Unterschied zwischen Tg und Tm beim Kunststoffspritzguss

Was ist die Übergangstemperatur (Tg)?

Glasübergangstemperatur (Tg) bezeichnet den Punkt, an dem ein Polymer von einem harten und glasartigen Zustand in einen weichen und gummiartigen Zustand übergeht. Oberhalb der Tg werden Polymere flexibel und zeigen gewisse Fließeigenschaften. Unterhalb dieser Temperatur sind sie starrer und weniger biegsam.

Faktoren, die Tg beeinflussen

Mehrere Faktoren können den Tg-Wert in Polymeren beeinflussen.

Molekulargewicht ist ein Schlüsselfaktor; höhere Molekulargewichte führen oft zu höheren Tg-Werten. Intermolekulare Kräfte spielen ebenfalls eine Rolle. Stärkere Kräfte erschweren die Bewegung der Polymerketten, was den Tg-Wert erhöht.

Weichmacher können hinzugefügt werden, um den Tg zu senken. Sie erleichtern es den Ketten, aneinander vorbeizugleiten. Andererseits kann das Hinzufügen von Füllstoffen den Tg erhöhen, indem die Bewegung eingeschränkt wird. Auch die thermische Vorgeschichte spielt eine Rolle. Wenn ein Polymer viele Male erhitzt und abgekühlt wurde, kann sich der Tg verschieben.

Was ist die Schmelztemperatur (Tm)?

Wenn Sie ein Polymer erhitzen, wechseln die kristallinen Bereiche von einem festen in einen flüssigen Zustand. Dieser Schmelzvorgang findet bei der Schmelztemperatur (Tm) statt. Diese Temperatur unterscheidet sich je nach Material aufgrund der Kristallstruktur und Bindungsstärke innerhalb des Polymers. In kristallinen Polymeren sind diese Muster geordneter, was zu einem scharfen Schmelzpunkt führt.

Einfluss von Molekulargewicht und Struktur

Das Molekulargewicht eines Polymers hat großen Einfluss auf seine Schmelztemperatur. Polymere mit hohem Molekulargewicht haben normalerweise eine höhere Tm. Der Grund dafür ist, dass ein höheres Molekulargewicht die Kettenverflechtung erhöht, was es für die Ketten schwieriger macht, sich zu bewegen und zu schmelzen.

Auch die Molekülstruktur spielt eine Rolle. Lineare Polymere haben aufgrund der dicht gepackten Ketten möglicherweise einen ausgeprägteren Tm-Wert als verzweigte Polymere. Kristallklare Perfektion und die Kettenausrichtung wirken sich ebenfalls auf Tm aus, wobei eine bessere Ausrichtung zu höheren Temperaturen führt.

Der Unterschied zwischen Tg und Tm

Merkmal	Glasübergangstemperatur (Tg)	Schmelztemperatur (Tm)
Art der Änderung	Übergang zweiter Ordnung ohne Phasenänderung; nur Änderungen der physikalischen Eigenschaften	Phasenübergang erster Ordnung von fest zu flüssig
Materialtyp	Kommt nur in amorphen und teilkristallinen Materialien vor	Kommt in kristallinen Materialien vor
Statusänderung	Vom Glaszustand zum Gummizustand ohne Phasenwechsel	Von der festen zur flüssigen Phase
Molekulare Struktur	Keine Änderung der Molekülanordnung; bleibt amorph	Vollständiger Zusammenbruch der Kristallstruktur
Reversibilität	Vollständig reversibler Prozess	Reversibler Phasenwechsel
Temperaturbereich	Tritt im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen als Tm auf.	Normalerweise höher als Tg
Einflussfaktoren	– Chemische Struktur des Polymers – Molekulargewicht – Weichmachergehalt – Flexibilität	- Druck – Chemische Bindung – Form und Größe der Moleküle – Molekulare Packung
Messmethode	Normalerweise gemessen mittels Differenzial-Scanning-Kalorimetrie	Gemessen bei spezifischem Druck (normalerweise Standarddruck)
Industrielle Bedeutung	Entscheidend bei der Polymerverarbeitung und -anwendung	Wichtig für Materialauswahl und Verarbeitung
Physischer Zustand	Das Material bleibt fest, wird aber flexibel/gummiartig	Material verwandelt sich vollständig in Flüssigkeit
Energiewende	Beinhaltet eine allmähliche Erweichung	Umfasst eine vollständige Phasenumwandlung
Auswirkungen auf die Anwendung	Bestimmt die Flexibilität und Verarbeitungsbedingungen des Materials	Bestimmt die Hitzebeständigkeit und Verarbeitungsgrenzen des Materials
Abhängigkeit von der Heizrate	Empfindlicher gegenüber Änderungen der Heizrate	Weniger empfindlich gegenüber Änderungen der Heizrate

Wie Tg und Tm Polymerkategorien definieren

Thermoplaste vs. Duroplaste: Tg und Tm helfen, diese Kategorien zu unterscheiden. Thermoplaste haben sowohl Tg als auch Tm und können beim Erhitzen mehrfach umgeformt werden. Duroplaste hingegen vernetzen sich bei hohen Temperaturen und fixieren ihre Form beim Abkühlen. Sie weisen eine Tg, aber keine typische Tm auf, weil sie nicht schmelzen.

