Teplota skelného přechodu polymerů

Přechodová teplota skelného přechodu je teplota, při které amorfní nebo semikrystalický polymer přechází z křehkého stavu do gumoelastického stavu. V tomto rozsahu se molekulová mobilita polymerových řetězců dramaticky mění, což vede ke změně mechanických vlastností. Na rozdíl od krystalických látek nemají amorfní materiály řádnou krystalovou mřížku, ale spíše neuspořádané molekulární řetězce.

Polymery

Polymery jsou velké, řetězovité makromolekuly, které se skládají z mnoha podobných monomerů. Polymery, rovněž nazývané plasty, mohou být uměle produkovány, ale rovněž se nacházejí v přírodě, např. v polysacharidech nebo polypeptidech. Amorfní a semikrystalické polymery mají takzvanou teplotu skelného přechodu (T_g). Když jsou tyto amorfní nebo semikrystalické polymery zahřáty, vazby nesprávně polymerních řetězců přítomných ve fázi amorfní spolu s vazbami mezi nimi jsou sníženy. Polymer se stává měkčím a deformovatelným, dokud nebude měkký, gumovitý a deformovatelný nad T_g . Umělé polymery lze rozdělit do následujících kategorií na základě jejich mechanických vlastností:

• Termoplasty: U termoplastů jsou polymery uspořádány v řetězech, které nejsou vzájemně spojeny. Při aplikaci tepla se roztaví nebo deformují. Dále jsou rozděleny na amorfní (bez krystalové struktury) a semikrystalické termoplasty. Polokrystalické znamená, že mají ve své molekulární struktuře jak amorfní (neuspořádanou), tak krystalickou (uspořádanou) oblast. Provozní teplota termoplastů se obvykle pohybuje mezi -40 °C a 150 °C.
• Duroplasty: U duroplastů mají polymery velmi silné vazby a každý monomer má více než dvě vazby na jiné monomery. Tím se vytvoří pevně propojené 3D vazby podobné mřížce. Jsou tvrdé, křehké a teplotně odolné. Rozsah provozních teplot duroplastů se může značně lišit v závislosti na typu. Některé duroplasty vydrží teploty až 300 °C nebo vyšší, zatímco jiné již mohou selhat při nižších teplotách.
• Elastomery: Elastomery jsou smíšenou formou termoplastu a duroplastu s ohledem na vazebnou strukturu jednotlivých molekulárních řetězců. Skládají se z delších částí řetězu a rovněž ze širokého propletení 3D vazeb. Jsou elastické, tj. po deformaci znovu odhadnou svůj původní stav. Rozsah provozních teplot elastomerů se značně liší v závislosti na typu elastomeru. Typické provozní teploty mohou být mezi -50 °C a 150 °C.

Výroba: Polymerizace, polykondenzace, polypřidání

Existují různé výrobní procesy pro přeměnu monomerů na polymery. Monomery jsou malé chemicky reaktivní molekuly se schopností vzájemně se zkombinovat a vytvořit polymery navázáním (polymerizací). Volba metody závisí na monomerech, požadované molekulární struktuře a požadavcích na produkt. Základním požadavkem je však vždy přítomnost monomeru s alespoň jednou dvojitou vazbou, aby bylo možné spustit řetězovou reakci.

Polymerizace rozlišuje mezi radikální a iontovou (kationtovou nebo aniontovou) polymerizací. Proces samotné polymerizace je rozdělen na začátek řetězce, růst řetězce a ukončení řetězce. Kationt se přidává k monomeru, např. ethylenu, aby se započal řetězec během kationtové polymerace. Kladně nabitý kationt reaguje s monomerem a vytváří s ním vazbu. Původně existující dvojitá vazba mezi atomy uhlíku monomeru je v důsledku toho ztracena a je obsazena vazbou kationtu. Kladný náboj, který z toho plyne, z něj dělá kationt samotný. Umožňuje to integraci dalšího monomeru, který pokračuje v nekonečných krocích.

Růst řetězce se přeruší pouze přidáním aniontu, čímž se vytvoří koncový produkt, např. polyetylén. Během polymerizace se však vytvářejí pouze dlouhé řetězce, a proto mohou být pomocí této metody vyráběny pouze termoplasty. Pro polykondenzaci a přidání polykondenzace se používají monomery, které mají více než dvě funkční skupiny, s nimiž lze na konci vytvářet 3D vazby. V závislosti na velikosti monomerů to vede buď k duroplastu (malé monomery, protože síťka je těsná), nebo elastomerům (velké monomery, protože síťka je široká). Během polykondenzace je jedna molekula rovněž rozdělena jako vedlejší produkt.

Jaké materiály mají teplotu skelného přechodu

Teplotu skelného přechodu má nejen sklo, ale rovněž jiné amorfní nebo semikrystalické materiály, jako jsou polymery, které se rovněž označují jako T_g. Teplota skelného přechodu T_g je důležitou termodynamickou vlastností polymeru, která je úzce spojena s jeho strukturou a vlastnostmi. Nesmí být zaměňováno s teplotou tání, při které materiál přechází z pevného stavu do kapalného stavu. Jedná se o dva různé procesy, protože k rozpuštění krystalické mřížky je zapotřebí energie přiváděná během tání – na rozdíl od skelného přechodu. Je však možné, že materiál má jak teplotu skelného přechodu, tak teplotu tavení.

