Что такое температура стеклования?

Температура стеклования: определение, факторы и преимущества и недостатки

Термин «температура стеклования» (Tg) относится к температуре, при которой аморфный твердый материал переходит из твердого, хрупкого состояния в более мягкое, более пластичное состояние, напоминающее переохлажденную жидкость.

Это явление происходит потому, что связи между молекулярными цепями становятся менее жесткими и более подвижными. Любой, кто хочет обрабатывать или производить стеклообразные и полимерные материалы, должен знать свойства Tg.

Многие промышленные, технологические и научные области нуждаются в материалах с измеренными, стабильными и контролируемыми значениями Tg.

Молекулярная масса, химический состав, тепловой фон и факторы окружающей среды влияют на Tg. Дизайн, оптимизация и характеристики материалов могут значительно выиграть от понимания Tg и его основных принципов.

В этой статье будет определена температура стеклования и объяснено, как она работает, ее последствия и преимущества ее использования.

Что такое температура стеклования?

Температура стеклования — это точка, ниже которой полимер или другой некристаллический материал переходит из жесткого, стеклообразного состояния в эластичное или вязкое состояние.

Это физическое изменение вызвано тем фактом, что полимерные цепи становятся более подвижными при повышении температуры.

Tg можно измерить с помощью таких методов, как дифференциальная сканирующая калориметрия и динамический механический анализ. Это жизненно важное свойство для понимания поведения и переработки полимеров.

Является ли Tg таким же, как температура стеклования?

Да, Tg является общепринятым условным обозначением температуры стеклования, поэтому они являются взаимозаменяемыми терминами.

Tg — это температура, при которой аморфный материал переходит из жесткого, стеклообразного состояния в более гибкое, эластичное состояние.

Физические характеристики материала, такие как его вязкость и коэффициент теплового расширения, изменяются при этом переходе. Научные и инженерные сообщества обычно принимают для этого термина аббревиатуру «Tg».

Какие единицы используются для температуры стеклования?

Температура стеклования может быть выражена в градусах Цельсия (°C), градусах Фаренгейта (°F) и кельвинах (K).

Эта температура представляет собой точку, при которой нагревание или охлаждение заставляет аморфный материал переходить из твердого, стеклообразного состояния в эластичное, вязкое состояние.

При температуре стеклования энергия, содержащаяся в полимерных цепях, начинает соответствовать или превышать энергию, содержащуюся в их межмолекулярных связях.

Это приводит к увеличению молекулярной подвижности и постепенному переходу от жесткого состояния к более гибкому. Ниже Tg вещество находится в стеклообразном состоянии с высокоупорядоченной, жесткой и хрупкой структурой.

Гибкость и молекулярная подвижность материала увеличиваются по достижении Tg, что позволяет ему деформироваться под нагрузкой или течь при сдвиге.

Переход определяется внутренней энергией внутри молекулярных цепей; когда они становятся более подвижными, они изменяют общие физические характеристики полимера.

Температура стеклования

Tg важна из-за того, как она влияет на механические, термические и технологические характеристики полимеров. Значение Tg, например, может определять диапазон температур, в котором полимер считается стабильным и сохраняет свои механические свойства.

Полимер будет твердым и хрупким ниже Tg и мягким и деформируемым выше Tg. Tg также влияет на переработку полимеров, поскольку определяет диапазон температур, при котором форма изделия может быть изменена без существенных изменений его общей формы.

Температура стеклования также может влиять на срок годности продукта, поскольку полимеры могут портиться или изменяют форму при хранении при температуре выше Tg.

Важность Tg в 3D-печати

Температура, при которой любой материал печатается на 3D-принтере и охлаждается, может влиять на его размерную стабильность, жесткость и ударную вязкость.

Обе стороны температуры стеклования могут влиять на отпечатки. Если они слишком холодные, слои могут треснуть или не соединиться вместе.

Если они слишком горячие, деталь может деформироваться, деформироваться или просто разрушиться под собственным весом.

Материалы PLA, например, могут размягчаться и деформироваться при относительно низких температурах из-за низкой Tg около 55–60°C.

В противоположность этому ABS имеет Tg около 105°C, что делает его более устойчивым к короблению и деформации во время печати.

Как Tg материала для 3D-печати влияет на его возможности в печати?

Диапазон температур, при которых материал для 3D-печати можно экструдировать, плавить и сплавлять в слои, зависит от его Tg (температуры стеклования).

Материал не будет течь должным образом, если температура слишком низкая, что приведет к хрупкости и слабости отпечатков. Если она слишком высока, материал будет портиться и создавать поверхности с плохой адгезией.

Как скорость охлаждения при 3D-печати влияет на Tg?

Скорость охлаждения во время 3D-печати может существенно повлиять на температуру стеклования печатных деталей. Tg имеет тенденцию повышаться при более медленных скоростях охлаждения и падать при более высоких скоростях охлаждения.

Это связано с тем, что более медленные скорости охлаждения дают молекулярным цепям больше времени для выравнивания и создания более прочных связей, увеличивая Tg.

