ポリマーの融点、結晶化そしてガラス転移温度

融解及び結晶化

固体から液体への固体の物理的状態の変化は、融解として知られています。 供給された熱によって結晶格子が溶解し、溶融プロセス全体で材料の温度が一定に保たれます。 したがって、定義された融解温度があります。

一次相転移、すなわち非晶質液体状態から結晶状態への転移は、結晶化と呼ばれます。 これは動力学的に制御されたプロセスであり、主に核形成に依存します。 したがって、結晶化温度は、熱力学的に制御された融解温度よりも常に低くなります。

ガラス転移

一方、ポリマーなどの非結晶性材料にはガラス転移があります。 これは、完全にまたは部分的に非晶質のポリマーが、高粘性またはゴム弾性の柔軟な状態から、ガラスのようなまたは硬い弾性の脆い状態に変化する場所です。 ガラス転移を特徴付けるために、ガラス転移温度 Tg は、比熱容量の変化の半分に達する点を表します。 ガラス転移温度または軟化温度とも呼ばれます。

ガラス転移は、結晶化できない溶融物が過冷却されるときに観察されます。 その後、主鎖セグメントの再配置、側鎖の回転、末端基の回転など、いわゆる分子運動が「フリーズ」します。 これにより、弾性率、比熱容量、熱膨張係数などの機械的および熱力学的特性が急激に変化します。

冷却速度は、ガラス転移温度に大きな影響を与えます。 溶融物が急速に冷却されると、ガラス転移温度が高くなります。 非常にゆっくり冷却すると、アモルファス部分領域が生じないため、ガラス転移はみられなくなります。

多くの一般的なプラスチックは部分的に結晶性です。したがって、非晶質相が凝固するガラス転移温度があります。 同時に、結晶領域が溶解する融解温度もあります。

ポリマーはガラス転移温度で分類可能

すべてのプラスチックには特定のガラス転移があるため、これは材料を特徴付ける重要なパラメーターです。 したがって、ガラス転移温度の決定は、熱の作用下でのポリマーの寸法安定性などを示すために、熱分析でよく使用されます。

たとえば、エラストマーはゴム弾性範囲、つまりガラス転移温度以上でのみ使用されます。 対照的に、アモルファス熱可塑性樹脂は、Tg 未満でのみ使用されます。

ガラス転移はプラスチックの種類とその製造方法に依存するため、Tg を測定することで材料の変化に関する情報を得ることができます。

次の関係が存在します。:

• 化学構造：主鎖が柔軟であるほどTgが低い
• モル質量：モル質量が増加すると Tg 上昇
• 分子配向　例）ホイルのTg上昇
• 架橋：架橋の程度が増加するにつれてTg上昇
• 可塑剤：可塑剤の含有量が増加すると、Tg は低下する

プラスチックの経時変化の影響を受けてガラス転移温度付近にはエンタルピー緩和ピークが検出されることが多い。 ポリマー混合物は、Tg を使用して混合比を決定することができます。 ポリマーが相溶性がない場合、個々の成分が相分離しているように見えるため、Tgが複数検出されます。

ガラス転移温度の決定に関する詳細情報はこちらです。