Spis treści
Topnienie i krystalizacja
Zmiana stanu skupienia ciała stałego ze stałego na ciekły nazywana jest topnieniem. W procesie tym dostarczane ciepło jest wykorzystywane do rozpuszczenia sieci krystalicznej, a temperatura materiału pozostaje stała podczas całego procesu topnienia. Istnieje zatem określona temperatura topnienia.
Odwrócenie tego przejścia fazowego pierwszego rzędu, przejście ze stanu amorficzno-ciekłego stopu do stanu krystalicznego , nazywane jest krystalizacją. Jest to proces kontrolowany kinetycznie i zależy głównie od zarodkowania. Dlatego właśnie temperatura krystalizacji jest zawsze niższa od termodynamicznie kontrolowanej temperatury topnienia. .
Przejście szkła
Z drugiej strony materiały niekrystaliczne, takie jak polimery, wykazują przejście szkliste. W tym obszarze całkowicie lub częściowo amorficzne polimery przechodzą ze stanu bardzo lepkiego lub gumowatego, elastycznego do stanu szklistego lub twardo-elastycznego, kruchego.
W celu scharakteryzowania przejścia szklistego temperatura zeszklenia Tg jest określona, przy której połowa zmiany w pojemności cieplnej właściwej jest osiągnięta. Jest ona również znana jako temperatura zeszklenia lub temperatura mięknienia.
Termiczne przejście szkliste obserwuje się, gdy niekrystalizowalny stop jest przechładzany. Powoduje to „zamrożenie” tak zwanych kooperatywnych ruchów molekularnych, takich jak przegrupowania głównych segmentów łańcucha, rotacje łańcuchów bocznych i rotacje grup końcowych. Powoduje to nagłe zmiany właściwości mechanicznych i termodynamicznych, takich jak moduł sprężystości pojemność cieplna właściwa i współczynnik rozszerzalności cieplnej .
Szybkość chłodzenia ma decydujący wpływ na temperaturę zeszklenia. Jeśli stop jest chłodzony szybko, uzyskuje się wyższą temperaturę zeszklenia. Jeśli szybkość chłodzenia jest nieskończenie wolna, nie ma przejścia szklistego, ponieważ nie powstają amorficzne obszary częściowe.
Wiele popularnych tworzyw sztucznych jest półkrystalicznych: mają zatem temperaturę zeszklenia, poniżej której faza amorficzna zamarza. Jednocześnie mają one również temperaturę topnienia, w której faza krystaliczna rozpuszcza się.
Polimery można scharakteryzować na podstawie przejścia szklistego
Ponieważ każde tworzywo sztuczne ma określoną temperaturę zeszklenia, jest to ważny parametr charakteryzujący materiał. Dlatego też określenie temperatury zeszklenia jest często stosowane w analizie termicznej na przykład w celu określenia stabilności wymiarowej polimeru pod wpływem ciepła.
Elastomery, na przykład, są używane tylko w zakresie elastyczności gumy, tj. powyżej temperatury zeszklenia. Z kolei amorficzne tworzywa termoplastyczne są stosowane tylko poniżej Tg.
Ponieważ przejście szkliste zależy od rodzaju tworzywa sztucznego i jego produkcji, informacje o zmianach w materiale można uzyskać poprzez określenie Tg.
- Struktura chemiczna, im bardziej elastyczny łańcuch główny, tym niższa Tg
- Masa molowa, Tg wzrasta wraz ze wzrostem masy molowej
- orientacja molekularna, np. w foliach, zwiększa Tg
- Łączenie w sieć, wraz ze wzrostem stopnia łączenia w sieć Tg
- Plastyfikator, wraz ze wzrostem zawartości plastyfikatora Tg
Ponadto temperatura zeszklenia dostarcza informacji na temat fizycznego starzenia tworzyw sztucznych tworzyw sztucznychktóre występuje jako pik relaksacji entalpii w pomiarach DSC.
Mieszaniny polimerów można również scharakteryzować za pomocą Tg. Jeśli polimery nie są mieszalne, poszczególne składniki ulegają rozdzieleniu fazowemu, dzięki czemu współistnieją i można zmierzyć kilka przejść szklistych. Porównanie z czystymi składnikami może dostarczyć informacji o proporcjach i jakości procesu mieszania.
