玻璃化转变与玻璃化转变温度Tg测试方法总结

1、概念:玻璃态与高弹态之间的转变,称为玻璃化转变,对应的转变温度称为玻璃化转变温度,常用Tg表示。高分子、低分子和无机物中都存在玻璃化转变现象,聚合物中,该转变发生在非晶态高聚物和晶态高聚物的非晶部分。

2、玻璃化转变理论:

自由体积理论:高聚物冷却时自由体积减少,达到某一临界温度(玻璃化转变温度),由于分子链段运动被冻结,自由体积也被冻结并保持一恒定值,自由体积的大小及其分布也将基本维持固定,此时高聚物从高弹态转化为玻璃态,因而高聚物的玻璃态可视为等自由体积状态。但是研究发现:淬火后高聚物,在Tg以下,自由体积随着放置时间延长而不断减小,但减少的速率变慢(体积松弛现象)。这是自由体积理论的不足之处。在玻璃态下,高聚物随温度升高发生膨胀,主要包括分子振动幅度的增加和键长的变化,到玻璃化转变点,自由体积也开始解冻,链段获得足够运动能量和自由空间从冻结进入运动,发生玻璃态转变。压力增大“挤出”自由体积,是Tg升高。热力学理论:G-D理论认为:温度降低时,构象熵随着温度降低而减少,当构象熵降低至零时,物质发生玻璃化转变(构象熵随温度变化)。构象熵包括所有聚合物的构型、位置及取向。G-D理论成功地解释了高聚物玻璃化转变过程中的增塑剂效应、交联度等问题。动力学理论:高分子链段构象重排时,涉及到主链上的单键的旋转,键的旋转存在着位垒。当温度在Tg以上时,分子运动有足够的能量去克服位垒,达到平衡。当温度降低时,分子热运动的能量不足以克服位垒,于是发生分子运动的冻结。热力学理论很难说明玻璃化转变时复杂的时间依赖性,而动力学理论难以从分子结构角度预算Tg。比较完善的玻璃化转变理论应该同时考虑这两方面。

3、影响Tg的因素:主链结构的柔顺性,取代基团的空间位阻和侧链的柔顺性,分子间作用力侧基的极性,分子间氢键,共聚(内増塑作用),共混,交联(交联和共聚两种效应),分子量,增塑剂(屏蔽作用)或稀释剂,升降温速率,外力。

4、玻璃化转变温度测试方法:静态法(膨胀计法、DSC、模量温度曲线等)与动态法(动态力学法、扭摆法、扭辨法、强迫振动法等)。聚合物的玻璃化转变不是热力学的平衡过程,实验所观察到的玻璃态也非平衡态,DSC测试Tg受到升降温速率的影响:(一)升温速率越快(慢),所测得的聚合物的Tg向高(低)温方向移动,即所测Tg越高(低)。这是一种滞后现象:玻璃化转变实质是个高分子链段由冻结到运动的转变,这是一个松弛过程,转变需要一定时间,很显然,如果升温速率加快,链段的运动过程将滞后于升温过程,当链段发生玻璃化转变时,外界显示温度将高于系统内部实际转变温度,而我们无法获知该转变温度,而是以外界显示温度近似代替之,从而导致所测聚合物Tg偏高。(二)降温速率越快(慢),测得的Tg同样会越高(低)。降温速率加快,系统冷却速度就会增大大,而且这一速度将远大于系统偏离进行结构调整的速度。这样由于系统来不及进行结构调整,以形成无规固体,即玻璃态形成的倾向增强有助于形成玻璃态,从而在温度较高时就发生了玻璃化转变,玻璃化温度自然偏高。降温速越快,玻璃化转变的倾向越大,从而使Tg向高温方向移动。它实际还是一种滞后现象:系统结构调整滞后于系统冷却速度的结果。

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高分子

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