Warum ist die DMA so wichtig?

Mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) können energetische Effekte (EndothermEin Phasenübergang oder eine Reaktion ist endotherm, wenn für die Umwandlung Wärme benötigt wird.endotherm/ExothermEin Phasenübergang oder eine Reaktion ist exotherm, wenn von der Probe Wärme freigesetzt wirdexotherm) und die Änderung der spezifischen Wärmekapazität von Materialien gemessen werden. Speziell im Bereich des Glasübergangs ist die Änderung der spezifischen Wärmekapazität jedoch oftmals sehr gering. Aus diesem Grund kann sich bei der DSC die Auswertung von Glasübergängen an Polymermaterialien daher als schwierig gestalten.

Im Gegensatz dazu wird bei der DMA (dynamisch-mechanische Analyse) das tatsächliche mechanische Verhalten des Materials untersucht. Diese Veränderungen der mechanischen Eigenschaften im Bereich des Glasübergangs sind sehr viel empfindlicher als die Änderung der spezifischen Wärmekapazität des Materials in diesem Übergangsbereich. Aus diesem Grund ist die DMA die empfindlichste Methode zur Bestimmung von Glasübergangstemperaturen.

Abbildung 1 zeigt eine typische DSC-Messung an PTFE. Wie anhand der DSC-Kurve zu erkennen ist, sind lediglich zwei endotherme Effekte auswertbar. Diese resultieren aus Veränderungen der kristallinen Struktur von PTFE. Obwohl bei PTFE im gemessen Temperaturbereich mehrere Phasenübergänge vorliegen, sind mittels DSC nur diese beiden endothermen Effekte bei Raumtemperatur auswertbar.

In Abbildung 2 ist der direkte Vergleich einer PTFE-Messung an DSC (rot) und DMA (schwarz) dargestellt. Die durchgezogene schwarze DMA-Kurve beschreibt den Speichermodul E‘ (Steifigkeit), die schwarze gestrichelte DMA-Kurve den Verlustfaktor tan d (Dämpfung). Aus dem Vergleich der beiden Messungen ist klar ersichtlich, dass bei der DMA-Messung wesentlich mehr Informationen gewonnen werden können. Zu Beginn der Messung im Tieftemperaturbereich lässt sich ein erster Übergang am Abfall des Speichermoduls E‘ bei ‑124 °C (E’-Onset) beobachten. Dieser korrespondiert mit einem entsprechenden Maximum im Verlustfaktor tan d bei -104 °C (tan d-Peak). Hierbei handelt es sich um den β-Übergang von PTFE. Danach folgt bei 19 °C (E’-Onset) und 29 °C (tan d-Peak) die Fest-Fest-Umwandlung von PTFE. Einzig dieser Übergang ist auch mittels DSC messbar. Der Glasübergang von PTFE kann bei höheren Temperaturen anhand der Schulter im Speichermodul E‘  bei 113 °C (E‘-Onset) und entsprechendem Peak-Maximum im Verlustfaktor tan d bei 128 °C (tan d-Peak) ausgewertet werden.
 

Wie anhand dieses Beispiels deutlich zu erkennen ist, können mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) Phasenübergänge detektiert werden, die in DSC-Kurven oftmals nicht messbar sind. Die Änderungen der mechanischen Eigenschaften eines Materials im Bereich des Glasübergangs sind hierbei wesentlich empfindlicher als energetische Effekte. Die DMA ist daher die Methode der Wahl zur Untersuchung von Glasübergängen.