Thermomechanische Analyse – unverzichtbar in der Kunststoffprüfung

Industriell gefertigte und genutzte Kunststoffe müssen großen Belastungen standhalten.

Das gilt vor allem für polymere Werkstoffe, die mit zunehmender Beanspruchungstemperatur eine Längenausdehnung erfahren. Durch die Messung der Wärmeausdehnung erhält man im Vorfeld Informationen über die voraussichtlichen Umwandlungserscheinungen des Kunststoffs.

Die typischen Anwendungsbereiche der thermomechanischen Analyse

Bei vielen Materialien verändern sich während der Erwärmung und Abkühlung die thermomechanischen Eigenschaften. Das betrifft nicht allein die thermische Ausdehnung der Stoffe. Auch bei der Phasenumwandlung, der Erweichung und den Sinterstufen gibt es Veränderungen. Anhand dieser Veränderungen kann man mithilfe der thermomechanischen Analyse Hinweise auf die Struktur, Zusammensetzung, Herstellungsbedingungen und Einsatzmöglichkeiten der Werkstoffe gewinnen. Damit ist dieses Verfahren ein sehr wichtiger Bestandteil der Qualitätssicherung. Doch auch bei der Forschung und der Entwicklung spielt sie eine zentrale Rolle.

Materialien, die typischerweise mit der thermomechanischen Analyse untersucht werden, sind:

Grundlagen der thermomechanischen Analyse

Bei der thermomechanischen Analyse werden die Ausbreitungsänderungen von Flüssigkeiten, Feststoffen und Pasten in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur oder unter einer genau definierten mechanischen Belastung beobachtet. Das Ganze geschieht gem. DIN 51 005, ASTM E831, ASTM D696. AST; D3386, ISO 11359 – Teil 1 bis 3. Zu den typischen Versuchsanordnungen gehören dabei Zug- und Druckversuche, Statische Untersuchungen, 3-Punkt-Biegung, Expansion und Penetration. Darüber hinaus besteht auch noch die Möglichkeit, die Dynamische TMA zu nutzen. Dabei wird zusätzlich eine oszillierende Kraft auf der Probe angebracht. Dabei werden die Temperaturabhängigkeit, die Frequenz und die viskoelastischen Eigenschaften untersucht. Darüber bestimmt man dann wiederum das E-Modul und die Dämpfungswerte.

Was benötigt man zur Messung?

Die Analyse erfolgt mithilfe eines thermomechanischen Analysators und einer speziellen Software. Damit können die notwendigen Daten im Rahmen automatisierter Abläufe erfasst werden. So gibt es hier beispielsweise voreingestellte Routinen, mit denen sich charakteristische Temperaturen wie Onset-, Peak- und Endtemperaturen feststellen lassen. Weiterhin kann man mit der entsprechenden Software Glasübergänge und Erweichungspunkte feststellen. Dabei greift man bei Bedarf auf eine Erweichungspunktabschaltung zurück. 

Weitere enthaltene Features sind:

  • Berechnung und Darstellung von Ausdehnungskoeffizienten
  • Automatische Sinterstufenauswertung 
  • Messungen bei variablen Krafteinstellungen zur Ermittlung viskoelastischer Eigenschaften
  • Automatische Vorzeichenanpassung für die Kraft- und Wegsignale
  • Korrekturmöglichkeiten zur Ausgleichung von Problemlängenkorrektur und Dehnungsverhalten

Viele der zur Messung verwendeten Geräte sind dabei modular aufgebaut. Das hat den Vorteil, dass sich das Messinstrument mit verhältnismäßig geringem Aufwand an die unterschiedlichen Temperaturbereiche anpassen lässt. Es genügt dann in der Regel, einfach den Ofen auszuwechseln. Das ist durch den Anwender ganz unkompliziert selbst möglich.

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