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Fusione e cristallizzazione
Il cambiamento dello stato aggregato di un solido da solido a liquido è noto come fusione. Nel processo, il calore fornito viene utilizzato per sciogliere il reticolo cristallino, la temperatura del materiale rimane costante durante l’intero processo di fusione. Esiste quindi una temperatura di fusione definita.
L’inversione di questa transizione di fase del primo ordine, il passaggio dallo stato amorfo-liquido della fusione allo stato cristallino , è chiamata cristallizzazione. È un processo cineticamente controllato e dipende principalmente dalla nucleazione. Per questo motivo la temperatura di cristallizzazione è sempre inferiore alla temperatura di fusione, controllata termodinamicamente. .
Transizione del vetro
I materiali non cristallini come i polimeri, invece, presentano una transizione vetrosa. In quest’area, i polimeri completamente o parzialmente amorfi passano dallo stato altamente viscoso o gommoso e flessibile allo stato vetroso o duro-elastico e fragile.
Per caratterizzare la transizione vetrosa, la temperatura di transizione vetrosa Tg in cui viene specificata la metà della variazione della capacità termica specifica si raggiunge la metà della variazione della capacità termica specifica. È nota anche come temperatura di transizione vetrosa o temperatura di rammollimento.
La transizione termica del vetro si osserva quando una fusione non cristallizzabile viene super-raffreddata. Questo “congela” i cosiddetti movimenti molecolari cooperativi, come i riarrangiamenti dei segmenti della catena principale, le rotazioni delle catene laterali e le rotazioni dei gruppi terminali. Ne conseguono bruschi cambiamenti nelle proprietà meccaniche e termodinamiche, come ad esempio modulo di elasticità capacità termica specifica e coefficiente di espansione termica .
La velocità di raffreddamento ha un’influenza decisiva sulla temperatura di transizione vetrosa. Se la fusione viene raffreddata rapidamente, si ottiene una temperatura di transizione vetrosa più elevata. Se la velocità di raffreddamento è infinitamente lenta, non si verifica alcuna transizione vetrosa, poiché non si formano aree parziali amorfe.
Molte plastiche comuni sono semicristalline: hanno quindi una temperatura di transizione vetrosa al di sotto della quale la fase amorfa si congela. Allo stesso tempo, hanno anche una temperatura di fusione alla quale la fase cristallina si dissolve.
I polimeri possono essere caratterizzati sulla base della transizione vetrosa
Poiché ogni plastica ha una specifica transizione vetrosa, si tratta di un parametro importante per caratterizzare il materiale. Per questo motivo, la determinazione della temperatura di transizione vetrosa è spesso utilizzata nelle analisi termica per esempio per poter fare affermazioni sulla stabilità dimensionale di un polimero sotto l’influenza del calore.
Gli elastomeri, ad esempio, vengono utilizzati solo nell’intervallo gomma-elastico, cioè al di sopra della temperatura di transizione vetrosa. Al contrario, i materiali termoplastici amorfi vengono utilizzati solo al di sotto della Tg.
Poiché la transizione vetrosa dipende dal tipo di plastica e dalla sua fabbricazione, è possibile ottenere informazioni sui cambiamenti del materiale determinando la Tg.
- Struttura chimica, più la catena principale è flessibile, più la Tg è bassa.
- Massa molare, la Tg aumenta con l’aumentare della massa molare
- l’orientamento molecolare, ad esempio nelle lamine, aumenta la Tg
- Collegamento in rete, con un grado crescente di collegamento in rete Tg
- Plastificante, con l’aumento del contenuto di plastificante Tg
Inoltre, la temperatura di transizione vetrosa fornisce informazioni sulla fisico invecchiamento della materie plasticheche si manifesta come un picco di rilassamento entalpico nelle misurazioni DSC.
Anche le miscele di polimeri possono essere caratterizzate utilizzando la Tg. Se i polimeri non sono miscibili, i singoli componenti vengono separati in fase, in modo che coesistano e si possano misurare diverse transizioni vetrose. Un confronto con i componenti puri può fornire informazioni sulle proporzioni e sulla qualità del processo di miscelazione.
