Glass Transition Temperature

Przemiana szklista jest jedną z najważniejszych właściwości materiałów amorficznych i semikrystalicznych, np. szkieł nieorganicznych, metali amorficznych, polimerów, farmaceutyków i składników żywności itp. - opisuje zakres temperatur, w którym właściwości mechaniczne danych materiałów zmieniają się od opisywanych jako twarde i kruche do bardziej miękkich, odkształcalnych lub gumowatych. Wiele polimerów, np. tworzywa termoplastyczne, tworzywa termoutwardzalne, kauczuki itp. zwykle składa się zarówno ze struktur amorficznych, jak i krystalicznych. Oznacza to, że wiele polimerów wykazuje zarówno temperaturę zeszklenia, Tg, jak i temperaturę topnienia. Temperatura zeszklenia (Tg) jest niższa niż temperatura topnienia materiału krystalicznego. 

Czym dokładnie jest temperatura zeszklenia

Temperatura zeszklenia Tg materiału charakteryzuje zakres temperatur, w którym zachodzi proces zeszklenia. Jest zawsze niższa niż temperatura topnienia fazy krystalicznej materiału (jeśli taki istnieje). W zakresie temperatur zeszklenia polimery zmieniają się ze stanu twardego i sztywnego w stan bardziej elastyczny i sprężysty. Temperatura zeszklenia  występuje w zakresie temperatur, w którym ruchliwość łańcuchów polimeru znacznie wzrasta. 

Tworzywa termoplastyczne, takie jak polistyren (PS) i poli (metakrylan metylu) (PMMA), są zwykle stosowane poniżej ich temperatury zeszklenia, tj. w stanie szklistym. Elastomery, takie jak poliizopren i kauczuk butadienowy (BR), są stosowane powyżej ich Tg, gdzie są miękkie i elastyczne. 

Temperatura zeszklenia do identyfikacji materiału

Wyznaczanie temperatury zeszklenia jest sposobem identyfikacji materiału. Temperatura zeszklenia (Tg) determinuje również obszar zastosowania materiału. Na przykład opona gumowa (np. samochodowa) jest miękka i ciągliwa, ponieważ w normalnych warunkach pracy powinna przebywać w temperaturze znacznie przekraczającej punkt zeszklenia. Gdyby jej temperatura zeszklenia była wyższa niż temperatura robocza, nie miałby elastyczności potrzebnej do zachowania przyczepności do nawierzchni. Inne polimery działają poniżej ich temperatury zeszklenia, np. sztywny plastikowy uchwyt. Gdyby uchwyt z tworzywa sztucznego miał temperaturę zeszklenia poniżej swojej temperatury roboczej, byłby zbyt elastyczny. 

Wyznaczanie temperatury zeszklenia różnymi metodami termoanalitycznymi.

by Differential Scanning Calorimetry (DSC)

(e.g., ASTM E1356)

W pomiarach DSC zeszklenie obrazuje skokowa zmiana w postaci fali na tle stałej linii bazowej - pomiarowej (rys. 1). Charakteryzuje się ona początkiem, punktem środkowym, przegięciem i temperaturą końcową. Wysokość stopnia odpowiada wartość Δc i jest podawana w J/(g⋅K). Procedura ewaluacji jest opisana np. w ASTM E1356-08. Metoda DSC może być stosowana do ciał stałych, proszków i cieczy. 

Zastosowanie

Badanie wpływu wilgoci na temperaturę zeszklenia sorbitolu

Sorbitol jest stosowany jako substytut cukru w wielu słodyczach, produktach dietetycznych i lekach. Udział 10% wody w sorbitolu powoduje spadek temperatury zeszklenia o ok. 24 K (średniej temperatury) w stosunku do bezwodnego sorbitolu. Obie próbki pozostają całkowicie bezpostaciowe po szybkim ochłodzeniu ze stanu stopionego (co miało miejsce przed segmentem grzania prezentowanym na rysunku). Pomiary przeprowadzono przy szybkości grzania 10 K/min w atmosferze azotu, w aluminiowych zaprasowanych tyglach z dziurkami w pokrywkach. Masy próbek wynosiły około 12 mg ± 1 mg. 

