Глоссарий
Температура перехода стекла
Стеклование - одно из важнейших свойств аморфных и полукристаллических материалов, например, неорганических стекол, аморфных металлов, полимеров, фармацевтических и пищевых ингредиентов и т.д., и описывает температурную область, в которой механические свойства материалов изменяются от твердых и хрупких к более мягким, деформируемым или резиновым.
Многие полимеры, например, термопласты, термореактивные материалы, каучуки и т.д., обычно состоят как из аморфных, так и из кристаллических структур. Это означает, что многие полимеры имеют как температуру стеклования, Tg, так и температуру плавления. Температура стеклования (Tg) ниже температуры плавления кристаллического материала.
У вас есть вопросы?
Подходящие продукты для ваших измерений
Температура стеклования для идентификации материалов
Определение температуры стеклования - это инструмент для идентификации материала. Температура стеклования (Tg) также определяет область применения материала. Например, резиновая шина (автомобильная) мягкая и пластичная, потому что при нормальной рабочей температуре ее температура значительно выше температуры стеклования. Если бы температура ее стеклования была выше рабочей температуры, она не обладала бы гибкостью, необходимой для сцепления с дорожным покрытием.
Другие полимеры работают при температуре ниже температуры стеклования, например, жесткая пластиковая ручка. Если бы температура стеклования пластиковой ручки была ниже ее рабочей температуры, она была бы слишком гибкой.
Определение температуры стеклования с помощью различных термоаналитических методов
методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК)
(например, ASTM E1356)
При измерении методом ДСК стеклование можно наблюдать как ступеньку в базовой линии кривой измерения (рис. 1). Она характеризуется температурой начала, середины, перегиба и конца. Высота ступеньки соответствует ΔУдельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp и выражается в Дж/(g⋅K). Процедура оценки описана, например, в ASTM E1356-08. ДСК может использоваться для твердых веществ, порошков и жидкостей.
Что такое температура стеклования
Температура стеклования, Tg, материала характеризует диапазон температур, в котором происходит стеклование. Она всегда ниже температуры плавления кристаллического состояния материала (если таковое существует). В температурном диапазоне стеклования полимеры переходят из твердого и жесткого состояния в более гибкое и податливое. Tg происходит в диапазоне температур, при которых подвижность полимерных цепей значительно возрастает.
Термопласты, такие как полистирол (PS) и поли(метилметакрилат) (PMMA), обычно используются ниже температуры стеклования, то есть в стеклообразном состоянии.
Эластомеры, такие как полиизопрен и бутадиеновый каучук (BR), используются выше Tg, где они становятся мягкими и эластичными.
Приложение
Исследование влияния влаги на температуру стеклования сорбита
Сорбит используется в качестве заменителя сахара во многих сладостях, диетических продуктах и лекарствах. Доля воды в сорбите 10% приводит к снижению температуры стеклования примерно на 24 К (средние температуры) по сравнению с безводным сорбитом. Оба образца остаются полностью аморфными после быстрого охлаждения из расплавленного состояния (которое происходило до начала нагрева).
Измерения проводились при скорости нагрева 10 К/мин в атмосфере азота. Герметичные емкости для образцов, изготовленные из алюминия, закрывались крышкой с проколом. Масса образцов составляла примерно 12 мг ± 1 мг.
с помощью динамического механического анализа (ДМА)
(например, ASTM 1640)
Метод ДМА (например, ASTM E1640-09) - это очень чувствительный метод определения температуры стеклования (например, 1640-94). Он представляет собой альтернативную процедуру определения стеклования по сравнению с дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК) (ISO 11357-2). При измерениях ДМА Tg можно наблюдать в экстраполированном начале сигмоидального изменения модуля упругости E', пике модуля потерь E'' и пике tanδ.
DMA может использоваться для неармированных и наполненных полимеров, пен, каучуков, клеев и армированных волокнами пластиков/композитов. Различные режимы (например, изгиб, сжатие, растяжение) динамического механического анализа могут быть применены в зависимости от формы исходного материала.
Приложение
Стеклование каучука
Динамический механический анализ (ДМА) регистрирует зависящие от температуры вязкоупругие свойства материала (жесткость, E' и модуль потерь, E'', мера энергии колебаний) и определяет модуль упругости и демпфирование (tanδ) путем приложения к образцу колеблющейся силы.
Температура стеклования, Tg, гидрогенизированного акрилонитрил-бутадиенового каучука (HNBR) была определена в режиме растяжения с помощью динамического механического анализа, DMA. Измерения проводились при скорости нагрева 2 К/мин, частоте 1 Гц и амплитуде ±20 мкм в диапазоне температур от -90°C до 40°C. Экстраполированное начало, определенное в модуле упругости E', пик в модуле потерь E'' и пик на кривой tanδ соответствуют температуре стеклования, Tg, этого резинового материала (с применением соответствующих оценочных соглашений).
с помощью дилатометрии (DIL)/термомеханического анализа (TMA)
(например, ASTM E831)
В дилатометрах (DIL) и термомеханических анализаторах (TMA, оба описаны в ASTM E 473 - 11a) стеклование соответствует перегибу в изменении размеров (например, ASTM E1545. Он регистрируется как экстраполированное начало перегиба в экспериментальной кривой DIL/TMA и отображается как функция температуры. Чтобы сделать это определение воспроизводимым, необходимо указать скорость охлаждения или нагрева. Например, ASTM E1545 описывает определение стеклования с помощью ТМА.
Приложение
Определение стеклования с помощью дилатометрии
Измерение DIL на материале из натурального каучука между -120°C и 20°C при скорости нагрева 3 К/мин в атмосфере гелия. длина образца составила 2 мм. Экстраполированная температура начала процесса -62°C соответствует стеклованию (Tg). В аморфных материалах, таких как резина, это обратимый переход. Материал переходит из твердого и относительно хрупкого состояния в мягкое или резиновое.