Měření teploty skelného přechodu

Existují různé způsoby, jak určit teplotu skelného přechodu z různých materiálů:

• Spektroskopie FTIR: Měří změny molekulárních vibrací, ke kterým dochází v blízkosti T_g.
• Termomechanická analýza (TMA): Je identifikován výskyt charakteristické změny v průhybu vzorku. Jakmile se blíží T_g, vzorek začne měknout a deformovat se, což vede k viditelnému zvýšení deflexe.
• Dynamická diferenciální kalorimetrie (DSC): Je měřena energie absorbovaná nebo uvolněná během přechodu.
• Dynamická sorpce par (DVS): Tato metoda měří změnu sorpčního chování (schopnost polymeru absorbovat vodní páru).
• Dynamická mechanická analýza: Polymer je deformován prostřednictvím pravidelné deformace nebo oscilace. _Tg je identifikován ve schématu DMA jako bod, ve kterém se významně zvyšuje fázový posun vzorku nebo se výrazně mění jeho elastické vlastnosti.
• Dielektrická analýza (DEA): T_g je často identifikován jako bod, ve kterém dielektrické vlastnosti, zejména ztrátový faktor, vykazují ostrý nárůst nebo změnu.

Faktory vlivu na teplotu skelného přechodu

Znalost teploty skelného přechodu hraje klíčovou roli při výběru správného polymerového materiálu pro určité aplikace. Teplota skelného přechodu je ovlivněna různými faktory:

Molekulární hmotnost

Teplota skelného přechodu závisí na molekulární hmotnosti příslušného polymeru. Molekulární hmotnost určuje délku dlouhých řetězců generovaných během tvorby polymerů. Vyšší molekulární hmotnosti obecně vedou k vyšším teplotám skelného přechodu, protože delší polymerové řetězce vyžadují více energie k pohybu.

Chemická struktura

Typ a síla chemických vazeb a funkčních skupin v polymeru ovlivňují jeho teplotu skelného přechodu. Polymery se silnějšími vazbami mají často vyšší hodnoty T_g.

Krystalita

Amorfní plasty, které nemají řádovou křišťálovou strukturu, mají tendenci mít nižší teploty skelného přechodu ve srovnání se semikrystalickými polymery. Krystalické oblasti jsou silně objednány a zůstávají tak i po překročení T_g. Tvoří strukturu materiálu a zajišťují, že semikrystalické materiály mohou být stále používány nad jejich T_g .

Tuhost řetězce

Polymery, jejichž řetězy jsou flexibilní a mají vysokou volnost pohybu, mají tendenci mít nižší hodnoty T_g. Pevné polymerové řetězce vyžadují více energie k pohybu, což vede k vyšším hodnotám T_g.

Plniče a přísady

Přidání plniv, plastifikátorů nebo jiných aditiv může ovlivnit teplotu skelného přechodu úpravou polymerové struktury těmito látkami. Mnoho plniv, zejména anorganická plniva, jako jsou skleněná vlákna, uhlíková vlákna nebo minerály, může významně zlepšit mechanické vlastnosti polymeru. Působí jako výztužné prvky a zvyšují pevnost v tahu, pevnost v ohybu a tvrdost polymeru. Plniva mohou také zvýšit tuhost polymeru omezením pružnosti polymerních řetězců. Zvýšením tepelné vodivosti mohou rovněž zvýšit teplotní stabilitu polymeru.

Aditiva se často používají ke zlepšení zpracovatelnosti polymeru. Příkladem jsou plastifikátory. Ovlivňují polymerovou strukturu interakcí mezi polymerovými řetězci a uvolněním jejich vazeb. Vede to ke snížení T_g a zvýšení polymerové flexibility. Například antioxidanty a UV stabilizátory lze rovněž použít k ochraně polymerové struktury před stárnutím a degradací působením světla, tepla nebo kyslíku.

Vliv na zpracování

Přechodová teplota skla rovněž ovlivňuje zpracování polymerů. Při teplotách nad T_g mohou být polymery vytvářeny snadněji, zatímco zpracování může být obtížnější pod T_g, protože polymer je křehký a láme se snadno. T_g vlivy, například:

• volba technologie zpracování,
• teplotu zpracování a
• parametry zpracování, jako je rychlost, tlak a chlazení.

Termoplastické polymery, jako je polystyren, mohou být snadno zpracovány nad T_g. Polystyren je poté ve tekutém stavu a snadno tvarovatelný, což je důvod, proč lze jako způsob zpracování použít tvarování vstřikováním, extruzi nebo termoformování. Tvrdý polyethylen je vhodný rovněž pro foukací formy, protože se může dobře roztavit a téct při vyšších teplotách, což je vhodné pro výrobu lahví, kanystrů a nádob na balení potravin.

Společnost MISUMI dodává portfolio plastů s různými vlastnostmi.