem kontinuierlichen Übergang in der Nähe der Glasübergangstemperatur. Die festgestellte Glasübergangstemperatur hängt recht stark von der Heiz- bzw. Kühlrate ab: bei langsamer Aufheizung bzw. Abkühlung nähern sich die Werte aus dem Heiz- bzw. Kühlvorgang einander an, allerdings ist die Wärmekapazität bei kleiner Rate zunehmend schwierig zu messen.
* der [[Dielektrische Spektroskopie #Dielektrische Relaxation|dielektrischen Relaxationsspektroskopie]].
* der [[Dilatometer|Dilatometrie]], da sich der [[Ausdehnungskoeffizient]] am Glasübergang ändert.

== Einsatztemperatur von Kunststoffen ==
Ob ein Kunststoff oberhalb oder unterhalb seiner Glasübergangstemperatur verwendet werden kann, hängt von der Art des Kunststoffs ab (dabei ist zu beachten, dass die Glasübergangstemperatur eines Kunststoffes bzw. Elastomers mit seiner [[Vernetzung (Chemie)|Vernetzung]]s<nowiki/>dichte steigt, d.&nbsp;h. die Glasübergangstemperatur eines Duroplasts ist deutlich höher als die eines Thermoplasts):
* Amorphe [[Thermoplast]]e können nur unterhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt werden. Die Verarbeitung erfolgt üblicherweise oberhalb derer.
* Teilkristalline Thermoplaste werden sowohl unterhalb als auch oberhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt. Teilkristalline Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur höher ist als ihre Einsatztemperatur (z.&nbsp;B. [[Polyethylenterephthalat]]) sind eher steif und erweichen beim Glasübergang unterschiedlich stark (je nach Kristallinitätsgrad). Teilkristalline Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur unter der Einsatztemperatur liegt (z.&nbsp;B. [[Polyethylen]]), sind hingegen auch bei der Einsatztemperatur relativ weich und werden spröde, wenn die Glasübergangstemperatur unterschritten wird. In beiden Fällen ist ein Einsatz oberhalb der Schmelztemperatur nicht sinnvoll.
* [[Elastomer]]e werden grundsätzlich im gummielastischen Bereich, also oberhalb der Glastemperatur eingesetzt. Unterhalb der Glasübergangstemperatur verspröden sie stark, wodurch ein Einsatz nicht sinnvoll ist. So wurde beispielsweise als Ursache für das [[STS-51-L #Das Challenger-Ungl.C3.BCck|Unglück]] des [[Space Shuttle]] [[Challenger (Raumfähre)|Challenger]] eine [[O-Ring]]-[[Dichtung (Technik)|Dichtung]] aus [[Fluorelastomer]] ermittelt, die unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur betrieben wurde, wo sie nur ungenügend [[Elastizität (Physik)|elastisch]] war und folglich nicht dicht hielt. Die obere Temperaturgrenze dieser Materialien ist ihre jeweilige Zersetzungstemperatur. 
* [[Duroplast]]e werden sowohl unterhalb als auch oberhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt. [[Duroplast]]e, deren Glasübergangstemperatur unter der Raumtemperatur liegt, sind allerdings zu den Elastomeren zu zählen. Die obere Temperaturgrenze von Duroplasten ist ihre jeweilige Zersetzungstemperatur.

== Einsatztemperatur von Gläsern ==

Glas wird in der Praxis nie oberhalb von ''T''<sub>g</sub> verwendet. Ist Glas Temperaturschwankungen ausgesetzt, deren Spitze oberhalb von ''T''<sub>g</sub> liegt, entstehen bei Abkühlung von diesen Spitzen Spannungen im Glas, die typischerweise schnell zu Bruch führen. Glas muss nach der Herstellung den Temperaturbereich um ''T''<sub>g</sub> durch definiert langsames Abkühlen durchschreiten. So werden Spannungen minimiert.

Glas oder Glasbauteile dürfen in der Regel nicht bis zu ''T''<sub>g</sub> belastet werden. ''T''<sub>g</sub> liegt innerhalb des sogenannten Transformationsbereiches dessen untere Grenze durch die [[Transformationsbereich|untere Kühltemperatur]] beschrieben wird. Diese Temperatur stellt die theoretische Maximaltemperatur einer Glasart dar. In der Praxis liegt diese Temperatur immer 50–100&nbsp;°C unterhalb von ''T''<sub>g</sub>.
 
Bei [[Borosilikatglas|Borosilikatgläsern]] und Kalk-Natron-Gläsern liegt ''T''<sub>g</sub> um 500&nbsp;°C, also deutlich höher als bei den meisten Kunststoffen. Bleigläser liegen etwas tiefer bei um 400&nbsp;°C. [[Aluminosilikate|Aluminosilikatgläser]] liegen deutlich höher bei etwa 800&nbsp;°C.

== Literatur ==
* {{bibISBN|3527299602|Seite=452}}
*[http://books.google.de/books?id=QBVS9DDu9ocC&pg=PA371 ''Kapitel 5.2.4 Glasübergänge''], In: Manfred Dieter Lechner, Klaus Gehrke, Eckhard H. Nordmeier: ''Makromolekulare Chemie: Ein Lehrbuch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker'', 4. überarbeitete und erweiterte Auflage, Springer Verlag 2009, ISBN 978-3764388904, S. 371f

== Einzelnachweise ==
<references />

== Weblinks ==
[http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/glas.htm Kunststoffe im Alltag] – [[Freie Universität Berlin]]

[http://www.schott.com/tubing/english/product_selector/#!/region--all/lang--german/filter--list Glass Tubing Explorer SCHOTT AG]

{{SORTIERUNG:Glasubergangstemperatur}}
[[Kategorie:Schwellenwert (Temperatur)]]
[[Kategorie:Makromolekulare Chemie]]
[[Kategorie:Kunststoffkunde]]
[[Kategorie:Glasverarbeitung]]
[[Kategorie:Werkstoffprüfung]]
[[Kategorie:Physik der weichen Materie]]