ISO 11357-2 Kunststoffe – Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) – Teil 2: Bestimmung der Glasübergangstemperatur und der Stufenhöhe

Die von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) herausgegebene Norm „ISO 11357-2 Kunststoffe - Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) - Teil 2: Bestimmung der Glasübergangstemperatur und der Stufenhöhe“ beschreibt Verfahren zur Bestimmung der Glasübergangstemperatur und der Glasübergangsstufenhöhe von amorphen und teilkristallinen Kunststoffen.

Für die Zwecke dieser Norm gelten zusätzlich zu den in ISO 472 und ISO 11357-1 enthaltenen Begriffen und Definitionen die folgenden Definitionen:

• Glasübergangstemperatur: Dies bezeichnet den charakteristischen Temperaturbereich, in dem der Glasübergang stattfindet. Die angegebene Glasübergangstemperatur kann je nach spezifischer Eigenschaft sowie der gewählten Messmethode und -bedingungen variieren.
• Höhe des Glasübergangszustands: Dies bezeichnet die Differenz der spezifischen Wärmekapazität zwischen der oberen und unteren extrapolierten Basislinie bei der Glasübergangstemperatur. Bei teilkristallinen Polymeren ist die Höhe des Glasübergangszustands proportional zum Anteil der amorphen Phase.

Prinzipiell wird die Differenz der Wärmeflussrate zwischen Probe und Referenztiegel in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit gemessen, wobei Probe und Referenz demselben Temperaturkontrollprogramm in einer definierten Atmosphäre unterzogen werden. Zwei Arten der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) können durchgeführt werden: Wärmefluss-DSC und leistungskompensierte DSC. Die Änderung der Wärmeflussrate wird als Funktion der Temperatur aufgezeichnet, und die Glasübergangstemperatur sowie die Stufenhöhe werden aus der resultierenden Kurve bestimmt.

In der Polymerwissenschaft und Werkstofftechnik ist die präzise thermische Analyse unerlässlich, um das Verhalten von Kunststoffen unter Temperaturschwankungen zu charakterisieren. Eine der entscheidenden Eigenschaften ist die Glasübergangstemperatur, der Punkt, an dem ein amorphes Polymer von einem harten, glasartigen Zustand in einen weichen, gummiartigen Zustand übergeht. Die genaue Messung der Glasübergangstemperatur gewährleistet die Produktzuverlässigkeit in Anwendungen von Verpackungsfolien bis hin zu Automobilkomponenten.

ISO 11357-2, Teil der umfassenderen Normenreihe ISO 11357 für Kunststoffe und die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), bietet eine standardisierte Methode zur Bestimmung der Glasübergangstemperatur mittels dynamischer Differenzkalorimetrie.

Diese Norm gilt für amorphe und teilkristalline Polymere (ausgenommen vollkristalline Polymere ohne Glasübergangstemperatur). Sie umfasst Messungen der Glasübergangstemperatur im Temperaturbereich von -100 °C bis +600 °C, abhängig von der Leistungsfähigkeit des Differenzkalorimetriegeräts. Schmelzpunkte (ISO 11357-3), Kristallisationstemperaturen (ISO 11357-4) und Oxidationsinduktionszeiten (ISO 11357-6) fallen jedoch nicht in den Anwendungsbereich dieser Norm.

Der ISO 11357-2-Standard ist mit anderen Teilen dieses Standards konsistent und unterstützt einen einheitlichen Rahmen für die Differenzkalorimetrie zur Bestimmung thermischer Eigenschaften.

Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) misst die Unterschiede im Wärmefluss zwischen einer Probe und einer Referenzprobe bei kontrollierter Temperaturänderung. Bei der Wärmefluss-DSC (der gebräuchlichsten Methode) befinden sich beide Proben im selben Ofen, während bei der leistungsbilanzierten DSC separate Heizelemente für gleichmäßige Temperaturen sorgen.

