Temperatura de Transição Vítrea

A transição vítrea é uma das propriedades mais importantes de materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios, etc., e descreve a região de temperatura onde as propriedades mecânicas dos materiais mudam a partir de duro e quebradiço a mais macio, deformável ou emborrachado. 

Muitos polímeros, por exemplo, termoplásticos, termofixos, borrachas, etc. são geralmente compostos de estruturas amorfas e cristalinas. Isso significa que muitos polímeros exibem uma temperatura de transição vítrea, Tg, e uma temperatura de fusão. A temperatura de transição vítrea (Tg) é mais baixa do que a temperatura de fusão de um material cristalino. 

O Que é Exatamente Temperatura de transição Vítrea

A temperatura de transição vítrea, Tg, de um material caracteriza a faixa de temperatura na qual essa transição vítrea ocorre. É sempre inferior à temperatura de fusão do estado cristalino do material (se houver). Na faixa de temperatura da transição vítrea, os polímeros mudam de um estado duro e rígido para um estado mais flexível. A Tg ocorre em uma faixa de temperatura na qual a mobilidade das cadeias de polímero aumenta significativamente. 

Termoplásticos como poliestireno (PS) e poli (metacrilato de metila) (PMMA) são normalmente usados abaixo de sua temperatura de transição vítrea, isto é, em seu estado vítreo. Elastômeros como poliisopreno e borracha de butadieno (BR) são usados acima de sua Tg, onde são macios e flexíveis.  

Temperatura de Transição Vítrea na Identificação de Material

A determinação da temperatura de transição vítrea é uma ferramenta para identificação de materiais. A temperatura de transição vítrea (Tg) também determina o campo de aplicação de um material. Por exemplo, um pneu de borracha (carro) é macio e dúctil porque, em temperaturas normais de operação, está bem acima de sua temperatura de transição vítrea. Se sua temperatura de transição vítrea fosse maior do que sua temperatura de operação, ele não teria a flexibilidade necessária para agarrar o pavimento.  

Outros polímeros operam abaixo de sua temperatura de transição vítrea, por exemplo, um cabo de plástico rígido. Se o cabo de plástico tivesse uma temperatura de transição vítrea abaixo de sua temperatura operacional, ele seria muito flexível.  


Métodos Relacionados

DSC

DMA

TMA

DIL

Determinação da temperatura de transição vítrea por meio de diferentes métodos termoanalíticos

por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)

(e.g., ASTM E1356)

Em medições DSC, a transição vítrea pode ser observada por um degrau na linha de base da curva de medição (Fig.1). É caracterizada por sua temperatura de início (onset), ponto médio (midpoint), inflexão e temperatura final (endset). A altura do degrau corresponde a Δcp e é dada em J / (g⋅K). O procedimento de avaliação é descrito em, por exemplo, ASTM E1356-08. O DSC pode ser usado para sólidos, pós e líquidos. 

Aplicação

Investigando a Influência da Unidade na Temperatura de Transição Vítrea do Sorbitol

O sorbitol é usado como substituto do açúcar em muitos doces, produtos dietéticos e medicamentos. Uma proporção de 10% de água no sorbitol efetua uma diminuição na temperatura de transição vítrea de aprox. 24 K (temperaturas médias) em relação ao sorbitol anidro. Ambas as amostras permanecem completamente amorfas após o rápido resfriamento do estado fundido (que ocorreu antes da etapa de aquecimento exibida).  

As medições foram realizadas a uma taxa de aquecimento de 10 K / min em atmosfera de nitrogênio. Os cadinhos selados, feitos de alumínio, foram fechados com uma tampa perfurada. As massas das amostras totalizaram aproximadamente 12 mg ± 1 mg.  

Investigating the Influence of Moisture on the Glass Transition Temperature of SorbitolInvestigating the Influence of Moisture on the Glass Transition Temperature of Sorbitol

por análise Dinânico-Mecânica (DMA)

(e.g., ASTM 1640)

A técnica DMA (por exemplo, ASTM E1640-09) é uma técnica muito sensível para a determinação da temperatura de transição vítrea (por exemplo, 1640-94). Ele fornece um procedimento alternativo na determinação da transição vítrea para o uso de calorimetria exploratória diferencial  (DSC) (ISO 11357‑2). Em medições de DMA, Tg pode ser observada no onset extrapolado da mudança sigmoidal no módulo de armazenamento E ', o pico do módulo de perda E' 'e o pico de tanδ.  

O DMA pode ser usado para polímeros não reforçados e com carga, espumas, borrachas, adesivos e plásticos / compósitos reforçados com fibra. Diferentes modos (por exemplo, flexão, compressão, tensão) de Análise Dinâmico-Mecânica podem ser aplicados, conforme apropriado, à forma do material de origem. 

Aplicação

A Transição Vítrea de uma Borracha

A Análise Dinâmico - Mecânica (DMA) registra as propriedades viscoelásticas dependentes da temperatura de um material (rigidez, E 'e módulo de perda, E' ', medida para a energia de oscilação) e determina seu módulo de elasticidade e valores de amortecimento (tanδ) aplicando uma força oscilante para a amostra.  

A temperatura de transição vítrea, Tg, de uma borracha de acrilonitrila butadieno hidrogenada (HNBR) foi determinada no modo de tensão por meio de análise dinâmico-mecânica , DMA. A medição foi realizada a uma taxa de aquecimento de 2 K / min, frequência de 1 Hz e amplitude de ± 20µm na faixa de temperatura entre -90 ° C e 40 ° C. O onset extrapolado determinado no módulo de armazenamento E ', o pico no módulo de perda E' ' e o pico na curva tanδ correspondem todos à temperatura de transição vítrea, Tg, deste material de borracha (através da aplicação das respectivas convenções de avaliação) . 

The Glass Transition of a RubberThe Glass Transition of a Rubber

por Dilatometria (DIL)/Análise Termomecânica (TMA)

(e.g., ASTM E831)

Em dilatômetro (DIL) e analisadores termomecânicos (TMA, ambos descritos em ASTM E 473 - 11a), a transição vítrea corresponde à inflexão na mudança dimensional (por exemplo, ASTM E1545). É registrada como o onset extrapolado da torção da  Curva experimental DIL / TMA e se apresentada em função da temperatura. Para tornar esta definição reproduzível, deve-se especificar a taxa de resfriamento ou aquecimento. Por exemplo, ASTM E1545 descreve a determinação da transição vítrea por meio de TMA.  

 

Aplicação

Determinação da Transição Vítrea por Dilatometria

Medição DIL em um material de borracha natural entre -120 ° C e 20 ° C a uma taxa de aquecimento de 3 K / min em atmosfera de hélio. O comprimento da amostra foi de 2 mm. A temperatura de onset extrapolado de -62 ° C corresponde à transição vítrea (Tg). Em materiais amorfos como a borracha, é uma transição reversível. O material muda de um estado duro e relativamente frágil para um estado macio ou emborrachado.  

Determination of the Glass Transition by means of DilatometryDetermination of the Glass Transition by means of Dilatometry