聚合物玻璃化转变温度的几种测定方法简介

2016-03-31  浏览量:4391

概述:

玻璃化转变是指无定形聚合物或半结晶聚合物中的无定形区域从粘流态或橡胶态到硬的、相对脆的玻璃态或者从硬的、相对脆的玻璃态到粘流态或橡胶态的一种可逆变化。相应地,玻璃化转变温度(Tg)是指发生玻璃化转变的温度范围的近似中点的温度。

 

聚合物在发生玻璃化转变时,诸多性能都会发生很大变化,如模量等力学性能、比热、比热容等,利用玻璃化转变过程中某些宏观物理性质的变化即可测量Tg。目前最常用的测定Tg技术有以下几类,分别是热学分析的差示扫描量热法(DSC)热机械分析法(TMA)动态热机械分析(DMA)

 

原理介绍:

DSC测Tg原理:根据聚合物在Tg前后比热会发生较大变化,使用DSC等可检测到这种热效应,在等速升温时表现在曲线上是一个吸热方向的台阶。以台阶前后两条外推基线分别与曲线拐点处切线的两个交点的温度平均值作为Tg。典型曲线如图1:

 

材料热分析

图1. DSC曲线

 

TMA测Tg原理:TMA是测定材料膨胀系数常用的一种方法。根据聚合物在Tg前后膨胀系数发生明显变化来测定Tg。在TMA曲线上表现为在某温度区间内的一个弧线,该弧线前后切线的交叉点即为Tg。典型曲线如图2:

 

材料热分析

图2. TMA曲线

 

DMA测Tg原理:DMA是对试样施加恒定振幅的正弦交变应力,观察应变随温度或时间的变化规律,从而计算力学参数用以表征材料粘弹性的一种试验方法。在聚合物玻璃化转变过程中,其粘弹性有很大改变,从而可用DMA测定Tg。DMA曲线通常有储能模量、损耗模量、损耗因子这三个信号,对应的Tg也可有三种取法,分别为存储模量的台阶式下降曲线部分的起始点、损耗模量的峰值温度、损耗因子的峰值温度。典型曲线如图3:

 

材料热分析

图3. DMA曲线

 

测定方法比较:

 

方法 优点 缺点
DSC 样品制备方便 对填充和热效应变化小的样品确定较困难;受热历史影响较大。
TMA 样品制备相对容易,更适合测薄膜 Tg以上要有较高粘度,不宜测填充材料,受热历史影响较大。
DMA 灵敏度高 测试耗时长,制样复杂。

 

小结:

由于玻璃化转变是在一个温度区间发生的,使用不同的测定方法测定的物理量实际上是不同的,所以测得的Tg数值也不同。因此,在标出某种材料的玻璃化转变温度时,必须注明测定的方法和条件,不同方法条件之间的结果是不能相互比较的。

 

参考文献:

徐颖、张勇: 《测量玻璃化转变温度的几种热分析技术》

GB/T 19466.2-2004 塑料 差示扫描量热法(DSC)第2部分:玻璃化转变温度的测定

IPC-TM-650 2.4.24C Glass Transition Temperature and Z-Axis Thermal Expansion by TMA

ISO 6721-11:2012  Plastics. Determination of dynamic mechanical properties. Part 11:Glass transition temperature

 

*** 结束 ***

 

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