Vernetzungsverfolgung und thermische Analyse

Topf-/Gelzeit, DSC/DTA, TMA und IR

Prüfungsteil 1A 7.1

KernaussageDer Fortschritt der Vernetzung (Härtung) wird über Topf- und Gelzeit, thermische Analyse (DSC/DTA/TMA) und spektroskopische Verfolgung (IR) gemessen; auch die Pendeldämpfung dient als Vernetzungsmaß.

Topfzeit und Gelzeit

Bei 2K-Systemen ist die Topfzeit die Verarbeitungszeit nach dem Mischen von Stamm- und Härterkomponente — als Kriterium dient meist ein bestimmter Viskositätsanstieg. Die Gelzeit ist die Zeit bis zum Gelieren, bei Pulver- und Reaktivsystemen bei definierter Temperatur gemessen. Topfzeit und Gelzeit liefern unterschiedliche, temperatur- und methodenabhängige Informationen zur Reaktivität bzw. zum Fortschritt der Vernetzung.

Thermische Analyse

DSC (Differential Scanning Calorimetry) — misst Wärmeströme und kann Reaktionswärmen sowie Übergänge wie die Glasübergangstemperatur (Tg) erfassen. Aus der Restenthalpie einer teilgehärteten Probe folgt der Aushärtegrad = (ΔH₀ − ΔH(Rest)) / ΔH₀ · 100 %; die Auswertung von Tg als Vernetzungskennwert erfordert geeignete Messbedingungen und Vergleichswerte.
DTA (Differenzthermoanalyse) — vergleicht die Probe mit einer Referenz.
TMA (thermomechanische Analyse) — Ausdehnung und Erweichung über der Temperatur; die dynamische TMA erfasst das viskoelastische Verhalten.

Spektroskopie und weitere Verfahren

Die IR-Spektroskopie verfolgt das Verschwinden reaktiver Gruppen (z. B. der NCO-Bande bei Polyurethanen) und zeigt so den Umsatz. Auch Dielektrizitäts-/Permittivitätsmessungen und die Pendeldämpfung eignen sich als Maß für den fortschreitenden Vernetzungsgrad.

Bedeutung

Der Vernetzungsgrad beeinflusst Härte, Elastizität und viele Beständigkeitseigenschaften; zugleich wirken Polymerstruktur, Pigmentierung, Additive, Schichtaufbau und Alterung mit. Über- oder Untervernetzung — etwa durch ein falsches Härter-Verhältnis oder falsche Einbrennbedingungen — erkennt man an abweichenden Kennwerten (Härte, Beständigkeit, Tg).

Umwelt und Sicherheit

Isocyanate (NCO) sind atemwegssensibilisierend — Atemschutz, Absaugung und Arbeitsplatzgrenzwerte beachten. Beim Einbrennen entstehende Abgase absaugen und behandeln.

Merksatz

Topfzeit = Verarbeitungszeit (2K); Gelzeit = bis zum Gelieren. DSC = Reaktion + Tg; TMA = Erweichung; IR = Umsatz (NCO-Bande). Vernetzungsgrad steuert Härte und Beständigkeit.

VernetzungTopfzeitGelzeitDSCGlasübergangstemperaturDTATMAIR-SpektroskopieVernetzungsgrad

Quellen

Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie

Übungsblatt Ü-160

Prüfen, ob es sitzt.

Verständnis8 Punkte

1. Mit welchen Verfahren verfolgen Sie den Vernetzungsfortschritt eines Lacks?

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Topf-/GelzeitKennzeichnen die Reaktivität — Verarbeitungszeit (2K) bzw. Zeit bis zum Gelieren.

DSCKann Reaktionswärmen (Härtungsreaktion) und die Glasübergangstemperatur Tg erfassen; Auswertung und Probenzustand sind für die Interpretation entscheidend.

TMAZeigt Erweichung und viskoelastisches Verhalten über der Temperatur.

IR-SpektroskopieVerfolgt den Umsatz reaktiver Gruppen (z. B. NCO-Bande).

PendeldämpfungSteigt der Härteverlauf über der Zeit an und läuft dann in ein Plateau, ist die Vernetzung weitgehend abgeschlossen — einfaches Verfahren ohne Spezialgerät (L-157).

DielektrizitätsmessungVerfolgt die Beweglichkeit der Ladungsträger im aushärtenden Film und damit indirekt den Vernetzungsfortschritt.

Warum das eine Eins verdientMehrere Verfahren werden korrekt mit ihrer jeweiligen Aussage verknüpft.

Berechnung8 Punkte

2. Ein völlig unvernetztes Harz zeigt in der DSC eine Reaktionsenthalpie von 250 J/g. Eine teilgehärtete Probe zeigt noch 25 J/g Restenthalpie. Berechnen Sie den Aushärtegrad.

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AnsatzAushärtegrad = (ΔH₀ − ΔH_Rest) / ΔH₀ · 100 %

Rechnung= (250 J/g − 25 J/g) / 250 J/g · 100 % = 225 / 250 · 100 % = 90,0 %

AntwortsatzDer Aushärtegrad beträgt 90 %.

Deutung10 % der Reaktionsenthalpie sind noch offen — die Probe ist nahezu, aber nicht vollständig ausgehärtet.

Warum das eine Eins verdientDas DSC-Prinzip (Restenthalpie = noch nicht umgesetzte Reaktion) wird korrekt in einen Aushärtegrad umgesetzt.

Anwendung6 Punkte

3. Ein 2K-PUR-Klarlack bleibt nach dem Einbrennen zu weich. Wie grenzen Sie die Ursache ein?

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VernetzungsgradZu weich deutet auf Untervernetzung hin.

PrüfungDSC (Restenthalpie/Tg) und IR (verbliebene NCO-Bande) zeigen, ob die Reaktion unvollständig ist.

UrsachenFalsches Härter-Verhältnis, zu niedrige Einbrenntemperatur/-zeit oder Feuchteeinfluss prüfen und korrigieren.

Warum das eine Eins verdientDie Antwort erkennt Untervernetzung, wählt passende Prüfungen und nennt plausible Ursachen.

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