玻璃化温度测量方法及测试原理


玻璃化温度表现特点,玻璃化温度测量方法及测试原理

简介


高分子聚合物玻璃化转变温度是高分子聚合物的特征温度之一。以玻璃化温度为界,高分子聚合物呈现不同的物理性质:在玻璃化温度以下,高分子材料为塑料;在玻璃化温度以上,高分子材料为橡胶。从工程应用角度而言,玻璃化温工程塑料使用温度的上限,是橡胶或弹性体的使用下限。

高分子聚合物玻璃化温度表现特点:表征方法及测试原理


1.膨胀计法

在膨胀计内装入适量的受测聚合物,通过抽真空的方法在负压下将对受测聚合物没有溶解作用的惰性液体充入膨胀计内,然后在油浴中以一定的升温速率对膨胀计加热,记录惰性液体柱高度随温度的变化。由于高分子聚合物在玻璃化温度前后体积的突变,因此惰性液体柱高度-温度曲线上对应有折点。折点对应的温度即为受测聚合物的玻璃化温度。

 

2.折光率法

利用高分子聚合物在玻璃化转变温度前后折光率的变化,找出导致这种变化的玻璃化转变温度。

 

3.热机械法(温度-变形法)

 

在加热炉或环境箱内对高分子聚合物的试样施加恒定载荷;记录不同温度下的温度-变形曲线。类似于膨胀计法,找出曲线上的折点所对应的温度,即为:玻璃化转变温度。

 

4.DTA法(DSC)

以玻璃化温度为界,高分子聚合物的物理性质随高分子链段运动自由度的变化而呈现显著的变化,其中,热容的变化使热分析方法成为测定高分子材料玻璃花温度的一种有效手段。目前用于玻璃化温度测定的热分析方法主要为差热分析(DTA和差示扫描量热分析法(DSC)。以DSC为例,当温度逐渐升高,通过高分子聚合物的玻璃化转变温度时,DSC曲线上的基线向吸热方向移动(见图)。图中A点是开始偏离基线的点。将转变前后的基线延长,两线之间的垂直距离为阶差ΔJ,在ΔJ/2 处可以找到C点,从C点作切线与前基线相交于B点,B点所对应的温度值即为玻璃化转变温度Tg。

 

5.动态力学性能分析(DMA)法

高分子材料的动态性能分析(DMA)通过在受测高分子聚合物上施加正弦交变载荷获取聚合物材料的动态力学响应。对于弹性材料(材料无粘弹性质),动态载荷与其引起的变形之间无相位差(ε=σ0sin(ωt)/E)。当材料具有粘弹性质时,材料的变形滞后于施加的载荷,载荷与变形之间出现相位差δ:ε=σ0sin(ωt+δ)/E。将含相位角的应力应变关系按三角函数关系展开,定义出对应与弹性性质的储能模量

G’=Ecos(δ)

 

和对应于粘弹性的损耗模量

 

G”=Esin(δ)

 

E因此称为绝对模量

 

E=sqrt(G’2+G”2)

 

由于相位角差δ的存在,外部载荷在对粘弹性材料加载时出现能量的损耗。粘弹性材料的这一性质成为其对于外力的阻尼。阻尼系数

 

γ=tan(δ)=G’’/G’

 

由此可见,高分子聚合物的粘弹性大小体现在应变滞后相位角上。当温度由低向高发展并通过玻璃化转变温度时,材料内部高分子的结构形态发生变化,与分子结构形态相关的粘弹性随之的变化。这一变化同时反映在储能模量,损耗模量和阻尼系数上。下图是聚乙酰胺的DMA曲线。振动频率为1Hz。在-60和-30°C之间,贮能模量的下降,阻尼系数的峰值对应着材料内部结构的变化。相应的温度即为玻璃化转变温度Tg。

 

 

6.核磁共振法(NMR)

 

温度升高后,分子运动加快,质子环境被平均化(处于高能量的带磁矩质子与处于低能量的的带磁矩质子在数量上开始接近;N-/N+=exp(-E/kT)),共振谱线变窄。到玻璃化转变温度,Tg时谱线的宽度有很大的改变。利用这一现象,可以用核磁共振仪,通过分析其谱线的方法获取高分子材料的玻璃化转变温度。
塑料玻璃化温度表现特点,玻璃化温度测量方法及测试原理

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