Температура стеклования полимеров

31.10.2020

В самом начале знакомства с полимерами возникает такое понятие как стеклование.

         Стеклообразное состояние полимера - это то состояние, при котором он обладает свойствами твердого тела. Стеклование присуще только полимерам с аморфной (не кристаллической) структурой. Но даже в полимере с кристаллическим строением до половины молекул могут быть в аморфном состоянии.

Температура стеклования (Т_g )  дает понятие при какой температуре данный материал переходит в стеклообразное состояние. Т_g - это одна из основных характеристик для полимеров.

По сути, как видно из названия, Т_g - это та температура, при которой материал (при остывании из горячего высокоэластичного состояния) становится стеклообразным, то есть твердым и хрупким как стекло.

Т_g  некоторых пластиков равна 100 °С. Если они используются при комнатной температуре, значит они нужны в твердом, жестком состоянии. То есть, если нагреть этот же полимер до 500 °С, он будет в высокоэластичном, может быть текучем состоянии, но если начать его понемногу остужать, то на отметке в 100 °С он станет твердым и жестким.

Точно по этой причине бампер ну или обычное пластмассовое ведро быстро трескаются на морозе. Это происходит из-за того, что  данные полимеры нельзя эксплуатировать при температуре ниже чем их собственная Т_g.

Все намного упрощается, если представлять что молекулы полимера находятся в спутанном и переплетенном состоянии. Как, например, черви в пакете). С тем лишь исключением, что молекулы не могут переползать из одного конца пакета в другой. Заморозив этот пакет, то есть, дав червям температуру ниже их температуры стеклования (если это, конечно, законно)) мы получим твердую плиту с застывшими внутри «молекулами» которую легко сломать, попытавшись  согнуть. Если же, наоборот, передавать материалу тепло (повышать кинетическую энергию молекул) он будет становиться пластичнее.

Разная Т_g у разных полимеров обусловлена размерами молекул этих полимеров, их жесткостью и наличием или отсутствием боковых групп.

Т_g определяется разными способами. Один из наиболее точных, это метод ДСК (дифференциальная сканирующая калориметрия). Суть метода в постоянной фиксации теплоемкости образца при нагревании. Когда температура образца достигает своей Т_g, его теплоемкость меняется, что и фиксирует компьютер.

Зная Т_g вашего связующего по паспорту. И замерив ее уже у отвержденного кусочка пластика, можно сделать вывод о завершенности реакции, то есть, сколько молекул сшились относительно теоретически возможной величины. Например, по паспорту Т_g эпоксидной матрицы 115 °С. Я пропитываю ею волокно, отверждаю, затем замеряю Т_g  получившегося пластика. И если она примерно 70°С,  значит,  в объеме пластика есть не сшитые молекулы, которые в относительно свободном состоянии и соответственно увеличивают пластичность всей структуры. Это все означает, что пластик не набрал всю свою возможную прочность.