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在实际应用中,如何调节高分子材料的玻璃化转变温度?

2018-09-27  浏览量:245

高分子材料热性能是材料性能的重要参数,决定材料的用途,还能够用于工业质量控制及产品研发。 玻璃化转变温度决定了材料的工艺性能和使用性能,它是聚合物材料的一个重要特性参数,是聚合物材料高分子链运动形式转变的宏观表现,因此,检测高分子材料的玻璃化转变温度十分必要。

 

首先,我们需要了解玻璃化转变温度的相关概念,有利于我们更好的理解后面所讲的在实际应用中去调节高分子材料的玻璃化转变温度。

 

1. 玻璃化转变温度

高分子材料的玻璃化转变温度(通常称为Tg),定义为高分子材料从硬脆的玻璃态转变为柔软的,类似橡胶的高弹态时的温度。一般而言,玻璃化转变温度是热塑性塑料的使用上限温度,是橡胶或者弹性体的使用下限温度。

 

2. 玻璃化转变温度曲线

对于非晶聚物,对它施加恒定的力,观察它发生的形变与温度的关系,通常特称为温度形变曲线或热机械曲线。(如下图所示)

 

 

·在温度较低时,材料为刚性固体状,与玻璃相似,在外力作用下只会发生非常小的形变,此状态即为玻璃态

 

·当温度继续升高到一定范围后,材料的形变明显地增加,并在随后的一定温度区间形变相对稳定,此状态即为高弹态

 

·温度继续升高形变量又逐渐增大,材料逐渐变成粘性的流体,此时形变不能恢复,此状态即为粘流态

 

我们通常把玻璃态与高弹态之间的转变,称为玻璃化转变,它所对应的转变温度即是玻璃化转变温度,或是玻璃化温度

 

无定型的非晶聚合物通常只有一个玻璃化转变温度;而对于结晶聚合物而言,通常会存在一个熔点(Tm)和一个典型的玻璃化转变温度,因为对于结晶型聚合物而言,通常不会达到百分百结晶,其中仍含有无定形部分。

 

在高分子改性和应用中,经常需要控制或改变材料的玻璃化转变温度,使其能够满足使用性能的要求。那么,在实际应用中该如何调节高分子材料的玻璃化转变温度呢?

 

高分子材料的玻璃化转变温度(Tg)的影响因素除自身的分子结构和分子运动外主要有:

 

①共聚   ②交联   ③分子量   ④增塑剂和稀释剂

 

通过对玻璃化转变现象以及玻璃化转变温度影响因素的学习和了解,可以选择适当的方法来有效地控制高分子的玻璃化转变温度:

 

(1)增塑

在高分子中加入增塑剂的主要目的是为了降低高分子的Tg温度和加工温度,因为加入增塑剂后可以使分子链之间的相互作用力减弱。

 

(2)共聚

小分子增塑剂只能降低高分子的Tg,而采用共聚的方法则既可以降低也可以升高高分子的Tg。这取决于所选择的共聚单体种类和用量:

 

当需改善高分子的加工性能和柔韧性时,应降低高分子的Tg,选择具有较低t的组分与其进行无规共聚,并且通过调节共聚组分的配比来控制Tg的下降幅度。

 

当需增加高分子的刚性、机械强度和耐热性时,需提高高分子的Tg,选择具有较高Tg的组分与其进行共聚。

 

其他一些调节高分子玻璃化转变温度的方法包括交联、共混、改变分子量等。

 

而在实际应用中调节高分子材料的玻璃化转变温度实例如下:

 

1. 以丙烯酸树脂材料为例,Tg越高,涂膜越硬,抗划伤性能越强,但是涂膜不能脆;同时,制漆后,涂膜表干越好,溶剂释放越快。与此同时,Tg越高,树脂反应最终黏度越大,制漆后,耐溶剂、耐腐蚀性能越好。

 

2. 假设经检测得聚氯乙烯材料的玻璃化温度是80℃,超过此温度材料会明显软化,但是我们在生产过程中要注意,这个值不是其制品工作温度的上限。

 

3. 在生产制造中,橡胶的工作温度必须在玻璃化温度以上,否则就失去高弹性。

 

4. 在橡胶或涂料产品要特别注意Tg值的大小,不能过低,Tg过低产品就越软,其耐磨性就会较差。

 

学习了解了以上关于高分子材料玻璃化转变温度的知识,我们直观感受到了玻璃化转变温度之于产品的重要性。最后,我们通过2018注册送体验金检测实验室典型的试验案例来学习如何检测出高分子材料的玻璃化转变温度:

 

对于聚合物材料的玻璃化转变温度的测量通常有三种方法:①差示扫描量热法(DSC)②热机械分析法(TMA)③动态热机械分析法(DMA);三种测试方法均可在2018注册送体验金检测实验室进行,下面主要以差示扫描量热法为例进行案例分享。

 

高分子材料玻璃化转变温度案例详解

客户送检样品为某PU FOAM(俗称发泡剂、发泡胶等)材料,根据相关标准要求检测出该样品的玻璃化转变温度。

 

检测环境:环境温度  23.1℃;  湿度   52%R.H

 

检测标准:ASTM D7426-2008 用差示扫描量热法(DSC)测定聚合物或弹性复合材料的玻璃化转变温度(Tg)的标准试验方法

 

检测条件:在N2环境中,以20℃/min的速率从-100℃升温到0℃。

 

得到测试的曲线:

 

 

检测结果:

 

 

根据聚合物在Tg前后比热会发生较大变化,使用DSC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。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即为Tg.

 

本文主要介绍高分子材料的玻璃化转变温度的相关概念知识,供大家交流与探讨,同时2018注册送体验金检测也希望通过我们专业的检测技术手段,帮助企业更科学的在实际应用中去调节产品相应的玻璃化转变温度,使产品性能更符合生产和使用的需要,帮助企业提升产品质量。

 
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