Badanie wpływu wilgoci na temperaturę zeszklenia sorbitoluBadanie wpływu wilgoci na temperaturę zeszklenia sorbitolu

Technika DMA

(np. ASTM E1640-09)

Technika DMA (np. ASTM E1640-09) jest bardzo czułą techniką oznaczania temperatury zeszklenia (np. 1640-94). Zapewnia alternatywną procedurę oznaczania zeszklenia w stosunku do zastosowania różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) (ISO 11357-2). W pomiarach DMA Tg można zaobserwować w ekstrapolowanym początku sigmoidalnej zmiany przebiegu modułu zachowawczego E’, piku modułu stratności E’’ czy piku tanδ tan kąta strat mechanicznych. DMA można stosować do niewypełnionych i wypełnionych polimerów, pianek, gum, klejów i tworzyw sztucznych/kompozytów wzmocnionych włóknem. W razie potrzeby do formy materiału źródłowego można zastosować różne tryby (np. Zginanie, ściskanie, rozciąganie) dynamicznej analizy mechanicznej. 

Aplikacje

Przejście szkliste dla gumy

Dynamiczna Analiza Mechaniczna (DMA) rejestruje zależne od temperatury właściwości lepkosprężyste materiału (sztywność, E' i moduł stratności, E'', mierzone w czasie naprężeń o charakterze oscylacji) - określa jego moduł sprężystości i wartości tłumienia (tzw. konta strat mechanicznych tgδ) poprzez działanie siły oscylacyjnej na badaną próbkę. 

Temperaturę zeszklenia, Tg, uwodornionego kauczuku butadienowo-akrylonitrylowego (HNBR) oznaczono w trybie rozciągania za pomocą dynamicznej analizy mechanicznej DMA. 

Pomiar wykonano przy szybkości grzania 2 K/min, częstotliwości 1 Hz i amplitudzie ±20 µm w zakresie temperatur od -90°C do 40°C. 

Ekstrapolowany początek efektu onset dla modułu zachowawczego E', temperatura maksimum przebiegu dla modułu stratności E'' i oraz maksimum dla krzywej tanδ wszystkie obrazują zakres procesu zeszklenia, Tg, dla tego materiału gumowego (poprzez zastosowanie odpowiednich konwencji ewaluacji) . 

The Glass Transition of a RubberThe Glass Transition of a Rubber

Metodą dylatometrii (DIL)/analizy termomechanicznej (TMA)

(np. ASTM E831)

dylatometrach (DIL)analizatorach termomechanicznych (TMA), oba opisane w standardzie ASTM E 473 – 11a), zeszklenie odpowiada przegięciu krzywej przy zdecydowanej zmianie wymiarów (np. ASTM E1545). 

Przemiana szklista jest rejestrowana i zaznaczana jako ekstrapolowany początek efektu załamania doświadczalnej krzywej DIL/TMA w funkcji temperatury. Aby taka definicja była powtarzalna, należy określić szybkość chłodzenia lub grzania. Np. Standard ASTM E1545 opisuje określenie procesu zeszklenia za pomocą TMA. 

 

Aplikacja

Oznaczanie przejścia szklistego metodą dylatometryczną

Pomiar DIL próbki kauczuku naturalnego w zakresie temperatur od -120°C do 20°C przy szybkości grzania 3K/min w atmosferze helu, przy długość próbki 2mm. Ekstrapolowana temperatura początku efektu onset -62°C odpowiada zeszkleniu (Tg). W materiałach amorficznych, takich jak guma, jest to przejście odwracalne. Materiał zmienia się ze stanu twardego, sztywnego i stosunkowo kruchego (podobnego do szkła) w stan miękki i elestyczny (jak dla gum powyżej temperatury zeszklenia). 

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