Temperatura de Transición Vítrea

La transición vítrea es una de las propiedades más importantes de los materiales amorfos y semicristalinos, por ejemplo, vidrios inorgánicos, metales amorfos, polímeros, productos farmacéuticos e ingredientes alimentarios, etc., y describe la región de temperatura donde las propiedades mecánicas de los materiales cambian de duras y quebradizas a más suaves, deformables o gomosas.  

Muchos polímeros, por ejemplo, termoplásticos, termoestables, cauchos, etc. generalmente están compuestos de estructuras amorfas y cristalinas. Esto significa que muchos polímeros exhiben tanto una temperatura de transición vítrea, Tg, como una temperatura de fusión. La temperatura de transición vítrea (Tg) es más baja que la temperatura de fusión de un material cristalino. 

Que es exactamente la temperatura de transición vítrea?

La temperatura de transición vítrea, Tg, de un material caracteriza el rango de temperatura sobre el cual se produce esta transición vítrea. Siempre es más baja que la temperatura de fusión del estado cristalino del material (si existe). En el rango de temperatura de la transición vítrea, los polímeros cambian de un estado duro y rígido a un estado más flexible y flexible. Tg se produce en un rango de temperatura sobre el cual la movilidad de las cadenas de polímeros aumenta significativamente.  

Los termoplásticos como el poliestireno (PS) y el poli(metacrilato de metilo) (PMMA) generalmente se usan por debajo de su temperatura de transición vítrea, es decir, en su estado vítreo. Los elastómeros como el poliisopreno y el caucho de butadieno (BR) se utilizan por encima de su Tg, donde son suaves y flexibles. 

Temperatura de Transición Vítrea para la Identificación de Materiales

La determinación de la temperatura de transición vítrea es una herramienta para la identificación de materiales. La temperatura de transición vítrea (Tg) también determina el campo de aplicación de un material. Por ejemplo, un neumático de goma (automóvil) es blando y dúctil porque a temperaturas normales de funcionamiento está muy por encima de su temperatura de transición vítrea. Si su temperatura de transición vítrea fuera más alta que su temperatura de funcionamiento, no tendría la flexibilidad necesaria para agarrar el asfalto.   

Otros polímeros operan por debajo de su temperatura de transición vítrea, por ejemplo, un mango de plástico rígido. Si el mango de plástico tuviera una temperatura de transición vítrea por debajo de su temperatura de funcionamiento, sería demasiado flexible.  


Métodos relacionados

DSCDMA

TMA

DIL

Determinación de la temperatura vítrea mediante diferentes métodos termoanalíticos

Mediante Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)

(por ejemplo, ASTM E1356)

En las medidas DSC, la transición vítrea se puede observar mediante un paso en la línea de base de la curva de medición (Fig.1). Se caracteriza por su inicio, punto medio, inflexión y temperatura final.  

La altura del escalón corresponde a Δcp y se da en J/(g⋅K). El procedimiento de evaluación se describe en, por ejemplo, ASTM E1356-08. DSC se puede utilizar para sólidos, polvos y líquidos. 

Aplicación

Investigando la influencia de la humedad en la temperatura de transición vítrea del sorbitol

El sorbitol se usa como sustituto del azúcar en muchos dulces, productos dietéticos y medicamentos. Una proporción de 10% de agua en sorbitol efectúa una disminución en la temperatura de transición vítrea de aprox. 24 K (temperaturas medias) en relación con el sorbitol anhidro. Ambas muestras permanecen completamente amorfas después del rápido enfriamiento del estado fundido (que tuvo lugar antes del paso de calentamiento mostrado) 

Las medidas se realizaron a una velocidad de calentamiento de 10 K/min en atmósfera de nitrógeno. Los crisoles sellados hechos de aluminio se cerraron con una tapa perforada. Las masas de muestra ascendieron a aproximadamente 12 mg ± 1 mg.  

Investigando la influencia de humedad en la temperatura de transición vítrea del sorbitolInvestigando la influencia de humedad en la temperatura de transición vítrea del sorbitol

Mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA)

Mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA)

La técnica DMA (por ejemplo, ASTM E1640-09) es una técnica muy sensible para la determinación de la temperatura de transición vítrea (por ejemplo, 1640-94). Proporciona un procedimiento alternativo en la determinación de la transición vítrea al uso de calorimetría diferencial de barrido (ISO 11357‑2). En las medidas de DMA, la Tg se puede observar en el inicio extrapolado del cambio sigmoidal en el módulo de almacenamiento E’, el pico de tanδ. 

El DMA se puede utilizar para polímeros, espumas, cauchos, adhesivos y plásticos / compuestos reforzados con fibra sin refuerzo y con carga. Se pueden aplicar diferentes modos (por ejemlo, flexión, compresión, tensión) de análisis dinámico, según corresponda, a la forma del material de origen. 

Aplicación

La transición vítrea de un caucho

El Análisis Dinamomecánico (DMA) permite registrar la dependencia entre temperatura y propieades viscoelásticas (rigidez, E´, y módilo de pérdida E", determinados por la oscilación de la energía) y determinar los módulos de elasticidad y amortiguamiento (tanδ) aplicando una fuerza oscilante a la muestra. 

La transición vítrea de un caucho  

La temperatura de transición vítrea, Tg, de un caucho de acrilonitrilo butadieno hidrogenado (HNBR) se determinó en modo de tensión mediante análisis mecánico dinámico, DMA. La medida se realizó a una velocidad de calentamiento de 2 K/min, una frecuencia de 1 Hz y una amplitud de ±20μm en el rango de temperatura entre -90°C y 40°C.   

El inicio extrapolado determina el módulo de almacenamiento E', el pico en el módulo de pérdida E'' y el pico en la curva tanδ corresponden a la temperatura de transición vítrea, Tg, de este material de caucho (mediante la aplicación de las respectivas convenciones de evaluación). 

La transición vítrea de un cauchoLa transición vítrea de un caucho

Mediante Dilatometría (DIL)/Análisis Termomecánico (TMA)

(por ejemplo, ASTM E831)

En dilatómetros (DIL) y Analizadores termomecánicos (TMA, ambos descritos en ASTM E 473 – 11a, la transición vítrea corresponde a la inflexión en el cambio dimensional (por ejemplo, ASTM E1545). Se registra como el inicio extrapolado de la curvatura en los resultados experimentales DIL/TMA y se muestra en función de la temperatura. Para que esta definición sea reproducible, se debe especificar la velocidad de enfriamiento o calentamiento. Por ejemplo, ASTM E1545 describe la determinación de la transición vítrea por medio de TMA.  

 

Aplicación

Determinación de la Transición Vítrea mediante Dilatometría

Medida DIL en un material de caucho natural entre -120°C y 20°C a una velocidad de calentamiento de 3 K/min en atmósfera de helio. la longitud de la muestra ascendió a 2 mm. La temperatura de inicio extrapolada de -62°C corresponde a la transición vítrea (Tg). En materiales amorfos como el caucho, es una transición reversible. El material cambia de un estado duro y relativamente quebradizo a un estado blando o gomoso.  

Determinación de la Transición Vítrea mediante DilatometríaDeterminación de la Transición Vítrea mediante Dilatometría