С другой стороны, если материал быстро остывает, молекулы не успевают достичь оптимального выравнивания, поэтому их связи слабее. В зависимости от конкретного печатного материала и условий печати точное влияние скорости охлаждения на Tg может меняться.

Может ли Tg обеспечить долговечность 3D-печатных деталей?

Нет, Tg не может влиять на стабильность и долговечность напечатанной на 3D-принтере детали, хотя это важное свойство материала.

Другие свойства, а также параметры печати и особенности дизайна также влияют на производительность печатного изделия.

Однако существуют методы и инструменты, которые могут помочь вам предсказать прочность и устойчивость деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Например, анализ конечных элементов (FEA) может моделировать механическое поведение напечатанной на 3D-принтере детали в различных условиях, таких как статические и динамические нагрузки, изменения температуры и влажности, а также воздействие различных сред.

Анализируя результаты МКЭ, вы можете получить представление о распределении напряжений и деформаций внутри детали, определить возможные режимы отказа и оптимизировать конструкцию и выбор материалов для повышения стабильности и долговечности.

Можно ли химически изменить Tg материала для 3D-печати?

Да, изменив химический состав, вы можете изменить Tg материала, используемого для 3D-печати. Изменение его химического состава или простое добавление химических веществ изменит его свойства.

Например, вы можете увеличить температуру стеклования PLA-печати, добавив добавки, но это также может поставить под угрозу ее прочность и тугоплавкость.

Какие существуют методы измерения температуры стеклования?

Различные методы измерения температуры стеклования перечислены ниже:

1. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR): FTIR измеряет изменения в молекулярных колебаниях, которые происходят вблизи Tg.
2. Термомеханический анализ (ТМА): Tg рассчитывается по графику зависимости теплового расширения или сжатия материала от температуры. Изменение наклона кривой указывает на точку Tg. ТМА измеряет изменение размеров образца при его нагревании или охлаждении.
3. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК): ДСК измеряет стеклование, предоставляя данные о поглощении или выделении энергии во время перехода.
4. Динамическая сорбция паров (DVS): DVS рассчитывает изменение сорбционных свойств или способности полимера поглощать водяной пар в зависимости от температуры.
5. Динамический механический анализ (DMA): процесс DMA деформирует полимер синусоидально, чтобы измерить его механические свойства. Tg материала появляется на пике его модуля упругости.
6. Диэлектрический анализ (DEA): это способ измерения электрических свойств полимера в зависимости от температуры. Значительное увеличение диэлектрической проницаемости и появление пика диэлектрических потерь связаны со стеклованием.

Какое отношение Tg имеет к свойствам полимерных материалов?

Температура стеклования, также известная как критическая температура, представляет собой точку, при которой полимерные материалы переходят из стеклообразного состояния в эластичное состояние.

Этот переход изменяет жесткость, пластичность и проводимость полимера, а также другие тепловые, электрические и механические свойства.

Условия обработки и конечное применение полимерных материалов во многом зависят от значения Tg. Значение Tg является ключевым фактором при разработке и выборе материалов, поскольку оно влияет на их стабильность, долговечность и срок годности.

Полимерные материалы подпадают под следующие три категории, но температура стеклования применяется не ко всем из них.

1. Кристаллические полимеры

Поскольку кристаллические полимеры не имеют четко определенной Tg, эти измерения к ним неприменимы. Вместо этого кристаллические полимеры характеризуются другими свойствами.

2. Полукристаллические полимеры

Полукристаллические полимеры представляют собой вещества, содержащие как неупорядоченные аморфные, так и упорядоченные кристаллические области.

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) или динамический механический анализ (ДМА) используется для измерения температуры стеклования таких полимеров. Полукристаллический полимерный полиэтилен с Tg около -100°C является одним из распространенных примеров.

3. Аморфные полимеры

Аморфные полимерные материалы переходят из твердого, хрупкого состояния в эластичное, гибкое состояние при температуре, известной как температура стеклования.

Для определения этого значения можно использовать динамический механический анализ (ДМА), термомеханический анализ (ТМА), дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК) и другие методы. Например, в полистироле эта температура составляет около 100 °C.

Какие факторы влияют на значение Tg материала?

На значение Tg материала могут влиять следующие факторы:

1. Давление

Высокое давление может повысить значение Tg материала за счет сжатия полимерных цепей и увеличения их жесткости.

2. Влага

Содержание влаги может влиять на значение Tg материала, поскольку оно может пластифицировать полимер. Молекулы воды могут прерывать силу межмолекулярного связывания и увеличивать объем между полимерными цепями, что в конечном итоге приводит к снижению значения Tg.

3. Состав

Значение Tg материала может варьироваться в зависимости от его состава. Например, материал может быть изготовлен из двух разных гомополимеров. Диапазон значений Tg для всей структуры может быть шире, чем у материала, состоящего только из гомополимера А или гомополимера В. Добавление различных наполнителей или добавок также может влиять на значение Tg материала.

