Pflichtpraktikum Methodik

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1 Lehrstuhl für Adhäsion und Interphasen in Polymeren Prof. Dr. Wulff Possart Dipl.-Ing. Jan Christoph Gaukler Geb. C6.3, Raum Pflichtpraktikum Methodik Versuch: DSC 1. Einführung Viele chemische Reaktionen und physikalische Übergänge sind mit Wärmebildung (= exotherme Vorgänge; H < 0) oder Wärmeaufnahme (= endotherme Vorgänge; H > 0) verbunden, wie beispielsweise Schmelzen Vernetzung Nachkristallisation Glasübergang Zersetzung Sublimation Verdampfen chemische Reaktion (s)-(s)-umwandlung und finden bei bestimmten Temperaturen oder in bestimmten Temperaturbereichen statt bzw. verlaufen innerhalb bestimmter Zeitabschnitte. Gegenstand der Kalorimetrie ist die Messung der umgesetzten Wärmemengen bei diesen Vorgängen. Dadurch lassen sich Aussagen über Zustand und Verhalten von Materialien innerhalb bestimmter Temperaturbereiche treffen, sowie Auskünfte über den zeitlichen Ablauf von Reaktionen ermitteln. Eine moderne Art der Kalorimetrie ist die Dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry), bei der die Differenz der Energiezufuhr zu einer Substanz und einem Referenzmaterial als Funktion der Temperatur gemessen wird, während die Substanz einem geregelten Temperatur-Zeit-Programm in definierter Atmosphäre unterworfen wird. 1

2 Unterschieden werden zwei DSC-Typen, das Leistungskompensations- und das Wärmestromkalorimeter. Letzteres wird im Rahmen dieses Versuches benutzt. In diesem Praktikumsversuch sind Aussagen über die thermische Vorgeschichte und den Kristallisationszustand eines Polymers zu treffen. 2. Thema des Versuches Kristallisation und Glasübergang von Polyethylenterephthalat (PETP) 3. Polyethylenterephthalat (PET) Handelsname: Polyester chemische Formel: Thermoplast teilkristallin 4. Versuchsaufgaben Bestimmung und Charakterisierung von: Schmelzbereich Glasübergang Nachkristallisation bei PET nach Variation der thermischen Vorgeschichte. Diskussion der Messkurven 2

3 5. Versuchsdurchführung 1) Ausschneiden von 6 bis 10 mg PET aus einer Getränkeflasche 2) Die Probe wird in ein DSC-Pfännchen eingelegt, mit einem Deckel versehen und mit der Verschlusspresse versiegelt. 3) Einlegen des Probenpfännchens und des Referenzpfännchens in das DSC 4) Messung des Polyethylenterephthalates in folgenden Zeit-Temperatur-Schritten: Aufheizen: T end = 275 C, Heizrate = 20 K / min, Haltezeit = 5 min Abkühlen: T start = 0 C, Kühlrate = 10 K / min, Haltezeit = 5 min Aufheizen: T end = 275 C, Heizrate = 20 K / min, Haltezeit = 5 min Abkühlen: T start = 0 C, Kühlrate = 50 K / min, Haltezeit = 5 min Aufheizen: T end = 275 C, Heizrate = 20 K / min, Haltezeit = 5 min Abkühlen: T start = 0 C, Kühlrate = 100 K / min, Haltezeit = 5 min Aufheizen: T end = 275 C, Heizrate = 20 K / min Bemerkung: DSC-Pfännchen sind immer mit einer Pinzette vorsichtig anzufassen und niemals (!!!) mit den Fingern ( Wieviel wiegt ein Fingerabdruck?). Das Einsetzen der Pfännchen in die Öfen ist sehr behutsam durchzuführen, da das Messsystem eines DSC sehr empfindlich ist. 6. Auswertung 1) Aus den DSC-Aufheizkurven sind die Wärmebeträge sowie die charakteristischen Temperaturen des Schmelzens der kristallinen Anteile (Schmelzwärmen) und der Nachkristallisation der jeweils unterschiedlich thermisch vorbehandelten PET-Probe zu ermitteln. 2) Für Glasübergang der Messkurven sind folgende Größen zu bestimmen: T g,a, T g, T g,e und C p. Näheres erfolgt im Antestatgespräch. 3) Stellen Sie die erhaltenen Messgrößen tabellarisch gegenüber! 3

4 7. Diskussion 1) Wieso wird die PET-Probe vor dem Abkühlen auf hoher Temperatur getempert? 2) Aus welchen Gründen kommt es beim Aufheizen zur Nachkristallisation? Warum ist sie nach hohen Abkühlgeschwindigkeiten ausgeprägter und nach kleinen verschwunden? Wieso verschiebt sich die Nachkristallisation beim Aufheizen nach schnellem Abkühlen zu höheren Temperaturen hin? 3) Wie lassen sich im Glasübergangsbereich die Unterschiede im Verlauf zwischen Abkühlkurve und Aufheizkurve erklären? 4) Wodurch kommen die unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen (T g ) und Glasstufen ( C p ) der Aufheizkurven für die jeweils unterschiedlich thermisch vorbehandelte PET-Probe zu Stande? 5) Womit ist die Konstanz der Schmelzenthalpien und Schmelztemperaturen beim Aufheizen nach unterschiedlich schneller Abkühlung zu erklären? 6) Welche Problematik ergibt sich bei der Ermittlung der Basislinie des Schmelzüberganges? 7) Deuten Sie Sinn und Zweck der verschiedenen Temperatur-Zeit-Schritte des Messprogrammes! 8. Vorzubereitende Themen gemäß Herrn Prof. Possarts Vorlesung Polymere Werkstoffliche Grundlagen (alte Bezeichnung: Polymerwerkstoffe ) A. Grundbegriffe der chemischen Polymersynthese mit Beispielen: Bildungsmechanismen von Makromolekülen (Kapitel 2.1) B. Grundlegende Eigenschaften organischer Makromoleküle Kapitel 3.4: Behinderte Drehbarkeit, Rotationsisomerie, Konformation Kapitel 3.5: Architektur von Makromolekülen und Flexibilität Kapitel 3.7: Aus den Moleküleigenschaften absehbare Eigenschaften einer Polymerschmelze Kapitel 3.8: Zusammenfassung der Besonderheiten des makromolekularen Zustandes C. Strukturen in festen Polymeren: Morphologie von Homopolymeren (Kapitel 4.1) D. Einige wichtige physikalische Eigenschaften der Polymere: Thermisches Verhalten (Kapitel 5.1) 4

5 9. Literatur [1] Differential Scanning Calorimetry - An Introduction for Practitioners Höhne, Hemminger, Flammersheim Springer-Verlag, ISBN N Seiten: 7-14; ; [2] Methoden der Thermischen Analyse Hemminger, Cammenga Springer-Verlag, ISBN , ISBN [3] Calorimetry and Thermal Analysis of Polymers Vincent B.F. Mathot Carl Hanser-Verlag, ISBN , ISBN