Температура стеклования полимеров: полное руководство

Стеклование — часто наблюдаемое поведение полимеров, полезное для многих применений. Однако этот переход происходит с учётом множества факторов, и понимание температуры стеклования полимеров имеет большое значение.

Если вы хотите узнать больше по этой теме, приведённое ниже руководство поможет вам.

Что такое температура стеклования полимеров?

Температура стеклования (Tg) — это температура, при которой полимеры переходят из стеклообразного и хрупкого состояния в состояние каучука. Если вы задаётесь вопросом, что такое Tg, то Tg — это очень важная характеристика поведения полимера.

Она определяет область, в которой в стекле происходят изменения его физических и механических свойств.

Какие типы полимеров подвержены стеклованию?

Три различных типа полимеров, подверженных стеклованию, рассмотрены в разделе ниже.

1. Аморфные полимеры

Аморфные полимеры имеют неупорядоченное молекулярное строение. При Tg аморфные полимеры переходят в стеклообразное состояние, что делает их жёсткими, твёрдыми и хрупкими.

При более низкой Tg между молекулами есть пространство, что допускает движение при низких температурах.

При повышении температуры аморфные полимеры становятся мягче. Некоторые из аморфных полимеров — PMMA, ABS, PVC и др.

2. Кристаллические полимеры

Кристаллические полимеры имеют высокоупорядоченную молекулярную структуру. Они не размягчаются при повышении температуры и имеют узкую температуру плавления.

Такая температура плавления обычно выше верхнего диапазона аморфных полимеров. Некоторые из кристаллических полимеров — POM, PEEK и PET.

3. Полукристаллические полимеры

Полукристаллические полимеры сочетают упорядоченные и неупорядоченные структуры. Упорядоченные структуры ограничивают подвижность полимерных цепей, что повышает Tg.

Преимущества и недостатки полимеров

Преимущества и недостатки полимеров приведены ниже:

• Полимеры лёгкие и поэтому подходят для применений, чувствительных к весу.
• Полимеры обеспечивают гибкость проектирования и поэтому могут универсально формоваться даже в сложных геометриях.
• Они коррозионно-стойкие и не разрушаются даже от влаги или воздействия химикатов.
• Полимеры обладают превосходными электроизоляционными свойствами и поэтому подходят для проводки и электронных применений.

• Полимеры имеют низкую прочность, что ограничивает их применение в условиях высоких нагрузок.
• Полимеры чувствительны к нагреву, так как обычно имеют низкие температуры плавления, и могут не подходить для сред с высокими температурами.
• Использование полимеров в жёстких условиях или под УФ-излучением в долгосрочной перспективе может вызывать их деградацию.
• Некоторые полимеры чувствительны к определённым химикатам, которые вызывают их растворение или растрескивание.

Какие есть примеры полимеров с высокой или низкой Tg?

Полимеры с высокой Tg

Такие полимеры, как полиметилметакрилат и полистирол, имеют высокую Tg, они хрупкие и твёрдые.

Полимеры с низкой Tg

У таких полимеров, как полиизобутилен и полиизопрен, Tg ниже комнатной температуры; поэтому они мягкие и гибкие.

В чём разница между Tg и Tm?

Tg — это температура стеклования, а температура плавления обозначается как Tm.

• Tg определяет, как аморфная область полукристаллического пластика переходит из стеклообразного состояния в каучукоподобное.
• Tm — это температура, при которой кристаллические области полукристаллического пластика переходят из твёрдого состояния в жидкое.

Какие факторы влияют на Tg?

Некоторые из факторов, влияющих на Tg, приведены ниже:

Химическая структура

• В полимере с прямой цепью увеличение молекулярной массы снижает концентрацию на конце цепи, и поэтому Tg повышается.
• Если молекулярная структура объёмная, наблюдается снижение подвижности, что повышает Tg материала.
• При увеличении степени сшивания подвижность полимера снижается, что повышает Tg.
• При наличии полярных групп межмолекулярные силы велики, что уменьшает свободный объём и приводит к высокому Tg.

Добавление пластификаторов

Добавление пластификаторов увеличивает пространство между цепями полимеров, создавая свободный объём. Такое увеличение позволяет цепям скользить друг относительно друга, и поэтому Tg снижается.

Содержание воды и влаги

При высоком содержании влаги в полимерных цепях наблюдается снижение характеристик, что уменьшает Tg.

Влияние энтропии и энтальпии

В аморфных полимерах значение энтропии высокое, а в кристаллических — низкое; при высоком значении энтропии Tg ещё выше.

Давление и свободный объём

Из-за повышения давления свободный объём уменьшается, и поэтому Tg высокий.

Другие факторы, определяющие Tg

Другие факторы, влияющие на стеклование полимеров, следующие:

• Длина алкильной цепи
• Толщина плёнки
• Взаимодействие связей
• Гибкость полимерной цепи
• Разветвлённость цепей

Какие существуют методы определения Tg?

Существуют три метода определения Tg:

1. Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC)

DSC — это термический аналитический метод, в котором используется калориметр с дифференциальным сканированием. Он отслеживает изменение теплового потока между образцом сравнения и образцом в зависимости от температуры или времени.

Он также определяет термические свойства полимера и применяется для аморфных областей стабильных полимеров.

2. Дифференциальный термический анализ (DTA)

DTA также является методом термического анализа. Он измеряет Tg материала. Материал проходит несколько циклов нагрева и охлаждения, и определяется разница между температурой образца и температурой образца сравнения.

Температура поддерживается на протяжении различных циклов нагрева, что обеспечивает постоянные условия испытательной среды.

3. Динамический механический анализ (DMA)

DMA анализирует жёсткость материала с помощью механического анализатора. К образцу прикладывается механическое напряжение, и прибор измеряет деформацию. Это помогает оценить стеклование, поведение жёсткости, а также степень кристалличности.

Заключение

Температура стеклования — это технический механизм, и её понимание крайне важно для выбора полимеров для различных применений.

Вы можете связаться с нами по адресу DEK если вы планируете изготовление компонентов из различных полимеров и вам нужно высокое качество.

Часто задаваемые вопросы

В каких единицах измеряется температура стеклования?

Единицы измерения температуры стеклования — градусы Фаренгейта, Цельсия и Кельвина.

Почему важно определять Tg полимеров?

Tg определяет область, в которой происходит изменение физических и механических свойств полимера.

Что происходит с полимером при температуре стеклования?

При температуре стеклования полимер переходит из хрупкого состояния в высокоэластичное.