4. Молекулярный вес

Как правило, полимеры с более высокой молекулярной массой также имеют более высокие значения Tg, потому что их межмолекулярные силы сильнее и требуют больше энергии для разрушения.

5. Химическая структура

Значение Tg полимера может варьироваться в зависимости от его химического состава. Поскольку они имеют больший свободный объем и менее плотно упакованы, полимеры с гибкими основными цепями имеют более низкие значения Tg.

6. Пластификаторы

Пластификаторы увеличивают свободный объем между полимерными цепями и уменьшают межмолекулярные силы. Это также приводит к снижению значения Tg.

7. Кристалличность

Высококристаллические полимеры имеют более жесткую, упорядоченную структуру и более высокие значения Tg.

8. Полярные группы

Межмолекулярные взаимодействия между полимерными цепями можно существенно изменить, если мономер модифицировать полярными группами. В частности, тип и количество полярных групп, включенных в полимер, могут быть изменены для изменения значения Tg.

9. Химическая сшивка

Сшивание может повысить значение Tg полимера, поскольку оно ограничивает молекулярное движение и делает полимер более жестким.

10. Термическая история

Термическая история полимера может изменить его значение Tg. Значение Tg полимера, например, может быть ниже, если он охлаждается быстро, чем если он охлаждается медленно.

Как Tg влияет на прочность и долговечность полимерных изделий?

Tg влияет на прочность и долговечность полимерных изделий. Полимеры с более высокими значениями Tg служат дольше, поскольку они более устойчивы к деформации ползучести и обладают лучшими механическими свойствами при более высоких температурах.

Преимущества температуры стеклования

Температура стеклования (Tg) является неотъемлемым свойством аморфных материалов. Есть несколько причин, по которым вы хотели бы это знать:

1. Прогнозирование механических свойств: свойства материала можно предсказать на основе температуры. Материал эластичный и гибкий выше Tg, но жесткий и хрупкий ниже Tg.
2. Стабильность: Tg также указывает на термическую стабильность материала. Материалы с более высокой Tg могут выдерживать более высокие температуры, прежде чем претерпят значительные структурные изменения, и более устойчивы к термическому разложению.
3. Обработка: Tg используется для определения идеального диапазона температур обработки для предотвращения структурных изменений в материале и сохранения желаемых свойств.
4. Срок годности: Tg также можно использовать для оценки срока годности материала. Материалы с более низкой Tg более подвержены структурным изменениям с течением времени, что приводит к сокращению срока годности.

Недостатки температуры стеклования

Материалы с температурой стеклования имеют много полезных применений в материаловедении и технике, но они также имеют свои недостатки. Вот несколько примеров:

1. Ограниченная применимость: концепция Tg применима только к материалам, которые подвергаются стеклованию, и не может использоваться для объяснения поведения таких веществ, как металлы и керамика.
2. Чувствительность к пробоподготовке. Термическая предыстория и подготовка материала могут влиять на его Tg. Сравнивать данные из разных источников может быть сложно, поскольку разные методы измерения Tg могут давать противоречивые результаты.
3. Зависимость от состава: Общая Tg может зависеть от молекулярной массы полимера или количества добавок в стекле. Это означает, что Tg не всегда может быть надежным показателем поведения материала.
4. Неполная характеристика: Tg — это лишь один из многих атрибутов, характеризующих поведение материала. Он не дает полной картины его механических или тепловых характеристик.

Является ли Tg показателем жесткости материала?

Нет, температура стеклования материала не является прямым показателем жесткости, но может быть связана с жесткостью.

Температура стеклования — это точка, при которой материал переходит из стеклообразного в каучукоподобное состояние, влияя на его механические свойства.

Является ли Tg температурой, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое?

Нет, температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое, не совпадает с Tg.

Скорее, Tg представляет собой температуру, при которой материал переходит из стеклообразного состояния в каучукоподобное состояние, на что указывает изменение механических свойств, таких как жесткость и вязкость.

Влияет ли Tg на способ производства и обработки полимеров?

Да, Tg оказывает значительное влияние на производство и переработку полимеров.

Tg определяет диапазон температур обработки полимера и влияет на то, как вещество ведет себя во время охлаждения и затвердевания, что, в свою очередь, влияет на его механические и физические характеристики. Различные методы обработки и факторы окружающей среды также могут влиять на Tg полимера.

Можно ли изменить температуру стеклования материала в процессе его синтеза?

Да, изменение химического состава или условий обработки во время синтеза изменяет температуру стеклования материала. Например, добавление пластификаторов может снизить Tg, в то время как усиление сшивки может повысить ее.

В чем разница между температурой стеклования и температурой плавления?

Температура, при которой материал проходит через обратимый переход из твердого, хрупкого состояния в более эластичное, гибкое состояние, известна как температура стеклования.

Температура, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления (Tm). Поведение гибкого материала отличается от поведения жидкости.

В этой статье представлена ​​температура стеклования, объясняется, что это такое, обсуждаются ее факторы и преимущества.