유리 전이 온도

유리전이 온도는 무기유리, 무정형금속, 고분자, 의약품, 식품성분 등과 같은 무정형 및 반결정성 물질의 가장 중요한 물성 중 하나로 물질의 기계적 성질이 단단하고 부서지기 쉬운상태에서 더 부드럽고 변형가능한 또는 고무와같은 상태로 변화화는 온도영역을 설명합니다.  

 

많은 고분자(예: 열가소성 수지, 열경화성 수지, 고무 등)는 일반적으로 무정형 및 결정구조로 구성됩니다. 이는 많은 고분자가 유리전이온도(Tg)와 용융 온도를 모두 나타낸다는 것을 의미 합니다. 유리전이온도(Tg)는 결정물질의 녹는점 보다 낮습니다. 

유리전이 온도는 정확히 무엇입니까?

재료의 유리전이 온도(Tg)는 이러한 유리 전이가 발생하는 온도 범위를 나타냅니다. 이것은 항상 물질의 결정 상태(존재하는 경우)의 용융 온도보다 낮습니다. 유리 전이 온도범위에서 고분자는 단단하고 뻣뻣한 상태에서 보다 유연하고 부드러운 상태로 변합니다. Tg는 고분자 사슬의 이동도가 크게 증가하는 온도 범위에서 발생합니다. 

폴리스타이렌(PS)와 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 열가소성 플라스틱은 일반적으로 유리 전이 온도 이하, 즉 유리 상태에서 사용됩니다. 

폴리아이소프렌과 부타디엔고무(BR)와 같은 엘라스토머는 부드럽고 유연한 Tg이상에서 사용됩니다. 

재료 식별을 위한 유리 전이 온도

유리 전이 온도의 측정은 재료 식별을 위한 도구입니다. 유리 전이 온도 (Tg)는 또한 재료의 적용 분야를 결정합니다. 예를들어, 고무 타이어(자동차)는 정상 작동 온도에서 유리전이 온도 보다 훨씬 높기 때문에 부드럽고 연성입니다. 유리 전이 온도가 작동 온도보다 높으면 포장 도로를 잡는데 필요한 유연성이 없습니다. 

다른 고분자는 유리 전이 온도 이하에서 작동합니다(예: 딱딱한 플라스틱 손잡이). 플라스틱 손잡이의 유리 전이 온도가 작동 온도보다 낮으면, 너무 유연합니다. 


관련 측정법

DSCDMA

TMA

DIL

다양한 열분석 방법을 통한 유리 전이 온도 측정

시차주사열량계(DSC)를 이용한 방법

(예: ASTM E1356)

DSC측정에서 유리 전이는 측정 곡선의 기준선에서 계단형태로 관찰할 수 있습니다.(그림1) 시작점, 중간점, 변곡점, 끝점 온도가 특징입니다. 계단 높이는 Δcp 에 해당하며 J/(g⋅K)로 표시됩니다. 평가 절차는 예를 들어 ASTM E1356-08에 설명되어 있습니다. DSC는 고체, 분말, 액체에 사용할 수 있습니다. 

응용

소르비톨의 유리 전이 온도에 대한 수분의 영향 조사

소르비톨은 많은 과자, 다이어트 제품 및 의약품에서 설탕 대채제로 사용됩니다. 소르비톨에 포함된 10%의 물은 유리 전이 온도를 무수 소르비톨에 비해 약 24K(중간 온도기준) 감소시킵니다.  

두샘플 모두 용융상태(표시된 가열 단계 이전에 발생)에서 급속 냉각한 후에도 완전히 무정형 상태를 유지합니다. 

 

측정은 질소분위기에서 10K/min의 가열 속도로 진행되었습니다. 알루미늄으로 만든 밀봉된 샘플팬은 구멍이 뚫린 뚜껑으로 닫았습니다. 샘플의 질량은 약 12mg± 1mg 입니다. 

소르비톨의 유리 전이 온도에 대한 수분의 영향 조사소르비톨의 유리 전이 온도에 대한 수분의 영향 조사

동적 기계적 분석(DMA)를 이용한 방법

예 : ASTM 1640

DMA기술(예: ASTM E1640-09)은 유리 전이 온도 측정에 매우 민감한 기술입니다.(1640-94) 시차 주사 열량계(DSC)(ISO 11357-2)사용에 대한 유리 전이를 결정하는 대체 방법을 제공합니다. 

DMA측정에서 Tg는 저장탄성률E'의 S자형 변화의 외삽의 onset,  손실탄성률 E''의 피크, tanδ의 피크에서 관찰할 수 있습니다. 

DMA는 비보강 및 충전고분자, 폼, 고무, 접착제, 섬유 강화 플라스틱/복합체에서 사용할 수 있습니다. 동적 기계적 분석의 다양한 모드(굴곡, 압축, 인장)를 재료의 형태에 맞게 적절하게 적용할 수 있습니다. 

응용

고무의 유리 전이

동적 기계적 분석(DMA)은 재료의 온도에 의존하는 점탄성 특성(강성, E' 그리고 손실탄성률, E'', 진동에너지 측정)을 기록하고, 그것의 탄성계수 및 감쇠값(tanδ)을 샘플을 진동하는 힘을 통해 결정합니다. 

 

수소화된 아크릴로나이트릴 부타디엔 고무(HNBR)의 유리 전이 온도 Tg는 동적 기계적 분석(DMA)를 통해 인장모드에서 측정되었습니다. 측정은 -90°C ~ 40°C의 온도 범위에서 2K/min의 가열속도, 1Hz의 주파수 및 ±20µm의 진폭으로 측정하였습니다. 저장 탄성률 E'에서 결정된 외삽 onset, 손실 탄성률E''의 피크, tanδ 곡선의 피크는 모두 이 고무 재료의 유리 전이 온도 Tg에 해당합니다.(각 평가 규칙 적용함) 

The Glass Transition of a RubberThe Glass Transition of a Rubber

딜라토미터(DIL)/열적기계적분석(TMA)를 이용한 방법

(예: ASTM E831)

딜라토미터(DIL)와 열적기계적분석(TMA) (둔다 ASTM E 473 –11 a에 설명됨)에서 유리 전이는 치수 변화의 변곡에 해당합니다(예: ASTM E1545. 실험 DIL/TMA 곡선에서 외삽된 구부러짐의 시작으로 기록되며, 온도의 함수로 표시됩니다. ) 

이 정의를 재현 가능하게 하려면 냉각 또는 가열속도를 지정해야 합니다. 예를 들어, ASTM E1545는 TMA에 의한 유리 전이 측정을 설명합니다. 

 

응용

딜라토미터를 이용한 유리 전이 측정

헬륨 분위기에서 3K/min의 가열 속도로 120°C ~ 20°C 사이의 천연 고무 소재에 대한 DIL측정. 샘플길이는 2mm입니다. 외삽된 onset 온도 -62°C는 유리 전이(Tg)에 해당합니다. 고무와 같은 무정형 재료에서는 가역적인 전이입니다. 재료는 단단하고 상대적으로 부서지기 쉬운 상태에서 부드럽거나 고무상태로 변합니다. 

딜라토미터를 이용한 유리 전이 측정딜라토미터를 이용한 유리 전이 측정