Kristallinität und Eigenschaften: Polymere mit hoher Kristallinität haben einen klaren, scharfen Tm-Wert und im Allgemeinen eine höhere mechanische Festigkeit. Polymere mit höherem amorphen Anteil haben einen merklichen Tg-Wert und eine höhere Flexibilität, aber eine geringere strukturelle Steifigkeit.

Tg und Tm im Formenbau

Die Glasübergangstemperatur (Tg) und die Schmelztemperatur (Tm) sind kritische Parameter bei Spritzguss- und Druckgussverfahren, da sie die Verarbeitungsbedingungen und die Qualität des Endprodukts direkt beeinflussen. Liegt die Verarbeitungstemperatur unter Tg, bleibt das Polymer starr und spröde, was zu eingeschränkter Flexibilität und einem erhöhten Bruchrisiko während des Formprozesses führt. Dies kann zu Defekten wie Rissen oder unvollständiger Füllung der Formhöhle führen und letztlich die Integrität der Formteile beeinträchtigen.

Im Gegensatz dazu legt Tm die maximale Temperatur fest, die zum vollständigen Schmelzen des Polymers erforderlich ist, um sicherzustellen, dass das Material richtig in die Formhöhle fließen kann. Wenn die Temperatur Tm überschreitet, kann sich das Polymer zersetzen oder zersetzen, was zu schlechten Materialeigenschaften und Defekten im Endprodukt führt.

Wenn die Verarbeitungstemperatur nahe oder über Tg liegt, können sich die Materialeigenschaften erheblich ändern. Das Polymer wird geschmeidiger und kann besser verformt werden, ohne zu brechen. Dies verbessert die Fließeigenschaften und erleichtert das Befüllen komplexer Formen. Erhöhte Temperaturen können jedoch auch zu neuen Abbaumechanismen führen, wie etwa thermischer Oxidation oder Kettenspaltung, die sich negativ auf die Gesamtqualität der Formteile auswirken können, einschließlich ihrer mechanischen Festigkeit und thermischen Stabilität.

Die Auswirkungen von Tg und Tm gehen über die Verarbeitungstemperaturen hinaus und beeinflussen die Abkühlungs- und Zykluszeiten des Formgebungsvorgangs. Wenn sich die Temperatur während der Abkühlung Tg nähert, geht das Material von einem gummiartigen in einen glasartigen Zustand über, was die Abkühlungsrate und die Zykluszeit beeinflussen kann. Wenn die Abkühlung zu schnell erfolgt, kann dies zu inneren Spannungen oder Verformungen im Endprodukt führen. Umgekehrt kann eine längere Abkühlungszeit eine bessere Kristallisation bei teilkristallinen Polymeren ermöglichen und so deren mechanische Eigenschaften verbessern.

Darüber hinaus beeinflussen Tg und Tm während der Verarbeitung verschiedene Materialeigenschaften, darunter Wärmeleitfähigkeit, optische Klarheit und mechanische Leistung. Beispielsweise weisen Polymere, die über Tg verarbeitet werden, typischerweise bessere thermische und mechanische Eigenschaften auf, da sie die beim Formen auftretenden Belastungen besser aushalten können. Dies ist insbesondere bei Anwendungen wichtig, bei denen das Endprodukt mechanischen Belastungen oder Temperaturwechseln ausgesetzt ist.

Zu den kritischen Verarbeitungsparametern, die von Tg und Tm beeinflusst werden, gehören die Einspritzflussrate, die Formwandtemperatur, der Packdruck und die Faserausrichtung bei Verbundwerkstoffen. Diese Parameter müssen sorgfältig kontrolliert werden, um einen ordnungsgemäßen Materialfluss sicherzustellen, die gewünschten physikalischen Eigenschaften beizubehalten und eine gleichbleibende Teilequalität zu erreichen. Beispielsweise ist eine optimale Einspritzflussrate erforderlich, um die Form effektiv zu füllen, ohne Defekte wie kurze Spritzer oder übermäßige Gratbildung zu verursachen.

Auch Zuverlässigkeitsaspekte unterstreichen die Bedeutung der Temperaturkontrolle. Wird Tg während der Verarbeitung überschritten, können neue Fehlermechanismen auftreten, wie z. B. eine erhöhte Sprödigkeit oder eine verringerte Schlagfestigkeit, was sich negativ auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Formteile auswirken kann. Dies wiederum wirkt sich auf die langfristige Zuverlässigkeit und Leistung des Endprodukts aus, insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen.

Tg gängiger Kunststoff-Spritzgussmaterialien

In der folgenden Tabelle sind die Glasübergangstemperaturen (Tg) in Grad Celsius für verschiedene Kunststoff-Spritzgussmaterialien aufgeführt:

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