Die Glasübergangstemperatur ist kein scharfer Peak wie beim Schmelzen, sondern ein Phasenübergang zweiter Ordnung, der durch eine sprunghafte Änderung der Wärmekapazität gekennzeichnet ist. Sie zeigt sich im DSC-Thermogramm als Basislinienverschiebung aufgrund erhöhter molekularer Beweglichkeit. Die Höhe des Glasübergangssprungs, also die vertikale Verschiebung des Wärmeflusses, quantifiziert die Änderung der spezifischen Wärmekapazität. Einflussfaktoren sind die Heizrate, die Probenvorgeschichte (z. B. Tempern), die Feuchtigkeit und das Molekulargewicht. Die Norm ISO 11357-2 standardisiert diese Faktoren, um die Variabilität zu minimieren.

Die Norm ISO 11357-2 beinhaltet ein strenges Protokoll:

• Probenvorbereitung: Masse, 5–20 mg (üblicherweise 10 mg für höhere Genauigkeit). Dünne Filme, Pulver oder Granulate werden hermetisch in Aluminiumbehältern verschlossen, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Hygroskopische, trockene Proben werden konditioniert, optional durch Vorwärmen, um thermische Spuren zu entfernen.
• Instrumentenkalibrierung: Die Temperatur wird mithilfe hochreiner Standards (z. B. Indium bei 156,6 °C) eingestellt. Die Grundkorrektur erfolgt mithilfe leerer Gefäße zur Wärmeflussmessung.
• Testbedingungen:
• Aufheizrate: 10-20 K/min (20 K/min werden für die Standard-Glasübergangstemperatur empfohlen, langsamere Raten wie 10 K/min für Präzision).
• Atmosphäre: Inertgas (Stickstoff oder Helium) mit einer Durchflussrate von 20-50 ml/min.
• Temperaturprogramm: Zunächst Aufheizen von 50 °C unterhalb auf 50 °C oberhalb der erwarteten Glasübergangstemperatur. Abkühlen mit mindestens 20 K/min, um vorherige Temperaturänderungen auszugleichen. Ein zweites Aufheizen wird wiederholt, um eine reproduzierbare Glasübergangstemperatur zu erreichen (zwingend erforderlich für teilkristalline Polymere).
• Datenanalyse:
• Methoden zur Bestimmung der Glasübergangstemperatur (Mittelpunkt bevorzugt):
• Ausgangspunkt (Extrapol): Der Schnittpunkt der Tangenten an die Basislinien nach dem vorherigen oder nachfolgenden Schritt.
• Mittelpunkt: Die Hälfte der Stufenhöhe (am häufigsten gemäß ISO).
• Wendepunkt: Punkt der maximalen Steigung.
• Berechnung der Stufenhöhe beim Glasübergang: Die Wärmestromdifferenz zwischen den extrapolierten Basislinien wird nach Masse und Geschwindigkeit normiert.
• Software automatisiert diesen Prozess üblicherweise, eine manuelle Überprüfung wird jedoch empfohlen.
• Berichterstattung: Die Methode, zusammen mit den Glasübergangstemperaturwerten, dem Thermogramm mit markierten Punkten und den Unsicherheiten (typischerweise plus/minus ±1-2 Grad für die Glasübergangstemperatur) werden berichtet.

Die wichtigsten Anwendungsgebiete der Norm ISO 11357-2 sind folgende:

• Materialauswahl: Die Glasübergangstemperatur bestimmt die Einsatztemperatur.
• Qualitätskontrolle: Chargenabweichungen oder Verderb werden erkannt.
• Forschung und Entwicklung: Es werden Additive, Mischungen oder Aushärtungsprozesse untersucht (z. B. Erhöhung der Glasübergangstemperatur des Epoxids durch Vernetzung).
• Branchen: Automobilindustrie (Instrumententafeln), Elektronik (Leiterplatten), Medizintechnik (sterilisierbare Kunststoffe).

Kurz gesagt, ist die Norm ISO 11357-2 ein unverzichtbares Werkzeug für die zuverlässige Messung der Glasübergangstemperatur, da sie die weltweite Einheitlichkeit bei der Charakterisierung von Polymeren fördert. Dies führt zur Entwicklung sichererer Produkte.

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